（凝聚态物理专业论文）铍铝合金的组织和性能研究及拉伸性能的有限元模拟.pdf

摘要 本课题针对我国镀铝合金的发展现状，通过硬度测试、拉伸性能测试及扫描电镜的观察分析， 研究了n i 元素、热等静压温度及镀铝成分配比对镀铝合金的显微组织及力学性能的影响，并借 助有限元方法分析了镀铝合金的强度、内部应力场与颗粒形状、颗粒体积分数及基体属性的关系， 主要结论如下： 1 铸造镀铝合金的显微组织是由相互分离的镀相和铝相混合构成。n i 元素可在镀相中产生 显著的固溶强化作用，随着n i 元素含量增加，合金的抗拉强度、屈服强度、硬度均有所提高 n i 元素过量，对合金的强度和塑性无益含4 n i 的铍铝合金的性能可达最佳值。铸态铍铝合金 的组织粗大，主要由粒子约束基体变形达到增强的日的。 2 粉末冶金镀铝合金的显微组织由相互分离的铍相和铝相混合构成。随热等静压温度的升 高。镀铝合金抗拉强度、屈服强度降低，延伸率增加。当热等静压温度参数为7 0 0 c 时，可以得 到较高的拉伸强度。其强化机理可由位错的微观机制引起的强化和基体向增强体发生有效的载荷 传递加以解释。 3 镀含量的增加可使合金的弹性模量、抗拉强度、屈服强度显著升高，延伸率降低。铍铝 合金实质上是由纯铍和纯铝构成的颗粒增强复合材料，可通过不连续颗粒增强复合材料的唯象模 型对不同镀铝配比铍铝合金的杨氏模量以及应力一应变响应进行较为准确的预测。 4 铸造、粉末冶金镀铝合金的断裂均是铝相的韧窝断裂和镀相的解理断裂组成的混合型断 裂。 5 有限元模拟分析中：在外载荷的作用下，铍铝合金中颗粒的尖角处出现最大的等效应力， 这有可能致使低应力水平下材料在尖角处发生断裂。铍铝合金制各的过程中，应采用球形颗粒或 对颗粒进行钝化处理，减小增强颗粒附近的应力集中。合金受载的情况下，应力主要集中在颗粒 上，而应变主要分布在基体上。镀颗粒体积分数的增加，一方面可有效的使载荷分配到每一个颗 粒上，另一方面可增大对基体形变的约束作用，从而提升镀铝合金的强度。选取强度较高的基体， 或是通过添加合金元即可改变基体的强度，均可使合金的整体强度得到提高 关键词：铍铝合金，铸造，粉末冶金，热等静压温度，a n s y $ 软件模拟 a b s t r a c t i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fb e - a ia l l o yi no n c o u n t r y , t h ee f f e c to f n ie l e m e n t ，h i pt e m p e r a t u r ea n dc o n t e n to fb e r y l l i u ma n da l u m i n u m0 nt h em i c r o s t r u c t u r e , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eb e - a ia l l o yw a ss t u d i e db ym e a n so fh a r d n e s s , m e c h a n i c a lt e n s i l et e s ta t l o o mt e m p e r a t u r ea n ds e ma n a l y s i s t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i po f t e n s i l es t r e n g t ha n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fb e - a ia u 0 yw i t ht h es h a p e ，f r a c t i o nv o l u m eo fp a r t i c l ea n d p r o p e r t yo fm a t r i x r e s u l t so ft h es t t l d ya r ea sf o l l o w s ： 1 i n g o t m e t a l l u r g y b e a ia l l o y w a s c o n s i s t o f p u r e b ea n d p u r e a ir e g i o l l t h e n i w a sa d d e d t o t h e a l l o yt or e s u l ti ns o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n go fb er e g i o n t h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n d h a r d n e s so ft h ea l l o yi n c r e a s e c o n t e n to f n ii n c r e a s i n g e x c e s s i v en iw a sn ob e n e f i tt ot h ep r o p e r t y o ft h ea l l o y t