Al-Mg-Si-Cu-Mn汽車車身用鋁合金板材的研究

1、東北大學(xué)博士學(xué)位論文Al-Mg-Si-Cu-Mn汽車車身用鋁合金板材的研究姓名：劉宏申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：材料學(xué)指導(dǎo)教師：左良;趙剛20050801東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要。汽車車身用鋁合金板材的研究摘要本研究為國家教育部重點(diǎn)項(xiàng)目“汽車車身用鋁合金板材研制”和國家“”計(jì)劃項(xiàng)目“高精度深沖鋁合金板材及相關(guān)技術(shù)開發(fā)”的部分內(nèi)容。旨在開發(fā)出一種用于汽車外車身板的新型鋁合金材料及其相應(yīng)的熱處理工藝。在大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，研制出一種適用于車身板的鋁合金材料，成分為一，其余，和（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），同時(shí)成功地探索出一種針對系合金車身板的預(yù)時(shí)效處理工藝。這種新合金沖壓前的即、，值分別為和，經(jīng)。

2、15;模擬烤漆后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了和。所有性能均超過了國家“”項(xiàng)目制定的鋁合金車身板的性能指標(biāo)，且優(yōu)于國外的合金，為汽車板鋁含金材料的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。掃描電鏡能譜、射線衍射、透射電鏡以及金相分析結(jié)果表明，系車身板合金鑄態(tài)結(jié)晶相的類型主要為（即相）、（）、（）、（）和（）相及相，含量較低時(shí)，出現(xiàn)純相。提高含量，對于過剩合金，相增多；對于過剩合金，相減少，但相均增多。提高含量，在低（）合金中，形成（）相，其數(shù)量隨之減少；在含量較高的合金中，不僅形成（）相，還形成（）和（）相，且隨含量的增加，（）相數(shù)量減少，（）和（）相增多。鑄錠均勻化處理時(shí)，相為可溶相；及（）和（）結(jié)晶相變化不大。但

3、（）發(fā)生向（）相的轉(zhuǎn)變，且隨含量增加，轉(zhuǎn)變更完全。結(jié)晶相中的、或具有相互替代作用。杯突、硬度及拉伸試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合金元素對（固溶水淬自然時(shí)東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要效兩周）和（固溶水漳短時(shí)人工時(shí)效自然時(shí)效兩周）態(tài)（除時(shí)效硬化性能優(yōu)異的合金外）性能的影響規(guī)律基本相同。提高質(zhì)量比和含量（），對過剩合金，其和硬度及強(qiáng)度增大，塑性下降，不利于合金的成形性；對過剩合金，硬度和強(qiáng)度高于硬度和強(qiáng)度，合金的成形性提高。而合金元素對不同處理態(tài)人工時(shí)效硬化作用，一是通過增加含量及添加微量元素和產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化增大合金的初始硬度；二是通過提高在基體中過飽和度以增加合金時(shí)效初期強(qiáng)化相的析出數(shù)量而促進(jìn)烤漆強(qiáng)

4、化。態(tài)鋁臺(tái)金車身板進(jìn)行模擬烤漆均出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而合金成分對于改善這種不利影響的作用不大。相比之下預(yù)時(shí)效處理制度對烤漆硬化性的影響比合金元素的作用更有效，不僅保證在交貨條件下具有比態(tài)更低的屈服強(qiáng)度，有利于汽車車身覆蓋件的沖壓成形，同時(shí)促進(jìn)烤漆過程合金的顯著強(qiáng)化。通過熱力學(xué)計(jì)算得到了不同處理態(tài)合金在隨后加熱過程各亞穩(wěn)相析出激活能，證明了（）狀態(tài)下進(jìn)行烤漆比態(tài)及固溶淬火態(tài)更易于獲得”相（即獲得更高的強(qiáng)度）。綜合硬度法、電導(dǎo)率法及實(shí)驗(yàn)等結(jié)果分析，揭示了合金預(yù)時(shí)效后組織中存在著大量的，核心具有雙重作用的機(jī)制：這種尺寸較大、密度較高的核心降低了其周圍基體溶質(zhì)的過飽和度，抑制其在室溫下繼續(xù)形成區(qū)，保證了合金

5、板材沖壓時(shí)具有較低的強(qiáng)度；同時(shí)這些”核心在烤漆時(shí)迅速轉(zhuǎn)變成”相，顯著提高合金烤漆強(qiáng)度。關(guān)鍵詞系合金車身板烤漆硬化性預(yù)時(shí)效結(jié)晶相區(qū)”相力學(xué)性能成形性能查！壟堂堡主蘭堡笙墨壘！坐型“”（）“”，一一一，（），？，。，（），（）（），（）（），（），查！查鱟堡主堂堡壘查（），（），（）壘！竺！型，；，（），（），（）（），（），（）（），（）（），（），；，。，查！壟鱟堡圭蘭堡壘圭竺塑蘭生，”，（），：，曠，；曠”：；”；東北大學(xué)博士學(xué)位論文聲明聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得

