基于微观组织参量描述2198铝锂合金复杂应变路径下塑性变形行为

Al-Li alloys are significantly potential in the aerospace application due to its excellent combination of low density, high modulus of elasticity and high specific strength. Unfortunately， the plastic deformation depending on strain path is complex and still unclear, because of its severe anisotropy. And the absence of understanding of the micro mechanism and precise description limits its engineering application. In this project, the micro mechanism of anisotropy in 2198 Al-Li alloy will be investigated firstly. Then, the influence of strain path on the deformation behaviors and the microstructural evolution of 2198 Al-Li alloy will be studied by the mechanical tests under simple strain path change and the multi-scale simulation under complex strain path. Microstructural parameters are subsequently gained to express the strain path, as a bridge linking the deformation history and the subsequent yield surface. A microstructural parameters based constitutive model of 2198 Al-Li alloy under complex strain path will be established finally and employed in predicting the earing in deep drawing and the spring-back in rubber bladder flanging. It is expected to gain a new method to express strain path using microstructural parameters, to explore a new way to investigate the deformation behaviors under complex strain path of Al-Li alloys and to provide an effective theory and reference techniques for expanding the application of 2198 Al-Li alloy in aviation industry.

铝锂合金具有密度低、弹性模量高和比强度高的特点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但严重的各向异性导致其室温塑性变形行为强烈依赖于应变路径而非常复杂，缺少对其微观机理的认识和准确的描述方法是目前限制其广泛应用的关键问题之一。本项目拟从2198铝锂合金微观组织入手，探索各向异性的微观机制；通过简单应变路径试验和复杂应变路径多尺度数值模拟，探索应变路径对2198铝锂合金板材塑性变形行为和择优取向微观组织的影响；明确应变路径、择优取向微观组织和后继屈服面之间的关系，提炼出表征应变路径的微观组织参量，构建描述2198铝锂合金复杂应变路径下塑性变形行为的宏观本构模型；最终将其应用于预测板材的拉深制耳和橡皮囊翻边回弹量。旨在探索应用微观组织参量表征应变路径的新方法，开辟研究多因素致各向异性的铝锂合金在复杂应变路径中的塑性变形行为的新思路，为扩大2198铝锂合金在航空领域的应用提供理论基础和技术储备。

铝锂合金以其高的比强度和比刚度而倍受关注，大量替代传统高强度铝合金是目前航空制造轻量化的重要途径之一，2198铝锂合金已经被用于生产空客A220蒙皮和Space X的储物箱等重要零件，然而因起步较晚加之国外技术封锁，我国尚无成熟的2198铝锂合金塑性成形技术。主要问题在于对2198铝锂合金板材的各向异性认识不够，缺少准确描述复杂应变路径下力学行为的本构模型，为解决这个卡脖子问题，本项目从2198铝锂合金板材的各向异性及微观机制入手，明确应变路径对其力学性能的影响，并构建考虑应变路径效应的各向异性本构模型。研究发现2198铝锂合金板材新淬火和自然时效状态的各向异性相似：RD方向具有最高的屈服强度，TD次之而45°方向具有最低的屈服强度，主要取决于晶粒形状和晶体学织构，δ'相对各向异性并无影响。人工时效后2198铝锂合金板材的各向异性发生了明显的变化，45°方向上的屈服强度得到大幅度提高，主要原因是T1相的不均匀分布，而当预变形方向不同时，因为各滑移面上位错开动比例不同进一步影响了T1相的形核而导致其分布是不均匀的，对各个滑移系临界剪切应力的影响不同，故其各向异性发生了变化，构建了考虑T1相不均匀分布的强化解析模型。开发了测试板材剪切行为的夹具，测试了2198铝锂合金板材剪切-反剪切过程中的包申格效应，并研究了变形量、热处理和加载方向对包申格参数的影响，发现随着变形量的增加，包申格效应更加明显。构建了2198铝锂合金板材的硬化模型和屈服函数，引入了微观组织参量，基于HAH模型建立了考虑应变路径效应的本构模型，可以有效的捕捉包申格效应，并研究了变形过程中屈服圆的演变规律。开发了2198铝锂合金板材新淬火状态成形的工艺方法，变形区经过人工时效后硬度超过HV180。该项目明确了圆盘状T1相导致各向异性的微观机制，探索了利用微观组织参量描述2198铝锂合金板材复杂应变路径下的力学行为的新方法，开拓了2198铝锂合金新淬火状态成形的工艺，具有一定的科学意义和工程应用前景。