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东北大学博士学位论文 摘要 a i m g 。s i c u m n 汽车车身用铝合金板材的研究 摘要 本研究为国家教育部重点项目“汽车车身用铝合金板材研制”和国家“8 6 3 ” 计划项目“高精度深冲铝合金板材及相关技术开发”的部分内容。旨在开发出一 种用于汽车外车身板的新型铝合金材料及其相应的热处理工艺。 在大量的实验研究和理论计算的基础上，研制出一种适用于车身板的铝合金 材料，成分为a 1 1 2 9 m g 1 2 2 s i 一0 4 8 c u 0 6 9 m n ，其余0 3 f e ，o 2 z n 和0 1 c r ( 质 量分数) ，同时成功地探索出一种针对6 0 0 0 系合金车身板的预时效处理工艺。这 种新合金冲压前的即1 5 、，1 5 值分别为o 2 7 2 和0 8 3 2 ，经1 7 0 。c 3 0 m i n 模拟烤漆后 的屈服强度和抗拉强度分别达到了2 7 3m p a 和3 7 6 m p a 。所有性能均超过了国家 “8 6 3 ”项目制定的铝合金车身板的性能指标，且优于国外的6 1 1 1 合金，为汽车板 铝含金材料的国产化奠定了基础。 扫描电镜能谱、x 射线衍射、透射电镜以及金相分析结果表明，6 0 0 0 系车身 板合金铸态结晶相的类型主要为a 1 19 c u m 9 4 1 s i 33 ( 即q 相) 、a 1 5 ( f e m n ) s i 、a 1 8 ( f e m n ) 2 s i 、a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2 和a i s ( m n f e ) 1 2 s i 7 相及m 9 2 s i 相，m g 含量较低时，出现纯 s i 相。提高含m g 量，对于s i 过剩合金，q 相增多；对于m g 过剩合金，q 相减 少，但m 9 2 s i 相均增多。提高含m n 量，在低f e ( f e 0 1 ) 合金中，形成a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2 相，其数量随之减少；在含f e 量较高的合金中，不仅形成a 1 5 ( m n f e ) 1 2 s i 7 相，还 形成a i s ( f e m n ) s i 和a l s ( f e m n ) 2 s i 相，且随含m n 量的增加，a 1 5 ( f e m n ) s i 相数量 减少，a i s ( m n f e ) 1 2 s i 7 和a l s ( f e m n ) 2 s i 相增多。铸锭均匀化处理时，q 相为可溶相； m 9 2 s i 及a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2 和a i s ( m n f e ) 1 2 s i 7 结晶相变化不大。但a 1 5 ( f e m n ) s i 发生向 a i s ( f e m n ) 2 s i 相的转变，且随含m n 量增加，转变更完全。结晶相中的m n 、f e 或 c r 具有相互替代作用。 杯突、硬度及拉伸试验等实验结果表明，合金元素对t 4 ( 固溶水淬+ 自然时 东北大学博士学位论文 摘要 效两周) 和t 4 p ( 固溶水漳+ 短时人工时效+ 自然时效两周) 态( 除时效硬化性能 优异的合金外) 性能的影响规律基本相同。提高m g s i 质量比和m n 含量 ( m n 0 8 ) ，对s i 过剩合金，其t 4 和t 4 p 硬度及强度增大，塑性下降，不利于 合金的成形性；对m g 过剩合金，t 4 p 硬度和强度高于t 4 硬度和强度，合金的成 形性提高。而合金元素对不同处理态人工时效硬化作用，一是通过增加含m n 量及 添加微量元素c r 和t i 产生的弥散强化和细晶强化增大合金的初始硬度；二是通过 提高m 9 2 s i 在基体中过饱和度以增加合金时效初期强化相的析出数量而促进烤漆 强化。t 4 态铝台金车身板进行1 7 0 x 3 0 m i n 模拟烤漆均出现软化现象，而合金成 分对于改善这种不利影响的作用不大。相比之下预时效处理制度对烤漆硬化性的 影响比合金元素的作用更有效，不仅保证在交货条件下具有比t 4 态更低的屈服强 度，有利于汽车车身覆盖件的冲压成形，同时促进烤漆过程合金的显著强化。 通过热力学计算得到了不同处理态合金在随后加热过程各亚稳相析出激活 能，证明了t 4 p ( 2 5 1 0 m i n ) 状态下进行烤漆比t 4 态及固溶淬火态更易于获得b ” 相( 即获得更高的强度) 。综合硬度法、电导率法及d s c 实验等结果分析，揭示 了合金预时效后组织中存在着大量的b ，f 核心具有双重作用的机制：这种尺寸较大、 密度较高的核心降低了其周围基体溶质的过饱和度，抑制其在室温下继续形成 g p 区，保证了合金板材冲压时具有较低的强度；同时这些b ”核心在烤漆时迅速转 变成b ”相，显著提高合金烤漆强度。 关键词6 0 0 0 系合金车身板结晶相g p 区b ”相力学性能成形性能 烤漆硬化性预时效 查! ! 