【正文】 新型 6xxx系鋁合金板材熱加工工藝 和成分優(yōu)化及其相關(guān)機理研究 學(xué)號： s20211208 姓名：李高潔 專業(yè)：材料科學(xué)與工程 摘要 6xxx 系鋁合金作為可熱處理強化的合金，其具有中等的強度、良好的耐蝕性、較好的成形性以及較低的密度，但是成形性能、烤漆硬化能力和彎邊性能等有待進一步提高。其中成形性能的提高主要取決于微觀組織和織構(gòu)的調(diào)控，而這主要受合金成分及熱加工工藝的影響。因此，從合金成分和熱加工工藝的角度合理調(diào)控 AlMgSiCuZn 系合金的微觀組織以及第二相粒子的尺寸、形狀和分布是實現(xiàn)成形性能優(yōu)化的有效方法。 本文首先針對中鋁科學(xué)技術(shù)研究院制備的新型 AlMgSiCuZn 合金采用不同熱加工工藝對組織和織構(gòu)演變的影響進行了研究，并且 優(yōu)化出一種較好的熱加工工藝。其次設(shè)計開發(fā)了新型 6xxx 系鋁合金 (Mn 和 Zn元素均有變化 )，研究 Mn元素的變化對合金基體內(nèi)富鐵相粒子尺寸、形狀及分布的影響，以及 Zn 元素的添加對合金微觀組織、織構(gòu)及性能的影響。 隨著新型 AlMgSiCuZn合金在中間退火前冷軋變形量的增加，使合金基體內(nèi)的粒子得到充分破碎及獲得較大的形變儲能，使得中間退火后細小的第二相粒子能夠更加充分回溶進基體，而一些細小且難溶的富鐵相粒子仍然保留在合金基體上。因此合金的再結(jié)晶組織和織構(gòu)將會發(fā)生顯著變化，并使 T4P態(tài)合金的力學(xué)性能達到最優(yōu) 。 對于新設(shè)計開發(fā)的 6xxx 系鋁合金，隨著 Mn 含量的改變，合金的組織、再結(jié)晶織構(gòu)和性能都會發(fā)生一定程度的變化。 Mn 含量的提高，會增加基體內(nèi)富鐵相粒子的濃度，變形過程中會形成不同尺度的粒子，它們之間在再結(jié)晶時的協(xié)同配合作用，可以顯著使得再結(jié)晶晶粒的細化以及織構(gòu)弱化，塑性應(yīng)變比 r 值的提高。添加 Zn 元素能夠顯著細化再結(jié)晶晶粒，對再結(jié)晶織構(gòu)的影響不大。 關(guān)鍵詞： AlMgSiCuZn 合金，熱加工工藝，織構(gòu)，成形性，析出規(guī)律 1 引言 隨著對汽車的燃料經(jīng)濟性和排放控制要求的提高，人們將目光集中在通過替代材料、改進設(shè)計或者先進的制造工藝找到制造輕量化汽車的方法。燃料經(jīng)濟性的改善和排放控制是當(dāng)今汽車工業(yè)面臨的兩個最重要的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對能源危機以及利益惡化的環(huán)境問題，各國政府頒布了一系列的政策來應(yīng)對這種挑戰(zhàn)。例如在美國，汽車的平均油耗受政府頒布的 CAFE(汽車制造廠平均油耗 )標(biāo)準(zhǔn)約束。對于轎車， CAFE標(biāo)準(zhǔn)從 1978年最初的 18mile/gal增加到目前的 ，并且計劃到 2020年增加到 35mile/gal。這些標(biāo)準(zhǔn)制定的目 的都是為了改善燃油經(jīng)濟性以及減少環(huán)境污染和產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要因素 CO2，而減輕汽車裝備質(zhì)量是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要舉措。因此，汽車輕量化技術(shù)將成為未來二十年汽車發(fā)展的重要突破點，其中汽車輕量化主要通過油畫機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用新型輕質(zhì)化材料、采用先進的生產(chǎn)加工工藝等手段去實現(xiàn)，而材料的合理選用對汽車的輕量化起著至關(guān)重要的作用。 