织构对铝合金性能的影响

内蒙古科技大学本科生

课程论文题目：织构对铝合金性能的影响学生姓名：张治国学 号：200861107112专业：金属材料工程班级：材料2008-1班指导教师：孙浩织构对铝合金性能的影响摘要铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金阳极已经发展到三元甚至更多元合金，而且所应用的范围也越来越广。铝合金结构在一定条件下可以是比钢结构更好的选择，其具有轻质、可模性好、耐腐蚀等优点。热处理制度决定着材料的微观组织,而微观组织又决定着材料的力学性能。晶界组织与过时效态的晶界组织相似,使合金具备了高强度、高抗应力腐蚀开裂性和高抗剥落腐蚀性。高强度铝合金中应用量最大和应用领域最广的仍然具有广阔的应用前景。关键词：铝合金；结构；影响；组织Structuralonthepropertiesofaluminumalloyinfluence

AbstractAluminiumalloyisthemostwidelyusedinindustryofaclassofnon-ferrousmetalstructurematerial,inaviation,aerospace,automotive,machinerymanufacturing,shippingandthechemicalindustryhasalargeapplication.Aluminumalloyanodehasdevelopedtothreeyuanevenmore alloy,andtheapplicationrangeofthemoreandmorewidely.Aluminumalloystructureincertainconditionscanbeabetterchoicethansteelstructure,itshastheadvantagesofgood,candie,corrosionresistance,etc.Heattreatmentsystemdecidesthemicrostructureofmaterials,andmicrostructureanddeterminesthemechanicalpropertiesofmaterials.Grainboundariesorganizationandaageingstategrainboundariesoftheorganization,alloyhasthesimilarhighstrength,highstresscorrosioncrackingresistantandcorrosionofspalling.High-strengthaluminumalloyinthelargestandthemostwidelyapplicationfieldofstillhasthebroadapplicationprospect.Keywords:Aluminumalloy,structure,influence，organization0.引言铝合金具有轻质、美观、可模性好、耐腐蚀、易于维护等特点，最早应用于航空工业，之后又成功地应用于铁道工业、汽车工业和船舶工业等众多产业。在国内的土建领域，铝合金主要应用于门窗和玻璃幕墙边框等装修装饰方面．但做为承重结构主体的应用和研究还处于起步阶段，耳前在玻璃幕墙支撑系统中的应用较为普遍。国外对铝合金在土木工程中的应用和研究很早就开始了，上世纪70年代美国III和欧洲就颁布了铝合金结构的相关设计规范。根据铝合金结构的特点和适用性，该结构可以应用于桥梁结构、房屋结构、地下结构和近海结构等。铝合金结构在国内的发展受到了认识不足的制约，需要加强针对铝合金结构的认识和研究，这样才能推动其在实际工程实践中的应用。1.铝合金铝合金：以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。祥云火炬2008年北京奥运会火炬“祥云”就是铝。