材料合成与制备结课论文

新型6xxx系铝合金板材热加工工艺和成分优化及其相关机理研究

学号：s2*******

：高洁

专业：材料科学与工程

摘要

6xxx系铝合金作为可热处理强化的合金，其具有中等的强度、良好的耐蚀性、较好的成形性以及较低的密度，但是成形性能、烤漆硬化能力和弯边性能等有待进一步提高。其中成形性能的提高主要取决于微观组织和织构的调控，而这主要受合金成分及热加工工艺的影响。因此，从合金成分和热加工工艺的角度合理调控Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的微观组织以及第二相粒子的尺寸、形状和分布是实现成形性能优化的有效方法。

本文首先针对中铝科学技术研究院制备的新型Al-Mg-Si-Cu-Zn合金采用不同热加工工艺对组织和织构演变的影响进行了研究，并且优化出一种较好的热加工工艺。其次设计开发了新型6xxx系铝合金(Mn和Zn元素均有变化)，研究Mn元素的变化对合金基体富铁相粒子尺寸、形状及分布的影响，以及Zn元素的添加对合金微观组织、织构及性能的影响。

随着新型Al-Mg-Si-Cu-Zn合金在中间退火前冷轧变形量的增加，使合金基体的粒子得到充分破碎及获得较大的形变储能，使得中间退火后细小的第二相粒子能够更加充分回溶进基体，而一些细小且难溶的富铁相粒子仍然保留在合金基体上。因此合金的再结晶组织和织构将会发生显著变化，并使T4P态合金的力学性能达到最优。

对于新设计开发的6xxx系铝合金，随着Mn含量的改变，合金的组织、再结晶织构和性能都会发生一定程度的变化。Mn含量的提高，会增加基体富铁相粒子的浓度，变形过程中会形成不同尺度的粒子，它们之间在再结晶时的协同配合作用，可以显著使得再结晶晶粒的细化以及织构弱化，塑性应变比r值的提高。添加Zn元素能够显著细化再结晶晶粒，对再结晶织构的影响不大。

关键词：Al-Mg-Si-Cu-Zn合金，热加工工艺，织构，成形性，析出规律

1 引言

随着对汽车的燃料经济性和排放控制要求的提高，人们将目光集中在通过替代材料、改进设计或者先进的制造工艺找到制造轻量化汽车的方法。燃料经济性的改善和排放控制是当今汽车工业面临的两个最重要的挑战。为了应对能源危机以及利益恶化的环境问题，各国政府颁布了一系列的政策来应对这种挑战。例如在美国，汽车的平均油耗受政府颁布的CAFE(汽车制造厂平均油耗)标准约束。对于轿车，CAFE标准从1978年最初的18mile/gal增加到目前的27.5mile/gal，并且计划到2020年增加到35mile/gal。这些标准制定的目的都是为了改善燃油经济性以及减少环境污染和产生温室效应的主要因素CO2，而减轻汽车装备质量是实现汽车节能减排的重要举措。因此，汽车轻量化技术将成为未来二十年汽车发展的重要突破点，其中汽车轻量化主要通过油画机械结构设计、选用新型轻质化材料、采用先进的生产加工工艺等手段去实现，而材料的合理选用对汽车的轻量化起着至关重要的作用。

汽车燃料经济性受很多因素影响，包括车辆动力需求、车速、发动机和汽车燃料经济性受很多因素影响，包括车辆动力需求、车速、发动机和变速器效率以及燃料类型等。其中车辆动力需求中的车辆加速、爬坡、以及克服轮胎与路面之

间的滚动阻力与汽车的重量成正比，因此减轻汽车重量可以明显降低车辆的动力需求，因而可以改善汽车的燃料经济性。研究表明，汽车重量每减少10%，就可以节油5%~8%(Brooke and Evans，2009)。在温室效应方面，汽车重量每减轻100kg，可以减少CO2排放12.5g/km[1]。而实现汽车轻量化的途径有：小型化，发展小排量汽车；结构的合理化，汽车及零部件的优化设计；轻量化材料的应用，即使用轻量化材料来代替目前使用最多的钢铁材料。近年来汽车用钢材的占有量不断下降,铝、镁等轻合金及塑料、复合材料的应用大幅增加[2]。

当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。为了减轻重量、提高速度、节约能源，减少汽车尾气对空气的污染和保护日益恶化的臭氧层，铝材很快进入了汽车工业领域[3]。低碳钢和铸铁是20世纪70年代以前汽车工业的重负荷机器材料。如表1-1所示，现在的汽车主要使用低碳钢和高强度钢，尽管部分低碳钢被替代，但直至今天，钢比其他任何材料用得都多。然而，随着对汽车轻量化要求的提高，材料方案迅速转变，包括了铝合金、镁合金、以及聚合物基复合材料(Powers，2000)[1]。作为钢和铁替代材料的首选金属是铝，这是因为铝的密度只有钢或铁的1/3，用在汽车上可以将同样钢结构的质量减小一半，而且它永不生锈。表1-2列出了铝合金的部分特点及其在汽车上的部分应用情况[4]。

表1-1 典型汽车用材料的构成[1]

材料占汽车重量的百分比主要应用部位

传动系统部件

铸铁

9% 发动机部件、制动、悬架 铝

8.5% 发动机缸体、车轮 铜

1.5% 导线、电器部件 聚合物(塑料)和树脂基

复合材料

9% 饰件、电器和电子部件、发动机罩下部件、油管 人造橡胶

4% 轮胎、装饰、密封件 玻璃

3% 玻璃窗 其他 10%

地毯、液体、润滑材料等

表1-2 铝合金材料的优点及其在汽车上的部分用途[4]

用途 优点 缺点 变速器外壳、汽油泵、化油器

重量轻、强度高、耐腐蚀

铝合金较脆，易出现小裂纹，

且不易被发现；其强度也没

有钢质圈高；在铸造时有可

能出现沙眼;无胎车胎容易

出现亏气；价格比较高。

发动机活塞及汽缸盖 添加强化元素后，强度大大提高，质轻，散热性好 铝制车圈 质轻，散热性好，并具有良好的外观

现在铝在汽车结构、动力传动系统、附属装置中的应用使得所生产的汽车更轻、更安全、其加速性、操控性以及制动等性能更好。这些重量更轻的汽车油耗