垄堂堡主兰堡笙墨 垒! 坐型 d e v e l o p m e n to fan o v e la i - m g - s i - - c u - m na l l o y a u t o m o t i v eb o d ys h e e tm a t e r i a l a b s t r a c t t h i sw o r kf o r m sp a r to f t h em i n i s t r yo f e d u c a t i o ns t a t ek e y p r o j e c t “i n v e s t i g a t i o n o fc a rb o d yb l a n ka l u m i n u ma l l o y s ”a n dn a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m m e ) “h i g hp r e c i s i o nd e e pp u n c h a l l u m i n i u ma l l o ys h e e tm a t e r i a la n dh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ”i t a i m st o d e v e l o pa n o v e la l u m i n i u ma l l o ya n das u i t a b l eh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u ef o r a u t o m o t i v eb o d ys h e e ta p p l i c a t i o n s b a s e do ns i g n i f i c a n ta m o u n to fe x p e r i m e n t a lw o r ka n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s ，a n o v e la l u m i n i u ma l l o yw i t hac h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa 1 1 2 9 m g 一1 2 2 s i 一0 4 8 c u 一0 6 9 m n ，a n dr e m a i n i n go 3 f e ，o 2 z na n d0 1c r ( m a s s ) ，a n dan e wh e a tt r e a t m e n t t e c h n i q u eh a v eb e e nd e v e l o p e df o ra u t o m o t i v eb o d ys h e e ta p p l i c a t i o n s p r o p e r t i e so f s u c ha l la l l o yh a v eb e e nf o u n ds u p e r i o rt ot h ep r o p e r t i e so ft h ee x i s t i n g6 111a l l o y , a n d a l s oe x c e e d e dt h et a r g e tp r o p e r t i e so f t h ea l l o ys p e c i f i e di nt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m m e t h ew o r kp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rt h ep r o d u c t i o no fa l u m i n u ma l l o yf o ra u t o m o t i v e i n d u s t r yi nc h i n a t h ev a l u e so f ? 1 1 5a n dr 1 5o ft h ea l l o yb e f o r ep r e s s i n ga r eo 2 7 2a n d o 8 3 2 ，r e s p e c t i v e l y a f t e ras i m u l a t e dp a i n t b a k i n gp r o c e s s ，i e a t1 7 0 。