（材料学专业论文）合金元素和热处理对almgsi基汽车车身板材组织和性能的影响.pdf

币 似l 6 代汽车正朝着轻量化、高速、霎、舒兰节能与低污染的方向二：于呈：薹辜弓 的铝化率，是汽车工业发展的必然趋势。在制作车身板材的铝合金中， 于具有强度高，塑性好，优良的耐蚀性等优点而成为近年来研究的热 合金由 本论文采用正交设计法研究了a l m g s i 基铝合金中合金元素和热处理制度对合金力 学性能、成形性能和显微组织的影晌，优化出最佳合金成分和热处理制度。利用金相显微 镜、透射电镜( t e m ) 、能谱分析( e d s ) 、扫描电镜( s e m ) 、d s c 、电子探针( e m p a ) 、x 射线 衍射仪、电子万能拉伸机、显微硬度计等一系列分析测试手段，研究了m g 、s i 、c u 、z r 对合金力学性能，冲压性能和显微组织的影响，固溶温度、自然时效、预时效对合金力学 性能的影响以及该合金的时效强化机制。 研究结果表明： 1 c u 、s i 、z r 对合金强度影响由大到小的顺序是：s i 、c u 、m g 、z r ，对6o2 6b 影 响最大的是z r ，对r 值影响最大的是c u ，c u 、m g 、s i 、z r 对n 值影响不大。 2 微量z r 在a 卜m g s i 基车身板材铝合金中主要以粒状b ( a 1 a z r ) 弥散相存在，b ( 胍3 z r ) 弥散相能抑制再结晶，产生亚结构强化和弥散强化，z r 含量为o 2 时，合金 的成形性能明显改善。 3 固溶处理温度升高，n 固溶体中s i 含量增加，含量则无明显变化，人工时效 时合金强度和硬度增加。 4 合金自然时效主要产生g p 区，人工时效主要强化相为b ( m 9 2 s i ) 。在本实验 范围内，淬火和人工时效之间的室温放置，能引起合金硬度下降，室温放置时间越长，人 工时效后试样硬度越低，合理的预时效温度和过剩s i ，能有效的减轻自然时效对合余性 能的不利影响。 5 合金最佳成份是a 卜0 9 5 m g 1 3 5 s i o 3 5 m n 一1 2 c u 一0 2 0 z r 一0 ，0 l t i ，最佳热处理 工艺是5 5 0 十3 0 m i n 固溶一1 5 0 + 5 m i n 预时效一自然时效一1 7 5 + 5 h 人工时效 6 合金t 4 状态下与6 0 1 0 的成形性能指标合金相比，oo2 ob 小了2 0 9 6 ，n 值相等，r 值大了4 3 ，6 大了8 3 ，t 4 综合成形性能优于6 0 l o 合金t 4 综合成形性能。人工时效 后，合金抗变形能力与抗压痕能力优于传统车身板材。 研究结果为设计高性能汽车车身板材提供了有效的途径，对于解决汽车车身板材依 赖进口的难题，提高我国汽车工业整体水平，具有积极的推动作用。 关键词：合金元素力学性能成形性能显微组织热处理 汽车车身板材a l - m g - s i 基合金 b s t r a c t a tp r e s e m ，v e h i c l e sa r ed e v e l o p i n gt ob el i g h t w e i g h t 、1 1 i g hs p e e d 、s a f b t y 、c o m f o n 、 e n e r g y s a v i n ga n de n v i r o m e n t a lp r o t e c t i n g i ti sa 订e n dt oi n c r e a s et h ea l u m i n 啪z a t i o no f v e h i c l e s a m o n g a 王la l l l 工n i n u ma l l o y s 南ra u t o m o t i v eb o d ys h e 如，6 x x xm l o y sh a v eb e e nu s e d 、v i d e l yb e c a u s eo f “sg o o dc o m b i n a t i o n a lp r o p e r t i e so f h i 曲s t r c n g m 、e x c e l l e n tf o m a b i l 时、 g o o dc o r r o s i o nr e s i s t e n c e i nt h i s p 印e r ，m e i i l f l u e n c e so fa l l o y c o m p o s i t i o n s a 1 1 dh e a t 仃e a t m e n to nm e m i c r o s t r l l c t u r e 、f o n n a b i l i t ya n dt e n s i l ep r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e db yl o t so f 卸a l y s i n ga n d t e s t i n gm e t h o d ss u c h a s m i c m s c o p e 、t r a l l s m i s s i o ne l e c 缸mm i c m s c o p e ( t e m ) 、x r a y e n e r g y 。