摘要
2024铝合金半球件作为导航系统的重要部件，其尺寸稳定性是影响导航精度的关键。然而，成形过程中的非均匀变形会影响半球件的组织结构和残余应力，进而导致尺寸稳定性不足。因此，本文以拉深成形2024铝合金半球件为对象开展研究:首先，结合有限元模拟和实验研究，分析了铝合金半球件在温度场下组织结构和残余应力的演变机制;其次，通过冷热循环处理，调控了铝合金半球件的整体尺寸稳定性;最后，利用热-磁耦合处理，开展了半球件大变形区的尺寸稳定性调控研究。主要结论如下: 研究了拉深成形对铝合金半球件的初始组织和残余应力的影响。发现从半球件的边缘到底部,其晶粒尺寸先减小后增大,硬度和残余应力先增大后减小。半球件底部(BOH)变形最小，使其硬度和残余应力较小，但晶粒尺寸较大。铝合金半球件凹模圆角区(DFA)变形最大，导致其硬度和残余应力较大，晶粒尺寸较小。半球件初始组织和残余应力的不均匀分布是由于板材在拉深过程中受力不均，各区域变形程度不同导致的。此外，发现在175℃温度场的作用下，铝合金半球件位错密度持续降低，并析出了大量的Al2CuMg相，且该相随着作用时间的增加逐渐粗化。与BOH相比，DFA的位错密度下降速度更快，而且DFA中Al2CuMg相的数量更多，尺寸更小。这是由于半球件DFA变形最大,初始位错密度更高，促进了 Al2CuMg相的析出。铝合金半球件稳定性受微观组织的影响，低位错密度和尺寸较小的Al2CuMg相有利于半球件尺寸稳定性的提高。 研究了冷热循环处理对铝合金半球件稳定性的调控机制。发现在冷热循环38次前，半球件BOH的位错密度先增加后降低，DFA的位错密度先降低后增加。这是因为半球件在冷热场下的析出行为不同，且在热场向冷场过渡时会产生热应力，导致半球件位错密度增大。由于DFA的初始位错密度更高，在冷热循环16次前，Al2CuMg相析出速率更快，相析出所消耗的位错更多，使得此阶段总位错密度下降。在冷热循环16-38次之间，位错密度较低，其Al2CuMg相析出速率也变慢，导致冷热循环引入的位错更多，使得此阶段总位错密度略微增大。而BOH的初始位错密度较小，导致BOH与DFA在冷热循环16次前和16-38次这两个阶段的组织结构变化趋势相反。冷热循环处理38次后，半球件中的位错密度降低，并析出了大量的Al2CuMg相。因此，冷热循环处理可以提高铝合金半球件的整体稳定性。 研究了热-磁耦合处理对铝合金半球件大变形区尺寸稳定性的调控机制。发现在热-磁场的共同作用下，2024铝合金半球件大变形区的热应变值快速降低至1.58×10-3,相比于同一温度作用下的热应变值更低。低强度磁场不仅提高了 Al2CuMg相的形核率(N),促进了铝合金半球件中Al2CuMg相的析出。此外，还可以加速位错运动，促进位错的湮灭，快速降低铝合金半球件中的位错密度。因此，在相同处理时间下，热-磁耦合处理后的铝合金半球件中Al2CuMg相数量更多，尺寸更小。而且因为Al2CuMg相的析出也增加了存储能量的消耗，从而热-磁耦合处理快速提高了铝合金半球件的尺寸稳定性。
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