cf o r3 0m i n ，t h e y i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hh a v eb e e na c h i e v e dt ob e2 7 3m p aa n d3 7 6m p a r e s p e c t i v e l y t h em i c r o s t r u c t u r a la n a l y s e su s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g y d i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n d x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) d e m o n s t r a t et h a tt h em a i np h a s ec o n s t i t u t e so f6 0 0 0s e r i e s a l l o y sf o ra u t o m o t i v eb o d ys h e e t sa r ea l l9 c u m 9 4a s i 33 ( qp h a s e ) ，a l s ( f e m n ) s i ， t v 查! ! 查鲎堡主堂堡垒查 垒! 竺! 型 a 1 8 ( f e m n ) 2 s i ，a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2 ，a 1 5 ( m n f e ) 1 2 s i 7 a n dm 9 2 s i w h e nm gc o n t e n ti s r e l a t i v e l yl o w e r , p u r es ip h a s ei s a l s op r e s e n t f o rt h ee x c e s ss ic o n t e n ta l u m i n u m a l l o y s ，i n c r e a s i n gm gc o n t e n ti n c r e a s e st h ea m o u n to fqp h a s e ；f o rt h ee x c e s sm g c o n t e n ta l u m i n u ma l l o y s ，i n c r e a s i n gm gc o n t e n td e c r e a s e st h ea m o u n to fqp h a s e ，b u t i n c r e a s e st h em 9 2 s ip h a s ei nt w oa l l o y s f o rl o wf ea l u m i n u ma l l o y s ，i e f e o 1m a s s ，a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2p h a s ei sf o r m e d ，a n di n c r e a s i n gm n c o n t e n td e c r e a s e st h ea m o u n to f t h ep h a s e f o rh i g hf ea l l o y s ，t h r e ep h a s e s ，i e a i s ( f e m n ) s i ，a 1 5 ( m n f e ) 1 2 s i 7a n d a 1 8 ( f e m n ) 2 s i ，a r ep r e s e n t i n c r e a s i n gm nc o n t e n td e c r e a s e st h ea m o u n to fa l s ( f e m n ) s i ， b u ti n c r e a s e st h ea m o u n to ft h eo t h e rt w op h a s e s d u r i n gh o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n to f t h ei n g o t s ，ep h a s ei ss o l u b l e ，w h i l em 9 2 s i ，a 1 4 ( m n f e ) 3 s i 2a n da l s ( m n f e ) 1 2 s i 7d on o t c h a n g es i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , a i s ( f e m n ) s it r a n s f o r m si n t oa 1 8 ( f e m n ) 2 s i t h i sp h a s e t r a n s f o r m a t i o nb e c o m e sm o r ec o m p l e t ew i t ha ni n c r e a s ei nm nc o n t e n t i na d d i t i o n t h e e l e m e n t so fm n ，f ea n dc ra r ei n t e r c h a n g e a b l e t h er e s u l t sf r o mh a r d n e s s ，t e n s i l et e s t sa n dc u p p i n gt e s ts h o wt h a tt h ee f f e c t so ft h e c o m p o s i t i o no f t h ea l