铝合金历史氧化铝在1808年在实验室利用电解还成为铝材，于1884年即被作为建筑材料使用在美国华盛顿纪念碑尖顶上至今；铝材加入各种金属元素合成的铝合金材料已被建筑工业广泛应用在各环节上。最早的铝合金通常认为是1906年由德国的冶金专家威尔姆发明，他在铝中加入少量的镁和铜，制成了硬度极高的铝合金，此后该专利被德国公司杜拉收购。经过一百年的发展，铝合金的工艺有了长足发展，今天已经得到了广泛应用。铝合金特点铝金属的色泽光亮。可以很好地满足建筑美学的要求。纯铝具有很好的延展性和耐腐蚀的特点．但其强度较低而无法应用于承重结构。因而人们研制出了强度较高的铝合金。其强度与低碳钢不相上下。铝合金的加工较为容易。因为铝的熔点只有660度。铝合金最大的优点之一是可以用压力机挤压成型。挤压工艺可以生产出用热轧方法不能得到的任何形状的型材．并且可以获得加劲型材和优化型材。型材挤压完成后须用牵引机进行矫直。挤压工艺只受到挤压机压力大小的制约。铝合金的密度只有钢材密度的三分之一．从而使得结构的自重大大降低，施工变得非常方便：弹性模量也只有钢的三分之一．构件刚度小，因此铝合金结构变形和失稳的问题更为突出；热胀系数是钢的两倍。使得结构对温度变化更为敏感，但当结构的温度变形受到约束时，铝合金结构的残余变形比钢结构小。铝合金的强度与低碳钢的相差不多，塑性（延性）小于钢材，因而对于要求较高塑性（延性）的结构要加以注意。耐腐蚀性是铝合金的一个优良性能。在实际结构中，一般不需要对铝材进行大气或化学腐蚀介质防护。未加防护钢材的腐蚀过程不能自然中止．而铝材的腐蚀过程往往会自然中止，这是因为铝材表面极易形成一层致密稳定的氧化铝。可以认为铝材的腐蚀仅限于不利于结构美观，而不会危害结构的安全性。铝的纯度越高，耐腐蚀性越好。而结构常用的6xxx系列的铝合金的耐腐蚀性可以认为和纯铝相同。因此。在一些特殊的工业环境以及海边等地方．铝合金结构可提高结构使用寿命，有其适用性和优势。铝台金还具有以下几个特性：低温性能好，与钢材不，铝合金在低温条件下强度和韧性不会降低．无低温脆性：铝合金焊接构件存在热影响区，焊接引起的热影响区内的材料强度会大大降低：铝合金生产制作和加工过程中引起的残余应力较小，挤压型材和焊接型材生产或加工过程中引起的残余应力都比相应的钢结构小得多．对挤压型材而言可忽略残余应力对承载能力的影响；有利于环境保护，易回收，再生铝特性和原生铝几乎无差别，回收利用价值高。铝合金在结构应用中还具有以下优点：结构安装简单，全部构件可以在生产厂加工制作，减免焊接，结构总重小、基础造价相应就得以降低，施工、维修方便，等等。因而铝合金的原材料价格虽然较钢材来得贵，但在一定条件下铝合金结构的综合经济效益将好于钢结【1】。铝合金的发展国外用铝合金替代钢作为车身板虽已成功,但铝合金本身的性能特点使其在应用中还存在一些问题。例如,铝板的强度、冲压成形性及焊接性总体不如钢板,加之价格比钢高（约为钢的两倍）,因而使其应用受到限制。为了促进铝合金车身板的大规模应用,应针对铝合金作进一步的研究开发。一方面要进行合金成分优化。研究Mg、Si原子比和Cu含量的最佳组合,以加速时效强化相的析出。并且采用预应变、预时效等强化手段,提高烤漆条件下的强化水平;另一方面要进一步提高成形性。通过找出适当的Mn、Fe原子比,以阻止固溶处理再结晶过程中的晶粒长大;并研究形变织构、再结晶织构组分、数量和分布与成形性的关系以及微量元素Cr、Mn、Zr、Ti对其的影响,从而控制板材中的织构,实现板材变形的各向同性,使铝合金车身板的使用性能和工艺性能更加完善。

