铝合金结构材料

2024-05-06

铝合金结构材料（精选8篇）

篇1：铝合金结构材料

各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量 81%。军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量，如最大飞行速度为马赫数 2.5的F-15高性能战斗机仅使用35.5%铝合金。有些铝合金有良好的低温性能,在-183～-253[2oc]下不冷脆，可在液氢和液氧环境下工作，它与浓硝酸和偏二甲肼不起化学反应,具有良好的焊接性能,因而是制造液体火箭的好材料。发射“阿波罗”号飞船的“土星” 5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾段和仪器舱都用铝合金制造。

航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金。以下是各种型号的应用领域：

1050 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉。

1060 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途。

1100 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工

产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具。1145 包装及绝热铝箔，热交换器。1199 电解电容器箔，光学反光沉积膜。

1350电线、导电绞线、汇流排、变压器带材。

2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品。

2014 应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件。

2017 是第一个获得工业应用的2XXX系合金，它的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件。

2024 飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件。2036汽车车身钣金件。

2048 航空航天器结构件与兵器结构零件。2124 航空航天器结构件。

2218飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环。2219 航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力。2319 焊拉2219合金的焊条和填充焊料。

2618 模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件。2A01 工作温度小于等于100℃的结构铆钉。

2A02 工作温度200~300℃的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片。

2A06 工作温度150~250℃的飞机结构及工作温度125~250℃的航空器结构铆钉。2A10 强度比2A01合金的高，用于制造工作温度小于等于100℃的航空器结构铆钉。

2A11 飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉。

2A12 航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件。2A14 形状复杂的自由锻件与模锻件。

2A16 工作温度250~300℃的航天航空器零件，在室温及高温下工作的焊接容器与气密座舱。2A17 工作温度225~250℃的航空器零件。2A50 形状复杂的中等强度零件。2A60 航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等。2A70 飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等。

2A80 航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件。2A90 航空发动机活塞。

3003 用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道。

3004 全铝易拉罐罐身，要求有比3003合金更高强度的零部件，化工产品生产与贮存装置，薄板加工件，建筑加工件，建筑工具，各种灯具零部件。

3105 房间隔断、档板、活动房板、檐槽和落水管，薄板成形加工件，瓶盖、瓶塞等。3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等。

5005 与3003合金相似，具有中等强度与良好的抗蚀性。用作导体、炊具、仪表板、壳与建筑装饰件。阳极氧化膜比3003合金上的氧化膜更加明亮，并与6063合金的色调协调一致。5050 薄板可作为致冷机与冰箱的内衬板，汽车气管、油管与农业灌溉管；也可加工厚板、管材、棒材、异形材和线材等。

5052 此合金有良好的成形加工性能、抗蚀性、可烛性、疲劳强度与中等的静态强度，用于制造飞机油箱、油管，以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品等。5056 镁合金与电缆护套铆钉、拉链、钉子等；包铝的线材广泛用于加工农业捕虫器罩，以及需要有高抗蚀性的其他场合。

5083 用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。

5086 用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，例如舰艇、汽车、飞机、低温设备、电视塔、钻井装置、运输设备、导弹零部件与甲板等。5154 焊接结构、贮槽、压力容器、船舶结构与海上设施、运输槽罐。

5182 薄板用于加工易拉罐盖，汽车车身板、操纵盘、加强件、托架等零部件。

5252 用于制造有较高强度的装饰件，如汽车等的装饰性零部件。在阳极氧化后具有光亮透明的氧化膜。

5254 过氧化氢及其他化工产品容器。

5356 焊接镁含量大于3%的铝-镁合金焊条及焊丝。5454 焊接结构，压力容器，海洋设施管道。

5456 装甲板、高强度焊接结构、贮槽、压力容器、船舶材料。5457 经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件。5652 过氧化氢及其他化工产品贮存容器。

5657 经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件，但在任何情况下必须确保材料具有细的晶粒组织。

5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件。

5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可用来代替5A02合金。5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架。

5A06 焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件。5A12 焊接结构件，防弹甲板。

6005 挤压型材与管材，用于要求强高大于6063合金的结构件，如梯子、电视天线等。6009 汽车车身板。6010 薄板：汽车车身。6061 要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构性，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、夹具、机械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材。

6063 建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料。6066 锻件及焊接结构挤压材料。

6070 重载焊接结构与汽车工业用的挤压材料与管材。6101 公共汽车用高强度棒材、电导体与散热器材等。

6151 用于模锻曲轴零件、机器零件与生产轧制环，供既要求有良好的可锻性能、高的强度，又要有良好抗蚀性之用。

6201 高强度导电棒材与线材。

6205 厚板、踏板与耐高冲击的挤压件。

6262 要求抗蚀性优于2011和2017合金的有螺纹的高应力零件。6351 车辆的挤压结构件，水、石油等的输送管道。

6463 建筑与各种器具型材，以及经阳极氧化处理后有明亮表面的汽车装饰件。6A02 飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件。

7005 挤压材料，用于制造既要有高的强度又要有高的断裂韧性的焊接结构，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器；大型热交换器，以及焊接后不能进行固熔处理的部件；还可用于制造体育器材如网球拍与垒球棒。