l o y so nt h ep r o p e r t i e so f t 4a n dt 4 p a r es i m i l a rw i t ht h ee x c e p t i o n o fe x c e l l e n ta g e h a r d e n a b i l i t y f o rt h ee x c e s ss ic o n t e n ta l l o y s ，i n c r e a s i n gm g s ir a t i o a n dm nc o n t e n t ( m n o 8 m a s s ) i n c r e a s e si nt 4a n dt 4 ph a r d n e s sa n ds t r e n g t h ，b u t d e t e r i o r a t e st h ef o r m a b i l i t ya n dp l a s t i cp r o p e r t yo ft h ea l l o y s ；f o rt h ee x c e s sm gc o n t e n t a l l o y s ，t 4 ph a r d n e s sa n ds t r e n g t hi sm o r et h a nt 4h a r d n e s sa n ds t r e n g t h ，a n dt h e f o r m a b i l i t yo ft h ea l l o y si se n h a n c e d t h ee f f e c t so ft h ea l l o yc o m p o s i t i o n so na r t i f i c i a l a g e - h a r d e n i n gf o rd i f f e r e n tt r e a t m e n tc o n d i t i o n sa r eu n d e r s t o o di nt h ef o l l o w i n gt w o a s p e c t s t h ef i r s to n ei st h a ti n c r e a s i n gm nc o n t e n ta n da d d i t i o n a la l l o y i n ge l e m e n t s s u c ha sc ra n dt i ，t h ef o r m a t i o no ft h ed i s p e r s o i dp a r t i c l e si n c r e a s e st h ea c t i o no f d i s p e l r s i o ns t r e n g t h e n i n ga n dr e f i n i n gg r a i no nt h ea l l o y s ，a sar e s u l t ，e n h a n c e si n i t i a l h a r d e n s s t h es e c o n do n ei st h a ti n c r e a s i n gs a t u r a t i o no fm 9 2 s ii nt h em a t r i xi n c r e a s e s t h ea m o u n to fp r e c i p i t a t i o no f s t r e n g t h e n i n gp h a s e s t o e n h a n c i n gp a i n t - b a k e h a r d e n a b i l i t y w h e nt h ea l l o y s i nt 4t e m p e ra r et r e a t e db yas i m u l a t e dp m n t - b a k i n g p r o c e s s ，i e a t17 0 。cf o r3 0r a i n ，s o f t e n i n go c c u r s c o m p o s i t i o nv a r i a t i o nh a sl i t t l e e f f e c to nt h ep r o b l e m p r e a g i n gt r e a t m e n th a sb e e nf o u n dt ob eam o r ee f f e c t i v e m e t h o dt oa c h i e v eh i g h e rp a i n tb a k er e s p o n s e ，t h i se n s u r e sn o to n l yl o w e r y i e l ds t r e n g t h v 查! ! 