熔体处理对易拉罐用铝材热变形行为的作用研究

论文摘要

针对目前我国铝材生产与研究中对内在冶金缺陷的影响作用重视不足、液态（熔体）处理与各种固态处理均是按各自系统独立进行研究的现状,作者结合本课题组的前期研究基础,以具有实用价值且量大面广的易拉罐用铝材（Al-Mn-Mg合金）作为研究对象,提出从改善铝材冶金质量这一关键技术入手,将铝材的处理状态（熔体处理和均匀化）与热变形加工有机地结合起来进行研究的新思路。借助光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱仪（EDAX）、X射线衍射（X-Ray）、电子拉伸机等先进的分析测试手段,系统深入地研究熔体处理与均匀化退火工艺对易拉罐用铝材微观组织与力学性能的影响规律,在此基础上采用动态热/力模拟试验技术,全面深入地探讨了易拉罐用铝材的熔体处理、热处理工艺、热塑性变形行为三者之间的相互关系,深化了对铝熔体处理的基本理论、冶金缺陷的作用机理以及铝材高温塑性变形理论的认识,对进一步挖掘易拉罐用铝材的性能潜力具有重要意义,可为实际热轧工艺的确定和优化提供试验依据与理论指导。主要研究结果如下: 1.以自行开发的高效排杂熔剂净化为主的铝熔体综合处理工艺显著改善了易拉罐用铝材的冶金质量。该工艺在提高铝基体纯净度、细化结晶组织以及改善析出相形态等方面均起到关键的作用。合适的铝熔体综合处理可有效减少材料中裂纹萌生源的数量,改变易拉罐用铝材在铸态下的断裂方式,从而显著提高该铝材的铸态力学性能（尤其是塑性）。2.揭示了均匀化退火对易拉罐用铝材析出相形态的影响规律,同时发现,均匀化退火难以消除铸锭原始组织中杂气等冶金缺陷,对经常规熔体处理的易拉罐用铝材的力学性能与断裂方式影响不大。然而,试验条件下的均匀化优化工艺表明:铝熔体综合处理有利于降低均匀化处理过程中的能耗,与该类材料常用的均匀化工艺相比,在温度降低100120K、保温时间减少412h的条件下即可获得较为理想的组织与性能。3.热模拟试验研究表明易拉罐用铝材属负温度敏感性和正应变速率敏感性材料。在高温热变形条件下,易表现出明显的动态软化并最终进入稳态变形,且均匀化态铝材相对铸态铝材具有更明显的动态软化曲线特征。当T = 573773K、ε&≤5. 0s?1时,σε曲线以单峰值的连续动态再结晶曲线特征为主; 而当T = 673K、ε& = 10. 0s?1时,则表现为多峰值的非连续动态再结晶曲线特征。热变形条件对流变应力的影响大于处理状态（熔体处理和均匀化）的影响,低Z值（升高T或降低ε& ）的热变形条件削弱了处理状态对铝材热变形性能的影响。回归分析表明,易拉罐用铝材的高温流变应力与应变速率、变形温度及热变形激活能之间满足用双曲正弦函数形式修正的Arrhenius关系,所建立的关系式进一步证明易拉罐用铝材的热变形是受热激活控制的塑性变形过程。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 易拉罐用铝材的国内外发展现状与趋势
• 1.2 影响易拉罐用铝材质量的关键因素分析
• 1.2.1 铝熔体处理技术概述
• 1.2.1.1 铝熔体净化处理技术
• 1.2.1.2 杂质相的危害及变质技术
• 1.2.1.3 结晶组织微细化处理技术的研究概况
• 1.2.1.4 铝熔体综合处理技术的新发展
• 1.2.1.5 本课题组在铝熔体处理技术上的研究特色与成果
• 1.2.2 铸锭组织的均匀化处理
• 1.2.3 热轧过程的工艺控制
• 1.2.4 制耳的产生与织构控制
• 1.2.4.1 制耳的产生、危害与控制手段
• 1.2.4.2 再结晶退火与立方织构
• 1.3 铝及其合金的热变形行为
• 1.3.1 动态回复及其流变应力曲线特征
• 1.3.2 动态再结晶及其流变应力曲线特征