7039 冷冻容器、低温器械与贮存箱，消防压力器材，军用器材、装甲板、导弹装置。7049 用于锻造静态强度与7079-T6合金的相同而又要求有高的抗应力腐蚀开裂勇力的零件，如飞机与导弹零件——起落架液压缸和挤压件。零件的疲劳性能大致与7075-T6合金的相等，而韧性稍高。

7050 飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。制造这类零件对合金的要求是：抗剥落腐蚀、应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与抗疲劳性能都高。

7072 空调器铝箔与特薄带材；2219、3003、3004、5050、5052、5154、6061、7075、7475、7178合金板材与管材的包覆层。

7075 用于制造飞机结构及期货他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件、模具制造。7175 用于锻造航空器用的高强度结构性。T736材料有良好的综合性能，即强度、抗剥落腐蚀与抗应力腐蚀开裂性能、断裂韧性、疲劳强度都高。7178 供制造航空航天器的要求抗压屈服强度高的零部件。

7475 机身用的包铝的与未包铝的板材，机翼骨架、桁条等。其他既要有高的强度又要有高的断裂韧性的零部件。

7A04飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等。

篇2：铝合金结构材料

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空间网格结构用铝合金材料特性

近年来，国内外诸多大跨度空间结构的设计和建造使用了铝合金.但就金属空间结构建筑物的总体数量而言，传统的钢结构仍占据主导地位，而铝合金空间结构只占到其中的一小部分.原因之一是工程造价的制约，铝合金材料比钢材价格贵，某些国家相同截面规格的铝合金型材价格甚至达到钢材的7～10 倍.结合密度、强度因素考虑材料造价，铝合金材料将达到钢材价格的3～4 倍;原因之二是已建铝合金空间结构的数量远少于空间钢结构，因而包括建筑和结构设计师在内的从业者对铝合金材料特性和铝合金结构认识不足，习惯性采用钢结构方案实现设计理念.1.1 锻造铝合金分类及性能比较

铝合金可分为锻铝和铸铝两类.前者是对未熔化的铝坯进行热加工或冷加工成型，后者是将熔化的铝液倒入模具再将其铸造成型.锻造铝合金牌号命名规则是由美国铝业协会(AA)于1954 年提出的，现已被广泛接受并采用，我国也采纳并沿用了该命名方法，并借鉴美国规范的状态代号制订了相关规范.不同牌号的锻造铝合金的强度、延展性、耐腐蚀性等特性由于其化学成分(铝元素和其他少量添加元素)含量的差异而有所不同，如图1 所示，其中4xxx 系列主要用于焊接材料，未纳入比较范围.除化学成分的影响外，锻造铝合金的后续处理方法也会对其力学性能带来很大影响.在各系铝合金中，2xxx、6xxx 和7xxx 系列是可热处理铝合金，通常使用热处理加工方法(T);其他各系为非热处理铝合金，常使用冷加工硬化(H)等方法进行处理.6xxx 系列中含有镁和硅元素，该系列铝合金具有良好的耐腐蚀性和与Q235 钢材相近的强度，并且易于挤压成型，建筑结构中使用的大部分铝合金型材均属该系列，如6061-T6 铝合金，被广泛应用于铝合金空间结构中.1.2 结构用铝合金材料性能及其优缺点

锻造铝合金与结构用钢相似，都具有很好的延展性，高强铝合金强度甚至可与高强钢相比，但其延性略差.在结构设计中铝合金与钢材有诸多相似点，同时也存在着差异，以下通过对比分析铝合金作为结构材料的优缺点.锻造铝合金密度为(2.67～2.80)×103 kg /m3，在结构设计中，为使用方便通常近似取为2.70×103kg /m3，而结构用钢材密度为7.85×103 kg /m3，约为铝合金密度的3 倍.锻造铝合金由于其牌号差异，弹性模量为(69.6～75.2)×103 MPa，钢材为205×103 MPa，亦为铝合金的3倍.铝合金的弹性模量随环境温度的升高而减小，在100℃时减至67×103MPa，升温至200 ℃ 时则减至59×103 MPa.在室温下铝合金的热膨胀系数约为23×10－6/℃，为钢材(12×10－6/℃)的2 倍，表明铝合金结构对温度的变化(主要是升温变化)更为敏感，且随温度的升高，铝合金热膨胀系数也逐渐增大，在200℃ 时可达26×10－6 /℃.当铝合金构件不受约束时，由温度变化引起的变形更大，这在铝合金空间结

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篇3：铝合金结构材料

微观结构的预测模拟技术在过去几十年里飞速发展, 如分子动力学、相场方法, 从原子尺度到介观和宏观尺度描述材料的各种特征。相场方法以Ginzburg-Landau和CahnHilliard理论为基础, 通过引入与时间和位置相关的辅助场已经成功地用于研究凝固过程[1,2]、多重晶粒取向[3,4]、溶质原子与位错交互作用[5]、弹性[5]和塑性[6]等现象, 并且其应用范围不断扩展。