d i s p 喇v es p e c 仃o c o p y ( e d s ) 、s c a l l n i n ge l e c 响nm i c m s c q p e ( s e m ) 、d i 疵r e n t i a l s c 孤m n gc 越o r i m e t e r ( d s c ) ，e l e c t r o nm i c r o p m b ea l l a l y r 、m i c r o h a f 血e s sr n e a s u r c m e n t 、 t c n s i l c t e s t i n g 、x - r 丑y d i 妊b c t j o ne t c ，t h ea l l o y m p o s 衔o n s 锄dh e a tt r e a t m e n ta r e o p t i m i 乃e d t h er e s i l l t so f t l l es t i l d ys h o wm a t ： 1 t h ee 妊b c to f c u 、m g 、s i 、z ro nm e t e l l s i l es n _ e n g l l lo f t 6 t e m p l e i ss i c u m g z r ；z r h a sa s i g i l i f i c 趾t i l l f l u e n c eo nm eoo2 o b ；c up l a y sai m p o n 曲tr o l ei n i n n u e n c i n g a n i s o t r o p i cp l 髂t i cp 瑚e t e r ) a 1 1 dc u 、m g 、s i 、z rh a v el m l ei n n u e n c eo nt h e s t m i n - h a r d e n 血ge x p o n e n t ( n ) 。、v ，。 2 a s m a l l v 0 1 u 世丘a c 嘶o f 盈i l l 一m 争s i b a s 。d8 l 】o y s w m 芦。d p i t 如b ( a 1 3 z r ) d i s p e r s o i d p h a s e ，w h i c hc a ni m b i tr e c r y s t a l l i z a l i o n ，a sw c l l 踮p r o v i d es u b s m l c t 眦es 讹n g t h e n i n ga j l d d i s p e r s o i ds 廿e n g 廿l e n i n g t h cp r o p e n i e so f a j m g s ib 髂e da l l o yc o n t a j n j n g0 2 叭，z r 戤 i m p r o v e d 3 w i t l l l ei n c r e a s eo f s o l u t i o n 廿e a h n e m t e m p e r a t u r c ，t h cc o n t e n to f s ii no ( a 1 ) s 0 1 u t i o n s o l i di n c r e 鼬酣，w h i l e 血ec o n t e mo f m g i n o ( a 1 ) s o l 埘o ns o l i dc h 趾g e dl i m e n i ei n c r e a s i n g s o l u t i o nn 蜘n e n tt e i n p 号r a t u r er e s u l t e di nt h ei n c r e 鹪eo f s 仃c n g m 锄dh a r d n e s so f a n i f i c i a l a g i n g 4 d i l r i n gn a t u r a la g i n g ，m ep r e c i p i t 融e sa r em a i n l yg pz o n e b ( m 9 2 s i ) p h a s ei st h e m a i n l ys t r e n g t h e l l i n gp h a s ed 嘶n ga n m c i a la g i n g ad e l a ya t 瑚m t e m p e r a t u r eb e t w e e n q u c n c h i n g a n da n m c i a la g i n gc o l l l dd e c r e a s em eh a r d n e s so ft h ca l l o yd u 曲ga n i f i c i a la g i n g ， t h el o n g e rt l l ed e l a y ，t h e1 0 w 盯t h eh a r d n e s s ，w h i l ep r 0 