h ep r o p e r t yo fb e 6 2 - a 1 3 4 - n i 4w a si m p r o v e dt oah i g h e rl e v e r i n g o tm e t a l l u r g yb e a i a l l o yh a da c o a r s em i c r o s t r u c t u r e s ，i t ss t r e n g t hl e v e lw a si m p r o v e db ym a t r i xc o n s t r a i n e dt h r o u g h p a r t i c l e 2 p o w d e rm e t a l l u r g yb e a ia l l o yw a sc o n s i s to fp u r eb ea n dp u r ea 1r e g i o n t h et e n s i l es t r e n g t h a n dy i e l ds t r e n g t ho ft h ea l l o yd e c r e a s e 勰h i pt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g , t h ee l o n g a t i o no ft h ea l l o y i n c r e a s e sa sh i pt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g w h e nt h eh i pt e m p e r a t u r ej s7 0 0 c ，w ec a no b t a i nah i g h e r t e n s i l es t r e n g t hl e v e r t h es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ew a se x p l a i n e db ym i c r o s t m c t u r e 。b a s e dd i s l o c a t i o n s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m sa n dl o a dt r a n s f e rf r o mm a t r i xt op a r t i c l e 3 t h ee l a s t i cm o d u l u s ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho ft h ea l l o yi n c r e a s ea sc o n t e n to f b e r y l l i u mi n c r e a s i n g , t h ee l o n g a t i o no ft h ea l l o yd e c r e a s e sa sc o n t e n to fb e r y l l i u mi n c r e a s i n g i nf a c t , b e - a 1a l l o yi sak i n do fp a r t i c l e - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s oap h e n o m e n a lm o d e lo fp a r t i c l e - r e i n f o r c e d c o m p o s i t ei su t i l i z e dt op r e d i c a t et h ee l a s t i cm o d u l u sa n ds t r e s s - s t r a i nr e s p o n s eo ft h ea l l o yw i t h d i f f e r e n tc o n t e n tb e r y l l i u m 4 f a i l u r ea n a l y s i sr e v e a l st h a tt h ea l u m i n u mr e g i o n so ft h em a t e r i a lf a i li nad u c t i l ed i m p l ef a s h i o n ， w h i l et h eb e r y l l i u mr e g i o n se x h m i tab r i t t l ec l e a v a g et y p ef a i l u r e 5 i nt h ea n s y s ss i m u l a t i o n ，t h ea c u m i n a t i o no ft h ep a r t i c l ec a nr e s u l ti ns t r e s sc o n c e n t r a t i o no f t h ep a r t i c l et i po nt h ee x t e r i o rl o a d ；i tw o u