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时效处理对Al-Zn-Mg合金搅拌材料工程摩擦焊接头的影响

时间:2018-07-12 19:26来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇材料工程论文,材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料。燃料和化学原料、工业化学品、食物。
本文是一篇材料工程论文,材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料。燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。材料总是和一定的用场相联系,可由一种或若干种物质构成。同一种物质,由于制备方法或加工方法不同,可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇材料工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 铝合金的应用现状
由于制造业在近些年得到快速的发展,轻量的铝合金在制造业的提速方面提供了极大的帮助,加上铝元素的大量存在,所以其生产和应用也就比其他所有有色金属加起来还要多。铝合金有诸多优点,在要求快速的今天铝合金得到了很重要的应用[1-2]。铝及铝合金部件在拥有很高强度的同时能达到很轻的重量,加上其优良的导热导电性和优良的耐腐蚀性能,使得铝合金在轨道交通、车辆制造、航空航天和建筑等各行各业都有很多的应用。由于铝的密度小、比强度高、坚固耐用、易回收等特点,铝已成为交通运输行业不可缺少的材料。铝的比重很小,铝的部件和钢铁强度相当的时候铝的自重比钢的一半还要低,这样可以很大程度上降低部件的自重。铝合金还可以适当设计合金元素的添加,再加上时效等处理方式,可以达到较理想的力学性能和组织,而且接触空气后使得铝的表层易形成氧化膜,所以耐蚀性很好。铝合金还有优良的加工性能,加工低成本和自重较低使得其成为轨道车辆提升速度和减重的良好的材料选择。在替换原有钢材使用方面有着很关键的作用。西方的车辆制造工业很兴盛,并且在很早的时候就重视铝合金在车辆制造中的轻量化及实际运行中的节约能源的前景。奥迪公司在2000年之前就实现全铝制车身汽车的制造,并将更加轻量的铝带入汽车制造的量产,在2002年奥迪推出了第2代A8ASF铝制车身[5-6]。站在未来发展的角度上,汽车制造实现轻量化和未来的发展要求不谋而合,按国内车辆制造的发展要求,铝合金在这个行业中的使用也在渐渐的变多。铝合金在船舶制造领域应用也越来越多,自从1891年瑞士建造了第一艘铝质汽艇以来,其它一些国家也相继建造了铝质艇体。但由于当时的冶炼技术落后,所生产的铝合金强度和耐腐蚀等性能较差,而限制了在造船上的应用。随着世界各国冶金工业的发展,各种强度高、耐蚀性好、可焊性优良的铝合金不断被开发出来。另外,对船舶制造减重、质量要求愈来愈高,从而使铝合金在船舶制造上的使用逐渐变多。
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1.2 Al-Zn-Mg 合金的焊接
 
1.2.1 Al-Zn-Mg 合金的熔化焊
Al-Zn-Mg合金常用的焊接方法有很多,钨极惰性气体保护焊(简称TIG焊)、熔化极惰性气体保护焊(简称MIG焊)、激光焊(简称LBW焊)、电子束焊(简称EBW焊)和搅拌摩擦焊(简称FSW焊)等。TIG 焊是目前广泛采用的焊接 Al-Zn-Mg 合金的方法之一[12]。TIG 焊是一种采用耐高温的钨作为一个电极,把试样和试样作为另外一个电极,用不易在焊接过程发生反应的惰性气体作为保护气体来阴极和阳极之间产生的焊接电弧和熔池等,从而达到稳定焊接的一种焊接方式。TIG在焊接Al-Zn-Mg合金中其独特的阴极破碎作用,可以打碎合金表面的氧化膜,从而实现稳定的焊接过程。其优点是焊缝比较美观、焊接电弧稳定、成本较低等。但其生产效率低下和焊接中厚板效果不好等缺点使得其在一些量产的工业过程中成为很突出的弊端。MIG 焊采用惰性气体作为保护介质,几乎可以焊接所有金属,焊接铝合金时,试样接电源负极,可产生阴极清理作用,并且可采用与母材同等成分的填充金属,焊接效率较高,能够满足实际的使用要求,因此在铝合金焊接中应用较广,是铝合金焊接的最常用的焊接方法之一[13-14]。MIG焊接方法由于其工作效率高在铝及铝合金的焊接中大量采用,但其焊接过程中容易产生缺陷,在一些要求较高质量的焊缝处一般很少采用 MIG 焊。Al-Zn-Mg 合金采用EBW 焊,其焊接过程省时可控,得到的接头强度较高,裂纹等缺陷不易发生,可以得到很好地焊接质量,其焊接热影响区也相对与 MIG 焊窄。但是,焊接过程成本太高,对被焊试样的形状也有很高的要求,所以在实际应用中也是有一定局限。Al-Zn-Mg 合金采用 LBW 焊,在近年来得到一定程度推广和应用。其优焊接过程热输入极低,但是高能量密度的输入可以实现焊接很高的熔深,采用 LBW 焊焊接的接头变形质量很高。但是铝合金在其焊接过程中对激光的反射和散射造成了很大的能量损失,并在很大程度上降低这焊接的质量,焊接过程会出现接头烧损和热裂纹倾向较大的弊端[15-16]。轨道车辆用 Al-Zn-Mg 合金以前多用 MIG 焊方法焊接,MIG 焊焊接接头焊缝和软化区强度较低,焊缝容易出现气孔等缺陷,由于 Al-Zn-Mg 合金服役状况越来越严苛,使得 Al-Zn-Mg 合金的 MIG 焊焊缝质量很难达到使用要求。相替代的搅拌摩擦焊以其独特的优势,可以在一定程度上防止常用的弧焊的焊接缺陷产生,在轨道车辆用 Al-Zn-Mg 合金焊接中应用越来越多。
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第 2 章 试验材料、设备及方法
 