蹿p f e - a g 证g 懒b 1 p e m t u r e a n de x c e s ss i c o u l da l l “i a t e1 l l ed 幽n t 出疆b c to f 咖a la g 讯g 5 1 1 l eo p t i h l 啪a u o yc o r 【l p o s i t i o ni s 烈一o 9 5 m 扩1 3 5 s i - 1 2 c u _ o 2 z 卜o 0 1 t i 1 h ei d e a 王 h e a tt f e 咖1 e n t _ p 缸锄e t e f s 雠5 5 0 + 3 0 “ns o l u t i o n 1 5 0 + 5 m i np r e a g i n g 一1 7 5 + 5 h a n i f i c i a la g i n g 6 t h e o0 2 ob o f 吐璩o p 血血e da l l o y i ss m a l l e rm 髓a m e r i c a n 从6 0 1 0b y2 0 ， s 廿a i n 1 m r d e l l i n ge 珥) 0 n e n “n ) o ft h eo p t i n l i z e da l l o y i st h es a m e 硒a m e r i c a na a 6 0 1 0 ， a n i s o 仃0 p i cp l a s t i cp a r 啪e t e r ( r ) o f 恤。州喊z e da l l o yi sb i g h e r t h a i la m e r i c 衄a a 6 0 l ob y 4 3 ，觚i l ee l o n g a t i o no f n l eo p 血1 i z c da 1 1 0 yi s 王l i 曲盯t h a na m e r i e a n a a 6 0 1 0b y8 3 ，s o 拄w 叩f i i n i z e da l l o y h a sb 鼬盼f o m l a b i l 姆t 1 1 a l la m e r i c 趾a a 6 0 1 0 i n 孔衄p l & h l t 6t e i n p l e ， l i sa l l o yh 踮b e c c e rm e c h 髓i c a lp r o p c n i e s 廿l a nt r a l i 娃o n a la u 协b o d ys h e e t se x c 印tal o w e r t e n s i l ee l o n g a t i o n n l er e s l l l t sp r o v i d ea ne 任盹t i v ew a yt od e s i 鲈i d e a lp d 眦i n 啪a l l o y s 埘t l le x c e 锄t p r o p e n i e s f o ra m o m e b o d ys h e 武s ，a n d i tw o l l l d p l a yap o s i 6 v e r o l ei l ls o m n gt h ed i 伍础 p r o b l e mo f a u t o m o t i v eb o d ys h e e t sd 印e 幽go ni m p o m n g 蛆d m a k i n g 删主o m o t i v ei n d u 8 虹y o fo u rc o u m r y d e v e l o pr a p i d i y k e y w o r d s ：a l l o yc o m p o s n i o n st 黜丑e 皿巾e m e sf o 珊a b i l 缸y 耐c r o s 咖c t l 啪 h e 砒t r e 蚰n c m a u t ob o d ys h e e t s 烈- m g - s i b a s c d 硅0 y 中南大学硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章文献综述 世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源，环保，安全。因此，减轻汽车 自重以降低能耗，减少环境污染。提高汽车的燃料经济性，节约有限资源，提高汽车行 驶的平稳性、乘客的舒适性和安全性，成为各大汽车厂商关注的焦点。汽车车重每减轻 1 0 0 k g ，油耗可减少0 4 1 o l k m 。车重减少5 0 ，c 0 ：排放减少1 3 ，同时氮化物、硫化 物等的排放量也会楣应减少。减轻汽车自重的关键是馒用轻质材料。在轻质材料中，由 于聚合物类的塑料制品在回收中存在环境污染问题，镁合金材料的价格和安全性也限制 了它的广泛应用。铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度 高，抗冲击性能好，易表面着色良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系 列优良特性成为汽车轻量化最理想的材料。