l dl e a dt od e s t r o yo nt h ep a r t i c l e 卸i nt h el o w e rs t r e s sl e v e r t h es p h e r i c a lp a r t i c l ew a sh e l p f u lt oi m p r o v i n gs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e s t r e s sw a sc o n c e n t r a t e di n p a r t i c l ea n ds t r a i nw a sc o n c e n t r a t e di nm a t r i x t h ei n c r e a s eo ft h ef r a c t i o nv o l u m eo ft h ep a r t i c l ew a s a b l et oi m p r o v i n gt h es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e t h es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ew a sa l s oi m p r o v e db y c h o o s i n gt h eh i g h e rs t r e n g t hm a t r i xa n db ya d d i n go n ee l e m e n t t oc h a n g et h es t r e n g t ho fm a t r i x k e yw o r d s ：b e a 1a l l o y , i n g o tm e t a l l u r g y , p o w d e rm e t a l l u r g y , h i pt e m p e r a t u r e ，a n s y s ss i m u l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：马玲 嗣谢6 每主乒j b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：马给 导师签名： 抄州芦彳 咖一”拥7 日 时间：沙6 年f 月穹日 宁夏大学项十学硷论文第一掌文献综述 1 1 铍铝合金的发展概述 第一章文献综述 铍铝合金具有低的密度、高的比强度和高的比刚度、优莨的热稳定性、良好的抗腐蚀性等优 点，用其代替常规的铝合金，可使结构质量减轻2 0 ，刚度提高3 4 倍，是一种理想的轻质高 强结构材料。铍铝合金不仅在航空、航天工业等高新技术领域有着广阔的应用前景，而且在计算 机制造业、汽车工业及高精度、高速度电焊机器制造工业等民用领域也有着潜在的用途n q 。 1 1 1 铍铝会金的国内夕卜研究进展 铍铝合金早在1 9 6 1 年就有研究，最早商业化的镀铝合金是由美国核金属公司卿称斯达 麦特公司( s t a r t m e t ) 和洛克希德马丁公司( l 0 c k i l e e dm a r t i ne l e c t r o n i c m i s s i l e ) 合作开发的洛 克合金( l o c k - a h o y ) ，代号l x 6 2 ，含6 2 的镀和3 8 的铝，密度为2 1 9 c m j ，高于铍的密度， 具有优异的力学性能：巩- - 5 2 4 m p a 。，= 4 7 9 m p a ，d = 3 7 。该合金是用预合金化粉末制取， 主要经过挤压和热轧等一系列复杂的工艺过程，仅用于离精密产品，成本较高，应用受到了极大 的限制，最终导致了这种商业产品在7 0 年代后停止生产。 为了降低成本，美国核金属公司、洛克公司以及布拉什韦尔曼( b r u s hw e l l m a n ) 公司探索 采用铸造方法生产镀铝合金，但是铍铝合金固有的特性决定了其以铸件形式应用的困难。铍和铝 之间非常有限的相互可溶解性使得这两种材料在凝固过程中互相分离而独立存在。镀铝合金有着 宽的凝固温度范围，约从5 5 0 开始。这就引起了金属液需要不断补充的问题这也导致了最终 产品出现收缩缺陷和孔陈，于是研究者设计了新的化学成分。改进了铸造技术，最终采用了一种 新的近净型生产工艺熔模精密铸造的方法制备铍铝合金，称作b e r a l c a s t 合金族。它们具有细 晶均匀的铸态显微组织，偏析及疏松很小，能铸造成表面优质、尺寸准确的铸件。 a i b e c a s t 族合金的第一种是a i b e e a s ti c 9 1 0 ，含6 2 的铍和3 8 的铝，尽管力学性能次于洛 克合金( 观= 2 0 7 m p a ，瓯，= 1 5 8 m p a ，6 = 4 ) ，但是可以加工成形状复杂的异形件。并且，a i b e c a s t i c 9 1 0 台金正在通过美国高级研究项目机构( d a r p a ) 的评价以用于汽轮机活动叶片。