高强度轻质材料的应用与发展

西安交通大学

材料与人类文明高强度轻质材料的应用与发展

崔江

2012/11/15

高强度轻质材料的应用与发展

1.前言

材料的强度是工程上的重要力学指标，任何受力构件都要考虑材料的承载能力。因此，如何提高材料的强度一直以来都是工程上的重要课题。传统的工程结构材料主要是钢铁，包括普通碳钢、铸铁、合金钢等。通过冶炼过程中添加合金元素、热处理以及冷加工时的应力处理都可以显著提高金属材料的强度和硬度。例如，提高钢的Cr元素含量，可以显著提高其淬透性，细化组织，提高组织的强度。而对钢进行淬火处理和回火也可以提高其硬度。

然而，许多场合下，钢铁的使用却遇到了巨大的困难。尤其是需要材料具有较高的强度、密度比时，例如飞机外壳的制造。此时，高强度轻质材料就发挥了其无可替代的作用。

相对于钢铁而言，高强度轻质材料的研究起步较晚。应用最为广泛的铝合金也是20在20世纪才发展起来的，而多孔材料则是近几十年来研究的热门。由此可见，高强度轻质材料的应用广泛，发展前景广阔。

本文主要对高强度铝合金和高强度多孔材料作简单的介绍。

2.强度指标的衡量

强度是指材料抵抗变形或断裂的能力。静态负载下，强度指标有比例极限σp、弹性极限σe、屈服强度σs、抗拉强度σb和断裂强度σk。

材料受到不同形式的应力会产生不同的变形失效形式，主要有：

拉压条件下：∆l=Fl EA

弯曲条件下：∆l=4l3F Et3

扭转条件下：∆l=M n GI p

因此，根据上述指标对材料进行力学测试即可判定材料的强度。

3.高强度铝合金的研究

铝是轻质金属，密度为2.72g/cm3，仅为铁的1/3，纯铝熔点660℃，具有良好的导电性和导热性；耐大气腐蚀性能好；铝为面心立方结构，具有极好的塑性，并具有良好的低温韧性，纯铝的强度过低，需要制成合金并加工硬化以提高其强度。

纯铝的硬度、强度很低、不适宜制作受力的机械零构件。向铝中加入适量的合金元素制成铝合金，可改变其组织结构，提高其性能。不少铝合金还可以通过冷变形和热处理的方法，进一步强化。其抗拉强度可达500~1000Mpa。由于比强度较一般钢材高得多，故成为飞机的主要结构材料。

目前的高强度铝合金主要是以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Cu-Mg为基的合金。前者的静强度略低于后者．但使用温度却比后者高．Al-Cu-Mg系合金是发展最早的一种热处理强化型合金。航空工业的发展．促进了该系合金的改进。本世纪20年代和30年代相继发展了2014和2024合金．随后又发展了2618合金．这个系的合金发展较为成熟．已先后定型了十几个牌号。这些合金作为航空材料．已得到了广泛的应用。Al-Zn-Mg系合金虽然在本世纪30年代就已开始研究，但是由于该系合金存在严重的应力腐蚀现象而未得到应用。直到40年代初才发展了加入Cu，Mn和Cr等元素的Al-Zn-Mg-Cu系合金。Cu、Mn和Cr等元素的加入显著地改善了该系合金的抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能。最早应用的该系合金是7075合金。近年来，国内外正在大力开发研究强度更高、韧性及耐腐蚀性能更好的新一代7055和7A55高强铝合金[1]。

铝合金之所以具有很高的强度，其中重要的原因就是铝合金可以进行强化。铝合金主要的强化途径有：冷变形、变质处理和热处理。与钢铁有明显不同的是铝合金的时效强化效果显著。一般来讲，铝合金的热处理就是先固溶处理后再进行时效强化处理。时效强化可以使铝合金的强度提高将近一倍，如下图[2]所示：