垄鲎堡圭兰堡垒圭j 竺塑兰生 t h a nt h ea l l o y si nt 4t e m p e ri nt h ef i n a ld e l i v e r yc o n d i t i o n ，b u ta l s ob e n e f i t sp r e s s f o r m i n go fa u t o m o t i v eb o d ys h e e ta n de n a b l e ss t r e n g t h e n i n g o ft h em a t e r i a la f t e r p a i n t - b a k i n gp r o c e s s c a l c u l a t i o n sb a s e do nt h e r m o d y n a m i c sp r o v i d ev a l u e so fe x c i t a t i o ne n e r g yf o r v a r i o u sm e t a s t a b l ep r e c i p i t a t e sd u r i n gh e a t - t r e a t m e n t s t h ew o r ks h o w st h a ti ti se a s i e r t oo b t a i nb ”p h a s e ，i e t oa c h i e v eh i g h e rs t r e n g t h e n i n g ，w h e nt h ea l l o y si nt 4 p ( 2 5 1 0 r a i n ) c o n d i t i o na r ec a r r i e do u tp a i n t - b a k i n gt r e a t m e n tc o m p a r e dw i t ht h ea l l o y si nt 4 a n ds o l u t i o nt r e a t m e n tc o n d i t i o n c o m b i n e dw i t ha n a l y s e so fh a r d n e s s ，c o n d u c t i v i t ya n d d s ct e s t ，i th a sr e v e a l e dt h a tt h ee x i s t e n c eo f 旷n u c l e u sa f t e rp r e a g i n gh a sd u a l b e n e f i t s ：o n ei st h a tt h el a r g es i z ea n dh i g hd e n s i t yo ft h e n u c l e u sr e d u c et h e s a t u r a t i o no fs o l u t ei nt h es u r r o u n d i n gm a t r i x ，a n dr e s t r a i nc o n t i n u o u s l yp r e c i p i t a t i o no f g pz o n e si nr o o mt e m p e r a t u r e ，t h u st oe n s u r el o ws t r e n g t hb e f o r ep u n c h i n gp r o c e s s ；t h e o t h e ro n ei st h a tt h o s e 旷n u c l e u sc o n t i n u o u s l yd e v e l o pt op ”p h a s ed u r i n gt h ef o l l o w i n g p a i n t - b a k i n gp r o c e s st oi n c r e a s ep a i n t b a k i n gh a r d e n a b i l i t yr e m a r k a b l y k e y w o r d s ：6 0 0 0s e r i e sa l l o y s ；a u t o m o t i v eb o d ys h e e t ；p h a s ec o n s t i t u t e ；g pz o n e ；b ” p h a s e ；t e n s i l ep r o p e r t y ；f o r m a b i l i t y ；p a i n t - - b a k eh a r d e n a b i l i t y ；p r e a g i n g v i 东北大学博士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：暂j 耘 日期：五- 5 彦巧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日期： ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 导师签名 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究和开发车身板铝合金的意义 汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时，也带来环境污染和能源短缺两大严重 的社会问题。