a i b e c a s t i c 9 1 0 合金铸件可以用和标准铝铸件相同方法进行制造、加工和涂敷，以减少最终部件的成本， a i b e c a s t i c 9 1 0 铸件也可通过快速复制( r p ) 技术制作，用作连接件。 b e r a l c a s t 族合金的第一种是b e r a l c a s t 3 6 3 ，通常含有约6 5 的镀和3 2 的铝，通过控制制备 过程中的凝固速率制得，其中添加了少量的银、锗、硅以及钻等元素，使其性能大大改善。b e t a l c a s t 合金族中还有一种是b e r a l c a s t l 9 1 。它是通过降低强度和韧性以突出热性能而配制的合金。其热 导率比b e r a l e a s t 3 6 3 约高7 5 ，但强度只有b e r a l c a s t 3 6 3 的三分之二。与b e r a l c a s t 3 6 3 合金不同， 在b e r a l c a s t l 9 1 合金中由硅和银进行强化铝基体，同时硅也改进流动性以利于铸造。该合金经过 典型的固溶处理，淬火和时效( s q a ) 。力学性能达到疑佳值。这两个合金都经过真空感应熔炼， 以防止氧化并除气，然后浇注入预热陶瓷型壳中。合金兼有铍的高弹性模量和低密度以及铝的韧 性。合金比纯铍韧性高，比铝轻，其刚性是铝、锗或铝基复合材料的2 3 倍。 宁夏大学硕十学位论文 第一章文献综述 i i 与此同时，布拉什韦尔曼公司还开发了a i b e m e t 系列合金( 以粉末冶金生产工艺为主) ，已 形成工业规模，含5 0 7 0 b e 的a i b e m e t 的合金经已商品化、系列化，这类合金作为飞机零 部件的应用正在开发之中。近年来，该公司用半固态加工技术制各a i b e m e t 合金( 属铸态) ，该 技术可用长寿命模具铸造高精度产品而早先这种熔点非常高的a i b c m e t 合金是不能使用压铸工 艺的这种合金的力学性能较a i b e c a s t l l = 9 1 0 有显著提高：瓯= 3 4 0 m p a ，o i ，= 2 7 5 m p a ，6 = 6 2 0 0 0 年美国的s l a r m e t 公司又新开发了新开发的b e n d c a s t 3 6 3 l 含b e 4 5 ( 质量) ，较之铝密 度降低了1 4 ，刚性比铸铝高2 5 0 。b e r a l c a s t 3 6 3 d 合金含b e 3 0 ( 质量) ，密度减低了1 0 ， 刚度比铸铝提高了2 0 0 ，延展性比铸铝提高了4 倍。这种新型铍铝合金具有极佳的减振性能， 其振动阻尼效果相当于传统铸造铝合金的6 倍到l o 倍。它们都可以利用廉价的消失模精密铸造 法制成很复杂的形状。新合金的价格只有传统b e r a l c a s t 3 6 3 合金的1 0 到4 0 与国外相比，我国对铍铝合金的研发尚处于起步阶段，在国内的应用届指可数，目前主要在 航空航天器件上进行试用。在我国，铍铝合金在生产与应用存在的主要问题是：( 1 ) 因铍有毒， 其熔炼、加工过程需要有非常严格的防护条件，因此在国内的研发受到了很大的限制。( 2 ) 国内 铍铝合金的研发刚刚起步，由于生产设备规模小，自动化程度低，工艺过程不完善，导致合金的 成品率低。( 3 ) 缺少专业人才，不能将镀铝合金很好地应用于航天领域及民用领域。由于上述原 因，国内生产镀铝合金的企业不多，且多为生产含铍量在2 5 4 的低镀合金。其中，宁夏西北 稀有金属材料研究院在这方面傲了大量的工作，并已具有了一定的规模和水平。 1 1 2 铍铝合金的应用 铍铝合金具有质量轻、比强度高、比刚度高、热稳定性好、抗腐蚀、结合了镀的低密度与铝 的易加工性等许多优良特性，在航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精、高速度电焊 机器制造工业中得到了大量应用，已成为一种越来越重要的新型材料。 ( 1 ) 铍铝合金在航空器上的应用 斯达麦特和布拉什威尔曼都生产用于飞行器的镀铝合金。斯达麦特生产的b e r y l c a s ! 合金熔 模铸件被用在美国的p a l l 6 6 c o m a n c h 型军用宣升机和爱国者p a c - 3 型导弹系统。a i b e m e t l 6 2 正在为应用于先进的供出口的f 1 5 战斗机的方向舵而接受检测。用作f 1 5 方向舵的唯一竞争材料 是波音飞机已使用的价格昂贵的硼环氧树脂。因为简化了设计，在f 1 5 方向舵中使用a i b e m e t1 6 2 比硼环氧树脂便宜，且减轻了重量，提高了性能。 ( 2 ) 铍铝合金在硬盘驱动器中的应用 b e r y l c a s t 铍铝合金用作硬盘驱动器，用于便携式电脑等产品，可以减轻重量，增加刚性，减 轻振动。b e r y l c a s t 用作高级传动材料可以提高数据搜索速度，增加每英寸的磁道数( t p i ) ，当维 持或提高磁道储存量时，可减少磁盘片的数量。剖切b e r y l c a s t 的剂压材可生产硬盘驱动臂，布拉 什威尔曼生产己超过1 0 0 万件。 ( 3 ) 镀铝合金在航天器上的应用 美国轨道科学公司把布拉什威尔曼生产的a 1 b e m e t 铍铝合金用在了2 8 个o r b c o m n 型低 轨道通讯卫星上。