表2铝合金中金属间化合物⑷錮I类金属间化合物第討类金牌间化令物第m类金属间化舍物Aib(MnTAib(MnTFe)AI^TiAlia#efMiiJ3SiAl3FeAk(FsMn)Al辰旣All2(FeiMn)3SiM沁MbjSiAJ7CrAl^Cu航空、航天等高新技术的发展对铝合金的性能提出了越来越高的要求，铝合金正朝着高比强、高比模、高损伤容限和耐热、耐蚀方向发展，而微合金化一直是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要手段，成为当今国内外材料界关注的热点。近年来尽管在此方面已进行了大量的探索，并取得了重要进展【2】。2铝合金的性能铝合金有较低的密度,优良的导热导电性,较高的比强度和易加工成型等优点。高强度铝合金指其抗拉强度大于480兆帕的铝合金，主要是压力加工铝合金中防锈铝合金类、硬铝合金类、超硬铝合金类、锻铝合金类、铝锂合金类。铝合金在生产过程中，容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电焊、氩焊等设备来修补，由于放热量大，容易产生热变形等副作用，无法满足补焊要求。硅对硬质合金有腐蚀作用。虽然一般将超过12%Si的铝合金称为高硅铝合金，推荐使用金刚石刀具，但这不是绝对的，硅含量逐渐增多对刀具的破坏力也逐渐加大。因此有些厂商在硅含量超过8%时就推荐使用金刚石刀具。铝合金具有强度高、耐蚀性好、良好的深冲和变薄拉伸性能,广泛用于制作饮料罐体材料。该合金板材在深冲过程中不仅要具有良好的成形性,还要具有较高的表面质量和综合力学性能。目前该类产品主要采用普通辊轧制生产,其板材的表面质量和成形性均较差,影响了罐体材料的应用［3］。2.0.1化学成分对5083铝合金性能影响5083铝合金属于Al—Mg系高Mg铝合金，有较好的力学性能和机械加工性能及良好的耐腐蚀性能。主要用于疏通管道、造船业、运输业、模具制造业，是制作模具、船外壳、燃料储存罐等的重要材料。Mg、Mn主元素对5083铝合金性能的影响，提出了在既确保材料的力学性能，又使其具有良好工艺性能和耐蚀性的成分控制范围。5083合金中Mg和Mn的含量控制在中上限，可以保证材料的强度性能达到要求，此时材料的塑性和耐蚀性也好。cr在5083合金中起补充强化作用，可提高再结晶温度，Ti细化铸造组织。应特别注意控制杂质Fe、si的含量。Fe含量高时降低合金的塑性和耐蚀性能；与Fe相比si对塑性的负面影响更大，Fe、Si的质量分数应尽量分别控制在0．25％以下【4】。结构与铝合金的性能的关系微观组织影响ZL205A系铸造铝铜合金热处理后强度和塑性，影响该合金强度和塑性性能的微观组织主要是晶粒尺寸、晶内、晶界沉淀相,弥散析出相和未固溶相。晶界处主要是0相、N相、初生T相的混合组织，当呈针状或条状时恶化合金性能，当呈半连续的骨骼对合金性能影响较小。晶内细小弥散的二次T相是主要强化相，当T相聚集长大会降低强度。过剩相0相，当呈大块分布时降低合金塑性，当呈细小均匀分布时对合金性能影响较小。获得不同组织结构及力学性能的试样，对相同成分及配比的铝合金试棒分别采用了不同的固溶、时效处理工艺，其试样编号见表1。晶粒尺寸较小且分布均匀，有利于材料的强度及塑性的提升；如果铝合金中未固溶0相尺寸较小且均匀独立分布，无论是在晶内还是晶界，对强度和塑性的影响均不大，甚至还有可能起过剩相强化的作用，但是当0相变得粗大呈块状分布，或者分布在晶界呈条状时候，就会降低材料的强度；一次T相大多分布在晶界，如果不是呈连续相或者呈条状分布，对强度、塑性影响不大，如果量多，且呈条状分布在晶界，就会降低材料的塑性；二次T相细小、弥散分布可以提高合金的屈服强度和高温性能，但是如果二次T相聚集、粗化，会减弱弥散强度作用；另外，“过烧”的出现，对材料的强度和塑性均不利【5】。表1试样编号及对应的力学性能Tab.lThemechanicalpropertiesofsamples试样编号ABCD抗拉强度＜rb/MPa458.2423.4368,95297伸妖率占（％）11.03[.[216.831稀土对铝合金的影响相同热处理条件下，稀土对铝铜合金组织性能的影响取决于它对铸态组织结构的影响，当稀土添加量为0.10%Ce时，稀土对Al-Cu5合金熔体的净化、细化和微合金化综合效应显著，铝合金铸态及热处理后的抗拉强度和伸长率同时达到最大值，分别为180.1MPa、8.8%和387.4MPa、7.9%。