时效硬化铝合金椭圆螺旋挤压变形中的动态应变时效行为及其损伤机制研究

Severe plastic deformation (SPD) method has important application prospect for age hardening aluminum alloys, but there is still exist some problems about the early crack the insufficient cumulative plastic deformation and hard to achieve the goal of grain refinement, this project aims at the effect of the dynamic strain aging behavior to the microscopic damage mechanism in the process of severe plastic deformation for the age hardening aluminum alloys. Therefore, based on the elliptical spiral channel extrusion (ECSEE) SPD method, the microscopic damage mechanism and driving force model in the process of severe plastic deformation behavior and damage mechanism will be studied in this project for age hardening aluminum alloys. Firstly, the dynamic strain aging behavior of the age hardening aluminum alloy was studied, and then the large plastic deformation constitutive relation equation is established using the variable method of the dislocation for the age hardening aluminum alloys; Then, based on the microstructure of solute atoms and precipitation phase behavior study, the microscopic damage driving force model is proved using the method of unit volume energy change index variables; And the micro test of microscopic parameters can be obtained using the tests of the precipitated phase in the dynamic strain aging behavior, the interaction model between the dislocation and precipitated phase in the dynamic strain aging behavior is established, by optimizing the parameters to realize severe plastic deformation description and quantitative control of the micro damage. The project implementation will effectively promote the basic research and engineering application of the SPD method for the UFG age hardening aluminum alloys preparation process.

剧烈塑性变形（SPD）方法对于时效硬化型铝合金有着重要的应用前景，但研究中仍存在过早开裂、累积塑性应变量不足而未能达到细晶目标的问题，本项目主要针对动态应变时效行为对于SPD微观损伤的影响机理进行展开。为此，基于椭圆螺旋等通道挤压（ECSEE）剧烈塑性变形方法，对时效硬化型铝合金剧烈塑形变形中的微观损伤机制及其驱动力模型进行研究。首先，研究时效硬化铝合金的动态应变时效行为，并构建位错为内变量的大塑性变形本构关系；然后，基于微观组织中的溶质原子团和析出沉淀相行为研究，提出一种利用单位体积能量变化指标的微观损伤驱动力模型；接着，通过对动态应变时效行为中沉淀相的微观试验得到微观参数，建立动态应变时效行为中位错与沉淀相的交互作用模型，通过优化参数实现剧烈塑性变形微观损伤的描述和定量可控。该项目的实施将有力推动剧烈塑形变形方法制备无损UFG时效硬化铝合金工艺的基础研究和工程应用。

为研究时效硬化型铝合金椭圆螺旋挤压变形工艺，首先针对研究过程中存在的挤压变形过早开裂、累积塑性应变量不足等问题展开相关研究；改良椭圆螺旋挤压变形工艺模具设计，解决挤压过程中的飞边、取样困难、模具破裂等问题；基于椭圆螺旋挤压工艺建立有限元模型，采用有限元模拟方法和虚拟正交试验方法进行型腔参数的优选和工艺参数优选；设计提出一种焊合方式的整体模具，得到扭转角60°、椭圆长短轴之比1.35、变形段长度20mm、挤压速度1mm/s的优选组合参数；该模具能够尽可能减小分瓣模设计产生的空隙，并利用焊接方式提供闭紧力，进而避免挤压过程中飞边的出现；并提出一种连续挤压方法，利用后续坯料挤压之前型腔内的坯料并顶出，减小取样难度；设计出一套组合模具，凹模外形为2°的锥形结构，嵌入模套紧密配合，放置在模具座上，利用左右定位板进行固定，增强模具强度，减小模具破裂风险。.其次，针对6061铝合金各向异性断裂响应进行实验研究，提出一种研究各向异性断裂响应的实验数值综合方法，利用DIC和FEM结合的方法，分析不同缺口半径试样的塑性流动和局部变形，分析各个方向的主应变演变和等效塑性应变演化。最后，根据时效硬化型铝合金实验研究，对7050铝合金SPD后的挤压变形组织进行组织及力学性能表征，对比分析不同道次挤压对变形组织的影响规律，利用SEM、力学性能测试等手段进行测试对比，基于微压痕试验方法测试微小区域力学性能指标，并提出和确定能量法则条件下确定的应变能密度因子值。基于沉淀相与位错的交互作用，利用微压痕测试技术和位错能密度参数，得到了临界位错能密度参数值，确定了临界损伤判据，探索了SPD过程中的损伤定量控制方法。