2017年湖南自然科学奖公示材料-湖南科技大学
项目名称: 耐损伤高强铝合金组织与性能调控技术研究
主要完成人: 刘文辉 邓运来 陈宇强
主要完成单位: 湖南科技大学 中南大学
铝合金具有密度低、比强高、导热性好等一系列优点,在航空航天、轨道交
通以及核电工程等领域有着非常广泛的应用, 然而,疲劳损伤一直是威胁铝合金
构件服役安全的主要原因。 因此,设计制备耐损伤高强铝合金一直是工程与材料
科学领域研究的热门课题。 本项目以晶体塑性理论为基础, 建立织构演化、 微空
洞、微裂纹演化的 3D 晶体细观模型,为高强铝合金构件的损伤演化研究赋予真
实的几何形象和物理过程, 模拟分析第二相、 晶体取向等对铝合金损伤演化的影
响,优化高强铝合金微观组织以提高铝合金断裂性能。 以优化的微观组织为目标,
通过调控材料成分、均匀化制度、固溶处理、淬火工艺制备耐损伤高强铝合金。
发表的 8 篇代表性论文他引 283 次,SCI 他引 100 余次,受到了国内外同行的高
本项目完成了国家 973 计划 2 项、国家自然科学基金委机械工程学科青年基
金 1 项,另有 3 项在研国家自然科学基金。 本项目采用理论分析、 计算模拟和实
验分析等手段,从宏、细、微观三个尺度揭示铝合金构件中晶体取向、粒子形状
与尺寸、织构等对损伤形核及演化的影响, 探明有利于提高高强铝合金断裂性能
的细观结构,蕞后通过优化材料成分、均匀化制度、固溶处理、淬火工艺来调控
铝合金的第二相粒子、 晶体取向分布, 制备耐损伤高强铝合金, 取得了系列创新
性的研究成果: 1)在有限元模型中以晶体取向为桥梁引入材料的织构信息和考
虑各向异性效应的晶体塑性本构模型,首次建立了晶体取向与损伤演化的
体有限元模型, 揭示了晶体取向影响空洞形状、 空洞长大方向、 空洞加速聚合以
及裂纹形成的原因; 2)建立了铝合金损伤演化的多晶体有限元模型, 确立了 FCC
晶体中取向差对空洞聚合的影响, 首次从位错滑移理论的角度揭示了再结晶影响
合金断裂模式的物理本质; 3)揭示了高强度铝合金在均匀化热处理过程中第二
相粒子间的交互作用机理, 建立了一种促进 Al 3Zr 相均匀分布的热处理技术模型,
提出了一种提高铝合金疲劳性能的均匀化制度; 4)探明了高强度铝合金织构、
第二相粒子等显微组织在分级固溶热处理过程中的演变规律, 揭示了固溶制度对
织构及损伤演化的影响规律; 5)建立了高强铝合金淬透性的表征方法,确定了
淬火冷却过程中主合金元素、 微合金化以及晶体缺陷对高强度铝合金淬火敏感性
的影响机理; 6 )结合原位观测以及微观组织分析,阐明了粗大第二相、晶界以
及晶粒取向等微结构特征对铝合金疲劳行为的本质作用机理,揭示了
Brass 等织构特征对铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理, 制备了不同晶粒尺寸
以及织构特征的合金,分析了 Brass 和 Cube织构对铝合金疲劳裂纹扩展速率的
影响,进一步验证了微结构特征对铝合金疲劳损伤行为的影响规律, 提出了一种
黄铜织构抗疲劳铝合金板材的加工方法。 这些研究成果为高强高韧铝合金构件的
设计、成形及加工提供了重要的理论依据和技术支持。
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