铝合金汽车以其节能降耗，利于环保，工序 减少，装配效率高，燃油效率高，安全舒适，相对载重能力大等优点而备受青睐“。 铝合金材料大量用于汽车工业，无论从汽车制造、汽车运营、废旧汽车回收等方面考虑， 它都带来巨大的经济效益和社会效益，而且随着汽车产量和社会保有最的增加，这种效 益将更加明显。由于能源、环境问题普遍受到人们的重视，汽车用铝合金的开发和应用 得到广泛关注，铝合金在汽车中的使用量也呈逐年上井的趋势。表卜l 。是美国，日本， 法国三国汽车工业国使用的铝量。 表1 1 发达国家每辆汽车使用铝合金量( 单位：k g ) 1 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 5 美国5 4 ( 3 6 )6 8 ( 5 5 ) 日本 ( 4 5 )( 5 5 ) 9 l ( 8 9 )1 3 3 ( 1 2 8 ) 1 5 0 ( 6 5 )( 7 5 ) ( 9 o ) 法国3 8 4 55 25 56 5 注：表中括号数据为铝合金用量占汽车总重量百分比 汽车车身约占汽车总重量的3 0 9 6 ，对汽车本身来说，约7 的油耗是用在车身质量 上的，所以汽车车身的铝合金化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要，已成 中南大学硕十学位论文 为近几年国内外研究的热点之一。 表1 2全铝车身开发实例 在汽车车身板材上，用变形铝合金代替传统钢板，可以有效地减轻汽车自重。近几 年来，汽车车身的铝化引起世界各太汽车厂商的高度重视，世界各主要汽车制造厂在近 几年中，都有铝制车身的概念车或批量生产的车型问世，实例见表1 2 【4 。目前世界各 大汽车厂商和科研机构都在积极研究开发汽车车身板用铝合金，稳定质量，优化工艺， 降低成本【5 “7 “9 】。据新浪网消息，我国即将成为世界第五大汽车工业国。据预测，到 2 0 0 5 年我国汽车总产量将达到3 5 0 万辆左右，2 0 1 0 年约为4 5 0 万辆，2 0 1 5 年将达到6 0 0 万辆左右。随着技术的进步和人们生活水平的提高，消费者对汽车的需求量越来越大， 中南大学硕士学位论文 对汽车性能的要求也越来越高，但是我国汽车工业发展水平已难以满足广大消费者的要 求。我国许多汽车厂家只是简单引进外国车型，缺乏自己的特色，科研和生产严重脱节。 进入w 1 o 后，我国汽车工业将面临严酷的市场竞争，我国汽车工业既有巨大而诱人的 商机，又面临外国同行的巨大挑战，所以必须在借鉴外国先进经验和先进生产技术的基 础上，自行研制开发汽车车身用铝合金，加大技术含量，而不是一味地依赖进口和简单 仿制，这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。目前，我国汽车铝化率还比较低， 一般轿车单车用铝量为4 0 5 0 k g 左右，铝化率平均为4 ，远远低于发达国家。国内汽 车用铝材发展也不平衡，铝轮毂发展过热，汽车车身板材基本属于空白“。由于汽车车 身占汽车总重量的3 0 左右，因此开发高性能车身用铝合金，对于解决汽车车身板材依 赖迸口的难题，提高我国汽车工业整体水平，具有重要的意义。 1 2 汽车车身板用铝合金的特征及性能 目前，用于汽车车身板的铝合金主要有a 1 一c u m g ( 2 0 0 0 系) ，a l - m 敷5 0 0 0 系) 和 a 1 m g s i ( 6 0 0 0 系) 。表1 3 1 1 】列出了主要车体铝台金板材的化学成分。表1 4 1 2 】列出了 主要车体铝合金板材的典型室温力学性能。表1 5 列出了车身覆板和薄板部件用铝合金 及使用部位。 2 0 0 0 系铝合金具有优良的锻造性、高的强度、焊接性能好，可热处理强化等特点， 其强化相为c u m g a l 2 和c u a l 2 。c u 舢2 强化的合金，在时效温度升高时，会出现强度降 低的现象，而c u m g 灿2 强化的合金，由于强化相形核困难，时效硬化很慢。因此，由 这两种强化相强化的合金，需要高的人工时效温度以便获得合适的强度。2 0 0 0 系合金 中，2 0 3 6 已广泛用于生产车身扳。2 0 0 0 系合金虽然强度高，成形性好，但其抗蚀性比 其他铝合金差，容易发生应力腐蚀开裂，点蚀，剥蚀等，而且在喷漆烘烤时需要比较高 的温度，并且喷漆烘烤时硬化能力低，这大大限制了2 0 0 0 系合金在汽车车身板材上的 广泛应用。 5 0 0 0 系铝合金中的m g 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。