经典密度泛函理论通过晶粒粗化密度场可以准确地描述液体或固体中的晶粒有序化现象[7]。然而, 这种方法需要很高的空间分辨率, 而且计算效率非常低, 不适于模拟和计算复杂结构[7]。晶体相场模型[8,9]作为经典密度泛函理论与传统相场方法的有效结合, 已经被广泛地用于研究扩散时间尺度上的微观结构现象。晶体相场方法能够自洽地耦合弹性、多重晶粒取向、晶界以及位错等现象, 有效地解释微观组织在原子尺度上的演化机理。研究人员已经利用晶体相场法来研究凝固[10]、调幅分解[11]、弹塑性[12]、薄膜生长和岛状形成[13]、无定形或玻璃质状态[14]等现象。利用晶体相场模型可以发展出一些被称为振幅模型的复杂模拟方法, 其具有复杂的序参量, 包含大量的原子现象, 这就使得晶体相场模型可以用来模拟多重尺度上的微观结构现象。最近, 振幅模型被用来描述纯材料和二元合金晶界熔化的各向异性能[15,16]、固液界面上的晶格钉扎作用[17]、合金凝固[18]以及晶界预熔[19]等微观现象。然而, 大部分的振幅模型只能用来模拟具有相同晶体结构的纯材料和二元合金系统。

Greenwood等[20,21]提出了一种改进的晶体相场模型———结构晶体相场模型 (Structural phase-field-crystal model) , 它可以更好地阐述液体中复杂的晶体结构和平衡共存相。通过在自由能泛函中引入一组两点相关函数, 该模型可以动态地模拟液相中固相的生长以及与母相晶体结构完全不同的析出相的形核过程, 因而被大量应用于合金系统。

本文首先介绍单成分系统标准晶体相场模型的自由能函数, 对比得到结构晶体相场模型的自由能泛函。在经典密度泛函理论的基础上, 再简化得到N组分系统的相场模型, 并简单介绍结构晶体相场模型的应用及发展现状。

1 结构晶体相场模型

1.1 自由能函数

通常, 自由能函数是由与温度和位置相关的序参量的多项式来表示, 序参量的值用来区分不同的平衡相, 根据耗散动力学最小化自由能函数就能得到序参量场的时间演化结果。标准的单成分系统晶体相场的自由能函数可以表示为:

式中:n为无量纲的原子数密度场;r为过冷度, ▽2为拉普拉斯算符。该方程可以用来描述单成分金属系统中平衡与非平衡介观时间尺度上的现象。动力学演化方程为:

式中:Mn表示迁移率。在一维条件下可以得到条状相, 在二维条件下得到三角相结构, 在三维条件下得到体心立方结构。

结构晶体相场模型的自由能函数来自于经典密度泛函理论, 包含两个部分, 第一部分表示恒定均匀场 (如液体) , 第二部分与粒子之间的相互作用有关。结构晶体相场自由能函数以密度降低的形式来表示, 可以表述为:

其中:

式中:ΔFid为理想自由能, 驱使系统形成均一态;ΔFexc为额外自由能, 使得系统形成周期态。kB为玻尔兹曼常数, T为温度, ρl为参考液体的密度。η和χ为系数, 严格等于单位1, 而由参考文献[21]讨论可知部分的偏离可以调整得到更完整的理想自由能, 有助于热力学参数的映射, 并很容易接收到高阶相关函数的激发[22]。C2| (r-r′|) 为参考密度为ρl的两点相关函数, 具有各向异性, 是结构晶体相场模型与其他晶体相场的最大区别。

1.2 两点相关函数

两点相关函数C2| (r-r′|) [21]可以直接在傅里叶空间中建立, 被记为。例如对于给定模数j, 的一个波峰就代表相应的一个晶面族。图1为傅里叶空间中的一组相关函数的波谱图形, (a) 是四方相对应的相关函数图, (b) 是简单立方相对应的图形。

对于一般的晶体结构, 经过傅里叶变换的两点相关函数可以写为:

式中:第一个指数项借助温度系数σ代表温度尺度, 它与一个单胞内的所有原子的振动振幅相关。ρj和βj是模数为j的相应晶面族的晶面数密度和原子数密度。这些参数都代表着晶体结构的一些特性, 为了方便, 都可以看作常数。第二个指数项说明波谱峰的位置是在qj处, qj是晶体结构中第j个晶面族相对的内部空间的反转。这里的每一个波峰是由一个高斯方程定义的。αj代表第j个波峰的宽度, 与晶体结构的弹性性质、表面能以及各向异性相关[23]。

1.3 相图

结构晶体相场自由能方程 (3) 、 (4) 可以很好地表述液体平衡时具有不同晶体结构的共存相[20,21]。在二维条件下得到的是四方结构、三角结构分别与液体的共存相。三维条件下可以形成面心立方结构、密排六方结构以及体心立方结构和液体的共存相。在二维和三维条件下还可以得到包晶系统的相结构, 一般是四方、三角结构和液体的共存相以及面心立方、体心立方结构和液体的共存相[20,21]。

周期相要通过单模近似或双模近似才能得到, 对于体心立方和三角相采用单模近似, 而面心立方和四方相要使用双模近似得到。密度模数的总和可以定义为:

式中:下标i代表一种固相, 例如i=FCC代表无量纲晶格间距为αFCC的面心立方相, j为i相的模数, φj是傅里叶空间波谱峰的振幅, ql是标准化的倒易空间矢量。

二维晶体结构相图如图2所示, 为双模近似得到的二维相图。建立相图时, 必须要对每一种晶体结构的密度进行模数近似[24]。为了得到稳定的四方晶体结构, 需要向相关函数输入两个波峰的参数, q10和q11为对应四方晶格的两个最基本的晶面族。可以定义q10=2π、, ρ10=1, β10=1, α10=1和ρ11=4, β11=4, α11=1。对于三角相, 只需要向相关函数中输入一个波峰的参数即可, 因为额外的波峰会对总的自由能造成不可忽视的影响[20]。最终, 可得到由平均密度n0、温度σ两参数表示的最小自由能, 晶体结构的晶格间距分别为αsq=1和。

2 多组分结构晶体相场模型

在Greenwood提出的结构晶体相场模型的基础上, 扩展得到二元甚至是多元合金系统[23]的结构晶体相场模型。

2.1 N组分系统的自由能函数

由经典密度泛函理论得到的N组分系统自由能函数由理想自由能ΔFid和ΔFexc额外自由能组成。

理想自由能可以用每一种组分的密度变化来定义, 如:

在额外自由能中, 要考虑到粒子之间的交互作用, 如两粒子之间的交互作用 (A-A、B-B、A-N等) 。额外自由能ΔFexc可以表示为:

式中:i, j=A, B, C, …, N。C2ij是两粒子结合的相关函数, 且C2ij (r, r′) =C2ij (|r-r′|) 。由于最低阶的成分ci在长度尺度上的变化大于密度的变化[8,25], 只考虑这一部分的贡献, 所以可以简化式 (9) 中的积分, 令ni (r′) =n′、ci (r′) =c′, 得到式 (9) 的无量纲形式为[26]:

式中:是C2ij= (|r-r′|) 的傅里叶空间转换, 满足:

联立式 (8) 和式 (10) , 得到N成分系统的自由能函数[25], 写成无量纲的形式为:

为了简化得到的结构晶体相场模型的自由能方程, 必须减少式 (11) 中的模数, 不仅要保持原始模型的特点, 同时也要紧密联系先前的晶体相场模型。因此, 首先, 扩展理想自由能, 使得密度n的阶数小于等于4;其次, 对于两点相关函数只考虑所有成分ci的长波长行为, 使得方程中只包含成分场和两点相关函数[27,28]。最终得到简化的结构晶体相场的自由能方程[8,25]为:

其中:

式中:参数η、χ和ω为常数, 为梯度系数, F通常被记为ΔF/ (κBTρl) 。

参数η和χ通常等于1, 由于密度总是由理想自由能远离参考密度ρl的程度来决定, 为了改变这种趋势, 可以把它们当作任意的参数, 赋予不同的值。

从式 (12) 可以看到, 高阶的两点相关函数中会出现cicjckC3ijk、cicjckclC4ijkl等多项式, 为了更有效地利用这些多项式, 引入了一种新形式的两点相关函数, 如:

式中:Xi是c{i}的多项式函数, 对c{i}进行多项式展开, 再在之间进行插值, 从而确定每一种成分i的局部平衡结构。

2.2 两点相关函数C2ii

同单成分结构晶体相场模型中的相关函数一样, 两点相关函数C2ii在傅里叶空间中建立, 被记为。正如在1.2节中介绍的, 对于给定的模数j, 的一组傅里叶空间波峰被记为:

式中:σMj为转变温度, 包括模数j对应的晶面族与原子数密度和晶面数密度的相互作用[25]。当q=0时, 这些两点相关函数可以借助自由能中的局部系数来发挥自己的作用[16]。

2.3 动力学

密度场n和成分场ci都遵循保守的耗散动力学, 因此, 它们的动力学演化方程[8,25]为:

其中:

式中:为成分迁移张量, 噪音项ζn和分别是晶粒粗化热力学在密度场和成分场的震动[26]。

对基于经典密度泛函理论的N组元系统自由能方程进行一定的简化和变形, 得到结构晶体相场的自由能泛函。经过动力学演化, 它将有效地用于模拟多重成分合金的微观结构, 对复杂合金的研究将会有很大贡献。

3 应用及发展

结构晶体相场模型能够应用于枝晶生长及共熔合金凝固[23]、弹性各向异性[24]、溶质原子拖曳[29]以及类晶体形成[30]等过程。在这些过程中, 多重原子尺度上的弹性性质以及扩散时间尺度上的缺陷控制着复杂结构的固态相变过程。结构晶体相场模型能够很好地控制多重尺度上的现象。

3.1 共熔合金的层片状生长

二元结构晶体相场模型能很好地描述多重结构、弹塑性、晶界、溶质原子及位错的交互作用等现象, 借助该方法得到两种拓扑结构完全一样的共熔合金层片生长过程[23], 如图3所示。