这促使汽车产业将持续发展的核心放在能源和环保上，而以汽车轻 量化为主导的先进汽车材料技术是实现这一目标的重要保证，因此轻量化成为未 来汽车技术发展的主要方向【1 “。汽车材料是影响汽车重量的重要因素，对节省能 源及改善污染都有相当程度的影响。在新能源技术发展尚未成熟，汽车减重无疑 是降低能耗及污染的最佳途径。采用轻质材料是减轻汽车重量最简单的方法，因 而，轻质汽车材料成为当前汽车工业开发研究的热点。 目前轻量化汽车材料的发展趋势是：钢铁材料的比例逐年下降，而高强度和 超高强度钢的用量有较大的增长，比如近年开发的各种高强度水平的多相钢，包 括双相钢、复相钢、相变诱发塑性( t r i p ) 钢及马氏体钢，这些高强钢板由于具 有优良的综合性能，可用来代替酱通钢板，其减重效果达到1 5 以上；在超轻车 身开发项目中，双相钢的使用比例将达到7 0 ，是实现百公里油耗的主要贡献材 料。而镁合金及轻质复合材料的应用亟待开发和推广，其中镁合金由于减重效果 明显且易于回收利用，世界各大汽车公司将以其用量多少作为自身车辆技术领先 的标志。目前，镁合金在汽车工业中的年增长率平均每年递增1 5 以上；而轻质 复合材料在结构部件及车身外覆盖件、内装饰件上的应用也将有较大的增长。相 比之下，铝合金在汽车上的用量较多，尤其在新型轿车和载货车上是发展最快的 材料。 据有关资料介绍 5 - 7 ，汽车熏量每减轻1 0 ，百公里油耗可减少6 ；若一辆 中型轿车( 约1 5 0 0 k g ) 减少3 5 0 k g ，则这辆汽车在使用年限内至少能降低约5 2 5 0 k g 的废气。用铝合金材料作为汽车车身内外板代替传统碳钢板，可使车身减重大约 4 7 ，降低油耗达2 8 2 。而且承力相同时，铝合金比钢轻6 0 ：承受同样的冲击， 铝板比钢板多吸收5 0 的冲击能，更具安全性【8 | 9 1 。此外，汽车用铝的6 0 来自回 收的废铝，估计到2 0 1 0 年，可上升到9 0 【l l o 显然，铝合金的使用不仅可显著改 善燃料运输的经济性，而且利用回收废料制成铝合金还能降低汽车结构件的生产 成本，因此是汽车轻量化的理想材料。 虽然目前铝材的成本仍比钢材贵，但随电力工业和冶炼技术的发展，必然带 来其产量巨增而成本下降，铝合金大规模的进入汽车工业领域已为时不远，2 l 世 1 查! ! 垄堂堡主兰堡垒查 纪将是汽车铝化的时代。 第1 章绪论 我国汽车产业的高速发展，对原材料的消耗量越来越大，同时也要求汽车产 业使用可持续应用的材料。我国是铝资源丰富的国家，应用铝及铝合金无疑是汽 车产业可持续发展的重要保证，因此研究和开发汽车车身板铝合金具有重要的意 义。 1 2 车身板铝合金的开发现状和研究进展 1 2 1 国外车身板铝合金开发状况 目前，汽车工业巨头美、日、德国的汽车铝化走在前列。例如美国福特 公司的“黑貂”汽车上市，每车用铝量为4 5 0 k g ，使汽车减重约3 5 ，节省燃料 3 0 以上【1 0 i ；日本本田公司推出的a c u r an s x 型赛车，共使用了4 3 0 k g 的铝合金 材料，自重下降了4 0 ，车体构架为铝合金型材，车顶前后盖、左右侧门是用铝 合金板材冲压而成，内部还使用了大量的铝合金铸件、锻件【6 】；奥遮公司面向欧洲 市场投放的a 8 型铝制汽车，自重减轻了4 6 8 ，而结构的刚性质量比则提高 1 4 口】。可见铝合金在汽车上的应用具有极大的潜力和发展前途。 轿车车身是轿车中重量较大的部件，约占汽车重量的3 0 ，所以车身的铝化 举足轻重，而车身板材料的开发是关键。过去用于轿车车身的铝合金主要有a 1 一c u m g ( 2 0 0 0 系) 、a 1 - m g ( 5 0 0 0 系) a na 1 一m g - s i ( 6 0 0 0 系) 三大系列。 2 0 0 0 系合金是可热处理强化的合金，以c u 和m g 为主加元素，其强化相为 c u a l 2 或c u m g a l 2 。该系合金表现出良好的锻造性，而且具有较高的强度和一定的 烤漆硬化性。不过2 0 0 0 系铝合金的抗蚀性比其他工业铝合金差。 在北美a a 2 0 3 6 和a a 2 0 0 8 被认为是2 0 0 0 系铝合金中较为适用于车身板的合 金j 。a a 2 0 3 6 合金是以c u a l 2 为强化相的合金，具有良好的成形性而用于汽车外 板，如车盖、底板盖，司机室等。取代钢板时，可使外壁减轻5 5 6 0 【4 】。但这 种材料在低温人工时效时表现为强度下降，烤漆时要获得足够的强度，则需要较 高的温度和较长的时间。然而，未来的烤漆温度很可能会因为新改进的环保型漆 在汽车行业的应用而进一步降低，这样就限制了其在烤漆过程中获得强化。而 a a 2 0 0 8 合金为c u m g a l 2 作强化相的合金，具有较好的成形性，而且在烤漆过程 中不会表现出性能的降低。但这种材料由于强化相形核困难，时效硬化速度慢， 烤漆硬化能力较低，因而其应用被限制于车身内板。 5 0 0 0 系合金中的m g 固溶于铝中，形成固溶强化效应，其成形性，抗腐蚀性 能较高。但该系合金属于非热处理强化合金，只能通过加工硬化获得强度，一般 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 以o ( 退火) 状态使用，强度较低，通常用于汽车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 l l - - p e t c h 关系： 盯。