通用太空飞行器的外圈由三块弧形a i b e m e t l 6 2 合金嵌板组成，并由相同材料 的托架固定。a i b e m e t 合金因其优良的刚度和低重量，在使用时优先于铝材而被考虑。 - 2 宁夏大学硕士学位论文第一章文献综述 i i ( 4 ) 铍铝合金在民用领域中的应用 布拉什威尔曼生产的a i b e m e t 镀铝合金被意大利的b r e m b o 汽车公司和英国的a p 汽车公司 用来制作一级方程式汽车用刹车片。铍铝合金刹车片的刚度、低重量和热特性可减少刹车时间 0 5 s 意大利的f e r r a r i 于1 9 9 7 年6 月，在加拿大的大满贯赛上，首次使用a i b e m e t 刹车片。另 外，e l e c t r o f u s i o n 公司用其制作高质量的喇叭外壳、汽车驾驶盘、网球拍及轮托 ( 5 ) 镀铝合金的其它用途 电熔公司( 布拉什威尔曼的分公司) 已经给意大利国家核物理研究院生产出了两英尺长的 a l b e m e t l 6 2 合金薄壁管，用于瑞士c e r n 的粒子加速器。a i b e m e t l 6 2 合金克服了以往材料存在 的焊接问题p “j 。 1 。2 铍铝合金的基本性质 1 2 1 金属铍的性质 铍( b e ) 的原子序数为4 ，原子量为9 ，是一种密排六方结构的稀有轻金属。它有一系列独 特而优异的性质( 见表1 - 1 ) ，主要包括： ( 1 ) 密度低。镀的密度仅为1 8 5 c m 3 ，比铝轻3 0 为钢的1 ，4 ，钛的一半。 ( 2 ) 熔点高达1 2 8 5 0 ，是铝和镁的两倍，这使它能用于其他任何轻金属都会软化或熔化的 地方。 ( 3 ) 弹性模量( 杨氏模量) 非常高，为2 9 0 g p a ，是铝的4 倍多，钛的2 8 倍和钢的1 7 倍， 尤其弹性模量，密度，即所谓比刚度，是所有金属中最高的，是铝、铁、钛等常用金属的6 7 倍。 ( 4 ) 铍的强度也相当高，尤其是比强度( 强度，密度) ，是钢的4 倍，钛和铝的3 倍。 ( 5 ) 镀有良好的热性能。镀是所有金属中热容量最大的一种金属。单位重量的热导率比其 他金属都大，其热扩散性能好，因此所受热应力小。铍的热膨胀系数很低，室温下与不锈钢和镍 钴合金相当，为铝的1 2 。 ( 6 ) 镀对热中子吸收截面在所有金属中是最小的( 0 0 0 9 巴) ，热中子散射截面大( 6 9 巴) 。 它还具有高的x 射线穿透率，是铝的7 倍。 除了上述优点外，铍也有其致命的缺点：贵、脆、毒。 资源少。矿物品位低，提取困难，加工流程长，需要特殊防护，同时市场需求量较少，这些 决定了其较高的成本。 密排六方结构，少的滑移系和低的体积弹性模量与剪切模量比( k g ) ，决定了其脆性大。 铍的粉尘或烟雾等可使人体呼吸道、皮肤和其它器官发生病变，常见的是慢性肺病。 1 2 2 金属铝的性质 铝( a 1 ) 在元素周期表中列第1 3 号元素，具有面心立方( f c c ) 晶格结构，密度为2 7 0 9 c m 3 ， 是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第二位，因此，铝及其合金得到了广泛的 应用。工业朋纯铝的力学性能会受到诸多冈素的影响，不经热处理，它贝有低的屈服强度、小的 一3 宁夏大学硕士学位论文 第一章文献综述 杨式模量和低的应变硬化率铝软，易加工，其性质与镀孑然不同，见表( 1 1 ) 【1 冽。 表卜1 宇航用金属材料物理力学性能 性能( p r o p e r t y )钢( s t e e l )钍( 1 1 ) 镁( m g ) 铝( a i )镀( b c ) 密度d e n s i t y ( 酚m ，) 7 冉铋1 8”1 8 5 杨式模量e l a s t i cm o d u l u s ( g p a ) 1 8 21 0 54 5 56 92 9 0 比刚度s p e c i 6 cs t i f f n e s s ( 1 0 6 m ) 2 32 3 2 5 3笱j1 6 4 线膨胀系数c e t ( 1 0 k 1 ) 1 18 j2 42 2l l _ 4 热导率t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( w ( m k ) )8 0 22 1 91 5 62 3 72 0 0 比热容量s p e c i f i ch e a to ( k g k ) ) 4 4 95 2 21 0 2 59 1 8 2 5 1 2 3 铍铝合金的性质 从铍铝的相图可以发现( 图1 - 1 ) ，在这个二元系中，只包含一个简单的共晶体，含铍约2 4 的共晶相在6 4 4 。c 时发生熔化，没有任何化合物生成。并且，铍和铝几乎完全不互溶。合金中相 尺寸与两相分离的形态取决于凝固速率和加工历史。 已有研究表明：镀铝系统中存在的亚稳液态溶混性间隙( 图1 - i 的虚线) 将会导致液态相的 分离，即：当铍铝合金的成分位于自由能一成分曲线的两个拐点之间时，系统发生调幅分解。文 献 2 3 f 将铍铝合金的自发分解线确定下来，见图1 - 1 中的内侧虚线。