方向错配引起表面能和弹性能的改变, 从而导致不同的生长速率, 在图3中可以明显地观察到该现象, 而且方向错配还会改变片状生长层的短路扩散行为。当错配方向发生改变时, 两种固相之间的表面能也发生变化, 使得单个片层的夹断及湮灭速率各不相同。当一个片层消失时, 就会暂时出现一个溶质原子贫化区, 此时, 系统必须等待出现长程的横向扩散区重新产生短路扩散的路径, 生长才能继续下去。

3.2 枝晶生长

凝固过程中, 界面形貌通常会经历平面到枝晶的形态转变。采用结构晶体相场模型得到合金的枝晶生长图形如图4所示, 枝晶在明显地长大, 得到的晶体结构为四方相, 呈四角对称[23]。前两排分别是成分场cA和cB的时间演化图, 展示每种成分对应的界面边界形状。在生长的枝晶界面上, 两种成分A、B的溶质原子都达到饱和。最下面一排是密度场的时间演化图, 在界面周围有一圈发亮的区域, 说明液相和固相之间有密度变化。

在模拟过程中出现多重扩散组分、密度变化以及表面张量的各向异性等现象, 这恰好证实结构晶体相场模型模拟枝晶生长过程的优势。

3.3 溶质原子团聚

金属合金中的溶质原子团聚现象是一级相变过程。在材料后期加工过程中, 为了达到所需要的强度, 会对材料进行一定的强化处理, 而溶质原子团聚就是一种强化机制, 对合金材料的力学性能有着很重要的影响。

合金材料经淬火后早期形成的团聚现象与大量的空位和位错环等缺陷密切联系。这些缺陷降低形核的能量势垒, 从而促进溶质原子团聚。使用结构晶体相场的二元模型, 对Al-Cu型合金系统内的溶质原子团聚机制进行模拟研究[31], 得到团聚现象的初始阶段, 如图5 (b) 所示。在演化过程中, 最初形成的那些小团聚中Cu的含量较多, 随着模拟的进行, 一些缺少足够Cu含量的团聚尺寸减小, 甚至消失;那些含有大量位错的团聚, 逐渐变得稳定, 尺寸不断增加。

3.4 堆垛层错

在晶体结构中, 局部位错对相变过程有着很大的影响。利用结构晶体相场模型得到三维面心立方结构的堆垛层错结构[32], 如图6所示, x轴、y轴以及z轴的方向分别为[112]、[110]和[111]。从几何学来说, 堆垛层错结构有可能是稳定的, 有可能是不稳定的。通过增加或减少模数, 发现晶粒和缺陷之间的相互作用的程度是不同的, 尤其是在模数较高时, 一些特定缺陷结构将变得更加稳定, 但是会导致模型的计算效率很低。

游离在结构中的不全位错以及堆垛层错的具体细节, 都可以通过该模型观察到, 这说明结构晶体相场可以用来研究原子尺度和扩散时间尺度上的复杂缺陷问题。因此, 还可以尝试用该模型来研究螺位错的交滑移、弗兰克空位环中堆垛层错四面体的形成与崩塌以及堆垛层错四面体中刃位错和螺位错的交互作用等问题。

4 结语

结构晶体相场模型可用于研究多重组分合金材料的弹性性质及扩散时间尺度上的缺陷所控制的多重溶质原子和相结构等现象。结构晶体相场模型容易操作实施, 为研究固态相变过程中复杂的结构转变过程提供良好的理论方法, 对工程材料的设计和实际应用有着很重要的贡献。

篇4：铝合金结构材料

【关键词】航空铝合金；结构件；数控加工变形；控制

铝合金的耐蚀性好、密度较小、有较好的成形性、而且其资源丰富、数据充分、成本不高，性能也在逐年不断地提高，因此现代民用大型飞机中铝合金是不可缺少的主要材料之一。

航空整体结构件数控加工变形的问题涉及到了材料成型加工、力学、机械制造以及切削加工等多个学科领域。对飞机零件进行薄壁化设计可以有效地控制飞机的重量，结构的整体化可以大大的影响生产效率和制造的成本，还可以减少零件的数量以及连接装配的工作量，但由于大型航空整体结构件形状复杂以及整体的刚性较差等，这就导致了在零件加工的过程中容易产生变形，因此我们应该重视切削加工工艺的提高，不断地创新和优化其加工工艺，进一步控制大型整体结构件加工过程中的变形。

1.浅析航空铝合金结构件数控加工变形的现状

随着经济的发展和时代的进步，一些现代大型的商用客机对于性能的要求也在不断地提高，普遍的采用了直接掏空那些整块的大型的毛坯，然后加工成复杂的整体结构，如一些减轻孔、筋条、槽腔等，此种方法多运用于大部分骨架零件尤其是主承力结构件上。但是由于结构件加工的整个过程周期比较长，加工的精度和质量都很难控制，切削加工时易受到一些因素的影响从而产生变形，因此当前航空制造业所面临的一个重要难题就是实现高效率、高精度和高可靠性的切削加工。航空制造业对于零件的质量和精度要求都非常高，它对于形位的误差以及加工的精度甚至比汽车制造业要高出许多，虽然航空所用的铝合金材料具有较好的可削性，但对于航空铝合金的高效切削加工研究也是目前面临的一个焦点问题，解决大型航空整体结构件的关键技术是高效加工的工艺，也就是切削工艺优化与高速加工技术的有效结合。所谓的高效加工技术即为了保证加工的精度以及便面的质量从而在加工过程中运用短而有效的单件加工时间和高材料去除率，而其中高效的切削技术是实现高效加工工艺的关键技术。