此时，铸态组织中呈黑色点状分布的析出相较少，大小较均匀，树枝状的共晶组织变得分散，且短而薄。稀土元素在铝及其合金中具有很多积极作用，在铝及铝合金中添加适量的稀土可以通过净化合金熔体、合金化及细化晶粒等方式起到提高材料的力学性能、耐热性和工艺性能的作用。适量的稀土有利于改善铝铜合金的铸态组织和提高力学性能，但过量的稀土元素对合金的力学性能不仅无益，反而有害。本试验条件下，当稀土添加量为0.10%Ce时，稀土对熔体的净化、细化和微合金化综合效应显著，铸态及热处理后Al-Cu5合金的抗拉强度和伸长率同时达到最大值，分别为180.1MPa、8.8%和387.4MPa、7.9%。添加0.05%微小量的稀土时，稀土对合金熔体的净化和微合金化起主导作用，黑色点状分布的析出相减少，大小较均匀；当稀土含量为0.10%时，稀土除了净化和微合金化作用外，其变质、细化作用显现，使树枝状的共晶组织变得分散、短而薄。当稀土含量高于0.10%时，稀土的细化作用占主导，但因其易于偏聚晶界，使共晶组织增多甚至形成封闭网络，导致力学性能降低【7】。

i.a）怫态Ki-.iVMib）热i.a）怫态Ki-.iVMib）热他理搭1%關丄力学性梃的應叽2.Fi^.EktlecEofCsonihciiicchaiiicaL卩n);?cnicsufAl-Cu5alloy2.微量元素对铝合金的影响在铝合金相变初期，存在着原子团簇、短程有序结构、GP区，以及预析出相等纳米尺度的微结构综观微量元素在铝合金中作用机制，定性研究多，定量研究少；在组织结构层次描述的多，在原子层次进行系统探索的少；对析出相长大阶段研究的多，初期形核研究的少。微量Zn对铝合金时效硬化效应的影响规律研究表明，当Zn的添加量大于0.9%时加快了合金的时效硬化速度，而添加量小于0.9%时则会延缓合金的时效硬化速率。两种情况下，合金的时效峰值硬度都有显著提高，且随着Zn含量的增加这种趋势愈加明显。Pickens等通过在Wedalite049合金中添加0.5%Zn使这种高强铝合金的强度得到了进一步提高，并认为Zn在此合金中的作用与Ag在Al-Cu-Ag-Mg和Al-Cu-Li-Ag-Mg合金中的作用类似，均作为形核剂对析出相产生影响，但其作用机制尚无明确报道。本项目组的研究结果表明，在铝锂合金中微量Zn的存在能对空位产生强烈的束缚作用，在时效时间较短时，因Zn对空位的束缚作用而抑制了第二相粒子的粗化，但随着时效时间的延长，Zn对空位的束缚作用已不再起主导作用，微量Zn的作用实际上是提高了T1相的析出量【相的析出量【2】。图2Al-1.5Cu-4.0Mg-(0.5Si)合金200°C时效240h的TEM照片3总结在导弹、飞行器等要求高强度的结构件中,若材料强度能够提高25%,对提高结构件轻量化具有较大的吸引力;若材料强度能够提高40%,且疲劳抗力、断裂韧性、腐蚀/应力腐蚀抗力与替代材料相当,则在航空航天领域具有广泛的用途。铝合金作为重要的轻质高强结构材料,是飞机和航天器轻量化的首选材料。提高铝合金强度对飞机和导弹的减重、提高机动性和降低油耗等具有重要意义。铝合金强化主要是增加其对位错运动的抗力,强化机制主要有弥散强化、固溶强化、沉淀强化、细晶强化、形变强化等。常规铝合金强化以加工硬化和沉淀强化为重点,而其强化效果的判断则以铝合金材料在常温和高温下的强度、塑性指标为主要依据。目前常用的铝合金强韧方法有:(1)合金化,即通过添加微量元素或调整主合金元素的比例,尤其是提高Zn/Mg、Cu/Mg含量来提高合金的性能;(2)各种先进的熔体净化和变质处理方法;(3)新加工成形方法;(4)改进热处理工艺【10】。高强度铝合金中应用量最大和应用领域最广的仍然是传统铸造的Al系合金,我国航空工业和其他国防工业大量应用的也主要是类似于B95和7075合金的LC4及LC9超高强度铝合金。随着航空技术的高速发展,对具有更高强度铝合金的需求越来越迫切。但是,采