• 1.3.3 几何动态再结晶
• 1.3.4 热变形道次间隔内的静态回复与静态再结晶
• 1.4 铝及其合金高温流变应力模型的研究现状
• 1.5 物理模拟技术在材料加工变形研究中的应用
• 1.5.1 物理模拟技术的发展
• 1.5.2 国内外物理模拟技术在热轧加工领域的应用现状
• 1.5.3 主要的热模拟方法
• 1.6 主要研究内容及试验技术工艺路线
• 1.6.1 主要研究内容与研究特色
• 1.6.2 试验技术工艺路线
• 1.7 本章小结
• 第二章 试验条件与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 铝熔体处理工艺
• 2.3 铝熔体处理效果检测方法
• 2.3.1 含杂量的测定
• 2.3.2 针孔率的测定
• 2.3.3 晶粒尺寸的测定
• 2.3.4 杂质相变质效果的评价方法
• 2.4 均匀化退火
• 2.5 力学性能测试
• 2.5.1 拉伸性能试验
• 2.5.2 显微硬度测试
• 2.6 动态热模拟试验
• 2.6.1 热压缩模拟试样的制备
• 2.6.2 热压缩模拟试验工艺参数
• 2.6.3 热压缩模拟试验有效性判断
• 2.6.4 热模拟数据的分析与处理
• 2.6.4.1 数据的分离与处理
• 2.6.4.2 数据的修正
• 真应变曲线的绘制'>2.6.4.3 真应力^真应变曲线的绘制
• 2.6.4.4 回归分析与数学模型的建立
• 2.6.4.5 动态软化系数的计算
• 2.6.4.6 软化率的计算
• 2.7 显微组织结构的观察与分析
• 2.7.1 金相试样的制备及观察
• 2.7.2 拉伸断口形貌观察
• 2.7.3 偏光晶粒组织的试样制备及观察
• 2.7.4 TEM 薄膜的制备与观察
• 2.7.5 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.8 本章小结
• 第三章 易拉罐用铝材的铸态及均匀化组织特征与力学性能研究
• 3.1 易拉罐用铝材的铸态组织与力学性能
• 3.1.1 不同熔体处理的效果比较
• 3.1.2 不同熔体处理后的铸态组织形貌
• 3.1.3 铝熔体综合处理的高效作用机理分析
• 3.1.3.1 铝熔体的净化机理
• 3.1.3.2 铝晶粒细化作用机理
• 3.1.3.3 稀土（RE）对杂质相的变质作用机理
• 3.2 易拉罐用铝材的均匀化态组织与力学性能
• 3.2.1 易拉罐用铝材的均匀化态组织特征
• 3.2.2 易拉罐用铝材的均匀化态力学性能
• 3.2.3 易拉罐用铝材均匀化过程中析出相形态的变化规律分析
• 3.2.4 冶金缺陷对易拉罐用铝材均匀化态力学性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 热变形条件及处理状态对易拉罐用铝材高温流变应力行为的影响研究
• 4.1 易拉罐用铝材高温流变应力曲线特征分析
• 4.1.1 热变形温度对铝材在不同状态下流变应力曲线特征的影响
• 4.1.2 应变速率对铝材在不同状态下流变应力曲线特征的影响
• 4.2 热变形条件对易拉罐用铝材高温流变应力的影响规律
• 4.2.1 不同数据处理方法所用的数学模型推导
• 4.2.1.1 一元线性回归法
• 4.2.1.2 多元线性回归法
• 4.2.2 流变应力方程回归分析及热变形材料常数求解
• 4.2.3 应变量对热变形材料常数的影响
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 变形温度对流变应力的影响
• 4.3.2 应变速率对流变应力的影响
• 4.3.3 应变量对流变应力的影响
• 4.3.4 熔体处理与均匀化对铝材热变形性能的影响