我国航空制造业的技术水平起步较晚，在飞机整体薄壁结构件制造方面，技术水平仍旧不够高，主要还是以传统的制造业为主，一部分的工作人员仍旧以之前的那些旧的切削工艺和主轴转速进行结构件的加工。但随着经济的不断发展和科学技术的进步，我国的航空飞机制造业在近些年也得到了迅速的发展，在以往时间的基础上进行不断地总结和改进，并且一些大型的飞机制造企业大力投资引进了一些先进的设备和高端的自动化水平，而且建立了一些大型的高速加工中心，进一步为飞机制造业的发展提供了有利的环境条件，其发展水平已经逐渐向一些发达国家迈进，但是在我国的高速切削水平上，与其他发达国家相比，还存在着一定的差距，主要是缺少更多的高速加工技术的支撑，没有发挥出潜在的一些高精度、高效高速的生产能力。

2.影响航空铝合金结构件加工变形的主要因素

就目前情况来看，在整体的加工过程中存在了很多的问题，它在选择加工参数的时候比较保守，从而出现一些不合理的状况，而且在确定加工工艺的时候缺乏了一些相关理论研究的支撑，在确定加工工艺的时候是在以往经验的基础上运用了试切的方式，这种方法降低了结构件加工的效率，使高速加工中心的性能不能得到充分的发挥。从铝合金结构件数控加工过程中存在的问题深入研究分析，进一步总结出了引起整体结构件加工变形主要分为三个方面的因素。

（1）航空铝合金的在切削的过程中容易产生回弹，尤其是在在大型的薄壁结构件中，这种回弹的现象更严重。此外，还有一个使整体结构件产生较大变形的内在因素是由于航空整体结构件的形状复杂、薄壁部位比较多、几何结构不对称以及自身的刚度较差等等。

（2）在航空整体结构件进行工艺加工的流程中，铝合金预拉伸板要经过轧制、固溶、拉伸以及时效等等一系列的工艺流程才能使机械性能可以达到理想的效果，但在加工的过程中原来的应力自平衡会在材料的不断去除导致板内残余应力发生释放和重新分布的影响下遭到严重的破坏，然而要想使遭到破坏的应力自平衡重新恢复正常，达到新的平衡状态，只有通过工件进行变形。

（3）工件与刀具的接触部分会在切削力的作用下发生变形，而材料也会在刀具的作用下不断地被切除，而且在薄壁的部分，特别影响加工精度的是工件由于产生回弹效应而出现的让刀现象。这种现象的产生会影响到薄壁部分的加工精度。此外，刀具会影响被切削的材料，使其发生弹性和塑性变形从而消耗功，最终产生大量切削热，发生热变形。

3.控制铝合金结构件数控加工变形的一些措施

优化加工工艺和改进装夹系统，是控制大型整体结构件加工过程中变形的最有效的策略。优化的控制策略一般可以分为两大类，第一种是以侧壁加工为主要特征的加工，其控制策略分为三方面：一是为了使零件局部保持高刚度，采用分层环切的刀具路径。二是为了避免由于让刀而造成的加工误差，可以根据具体不同的加工情况选择逆铣方式，而采用顺铣方式可以避免产生过切的现象。三是在选择刀具的时候要合理的选择道具的参数，也就是要选择带有一定圆角的刀具来进行侧壁的加工工艺。第二种是以底面加工为主要特征的加工，其控制策略分为三个方面：一是为了在加工过程中使零件局部保持刚度，可以采用中心环切的刀具路径。二是在选择刀具的时候，为了使加工过程中的轴向力较小，尽量不选用那些带有圆角的刀具。三是为了减小加工过程中的底面变形，要选择真空夹具装夹。

4.结束语

有效的控制和解决航空整体结构件加工变形的问题成为了如今航空制造领域中最关键核心的技术问题，而通过一些高效的切削技术和对工艺参数的合理选择以及有效的改进装夹系统等等，都能够有效的控制结构件的加工变形，也能够使航空整体结构件达到高效精密加工的效果。各大航空制造企业应该总结以往的实践经验和不足，在引进国外一些先进高端技术和设备的基础上，不断地进行自主研究创新，并借助当前一些研究所和高校的技术、研究条件以及人才的优势，进一步的实现航空整体结构件的精密高效加工。 [科]

【参考文献】

[1]兰国玮.航空铝合金切削工艺数据库系统的研究与开发[D].厦门大学，2014.

[2]张阁.航空整体结构件数控加工变形补偿与软件開发[D].山东大学，2014.