当成分为含4 0 - - 6 0 铝 的镀铝合金快速凝固至此范围时，不经历形核即可达到两相分离，最终形成镀相和铝相互相穿透 的三维网络状的特殊结构( 见图1 - 1 ) 。 图1 1镀铝合金的相图和两相互相穿透的三维网络状结构 u。竺暑雩pn零 宁夏大学硕士学位论文第一章文献综述 由于镀和铝的两相分离，铍铝合金可以看作是纯铝及纯铍组成的复合材科它结合了铍和铝 各自的特性，达到了性能互补。铍具有低比重、高弹性模量但是铍脆，其断裂韧性比大多材料 都小而加入了铝的镀合金在克服铍的缺点上展现了很大的潜力，不仅断裂韧性得到了提高，并 且具有良好的机加工性能。从表1 - 2 即可看出 寰1 - 2镇、铝疑粉末态镀铝合金( 挤压) 性能的比较 性 能a ib e b c a i 密度( g c m 3 ) 2 7 01 豁2 0 7 线膨胀系数n 0 )2 3 ，l 1 1 5 1 3 泊松比0 3 ，o 0 1 6 7 杨氏模量( g p a )7 0 2 7 6 3 0 3 2 0 2 抗拉强度c m p a ) 6 23 8 0 4 1 34 3 5 延伸率( )2 0 2 5 6 7 断裂韧性( m 石) 4 58 1 32 0 对于镀铝合金，原料混合比例的差异必然会导致性能的差异。例如，a i - 3 0 b e 合金的力学性 能为：o b = 3 4 0 m p a ，o o ，6 = 6 ，与ix - 6 相比可发现，随着铝含量的增加，比重2 = 2 7 5 m p a 2 会增加，其室温下的延伸率增加，但屈服强度和抗拉强度减小因此，为了保证合金具有高强度 与高模量，必须限制铍铝合金中铝的含量。经非常彻底的前期评估，当此合金中的铝含量在3 0 4 0 ，可达到延性的提高和更能接受的断裂模式 不同的生产工艺必然会导致镀铝合金性能的不同。镀铝合金的生产工艺主要有三种：铸造、 粉末冶金和锻( 挤) 压成形。粉末冶金中的压实工艺可由冷等静压( a p ) 和热等静压( h i p ) 来 完成。通过表1 3 可对铸造与锻压的铍铝合金、冷等静压挤压和热等静压的镀铝合金进行比较。 传统的铸造合金常导致晶粒粗大，使其强度和延性降低，而用改进后的熔模铸造技术生产的 铍铝合金具有均匀的细晶铸态显徼组织，偏析及疏松很小，且可铸造成表面尺寸准确的形状复杂 的铸件，力学性能也相应有所提高。从铸造铍铝合金的显微组织可以看出，镀相颗粒为粗糙的圆 形或树枝形分布于连续的铝相当中，无方向性，其中树枝状的长度约为1 0 0 t t m 。 锻压态镀铝合金比铸造台金具有更好的力学性能。从显微组织即可看出，锻造合金中，铍相 颗粒沿着压延方向线性排列，其颗粒明显比铸态中的细小( 树枝状的长度为1 0 2 0 p 。m ) 且分布均 匀。在抗拉试验结果中，锻压态镀铝合金的模量、抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧性均优 于铸造铍铝合金。 冷等静压挤压态和热等静压态的铍铝合金，由于在等静压前均采用了气体雾化法制取预合 金粉末，二者的显微组织中，镀梗以细小的颗粒均匀分布在连续的铝相中，不同的是，经冷等静 压，挤压的镀铝合金的力学性能要明显优于热等静压态铍铝合金。 试验中环境温度的改变对镀铝合金的力学性能会产生极大的影响。据表1 - 3 ，可以发现，无 论对于那一种加工工艺的铍铝合金，一般随着温度的升高，其模最、抗拉强度、屈服强度以及断 裂韧性都在降低，而延伸率增加。这是由于铍、铝的熔点有着巨大的差异，铍的熔点高达1 2 8 9 5 主至至鎏茎窑兰篁窒窒二，。，一i 茎：耋i 耋墼兰i 耋 表l - 3 不同加工工艺下的铍铝台金的力学性能比较 材料加工工艺温度( ) 模量( g p a )y s ( m p a )u t s ( m p a ) 延伸率( ) 2 52 1 8“92 9 03 3 b 盯面c a a t 3 6 3铸造2 3 2 1 7 6 1 6 3 1 8 45 2 3 7 11 3 4 9 59 96 2 2 52 3 82 9 3 4 2 l 1 4 8 b c r a l c a s t 3 1 0锻造 2 3 21 9 7 2 8 6 3 4 31 6 7 ( l 方向)3 7 11 3 62 4 1 2 7 5 6 5 一1 2 5 2 3 9 3 3 92 6 a i b c m c l l 6 2脚2 52 2 03 0 23 1 2 2 51 5 12 0 02 8 一1 2 5 3 1 94 8 45 8 a i b c m e t l 6 2a p 脐压2 53 1 34 3 36 6 ( l 方向)2 2 52 5 8 2 8 0 7 3 注tb e r a l 曲s t 3 6 3 ： l 书5 b r 3 廿1 c e 1 c 0b e r a l c a s t 3 1 0 ： 】舶b e 一2 a g - 2 s t l b e m e t l 5 2 ； k - 3 8 1 ) ，而铝的只有6 6 0 因此温度的升高会导致铝相的软化，从而使铍铝合金的强度大大降低。 所以当环境温度起主导作用时，铍铝合金的强度在很大程度上都取决- ? f g 相 2 2 - 3 1 1 。 