5 0 0 0 系合金退 火态的强度主要由m g 原子的固溶强化和晶粒尺寸强化所决定，符合h a j l p e t c h 关系； 中商大学碰土学位论文 表1 3主要车体铝合金板材的化学成分 合金 m g s ic uf em nz nc r t i 2 0 0 80 ，2 5 o 5 0o 5 0 80 7 i i0 ，4 00 3 0o 2 5o 1 0o ，1 0 2 0 1 0o 4 0 1 00 5 0o 7 1 30 5 00 1 0 40 3 00 1 5 2 0 3 60 3 - 0 6o 5 02 2 0o 5 0o 1 - o 40 2 50 1 00 1 5 5 7 5 42 6 3 60 4 0o 1 0o 4 0o 5 00 3 0 o 1 0 5 1 8 24 0 5 oo 2 00 1 5o 3 50 2 0 50 2 50 1 0o 1 0 5 0 3 04 0 5 0o 0 80 3 00 4 00 1 00 0 50 1 0 5 0 3 25 0 - 6 oo 2 5o s 00 4 00 2 00 1 0o 2 00 1 0 6 0 0 90 4 o 80 6 - 1 o0 1 5 - o 6 0o 5 0o 2 - o 80 2 5o 1 00 1 0 6 0 1 0o 6 1 0o 8 1 2o 1 5 0 6 0o 5 00 2 加80 2 50 1 00 ，1 0 6 1 1 lo 5 - 1 o0 6 一1 1o 5 0 9o 4 0o 4 0o 1 0nl o 6 0 1 60 3 o 61 o - 1 50 2 0o ，5 00 2 0o 1 0 6 x x x0 5 1 40 6 - 1 50 1 00 3 00 1 00 1 0o 1 0 表1 4主要车体铝合金板材典型室温力学性能 合金和状态 ob ( m p a )o o2 ( m p a )弯曲疲劳强度( 10 8 ) ( m p a ) 密度( k g ，c m 3 ) 2 0 3 6 一t a3 4 01 9 51 2 5 2 7 5 x 1 0 5 1 8 2 o2 7 51 3 0 1 4 02 ，6 5 x 1 0 6 0 0 9 n2 3 01 2 5“52 7 i x i o 6 0 l o - t d2 9 01 7 01 2 52 7 0 x l o j 冷轧钢板2 9 81 8 l 式中o ，为屈服应力( m p a ) ，oo 是摩擦应力( m p a ) ，它反映了m g 原乎的固溶强化程度 d 是晶粒尺寸，k 是常数。虽然随着m g 含量的增加，p e t c h 参数k 、oo 增大，但是p e t c h 参数也受晶粒形状，织构的影响。这些微观组织的变化受合金中弥散相及工艺参数的影 响。虽然有许多因素影响5 0 0 0 系合金的屈服强度，但是晶粒尺寸对5 0 0 0 系强度的影响 中南大学硕士学位论文 表1 5 车身覆板和薄板部件用铝合金及使用部位 ， a 状态使用部位车辆种类 2 0 0 2t 4 车盖、后行李箱盖、车门轿车 2 1 1 7 t 4车盖、后行李箱盖、车门轿车 2 0 3 6 t ；轿车、载重汽 车盖、底板盖、司机室 垄 2 0 3 7 t 车盖、后行李箱盖、车门轿车 2 0 3 8l车盖、后行李箱盖、车门轿车 轿车、公共汽 5 0 5 2h 3 2 h 3 4 车门、底板、车顶、油箱 车、载重汽车 车盖、后行李箱盖、负载底板、空气过滤器、司轿车、载重汽 5 1 8 20 s s f 机室 生 轿车、载重汽 6 0 0 9n车盖、后行李箱盖、司机室、控制板、挡泥板 车 6 0 1 0 t 4车盖、后行李箱盖、挡泥板轿车 6 0 1 5l自行车盖、侧面控制板、车门轿车 6 0 1 6t 4车盖、后行李箱盖、车门轿车 6 1 1 l t 。车盖、后行李箱盖、车门轿车 比对其他系铝台金强度的影响大得多。因此，当不同a 1 m g 系合金之间进行强度对比时， 耍把晶粒尺寸的影响考虑在内。a l m g 合金中当m g 含量大于2 时，随m g 含量增加， 组织中逐渐出现p ( m 9 5 a 1 8 ) 相，p 相随温度升高而迅速软化，共晶含量少，合金耐热性差。 a 1 - m g 系的固溶强化易导致出现勒得斯线( 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。当晶粒尺寸大于1 0 0 哪时，扳材易出现桔皮效应。虽然5 0 0 0 系铝合金具有优良的成形性，但是该系合金强度比2 0 0 0 系和6 0 0 0 系强度低，勒得斯线 和桔皮效应的出现容易导致板材表面起皱，出现滑移带，使得板材的表面质量变坏，甚至 喷漆后也不能完全消除，并且喷漆烘烤过程中会软化，所以5 0 0 0 系合金只用在对表面质 量要求不严格的汽车内板上。 i 6 0 0 0 系铝合金强度高，塑陛好，具有优良的耐蚀性，综合性能好。6 0 0 0 系一t 4 材的 中南大学硕士学位论文 屈服强度和抗拉强度接近冷轧钢板的值，n 值大于或等于冷轧钢板的n 值。6 0 0 0 系合金 是热处理可强化合金，其强化相主要为m 9 2 s i 。6 0 0 0 系合金的晶粒尺寸对屈服强度的影 响不大。6 0 0 0 系合金板材冲压成形后于1 7 5 油漆烘烤，强度提高约1 5 0 m p a i n l 。6 0 0 0 系合金中，6 0 0 9 和6 0 1 6 具有非常相似的机械机械性能，t 4 念的届服强度低，因此具有 优良的成形性能，但是油漆烘烤的强度较低，约为1 8 0 m p a 。6 0 1 0 油漆烘烤后的强度较 高，但是t 4 态的屈服强度也比较高，这使成形性降低。