篇5：铝合金结构材料

以飞机机翼翼肋铝合金结构件这一典型易变形的零件为例,研究数控加工变形情况及其影响因素,主要研究残余应力对加工变形的影响.采用理论建模、有限元分析和实验验证相结合的方法分析和对比数控加工中零件变形情况;分析了工件内残余应力分布,用有限元软件提供的`热机耦合功能,以温度场模拟施加铝合金的残余应力分布;分析和模拟了去除材料对工件变形的影响;用经过改进的顺序静态单元生死方法进行切削过程的仿真和改进,并对仿真所得的零件变形量与实际加工测量结果进行了比较,验证了分析方法和所建立模型的有效性;最后提出了控制数控加工变形的解决方案.

作者：梅中义高红王运巧 Mei Zhongyi Gao Hong Wang Yunqiao 作者单位：梅中义,王运巧,Mei Zhongyi,Wang Yunqiao(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京,100191)

高红,Gao Hong(成都飞机工业(集团)有限责任公司制造工程部,成都,610092)

篇6：CuAlNi合金的液态结构

CuAlNi合金的液态结构

利用高温X射线衍射研究了CuAlNi合金液态结构,发现结构因子上有明显的预峰出现,随着温度的升高,Cu75Al25合金熔体结构因子的`预峰减弱,直到1300℃预峰消失,这表明中程有序原子团簇可以在高于液相线温度约250℃范围内存在,原子团簇的大小和数量都随着Ni的加入而增加,Ni增强原子之间的交互作用,有利于中程有序的形成,根据预峰的特性,提出CuAlNi合金液态结构的原子模型,即由八面体结构共享顶点形成的原子团簇与无规密堆积原子分布区域组成.

作者：潘学民边秀房王丽作者单位：山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南,250061刊名：物理化学学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA年，卷(期)：200218(6)分类号：O641关键词：CuAlNi合金液态结构预峰 X射线衍射 CuAlNi alloy Liquid structure Pre peak X ray diffraction

篇7：铝合金结构材料

杜明义

（东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨）

摘要：本文通过铝合金在汽车行业上的应用，深入分析了交通工具的轻量化发展趋势，揭示了铝合金材料在交通运输领域良好的应用前景与应用空间。关键词：铝合金、轻量化

Application of aluminum alloy material and lightweight of the vehicle

DU Ming-yi(Northeast Light Alloy Co.,LTD, Harbin)Abstract: This paper introduced application of aluminum alloy material in the automobile industry.Analysed the development trend of vehicle lightweight deeply.Opening out favorable application foreground and application space of aluminum alloy material in the traffic and transportation field.Key: Aluminum alloy、lightweight

轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量既汽车轻量化是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。目前，汽车轻量化的途径有两种，一是优化汽车框架结构；一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前车身制造上常采用的轻质材料为铝合金材料。

目前，世界交通运输业用铝为产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越追求生活质量的提高，对交通工具的需求越来越大。因此，铝合金材料在交通运输业上的发展空间还很大。而且，铝合金是最常见的汽车用轻金属，在汽车上使用较早，相对比较成熟。现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝件，减轻了重量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合了汽车的发展趋势。

汽车车身约占汽车总重量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对减轻汽车重量，提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪斥资800万欧元建立的铝材中心（1994-2002），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量设计中心”。1994年开发了第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF）,ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，但汽车自身重量减轻了大约40%。随后于1999年在这里诞生的奥迪A2,成为首批采用该技术的量产车。2002年，奥迪铝材及轻量设计中心又见证了第二代奥迪A8 的诞生。

在此期间，美铝还开发了全新的汽车生产技术。如今，铝制车身制造的自动化操作程度已达80%，赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。

业内人士认为，这些令人振奋的全新发展动向表明了奥迪打算将铝材料更广泛地运用于量产车的决心。此外，奥迪与美铝一直保持着良好的合作关系，双方合作的目标是共同开发一款全新的可以量产的全铝制车身汽车。

美铝为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成，包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件，以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成。包括奥迪A8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612-Scaglietti的全铝车体结构和捷豹XJ采用的真空压铸技术，美铝的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化，更技术化的方向发展。

目前，铝合金材料在现代汽车轻量已经显示出非常重要的重用。制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比刚材高，为了促进铝在汽车上的应用，必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺外，回收再生技术可进一步降低铝的成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料（如铸铁-铝、钢-铝、铝-镁等），对这些联接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术是今后扩大铝在汽车上应用的重要课题

汽车广泛应用的铝制轮毂就是铝合金在汽车上应用中的一个例子，铝合金轮毂的优点是：

1、省油

平均每个铝合金轮毂比相同尺寸的钢轮毂轻2kg，一台轿车用5个便省了10kg重量。根据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约节省20L汽油。而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂贵，但每辆汽车跑到2万km是，其所节省的燃料费便足够抵回成本。

2、增加发动机寿命

根据发动机负荷与功率曲线图，当负荷增大至某一程度后，其功率反呈降低，此边际将就表示此时每1单位负荷，发动机将更吃力（特别耗油），发动机负荷减轻，自然减少故障，延长寿命。

3、散热好铝合金的热传导系数为钢的3倍。散热效果好，长途高速行驶之时，也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。