铍铝合金的发展已有4 0 年的历史了，国外学者对其进行了广泛的研究，先将前人做出的结 论总结如下： 文献i 2 3 】研究了镀铝合金在快速冷却条俘下的形态特征。 文献【3 2 1 通过中子衍射测试对6 2 b e - 3 8 a i 合金的变形行为进行研究。研究表明：镀铝合金之 所以具有独特的变形行为，主要是由于它独特的微观结构三维互穿的网络结构和铍的高弹性 模量。 文献 2 4 1 、f 2 9 分别研究了经热等静压( h i p ) 和冷等静压挤压( c i p ) 制备的在不同测试条 件( 温度、高压环境) 下的力学性能的变化情况，研究表明：( i ) 经热等静压( h i p ) 和冷等静 压，挤压( c i p ) 制备的镀铝合金( 前者简称h i p 锾铝合金，后者简称c i f 镀铝合金) 呈各向同性， ( 2 ) 对h i p 合金进行( 1 1 g p a ，2 5 ) 和( 5 0 0 m p a ，3 0 0 。c ) 的压力浸透试验，发现其力学性 能变化不显著，说明此合金致密性良好。( 3 ) 高压环境下对h i p 和c i p 合金进行拉伸测试，其屈 服强度有所提高。( 4 ) h i p 合金的强度虽不及c i p 合金，但对压力的敏感性高。二者的断裂模式 为铍的解理断裂和铝的韧窝断裂( 5 ) h i p 合金的断裂韧性低于c i p 合金。( 6 ) 随环境温度的升 高，h i p 和c i p 合金的强度和断裂韧性降低。 文献【2 5 】研究了b e - a i - a g 的时效硬化特性。研究表明：由于a g 主要集中在灿相内，生成 的a 9 2 a i 引起g p 区沉淀硬化，从而达到强化a l 基的效果。 文献【2 7 l 研究了6 5 b c 3 2 a 1 3 n i 铸造合金和6 2 b e - 3 8 a i 锻压合金的力学性能。研究表明：锻 造合金中，室温时，断裂路径部分穿过镀相、铝相，部分穿过铍铝交界区域；而高温时，断裂路 6 ， 宁夏大学硕十学位论文蒸一章文献综述 径倾向于沿着铝相和铍铝交界区域。在铸造合金中，室温时，断裂路径穿过镀相和铝相，而高温 时，断裂路径更倾向于沿着铝相和铍铝交界区域。原因没有指出。在断裂韧性试验中，锻压和铸 造合金的裂纹扩展均倾向于穿过铝相和铍相，少量穿过铍相颗粒。 文献【2 8 】主要研究了铸造铍铝合金的力学性能。研究表明：铸造铍铝合金的强度主要取决于 铝基断裂时效通常发生在铝相或铍铝的界面。疲劳测试中，断面上没有明显的疲劳初生源，诸 如夹杂物、气孔等。 文献p 3 研究了6 2 b e - 3 3 a i - 5 m g 在高温下的加工软化特性。研究表明：此合金在室温下呈现 加工硬化特征，而当温度升至2 3 2 乃至更高时，会出现加工软化行为主要是由于高温下，镀 颗粒发生重排和界面滑动促使了加工软化行为的产生。 文献【3 4 1 研究了6 2 b e - 3 8 a i 合金的蠕变和应力断裂行为 1 3 合金元素对铍铝合金性能的影晌 在a 1 b e m e t l 6 2 中加入少量的镁，可以使铝基产生固溶强化，其抗拉性能明显优于前者，如 a i b e m e t 5 6 2 合金( b e - 3 3 a i - 5 m g ) 的力学性能为：o i = 6 1 8 m p a ，吼2 = 5 3 1 m p a ，6 = 2 3 。在 b e n l c t 1 9 1 合金中，硅和银通过在铝基中形成一种沉淀强化相达到强化合金的目的，同时硅也 可以改进其流动性，以利于铸造。该合金经过典型的固溶处理，淬火和时效，力学性能达到最佳 值。b e 删6 3 合金中，添加锗元素主要提高合金的流动性能，可极大提高合金的可铸性，同 时改进其强度和韧性。添加钴元素是为了提高合金中铍增强相的硬度和强度。试验表明，钻含量 为2 时，拉伸强度和屈服强度显著提高，同时有良好的韧性；钻含量为3 时，延伸率有所降低 【删。 1 4 有限元法及a n s y s 程序概述 1 4 1 有限元法的基本思想 有限单元法的基本思想最早出现在2 0 世纪4 0 年代初期，但直到1 9 6 0 年，美国的克拉夫在 一篇论文中首次使用“有限元法词。在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限元法在理论上己基 本成熟，并开始出现商业化的有限元分析软件，如a n s y s 等。 有限单元法的基本思想，首先是对求解的弹性区域进行离散化，即把具有无限多个自由度的 连续体，化为有限多个自由度的结构物。其次是选择一个表示单元内任意点的位移随位置变化的 函数式，并按照插值理论，将单元内任一点的位移通过一定的函数关系用节点位移来表示。这种 假设的试函数称为位移函数，在一般情况下，它应满足单元间位移的连续唯一性。随后则从分析 单个的单元入手，用变分原理来建立单元方程。接着再把所有单元集成起来，并与节点上的外载 荷相联系，得到一组以节点位移为未知量的多元线性代数方程，引入位移边界以后即可进行求解。 解出节点位移，再跟据弹性力学几何方程和物理方程算出各单元的应变和应力。