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：s********姓名：***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内富铁相粒子尺寸、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，使合金基体内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，会增加基体内富铁相粒子的浓度，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CO，而减2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钢55% 车身结构、车身板件、发动机和变速器部件、虚假部件、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% 内饰件、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;无内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更低，温室气体排放更少，污染更低。

通过对全世界铝生产的广泛研究，用铝替代钢材的能量平衡表明：基于通常被人们接受的估计，汽车重量每减轻10%，平均节油5%~6%，因此用于中等尺寸轿车上的每1t铝，在汽车的整个使用寿命内平均可减少二氧化碳18t[1]。

另外，由于铝矿石生产铝比用铁矿石生产铁需要消耗更多的能量。

但循环利用铝重新熔融消耗的仅是最初生产是消耗能量的5%。

如果报废车辆中的铝有95%被循环利用，那么第二代在其使用寿命周期内就可以明显降低平均的温室气体排放量[1][5][6][7]。

在一辆典型的现代轿车中，汽车车身约占总重的30%，其覆盖件使用的材料主要是钢板，若通过使用铝合金来代替传统钢板，可使汽车车身减重约40%~50%，从而整车将会减重10%左右，因此通过使用铝合金汽车板来减轻汽车自重的效果是可观的。

目前，国外中高级轿车，如亨利·福特Model T型汽车、法拉利360赛车、奥迪A2和A8、福特Prodigy、本田Insight等，采用了全铝车身。

在欧洲，从高级车型到普通车型都在关注铝合金面板的使用。

据2009年的欧洲车身会议资料上报导，一些典型车型应用变形铝合金已达25~30kg[8]。

在北美，为了突破CAF规定的难关，对一些批量生产的车型也已经开始采用铝合金面板。

在日本，铝合金汽车面板的使用也已从赛车转向轻型汽车，顶盖、车顶、行李箱、后门等也开始采用铝合金[4]。

近年来，我国汽车制造和研究水平正迅速向世界先进水平靠拢，国内铝加工企业为汽车工业配套研制和开发新型铝合金材料已作了一些工作，如可以批量生产汽车铝车窗、货架、踏板、铝箔等，能部分生产汽车用铝压铸件、低压铸件和铝车轮；西南铝、东北轻合金和晟通等企业也一直在探索铝合金板在汽车上的应用，并以小批量供货给部分汽车和轿车厂。

目前，一汽奔腾系列、长安CVⅡ、吉利NL-1、奇瑞A5、东风客车、东风商用车和宇通城市快巴ZK6126HGE等车型，也已经开始使用铝合金覆盖件和铝合金蒙皮[9]。

但是由于铝板成本高、质量与国外相比有一定的差距，且汽车车身板生产线技术含量高、工艺复杂，国内汽车用铝发展不平衡，铝轮毂发展过热等原因，国内汽车车身板的开发应用基本处于起步阶段。

虽然目前铝合金汽车车身板的应用与汽车钢板相比还未形成一定规模，但其已在部分汽车覆盖件中实现了对汽车钢板的替代，尤其是全铝汽车的成功进入市场，让铝合金汽车车身板的大批量商业应用成为可能，从而开发新型铝合金汽车车身板的前景十分广阔[10][11]。

因此，本文将从改变热加工工艺及优化合金成分的角度出发，拟对新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材的组织、织构、性能的影响规律进行较为系统的研究。

希望通过此研究，能够对汽车轻量化用新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系铝合金板材的开发、加工及商业应用起到一定的指导作用。

2.1.1 常见的汽车用铝合金板材的分类及应用一般用于乘用车和轻型货车的铝合金板件主要由加工硬化5xxx(Al-Mg)系铝合金和时效硬化6xxx(Al-Mg-Si)系铝合金制造。

加工硬化铝合金系列如5182、5454和5754等，以回火条件O的退火状态下提供；时效硬化铝合金系列如6009、6022、6111等，以回火条件为T4和T41固溶退火和稳定的状态下提供。

几种常见的铝合金车身薄板的力学性能和成形性能参数见表2-1。

表2-1 几种常见的车身用铝合金板材的性能[1]材料屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa伸长率（%）应变硬化指数（n）塑性应变率(r)5182-O 130 275 24 0.33 0.80 5454-O 115 250 22 0.30 0.80 5754-O 100 220 26 0.30 0.80 6009-T4 125 220 25 0.22 0.64 6009-T62 260 300 11 - - 6111-T4 150 280 26 0.28 0.70 6111-T62 320 360 11 - - 6061-T6 275 310 12 - -（1）5xxx(Al-Mg)系5xxx系铝合金中的Mg固溶于铝中，形成固溶强化效应，使该系合金具有接近普碳钢板的强度，成形性、抗腐蚀性能优，用于内板等形状复杂的部位。

一般以O（退火）状态使用，强度较低，通常用于汽车内板、空气滤清器和行李舱盖等形状复杂的部位[12]。

其退火态的强度主要由Mg原子的固溶强化和细晶强化所决定，符合Hall-Petch关系，其中的Petch参数受Mg含量和晶粒形状、织构的影响，晶粒尺寸对其强度的比其它系铝合金强度的影响大得多。

但是Al-Mg系合金中当Mg含量大于2%时，随Mg含量增加，组织中逐渐出现β（Mg5Al8）相，β相随温度升高而迅速软化，共晶含量少，耐热性差。

Al-Mg系的固溶强化易导致出现吕德斯线（由于屈服点伸长而出现的一系列新的台阶或锯齿状变形带）和延迟屈服，当晶粒尺寸过大时，就会出现“桔皮”现象，这会严重影响板材外观[13]。