4、真圆度好

精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长及方向盘抖动现象。

5、坚固耐用

铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要角色的原因之一。

6、美观

一般钢轮毂因生产所限，形式单调呆板，缺乏变化；铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美德。

综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是值得我们注意的是，据波音公司称在梦幻飞机的用材中铝材仅占飞机自身质量的20%，碳纤维增强的复合材料却占到50%强。这是迄今为止铝材用量最少而复合材料却占到50%多的客机。碳纤维增强的航空复合材料的强度比钢的还高，而其密度又比铝的低，是制造航空航天器的良好材料，不过其价格目前比航空航天铝材贵得多，就性价比来说不是在今后一段时间内在全部的航空器制造中都具有替代铝材的明显优势，大多数客机铝材用量仍占其自身质量的70%左右，但铝材受到的严峻挑战却是显然的，不可掉以轻心，必须开发新的合金，新的加工工艺，大幅度提高材料的性能，迎接挑战。

总之，虽然在铝材料短缺的背景下，目前一些公司开始用其它材料代替铝材料，但新型替代材料不会完全代替铝材料。在未来二三十年内，铝材料在同类材料中仍占第一位，铝合金材料在交通运输行业上更是大有作为的。

参考文献：

1、王金涛.张桂林中国对铝材需求将不断增长,经济参考报，2005年10月15日

2、王祝堂.航空铝材受到严峻挑战,中国有色网，2006年4月27日

篇8：微鼓形铝合金车体轻量化结构研制

本文介绍了一款轻量化设计的微鼓形B型铝合金地铁车体。车辆设计时速80 km/h,为四动两拖六节编组的双层地板、内藏门结构,采用第三轨下部受流,对整车的轻量化要求较高。车体要求满足EN 12663-2000《铁路应用铁路车身的结构要求》中的强度和刚度,设计使用寿命至少为30年。

车体的设计按照如下原则展开,即在现有铝型材挤压技术、焊接技术下,采取优化布置型材筋板、简化组装结构、采用搅拌摩擦焊结构等轻量化措施,优化设计车体结构,并通过充分的计算分析、试验验证和再优化设计,研制一款模块化、轻量化、低成本、焊接高安全性、高可靠性的铝合金车体。

1 车体结构参数与设计

本轻量化车体为整体承载的铝合金全焊接结构,由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室骨架结构等部分组成,如图1所示。其主要技术参数如下:

车体长度/mm19 300

车体宽度/mm 2 800

车辆定距/mm 12 600

车门间距/mm 4 450

整备重量/空载(AW0)/t 31

超载(AW3)/人326

按照CJJ96中对BⅡ型车的限界要求,车体设计时充分利用了限界空间,扩展了车辆内部的乘用空间,并依照人体工学原理,确定了车体的外部拐点及轮廓线。如图2所示。

车体的主体结构均为大断面中空型材,主要有底架边梁、车顶边梁、端墙、门立柱、侧墙板、底架地板等,其总重占车体重量达80%。随着挤压技术的发展,在满足同等强度和刚度的情况下,国内企业能挤压出更小壁厚的大型铝型材。在型材设计中,主要加强筋板厚度大多为2 mm。

同时,车体采用了搅拌摩擦焊技术,车体型材可以做得更轻,其焊接质量、平整度及结构安全性有了进一步提高。

2 有限元建模

2.1 有限元模型

本计算采用Hypermesh和ANSYS软件,根据车体型材和板材的不同厚度,将三维模型简化为不同板厚的几何中面,而后离散为具有相同材料属性的网格模型。模型主要是三角形和四边形的壳单元构成,共729 559个,其中四边形壳单元672 755个,三角形壳单元5 123个,质量单元56 789个,刚体单元15个。

2.2 计算工况

参照标准EN12663-2000:铁路车辆车体的结构强度要求中PⅢ型车,共计算了26种主要工况,重点考核如下工况:AW0空载,AW3超载工况,AW3+车端压缩力,AW3+车端拉伸力,复轨,架车(包括枕梁、牵引梁的三点、四点架车)。

3 结果分析

3.1 车体变形

AW3状态下,相对于无重力状态,底架边梁的最大垂向位移为7.3 mm。满足GB/T7928—2003《地铁车辆通用技术条件》标准,“在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1‰”的刚度符合要求。

3.2 静强度分析

设计许用应力[σ]是由材料极限应力除以相应的安全系数得到的。根据设计工况出现的概率和重要程度来确定安全系数的大小。如运营载客工况,选用较高的安全系数1.3,复轨架车工况等选用较低的安全系数1.1。

超载状态下车钩压缩载荷工况,车体各主要零部件的应力如表1所示。

计算结果显示,各工况下车体结构及焊缝的计算应力均小于相应许用应力,满足设计要求。

3.3 疲劳分析

通过计算仿真,分析在承受垂向动载荷、横向动载荷、纵向动载荷的作用力下,车体结构各部位应力状况,并与材料及其焊缝的疲劳特征值对比。结果表明:在上述载荷下,计算值均小于材料及其焊缝的疲劳特征值。图3、图4分别显示了最大动载荷下整车的疲劳应力云图和关键连接部位的疲劳应力。

3.4 模态分析