= 仃。+ 埘 式中o - ，为屈服应力( m p a ) ，盯。是摩擦应力( m p a ) ，反映m g 原子的固溶 强化程度，d 为晶粒尺寸，k 为常数。p e r c h 参数c r n 和k 不仅随m g 含量的增加而增 大，而且还受晶粒形状和结晶织构的影响。由于铸造、均匀化、冷轧加工及随后 进行的专门退火处理等工艺参数的变化会改变合金的显微组织，因而将直接影响 合金最终的强化效果【1 2 1 。虽然有许多因素影响5 0 0 0 系合金的屈服强度，但晶粒尺 寸对5 0 0 0 系强度的影响比对其他系铝合金强度的影响大得多。 5 0 0 0 系合金的强化取决于m g 含量及晶粒尺寸使其具有两个明显的缺点：勒 德斯( l c d d e r s ) 线和勒德斯延迟( l i i d e r se l o n g a t i o n ，或屈服点伸长。勒德斯线 是产品表面出现的“一系列新台阶或锯齿状变形带”引起表面粗化的一种形式。 如果晶粒尺寸过大，且在变形时进一步发展，便会出现“桔皮” ( o r a n g ep e e l i n g ) 现象，造成不雅外观。一般来说，晶粒尺寸为2 5 岫时，基本上可以避免板材对勒 德斯线的敏感性；晶粒尺寸超过4 5 9 m 时，从视觉上便不可接受，同时因早期的缩 颈变形还可能引起成形性降级。而一旦晶粒尺寸在1 0 0 斗m 以上，勒得斯线和桔皮 效应的出现便容易导致板材表面起皱，使板材的表面质量变坏。所谓勒德斯延迟 是指材料最初屈服时的变形不均匀，此时出现应变而屈服应力并不增加。这源于 m g 溶质气团的位错源的释放，导致合金在显著的应变强化之前出现很大的形变 量。这种现象会造成用烤漆涂层难以掩饰的令人讨厌的外观。勒德斯延迟随晶粒 尺寸的减小而增加，而且大都发生在含m g 量大于2 ( 质量分数) 的m g 合金中。 但含m g 量低于3 ( 质量分数) 时，又会影响合金的加工硬化速度 9 ，使其强度 不足。于是对于5 0 0 0 系合金关键是控制m g 含量及晶粒尺寸以获得强度和表面质 量的最佳组合。此外，5 0 0 0 系合金的延展性和弯曲能力，随含f e 量的增加急剧下 降【i ”，且烤漆过程中常伴有软化现象。 日本过去主要以5 0 0 0 系为基础开发轿车车身用铝合金板材。通过调整m g 含 量以及微量元素，控制加工过程和进行适当的热处理来提高成形性；并在不影响 成形性的前提下，加入适量的c u ，提高合金的强度，使烤漆处理时不软化。具有 代表性的5 1 8 2 一o 和5 1 8 2 一s s f 合金板特别适合于要求用延展方法成形的零部件， 如车盖、后行李箱盖、负载底板和空气过滤器等【l ”。但近年来日本也开始转向开 发6 0 0 0 系车身板。 6 0 0 0 系合金是可热处理强化的合金。该系台金强度适中，成形性和耐蚀性好， 东北大学博士学位论文第1 章绪论 易着色，综合性能优良。其最大的特点是能在固溶处理淬火后具有较低屈服强度 的状态下供货，具有良好的冲压成形能力，并能在最终的烤漆处理过程中获得进 一步强化。 尽管6 0 0 0 系合金也要从显微组织以及相关的加工考虑i l ，但与5 0 0 0 系合金 不同，6 0 0 0 系合金的p e t c h 参数盯。相对较高，其原因主要是室温时效时形成了共 格原子集团；而且6 0 0 0 系合金变形时不会出现勒德斯延迟，这是因为合金中的含 m g 量较低，其它可溶性的元素s i 、c u 以共格原子集团的形式束缚了m g ，降低其 扩散速度，而不易于形成钉扎位错的有效原子气团。此外，6 0 0 0 系合金与5 0 0 0 系 合金的另一不同之处是屈服强度对晶粒尺寸的依赖较弱，亦即晶粒尺寸对材料屈 服强度的贡献不明显，于是有益于成形部分保持光滑表面。但对于6 0 0 0 系合金， 重要的是通过固溶处理来获得时效硬化效应，同时控制再结晶组织特别是晶粒形 态和织构来实现板材性能的各向同性 1 7 2 扪。 然而，再结晶所形成的最终组织取决于再结晶之前板材组织中第二相粒子的 大小、分布以及亚结构。此外，还受合金化以及加热速度等的影响。控制铸造、 轧制及随后进行的热处理等整个热加工工序过程合金相的析出可显著地影响合金 的再结晶行为和结晶织构【2 6 6 ”。而合金化的目的之一就是考虑控制合金相的形成 对机械性能和成形性的影响 3 4 - 4 4 。 在6 0 0 0 系合金中，a a 6 0 0 9 和a a 6 0 1 6 合金具有相近的力学性能，其t 4 状态 下的屈服强度较低，因而表现出优异的成形性，可与5 1 8 2 一o 板相媲美，且不出 现勒德斯线，但烤漆后的强度相对较低，约为1 8 0 m p a 。而a a 6 0 1 0 合金虽然烤漆 后的强度较高，但t 4 状态下的强度也高，其成形性与2 0 3 6 - - t 4 相似。a a 6 1 1l 合金t 4 状态下的强度为1 5 0 1 7 0 m p a ，烤漆后的强度超过2 0 0 m p a ，为制造车身 板提供了良好的最初成形性和最终的使用性能。