6 1 1 1 的t 4 态的屈服强度约为 1 5 0 1 8 0 m p a ，油漆烘烤后屈服强度超过2 0 0 m p a ，显然6 1 1 1 最初的成形性能和最终性能能 很好地结合。欧洲把具有优良成形性能的6 0 1 6 合金作为主要的汽车车身板材，而美国则 由于6 11 1 合金最终产品具有高的强度而把它作为主要的车身板材i l ”。 表1 6 主要铝合金板的机械性能 合金塞鬣絮冀嚣n 值。值杯笋i 簟善芋 。五 率6 率6 。 旦7 愠 半径r 2 ii7 t 42 502 0002 s0s 9b6 9l 9 车 99 9 ， _ 9 7 9 + i 84 * l9 注：| ) t 为板材厚度 表卜6 “”给出了轿车车身传统用2 0 0 0 系、5 0 0 0 系、6 0 0 0 系铝合金和钢的成形性能指 标，主要为冲压性能指标。可见钢的总延伸率6 最大，说明钢在拉伸过程中变形最大。而 在一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，故均匀延伸率6 。对冲压成形 心乱趴h心 ” 叭 h 如 卯“如伯 如” 0 0 0 o 0 o o 0 0 外h 拍 引 如 始 0 o o 0 d o o 0 0 d 0 0 0 0 0 0 0 6 2 加加 旧 加扎旧 n 加 t t t 柚 螨 t t t t 橱 “n卜蛇k呲卜“肼茹巍= 黧她洲 中南大学硕士学位论文 性有重要的意义。6 0 0 0 系的均匀延伸率6 。最大，说明6 0 0 0 系板材的极限变形程度最大。 5 0 0 0 系的硬化指数n 值最大，说明5 0 0 0 系板材的冲压性能最好。板厚方向系数y 则是钢 的最大。另外，杯突值m 和1 8 0 。弯曲半径( ot ) 都是钢的最大。数据表明，铝合金的冲压成 形性能与钢相比，已基本上接近钢的性能，甚至某些方面已超过钢材，因此可以代替钢作为 汽车车身板。而对于铝合金来说。2 0 0 0 系抗蚀性，5 0 0 0 系的勒得斯线和桔皮效应都不尽 如人意。所以6 0 0 0 系铝合金受到了关注。 1 。3a l - 臻g - s i 基铝合金板材的研究现状 1 3 1 国外研究现状 ， 国外科研工作者对a l m g s i 基铝合金做了大量的研究，研究工作主要集中在以下几 个方面： 对精9 2 s i 相析出过程及动力学的研究 m 9 2 s i 相是6 0 0 0 系合金中的主强化相，它的大小和形状对性能的影响极大。其一般过 程为： a 过饱和固溶体一溶质原子丛聚区一g p 区( 球状) 一”相( 针状) 一b 相( 棒 状) 一母楣【1 5 1 6 1 7 1 酊。 其中强化效果最好的为b 7 相，其次为b7 相【1 9 1 。p a s h l e y 等人首先提出了溶质原子丛聚 区，并用来解释双级时效行为，接着d u n a 和a l l e n 利用d s c 证实时效过程中形成了 溶质原子丛聚区。最近e d w a r d s 等人找到了在7 0 时效的过程中，s i 原子丛聚区、m g 原子丛聚区、m g 原子和s i 原子丛聚区出现的直接证据。6 0 0 0 系合金中抗拉强度对” 相与b7 相的比率非常敏感【2 0 】。许多科研人员对6 0 0 0 系合金时效过程中析出的过渡相的 结构和化学成分做了大量的研究，对g p 区的结构和化学成分尚无统一的认识，e d w a r d s g a 认为g p 区、b 相、b 相中m g 、s i 原子百分比为1 1 f 2 i 】，而m a t s u d a 认为g p 区的m g 、s i 原予百分比为1 ：1 ，并且指出g p 区是由多个平面组成，每个平面有一个原 子层厚，宽2 5 n m ，长度在3 0 n m 之内，平面内m g 、s 原子桶距o ，4 0 5 m 并且交替排 列2 2 1 。还有人专门研究了含过剩s i 的m 9 2 s i 相析出动力学【2 3 】。 中南大学硕士学位论文 合金元素对6 0 0 0 系合金组织和性能的影响 s i 和m g 是6 0 0 0 系合金中最重要的合金元素，它们形成了强化相m 9 2 s i ，其平衡重量比 为m g ：s 净1 7 3 。为保持最大的时效强化能力，合金中m g 、s i 元素含量应符合此关系。 据研究阱l ，每增加o 1 m 9 2 s i 可使强度峰值增加5 m p a 同时延伸率有少量增加。每增加 o 1 初生硅，强度峰值增加1 0 - 1 5 m p a ，延伸率下降o 2 5 。另外，s i 能提高铸造和焊接流动 性、耐磨性；m g 提高合金的抗蚀性和可焊性，但m g 含量过高则会降低m 9 2 s i 在q 固溶 体中的溶解度。c u 在m 争s i 合金中的作用在近几年也成为研究的热点哟丑m 捌，研究表明， a l m g s i 合金中加入铜，0 ”相形核更为容易，b ”相密度增加，使合金时效强化能力 提高，同时c u a l 2 和c u m g a l 2 也参与时效硬化作用，使合金的强度更高，但是当c u 含 量过高时，则会降低合金的抗蚀性。m n 和c r 的加入则会在a i m g s i 合金中产生弥散相， 抑制合金再结晶和产生弥散强化，使合金的强度提高，性能得到改善，微量的c r 能提高 合金抵抗晶间腐蚀的能力眩9 j 们。