2.1 试验材料
母材选用 T4 状态 Al-Zn-Mg 合金试板,几何尺寸 1000mm×150mm×6mm。母材化学成分如表 1 所示。
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2.2 试验设备
 
2.2.1 焊接设备
选用母材试板间无坡口无间隙,试板使用气动夹具夹紧,焊前用机械清理方法去除待焊区域及附近的氧化膜。使用美国 MTI 搅拌摩擦焊设备对试板进行焊接,使用特定的工艺参数焊接 Al-Zn-Mg 合金试板,焊接参数如表 2-2 所示。
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2.2.2 时效处理设备
对焊接完成的 Al-Zn-Mg 合金接头进行自然时效和人工时效。接头在室内自然环境下放置,在自然时效 1 个月、3 个月、6 个月、9 个月和 12 个月的时候对接头进行后续试验。采用箱式电阻炉中对 Al-Zn-Mg 合金接头进行 70℃和 160℃不同时间的人工时效处理,并对时效处理过接头进行后续试验,时效处理设备如图 2-1 所示。
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第 3 章 Al-Zn-Mg 合金 FSW 接头自然时效..........15
3.1 显微组织分析......15
3.1.1 显微组织金相图............15
3.1.2 析出相的变化........17
3.2 力学性能分析......18
3.3 本章小结........27
第 4 章 Al-Zn-Mg 合金 FSW 接头人工时效..........29
4.1 显微组织分析......29
4.1.1 显微组织金相图............29
4.1.2 析出相的变化........32
4.2 力学性能分析......33
4.2.1 显微硬度分析........33
4.2.2 拉伸试验分析........35
4.3 本章小结........42
 
第 4 章 Al-Zn-Mg 合金 FSW 接头人工时效
 
Al-Zn-Mg合金有良好的自然时效现象,但时间长达数月甚至更长,为了加快时效过程,可采用人工时效。对于Al-Zn-Mg合金搅拌摩擦焊接头的焊后人工时效主要通过影响强化相的析出进而影响焊接接头的强度,焊后时效处理加速了析出相形成速度,进而对其强度有着更显著的的影响[44-50]。考虑实际中Al-Zn-Mg合金FSW接头常常在高温日晒环境下服役,其环境温度接近70℃,故采用70℃较低温人工时效对Al-Zn-Mg合金搅拌摩擦焊接头进行焊后时效处理。为了使析出相的转变更快,又采用160℃中温人工时效的方式对接头进行焊后时效处理,并对比人工时效处理不同时间接头组织与力学性能的影响,以便为Al-Zn-Mg合金搅拌摩擦焊接头焊后质量改善和实际使用提供一定理论依据。
 
4.1 显微组织分析
图4-1为70℃人工时效试样显微组织金相图,从图中可以看出在70℃人工时效的处理下,随着人工时效的时间增长,接头热影响区和焊核区的晶粒尺寸没有明显变化。但随着人工时效时间的延长,从图4-1(f)中可以看出接头内部晶粒经过腐蚀后晶界痕迹越来越明显,这是由于晶界处析出大量与基体非共格的析出相。图 4-2 为 160℃人工时效试样显微组织金相图,可以看出在较高温度 160℃人工时效的处理下,随着人工时效的时间增长,同 70℃人工时效接头相近,接头热影响区和焊核区的晶粒尺寸没有明显变化。但随着人工时效时间的延长接头内部晶粒经过腐蚀后晶界痕迹愈加明显,这是由于晶界处析出大量与基体半共格的η'相和非共格的η相,晶界处存在大量与基体连接不紧密的强化相,使得人工时效后接头的金相照片可以清晰的看到晶界的痕迹。
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结 论
 
试验结果表明,对于 T4 态 Al-Zn-Mg 合金搅拌摩擦焊接头焊后采取合理的时效处理措施,可以在很大程度上提升接头整体性能。
(1) 在自然时效处理下,接头内部主要由过饱和固溶体析出 GP 区,经过自然时效 1 个月其硬度和拉伸性能都得到很快的提升。随着自然时效进行,GP 区继续富集,到自然 6 个月的时候,接头硬度和强度均达到最大。之后自然时效继续进行,在自然时效 6 个月之后,接头强度趋于稳定。
(2) 随着自然时效的进行,试样正面和背面近缝区的应力值先升后降,呈抛物线的形式。焊缝两侧的纵向残余应力分布表现出很大的不对称性,试样正面前进侧残余应力高于后退侧侧残余应力,然而试样背面前进侧残余应力低于后退侧残余应力。
(3)对 Al-Zn-Mg 合金 FSW 接头进行人工时效试验,接头力学性能的改变更为明显,在 70℃人工时效处理下,随着 GPⅡ区的析出,接头强度在人工时效 15 天的时候达到很高的状态。接头的名义屈服强度和抗拉强度较原始试样分别提升了 55.7MPa和 23.2MPa。
(4)在 160℃人工时效处理下,由于 GPⅡ区和η′相的大量析出,接头在时效 3 小时开始出现了明显的峰时效现象,接头的名义屈服强度和抗拉强度最大分别提升了63.9MPa 和 21.4MPa。随着时效继续进行,接头在人工时效 6 小时之后,析出相最终转变成稳定的η相,接头出现了明显的过时效状态,接头的硬度值下降超过了 15HV,接头的名义屈服强度和抗拉强度较峰时效状态的 290.6MPa 和 389.0 MPa 分别下降了39.7MPa 和 81.1MPa。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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