目前，欧美国家主要以6 0 0 0 系合 金为基础开发铝合金车身板，如车盖、后行李箱盖以及车门等车身构件1 4 】。在欧 洲广泛使用的是a a 6 0 1 6 合金，在北美由于更注重强度，主要用a a 6 1 1 1 合金，最 近还开发了抗蚀性更好的6 0 2 2 合金，其6 0 2 2 - - t 4 e 2 9 ( 为a l c o a 内部热处理) 已 专利化，并投入工业化生产【4 5 i 。像f o r d c r o w v i c t o r i a ，c r a n d m a r q u i s 和t a u r u s s a b l e 车型的外板及许多内板上都有应用。 目前，关于这三大系列的铝合金，国外从8 0 年代起就已开始逐步应用。其中 用于汽车板的部分铝合金的化学成分如表1 1 所示【1 0 _ 6 1 。 表1 2 给出了上述6 0 0 0 系的部分合金t 4 状态下的力学性能以及成形后进行模 拟烤漆时其力学性能的变化。可见该系合金具有一定的烘烤硬化能力。 表1 3 给出了用于轿车车身板2 0 0 0 系、5 0 0 0 系、6 0 0 0 系合金和钢的塑性和冲 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 压成形性能指标【8 , 4 7 , 4 8 。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，冲压成形是在板材均匀塑性变形的范围内进行，故均匀伸长率6 u 对冲压成形性似乎更有意义。6 0 0 0 系合金的均匀伸长率6 u 最大，说明6 0 0 0 系板 材的极限变形程度最大。5 0 0 0 系合金的应变强化指数珂值最大，意味着板材受力 变形时，其较大的应变由于应变强化而增加了抵抗进一步变形的能力，故可使局 部变形转移到邻近区域，延缓缩颈的到来，从而造成较大的板面有更为均布的应 变。而钢的塑性应变比r 值最大，值越大，板材抵抗失稳变薄的能力越大，越能 发挥拉伸失稳前的最大强度【4 9 l 。此外，钢的杯突值和1 8 0 0 弯曲半径( 0 t ) 也均为 最大。这些数据表明，铝合金的冲压成形性能与钢相比虽然还有一定的差距，但 用铝合金替代钢作为汽车车身板材料还是完全可行的。由于2 0 0 0 系合金的抗蚀性 和烘烤硬化性，5 0 0 0 系合金成形时产生的勒得斯线和桔皮效应都不尽如人意，而 6 0 0 0 系合金与钢板相比，其t 4 态板材的h 值超过钢板。该系合金的成形性虽不如 5 0 0 0 系，但冲压时不产生滑移线痕，而且经油漆烘烤，烤漆硬化性优于2 0 0 0 系合 金。因而，6 0 0 0 系合金的研究愈来愈受到关注【5 3 1 ，目前的发展趋势是开发6 0 0 0 系车身板铝合金。 表1 1国外部分汽车板铝合金的成分范围 t a b l e1 ic h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f f o r e i g ns o m ea l u m i n i u ma l l o y s f o ra u t o m o t i v eb o d ys h e e ta p p l i c a t i o n s ( m a s s ) 查! ! 查兰堡主堂竺堕查 笙! 主笪垒 表1 2 几种典型铝合金汽车板的t 4 及烤漆后的性能 t a b l e l 2 p r o p e r t i e so f t 4a n d p a i n t b a k i n g o fs o m e t y p i c a la l l o y s f o r a u t o m o t i v eb o d ys h e e t s t 4 2 p r e s t r a i n + 1 7 5 c x 3 0 m i n5 p r e s t r a i n + 1 7 56 c 3 0 m i n a l l o y s g o 2g b 6 巧o2g b 6 i f 02 a b ! 塑! ! 垡! 塑! !塑! 塑! !塑 6 0 1 61 1 52 3 02 7 1 7 32 4 52 3 6 1 1 11 6 52 8 32 52 1 6 3 0 62 32 5 23 2 2 1 1 丝! ! ! 翌! ： 表1 3 轿车车身铝合金板材和钢板的成形性比较 t a b l e l 3 c o m p a r i s o no ff o r m a b i l i t yo fs h e e ta l u m i n i u ma l l o y s w i t hs t e e ls h e e t sf o ra u t o m o t i v eb o d ya p p l i c a t i o n 1 2 26 0 0 0 系车身板合金的研究进展 对汽车车身板的基本要求是尽可能高的冲压变形能力和使用中的抗凹陷性。 汽车板的抗凹陷性是指板材制成的车体与外界硬物碰撞时不产生凹坑或塌陷的能 6 圭! ! 垄芏堡主芏堡垒查堑! 主些堕 表1 2 几种典型铝音叠汽车板的t 4 及烤橡后的性能 t a b l e1 2 p r o p