根据以上讨论，可以发现铝合金在强度相当于普通碳钢的同时，重量又明显低于钢铁材料，是良好的高强度轻质材料。目前铝合金仍在发展之中，主要的研究方向集中于铝合金的热处理方式、合金元素的选取、微尺度的研究等。目前，国内已广泛开展了7XXX系超高强度铝合金的研究，但抗拉强度一直未能突破800MPa，因此如何提高抗拉强度是当今面临的重要难题之一。显然，重视超高强度铝合金的成分设计、制备与处理工艺优化、显微组织和性能分析以及合金中微量元素的作用，是实现材料高强、高韧及良好抗蚀性能优化匹配的重要途径[3]。

4.高强度多孔材料的研究

多孔材料具有非常高的比强度，是良好的高强度轻质材料，发展前景十分广阔。本文主要介绍多孔金属和多孔陶瓷材料。多孔金属由金属骨架及孔隙所组成。相对于致密金属材料，多孔金属的显著特征是其内部具有大量的孔隙。而大量的内部孔隙又使多孔金属材料具有诸多的优异特性，尤其是比重小。例如泡沫铝很早就用于飞机夹合件的芯材。将多孔金属与致密基体连结在一起，可提高其作为结构材料的使用性。泡沫铝同时具有吸收能量和刚硬的特性，非常适合用于及要求一定硬度又要求一定韧性的情况下。有文献显示，美国军队要求装甲具有低重量，高强度的特性，可以承受0.5 cal 重机枪的威胁。而一些美国学者建议通过设计泡沫铝的微结构来达到相应的要求。通过设计闭孔泡沫铝来制造复合材料复合装甲，设计的装甲具有延迟和衰减应力波的传播的独特能力[4]。可见多孔金属材料的重要性和广泛的应用前景。

近年来发展迅速的多孔陶瓷材料也因其特殊的性质受到广泛的关注。多孔陶瓷材料是指经高温烧制而成的，体内具有相通或闭合气孔的陶瓷材料[5]。冈其具有优良的均匀透过性，较低的热传导性。耐高温，抗腐蚀等性能，被广泛的应用于环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物医学等多个科学领域。引起全球材料界的高度关注。

有学者在氮化硅陶瓷中加入纳米碳粉作为添加剂，通过有效的控制烧结温度、保温时间等工艺参数，利用烧结过程中原位生成细小碳化硅颗粒，对原有的氮化硅基体起到弥散强化的作用，再加上氮化硅陶瓷自身的显微结构增强效应，获得了高强度，较高气孔率的多孔氮化硅陶瓷[6]。

5.总结

本文主要对高强度轻质材料做了一个概括性的介绍。总结了中外的材料发展情况，并根据不同的使用情况提出了不同的材料类型。重点介绍了铝合金和多孔材料在轻质材料方面的研究进展。从应用的角度对此类材料进行了简要分析和前景的展望。

参考文献

1 宋仁国. 高强度铝合金的研究现状及发展趋势[J]. 材料导报, 2000, 14(1).

2 沈莲. 机械工程材料[M]. 北京：机械工业出版社,2012.

3 黄进峰,杨滨,张济山,张永安,熊柏青. Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的研究现状与发展趋势[J]. 材料导报, 2003,17(9).

4 Bazle A Gama, Travis A Bogetti, et al. Aluminum foam integral armor: A new dimension in armor

design [J]. Composite Structures, Volume 52, Issues 3–4, May–June 2001, Pages 381–395.

5 Saggio-Woyansky J ,Scott C E ,Minnear W P. Processing Of Porous Ceramics[J]. American

Ceramic Society Bulletin. Vol. 71, no. 11, pp. 1674-1682. 1992.

6 张勇，王红洁，张雯，金志浩. 高强度多孔氮化硅陶瓷的制备与研究[J]. 稀有金属材料与工程,

Vol.33 NO.6 June 2004.