有限元求解的过 程如图所示： 7 宁夏大学颈十学位论文第一章文献综述 1 4 2a n s y s 程序概述 图1 - - 2 有限元求解程序图 a h s y s 是由美国s a s i 公司世界著名的力学分折专家d r s w a n s o a 率领科技人员多年研究开 发的、世界上颇有影响的大型通用有限元分析软件。它集结构、流体、电场、磁场、声场分析于 一体，广泛用于机械、航空航天能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教 学科研及科学研究等众多领域。近几年进入我国，并以每年2 0 的增长率进入高等院校和科研单 位由于其适用面广、使用方便，即可用于个人计算机，又可用于大中型机和巨型机，支持多科 操作系统和众多的图形设备，特别是具有良好的用户界面、前后处理和图形功能，因而受到国际 工程界和学术界的普遍欢迎和重视。 a n s y s 分析是对物理现象的模拟，对真实情况的数值近似，是通过有限元法进行计算。它的 基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间靠节点连接。单元内部点的待求物理量 可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。其分析过程包含了前处理、加载求解、后处 理3 个主要步骤，典型的分析流程如图1 1 所示。 图1 - 2a n s y s 分析流程图 8 f 后处理i l 通用岳处理| i 时间历程后处理 1 分析结果l l i 宁夏大学硬士学位论文 第一章文献综述 ( 1 ) 前处理模块 进, k a n s y s 运行系统后，就开始建模首先根据具体的模型，选择恰当的建模方法。a n s y s 共有4 种创建模型的方法：实体建模；直接建模； 输入在计算机辅助设计系统( c a d ) 中 创建实体模型；输入在计算机辅助设计系统( c a d ) 中创建有限元模型。在建立比较简单的模 型时，可以选用直接建模的方法；对一些不太复杂的实体模型，可选用实体建模的方法，即通过 布尔用算，如相加、相减、相交、分割、粘接和重叠的方法建模。对于比较复杂的结构，可以融 合集中建模法，借助c a d 制图软件建立结构的复杂部分，再a n s y s 中建立较简单的部分 实体模型建好后，需要指定分析对象的特征，即定义单元类型、实常数及材料属性。该软件 提供了丰富的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。实常数通常包括壳单元的厚度、梁 的横截面积、惯性矩等。材料属性内容分为多种，在不同的分析目的下可以选择定义一部分材料 属性。例如对结构分析应该考虑弹性模量、泊松比 网格划分可以分为自由网格和映射网格划分。根据具体的模型选用恰当的划分方法：对于 简单的模型可直接采用映射网格划分方法；对于结构较为复杂的模型，则应根据问题的需要选择 合适的网格划分方法。自由网格划分得到的单元分布无规律，使用a n s y s 的选择功能受限，因 此，对单一模型的分析可采用自由网格划分。 ( 2 ) 求解模块 在a n s y s 中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的 表征，但基本上可分为6 类：自由度约束、力( 集中载荷) 、面载荷、体载荷、惯性以及耦合场 载荷。其添加方法大致有2 种：将载荷加载在有限元模型上，即加载在节点和单元上；将载 荷加载在几何模型的点、线、面和体上，两种方法各有利弊。但无论用何种途径施加载荷，程序 都会自动将这些载荷转移到有限元模型上，加载后就可以求解。 a n s y s 提供的分析类型包括如下：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动 力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析。 ( 3 ) 后处理模块 所谓后处理就是查看a n s y s 计算结果。a n s y s 提供了两种后处理工具：通用后处理器 p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 。通用后处理器是用来查看模型在某一特定时刻( 或某一载 荷步，频率) 的结果。时间历程后处理器则是用来查看模型的指定点的特定结果相对于时间、频 率或其他结果项的变化。a n s y s 提供了强大的后处理分析功能，如应力、应变云图的显示、应 力、应变云图数值的查询功能、模型的变形图、各节点的位移值等：同时还提供了丰富多彩的图 形功能、动画功能，使分析结果的可视化程度很高，并且这些图片和动画可独立于a n s y s 环境 之外播放 3 5 。3 6 1 。 1 5 本课题的研究意义和研究内容 1 5 1 本课题的研究意义 随着航空、航天工业的发展，对选用制作航天器的材料性能要求逐步提高，不仅要求其密度 小、强度高，而且要求具有较高的抗蚀性、疲劳强度和断裂韧性，从而消除或最火限度地减少突 - 9 宁夏大学硬七学位论文第一章文献综述 发性断裂和疲劳破断。这一苛刻的要求淘汰了传统用于航空器制造的铝基合金及其它金属基复合 材料，使铍铝系列合金脱颖而出因此，铍铝合金是国家航空、航天以及军事领域的重要材料， 随着国际形式的日趋复杂和国内宇航工业的飞速发展，对镀铝合金的