虽然国外对s i 、m g 、c u 对合金的强度影响做了大量的 研究，但是综合分析s i 、m g 、c u 对合金强度影响程度的大小则未见报道。厅在7 0 0 0 系 合金中能抑制再结晶，提高合金的强塑性，改善合金的横向断裂性能，但是未见有关z r 在a l m g s i 基汽车车身板材中作用的报道。 热处理工艺的影响 4 0 重3 0 寸 蕾加 1 0 柏 3 ( 1 爨 咭 锝 2 0 差 1 0 图1 1 熟处理制度对力学性能的影响 1 固溶淬火态2 自然时效态3 自然时效+ 1 8 0 ，3 0 m m 4 1 5 0 5 m i “ 5 1 5 0 ，5 m i n + 自然时效6 】5 0 ，5 m i n + 自然时效+ 1 8 0 ，3 0 m i n a 1 m g s i 变形铝合盒是热处理可强化合金，合金成型后的热处理制度对产品最终使用 中南大学硕士学位论文 性能有着重要的影响，见图1 一l 。其中最主要的热处理制度就是固溶时效处理。时效处理 是热处理的关键。由于板材在冲压前不可避免地要存放一段时间，研究自然时效对合金 性能的影响就十分必要了。自然时效使人工时效后合金的强度、硬度下降。而预时效则 能减轻自然时效的有害作用【3 1 ，3 2 1 。固溶后进行预拉伸可充分发挥6 0 0 0 系车身板的油 漆烘烤效应，使其在短时间烘烤达到峰值时效状态。预拉伸一方面产生形变强化，另一方 面增加b ”相的密度，产生沉淀强化，预拉伸缩短了达到峰值硬度的时间，硬度值也有 所提高。研究表明，6 0 0 0 系铝合金经5 预拉伸+ 自然时效+ 人工时效可获得良好的综合 性能】。 织构对6 0 0 0 系合金成形性能的影响 钢板的成形性能总的来说优于铝合金的成形性能，这已被成形极限图和其他成形性 能实验所证实。这主要是因为a 1 ( f c c ) 和钢( b c c ) 的织构不同。因此可以通过采用合 理的方法控制织构来提高铝合金的成形性能。织构影响再结晶板材的塑性各向异性。织 构通过影响成形极限图来控制成形行为“3 ，但是这些关系并没有完全被秀清楚。一些 文章中反复提到，再结晶织构中的g o s s 取向 0 1 1 ) 导致差的成形性能呲“3 6 瑚3 。 但是，人们对再结晶a 1 板中的典型立方取向织构 0 0 1 ) 怎样影响成形性能并无统 一意见啪3 5 一“。铝合金板材的成形性能主要由n 态板材中的再结晶织构所控制。一般 来说，为了提高板材的成形性能，应该避免出现太强烈的再结晶织构。科研人员主要通 过调整合金成分、加工工艺，热处理工艺来控制板材的再结晶织构”。一些元素例如 f e 和m n 能形成粗大的相，这些粗大相能提供非均匀形核位置而诱发成核，弱化再结晶 织构、细化晶粒。在5 2 0 一5 4 0 固溶处理时，含m n 的第二相粒子能抑制晶粒长大。但 是这些元素的含量过高的话则会降低成形性能，因此它们的含量应该严格控制。在均匀 化过程中，不溶的第二相粒子球化，一些溶解相，主要为m 9 2 s i ，溶解在铝中。均匀化 的程度主要取决于退火温度和退火时间，为了让多数m 9 2 s i 溶解，均匀化温度应该高于 5 4 0 。在低温下预热能溶解部分m 9 2 s i “，所以在以后的热加工中有害的m 9 2 s i 沉淀相 数量减少，使再结晶织构弱化，提高了板材的成形性能和表面质量。热轧工艺参数例如 轧制速度、出口温度控制了热变形过程中储存的能量，热轧后退火能有效的控制板材的 织构和表面质量h 0 1 。固溶处理过程中形成的再结晶织构受沉淀相的影响。大量细小弥 中南大学硕上学位论文 散分布的m 9 2 s i 质点有利于立方再结晶织构的形成4 23 。而立方再结晶织构一般认为 能提高板材的成形性能”。对于6 0 0 0 系铝台金，控制整个生产工艺中m 9 2 s i 相的形状、 分布、密度成为获得弱再结晶织构和好的表面性能的主要措施之一。虽然国外文献有 m g 、s i 对合金织构影响的报道，但是未见有综合分析c u 、m g 、s i 、z r 对a 卜m g s i 基 铝合金成形性能影响的报道。 铝的杂质无害化与材料的回收技术 铝合金材料是可最大限度地回收利用的材料，目前国外的回收率约为8 0 ，汽车用 铝中有6 0 来自回收的废铝。预计到回2 0 1 0 年回收率可提高到9 0 。提高铝回收的效率 可使汽车制造商得到更廉价的回收铝供应，并且减少了能耗。废铝再生的能耗不到原铝 生产的5 9 6 。铝的杂质无害化与材料的回收技术的开发研究目的在于使再生铝中所含杂 质( f e 等) 结晶细化、分散均匀以防止汽车废料再生成低品位的铝，有助于构筑真的循 环型社会。新的回收技术，如激光选出法对改进回收过程是个很大的推动“。 1 3 2 国内研究现状 国内对、a 卜m g s i 系铝合金汽车车身板材的研究不多，这方面的报道很少。汪明朴”“ 在6 0 】o 合金中加入0 2 w t 的富c e 混合稀土，研究了该合会的时效特性，发现稀土6 0 1 0 合金车身板材成性性能和力学性能优于6 0 l o 铝合金车身板材。