• 4.3.5 影响热变形激活能的因素分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 经熔体综合处理及均匀化的易拉罐用铝材的高温流变应力行为研究
• 5.1 热变形条件对HT4 高温流变应力曲线特征的影响
• 5.1.1 变形温度对HT4 流变应力曲线特征的影响
• 5.1.2 应变速率对HT4 流变应力曲线特征的影响
• 5.1.3 变形量对HT4 的流变应力曲线特征的影响
• 5.2 热变形条件对HT4 高温流变应力的影响规律及材料常数求解
• 5.2.1 热变形条件与HT4 峰值流变应力的关系
• 5.2.2 HT4 在峰值应变下的热变形材料常数求解
• 5.2.3 HT4 在屈服应变与稳态应变下的热变形材料常数求解
• 5.3 热变形三个阶段起始点流变应力、应变与Z 参数的关系
• 5.3.1 热变形三个阶段起始点流变应力与Z 参数的关系
• 5.3.2 峰值应变和稳态起始应变与Z 参数的关系
• 5.4 HT4 热变形高温流变应力方程的求解
• 5.4.1 Zuzin 和Browman 半定量关系模型
• 5.4.2 峰前与峰后高温流变应力模型
• 5.4.2.1 峰前高温流变应力模型
• 5.4.2.2 峰后高温流变应力模型
• 5.4.2.3 HT4 的高温流变应力方程拟合曲线与实测曲线对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 易拉罐用铝材的热变形微观组织演变规律研究
• 6.1 热变形条件对铸态易拉罐用铝材热变形组织的影响
• 6.1.1 不同变形温度下易拉罐用铝材（铸态）的热变形组织特征
• 6.1.2 不同应变速率下易拉罐用铝材（铸态）的热变形组织特征
• 6.2 热变形条件对均匀化态易拉罐用铝材热变形组织的影响
• 6.2.1 不同变形温度下均匀化态易拉罐用铝材的热变形组织特征
• 6.2.2 不同应变速率下均匀化态易拉罐用铝材的热变形组织特征
• 6.2.3 变形量对均匀化态易拉罐用铝材热变形组织特征的影响
• 6.3 易拉罐用铝材热塑性变形过程动态软化行为分析与讨论
• 6.3.1 易拉罐用铝材的动态软化过程
• 6.3.1.1 动态回复及其与动态再结晶的关系
• 6.3.1.2 易拉罐用铝材的动态再结晶机理
• 6.3.2 冶金缺陷对易拉罐用铝材的动态软化过程的影响
• 6.3.2.1 不溶性夹杂物的影响
• 6.3.2.2 析出相粒子的影响
• 6.3.2.3 合金元素与溶质原子的影响
• 6.3.2.4 原始晶粒尺寸的影响
• 6.4 易拉罐用铝材（HT4）热变形组织与力学性能的预测模型
• 6.5 易拉罐用铝材（HT4）动态再结晶临界条件
• 6.6 本章小结
• 第七章 易拉罐用铝材多道次热压缩模拟研究
• 7.1 变形温度对易拉罐用铝材多道次热压缩流变应力行为及显微组织特征的影响
• 7.1.1 多道次热变形流变应力曲线特征
• 7.1.2 多道次热变形显微组织特征
• 7.1.3 热变形温度对易拉罐用铝材多道次压缩流变应力行为及显微组织的影响分析
• 7.2 道次间隔时间对易拉罐用铝材多道次热压缩流变行为及显微组织特征的影响
• 7.2.1 多道次热变形流变应力曲线特征
• 7.2.2 多道次热变形显微组织特征
• 7.2.3 道次间隔时间对易拉罐用铝材多道次压缩流变行为及显微组织的影响分析
• 7.3 变形量分配方式对易拉罐用铝材多道次等温热压缩流变行为及显微组织特征的影响
• 7.4 本章小结
• 总结论
• 已开展的相关研究工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间参与的科研项目
• 在学期间发表的学术论文