汽車燃料經(jīng)濟性受很多因素影響，包括車輛動力需求、車速、發(fā)動機和 汽車燃料經(jīng)濟性受很多因素影響，包括車輛動力需求、車速、發(fā)動機和變速器效率以及燃料類型等。其中車輛動力需求中的車輛加速、爬坡、 以及克服輪胎與路面之間的滾動阻力與汽車的重量成正比，因此減輕汽車重量可以明顯降低車輛的動力需求，因而可以改善汽車的燃料經(jīng)濟性。研究表明，汽車重量每減少 10%，就可以節(jié)油 5%~8%(Brooke and Evans， 2021)。在溫室效應(yīng)方面，汽車重量每減輕 100kg，可以減少 CO2 排放 [1]。而實現(xiàn)汽車輕量化的途徑有：小型化，發(fā)展小排量汽車；結(jié)構(gòu)的合理化，汽車及零部件的優(yōu)化設(shè)計；輕量化材料的應(yīng)用，即使用輕量化材料來代替目前使用最多的鋼鐵材料。近年來汽車用鋼材的占有量不斷下降 ,鋁、鎂等輕合金及塑料、復(fù)合材料的應(yīng)用大幅增加 [2]。 當(dāng)代汽車正朝著輕量化、高速、安全、舒適、低成本、低排放與節(jié)能的方向發(fā)展，節(jié)能、安全、環(huán)保是汽車現(xiàn)代化發(fā)展的三大主題。為了減輕重量、提高速度、節(jié)約能源，減少汽車尾氣對空氣的污染和保護日益惡化的臭氧層，鋁材很快進入了汽車工業(yè)領(lǐng)域 [3]。低碳鋼和鑄鐵是 20世紀(jì) 70 年代以前汽車工業(yè)的重負(fù)荷機器材料。如表 11所示，現(xiàn)在的汽車主要使用低碳鋼和高強度鋼，盡管部分低碳鋼被替代，但直至今天，鋼比其他任何材料用得都多。然而，隨著對汽車輕量化要求的提高，材料方案迅速轉(zhuǎn)變，包 括了鋁合金、鎂合金、以及聚合物基復(fù)合材料 (Powers， 2021)[1]。作為鋼和鐵替代材料的首選金屬是鋁，這是因為鋁的密度只有鋼或鐵的 1/3，用在汽車上可以將同樣鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減小一半，而且它永不生銹。表 12列出了鋁合金的部分特點及其在汽車上的部分應(yīng)用情況 [4]。 表 11 典型汽車用材料的構(gòu)成 [1] 材料 占汽車重量的百分比 主要應(yīng)用部位 鋼 55% 車身結(jié)構(gòu)、車身板件、發(fā)動機和變速器部件、虛假部件、傳動系統(tǒng)部件 鑄鐵 9% 發(fā)動機部件、制動、懸架 鋁 % 發(fā)動機缸體、車輪 銅 % 導(dǎo)線、電器部件 聚合物 (塑料 )和樹脂基復(fù)合材料 9% 內(nèi)飾件、電器和電子部件、發(fā)動機罩下部件、油管 人造橡膠 4% 輪胎、裝飾、密封件 玻璃 3% 玻璃窗 其他 10% 地毯、液體、潤滑材料等 表 12 鋁合金材料的優(yōu)點及其在汽車上的部分用途 [4] 用途 優(yōu)點 缺點 變速器外殼、汽油泵、化油器 重量輕、強度高、耐腐蝕 鋁合金較脆，易出現(xiàn)小裂紋，且不易被發(fā)現(xiàn)；其強度也沒有鋼質(zhì)圈高；在鑄造時有可能出現(xiàn)沙眼 。無內(nèi)胎車胎容易出現(xiàn)虧氣；價格比較高。 發(fā)動機活塞及汽缸蓋 添加強化元素后，強度大大提高，質(zhì)輕，散熱性好 鋁制車圈 質(zhì)輕，散熱性好，并具有良好的外觀 現(xiàn)在鋁在汽車結(jié)構(gòu)、動力傳動系統(tǒng)、附屬裝置中的應(yīng)用使得所生產(chǎn)的汽車更輕、更安全、其加速性、操控性以及制動等性能更好。這些重量更輕的汽車油耗更低，溫室氣體排放更少，污染更低。通過對全世界鋁生產(chǎn)的廣泛研究，用鋁替代鋼材的能量平衡表明：基于通常被人們接受的估計，汽車重量每減輕 10%，平均節(jié)油 5%~6%，因此用于中等尺寸轎車上的每 1t 鋁，在汽車的整個使用壽命內(nèi)平均可減少二氧化碳 18t[1]。 另外，由于鋁礦石生產(chǎn)鋁比用鐵礦石生產(chǎn)鐵需要消耗更多的能量。但循環(huán)利用鋁重新熔融消耗的僅是最初生產(chǎn)是消耗能量的 5%。如