郑卅大学的关绍康h “”j 等人研制开发了一种新型a 卜m g s i t i 多元合会汽车车身板材，成分为 s i 0 8 1 2 ，c u 0 4 一o 7 ，m 9 0 8 1 2 ，m n o 2 0 5 ，t i o 卜o 3 ，通过研究发现，预时效 和预拉伸可改善合金的性能，t i 有利于预时效过程中g p 区和”核心的形成。该成 果已于2 0 0 0 年通过鉴定。 稀土( s c 、c e ) 以前主要用作铸造铝合金的变质剂。现在研究稀土对变形铝合金的性 能的影响也是一个热点4 8 4 9 1 。6 0 0 0 合金中加入适量的稀土，能改善越m g s i 系合金 的铸态组织。具有变质细化的作用，能有效地缩短砧m g s i 系合金的均匀化时间。稀 土能提高a l - m g - s i 系合金的热塑性，并使变形抗力降低。稀土的加入能明显改善 a l m g - s i 系合金的表面处理性能。 虽然国内对a l - m g s i 基铝合金汽车车身板材在合金成分，热处理制度上做了一些 中南大学硕士学位论文 研究，但是研制的汽车车身板材成形性能仍然赶不上低碳钢板，并且强度偏低，板材的 抗变形能力不强。 综合国内外的研究现状可咀发现，目前还没有关于z r 在a 1 m g s i 基铝合会汽车车 身板中作用的报道，也没有发现综合分析c u 、m g 、s i 、z r 对合金力学性能和成形性能 影响程度的报道。 1 3 3 目前我国车身用铝合余板存在的问题 铝合金没有在汽车上大规模应用是因为其价格比钢高( 约为钢的2 倍) 和铝板的冲压 成型性比钢板差，尺寸精度不易掌握等的缘故。这些问题将随着科技的发展，社会的进 步而得以解决。首先，随着冶炼技术和回收技术的进步，铝锭价格不断下降，各国政府 和人民对节能、环保的要求以及激烈的市场竞争也迫使汽车厂商降低利润而采用更多的 铝合金；其次，针对冲压性能不如钢板的问题可分为两个方面来研究：一是通过材料学 的研究合理地优化各合金元素的配比，通过各元素的相互作用来提高合金的性能。二是 改进工艺手段，如热处理工艺、轧制工艺、模具设计等来提高它的冲压成形性能。 1 3 4 我国汽车车身用铝的研究方向 我国汽车车身用铝合金板材还处于研制、引进、吸收和消化阶段，急需在以下几个 方面开展工作： 通过优化6 0 0 0 系合金成分，各种加工工艺，尤其是利用我国直接电解的a 1 s i t i 多元合金，制造出具有较好冲压性能的板材。 系统的研究铝合金板材的成分，显微组织，力学性能与冲压性能之间的关系。 开发使铝钢的焊接性能提商的合金。 建立汽车车身用铝合金标准，研制适应性更强的汽车车身用铝合金，尤其要把主 要力量放在6 0 0 0 系合金上面。 建立报废汽车的回收系统，开发报废汽车材料的再生利用技术。 开发汽车车身用新型铝合金，如发泡铝、超塑性铝合金等。 中南大学硕十学位论文 1 4 本论文的研究内容与分析测试手段 1 4 1 本论文的研究内容 f 1 1 合金成分设计； ( 2 ) c u 、m g 、s i 、z r 对合余组织和性能的影响； ( 3 ) 固溶温度对合金力学性能的影响； ( 4 ) 不同时效制度对合金力学性能的影响； ( 5 ) a 1 一m g - s i 基汽车车身板材的时效强化机制； ( 6 ) 综合所有实验，找出合金成分、显微组织、力学性能与冲压性能之间的关系， 优化板材成分及热处理制度，研制出成形性能和力学性能较好的汽车车身板材。 1 4 2 测试分析手段 ( 1 ) 常温拉伸试验，测定合金的抗拉强度o 。，屈服强度oo2 和延伸率6 ； ( 2 ) 冲压性能实验，测板材的塑性应变比( r ) ，硬化指数( n ) ，屈强比( 。o2 ，os ) ； ( 3 ) x 射线衍射实验； ( 4 ) d s c 分析； ( 5 ) 测量试样的显微硬度； ( 6 ) 电子探针分析； ( 7 ) 测试样的电阻； ( 8 ) 利用金相显微镜，扫描电镜( s e m ) ，能谱分析( e d s ) 和透射电镜( t e m ) 进行微观 组织观察。 中南火学硕士学位论文 2 1 实验方案 第二章实验方法 本论文采用正交设计法【5 0 制备出九种不同成分的a l m g s i 基合金，对其采用相同 的加工工艺和热处理制度，研究m g 、s i 、c u 、z r 对合金组织和性能的影响，优化出合 金成分。对成分优化的合金进行熟处理，研究了不同固溶处理制度和不同时效制度对合 金组织和性能的影响。 2 1 1 合金成分设计 “正交设计法”是处理多因素实验的一种科学的实验方法，它可利用正交表来合理 的安排实验，用这种方法只做较少次数的实验便可判断出较优的条件，对实验结果进行 简单的统计分析，可以更全面，更系统地掌握实验结果，作出正确判断。在文献综述中 已经说明，6 1 11 合金由于具有最初的成形性能和晟终性能能很好地结合的优点，因此 美国的许多汽车生产商把它作为主要的车身板材1 1 1 】。但是6 1 1 l 的强度仍比较低，最初 的成形性能也需要提高。本实验所研究的合金成分是在参考表1 3 中6 1 1 1 的成分的基 础上设计的。考虑到m 9 2 s i 是6 0 0 0 系合金的主要强化相，m g 、s i 含量的变化能引起合 金