6、其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：暫耘日期：五彥巧學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、交流。學(xué)位論文作者簽名：日期：（如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請?jiān)谙路胶灻悍駝t視為不同意。）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論第章緒論研究和開發(fā)車身板鋁合金的意義汽車產(chǎn)業(yè)在世界各地蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也帶來

7、環(huán)境污染和能源短缺兩大嚴(yán)重的社會(huì)問題。這促使汽車產(chǎn)業(yè)將持續(xù)發(fā)展的核心放在能源和環(huán)保上，而以汽車輕量化為主導(dǎo)的先進(jìn)汽車材料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保證，因此輕量化成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向【“。汽車材料是影響汽車重量的重要因素，對節(jié)省能源及改善污染都有相當(dāng)程度的影響。在新能源技術(shù)發(fā)展尚未成熟，汽車減重?zé)o疑是降低能耗及污染的最佳途徑。采用輕質(zhì)材料是減輕汽車重量最簡單的方法，因而，輕質(zhì)汽車材料成為當(dāng)前汽車工業(yè)開發(fā)研究的熱點(diǎn)。目前輕量化汽車材料的發(fā)展趨勢是：鋼鐵材料的比例逐年下降，而高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的用量有較大的增長，比如近年開發(fā)的各種高強(qiáng)度水平的多相鋼，包括雙相鋼、復(fù)相鋼、相變誘發(fā)塑性（）鋼及

8、馬氏體鋼，這些高強(qiáng)鋼板由于具有優(yōu)良的綜合性能，可用來代替醬通鋼板，其減重效果達(dá)到以上；在超輕車身開發(fā)項(xiàng)目中，雙相鋼的使用比例將達(dá)到，是實(shí)現(xiàn)百公里油耗的主要貢獻(xiàn)材料。而鎂合金及輕質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用亟待開發(fā)和推廣，其中鎂合金由于減重效果明顯且易于回收利用，世界各大汽車公司將以其用量多少作為自身車輛技術(shù)領(lǐng)先的標(biāo)志。目前，鎂合金在汽車工業(yè)中的年增長率平均每年遞增以上；而輕質(zhì)復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)部件及車身外覆蓋件、內(nèi)裝飾件上的應(yīng)用也將有較大的增長。相比之下，鋁合金在汽車上的用量較多，尤其在新型轎車和載貨車上是發(fā)展最快的材料。據(jù)有關(guān)資料介紹，汽車熏量每減輕，百公里油耗可減少；若一輛中型轎車（約）減少，則這輛汽車在

9、使用年限內(nèi)至少能降低約的廢氣。用鋁合金材料作為汽車車身內(nèi)外板代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳鋼板，可使車身減重大約，降低油耗達(dá)。而且承力相同時(shí)，鋁合金比鋼輕：承受同樣的沖擊，鋁板比鋼板多吸收的沖擊能，更具安全性【。此外，汽車用鋁的來自回收的廢鋁，估計(jì)到年，可上升到【顯然，鋁合金的使用不僅可顯著改善燃料運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性，而且利用回收廢料制成鋁合金還能降低汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成本，因此是汽車輕量化的理想材料。雖然目前鋁材的成本仍比鋼材貴，但隨電力工業(yè)和冶煉技術(shù)的發(fā)展，必然帶來其產(chǎn)量巨增而成本下降，鋁合金大規(guī)模的進(jìn)入汽車工業(yè)領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)，世查！壟堂堡主蘭堡壘查紀(jì)將是汽車鋁化的時(shí)代。第章緒論我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對原材料的消耗

10、量越來越大，同時(shí)也要求汽車產(chǎn)業(yè)使用可持續(xù)應(yīng)用的材料。我國是鋁資源豐富的國家，應(yīng)用鋁及鋁合金無疑是汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證，因此研究和開發(fā)汽車車身板鋁合金具有重要的意義。車身板鋁合金的開發(fā)現(xiàn)狀和研究進(jìn)展國外車身板鋁合金開發(fā)狀況目前，汽車工業(yè)巨頭美、日、德國的汽車鋁化走在前列。例如美國福特公司的“黑貂”汽車上市，每車用鋁量為，使汽車減重約，節(jié)省燃料以上【；日本本田公司推出的型賽車，共使用了的鋁合金材料，自重下降了，車體構(gòu)架為鋁合金型材，車頂前后蓋、左右側(cè)門是用鋁合金板材沖壓而成，內(nèi)部還使用了大量的鋁合金鑄件、鍛件【】；奧遮公司面向歐洲市場投放的型鋁制汽車，自重減輕了，而結(jié)構(gòu)的剛性質(zhì)量比則提高口

11、】?？梢婁X合金在汽車上的應(yīng)用具有極大的潛力和發(fā)展前途。轎車車身是轎車中重量較大的部件，約占汽車重量的，所以車身的鋁化舉足輕重，而車身板材料的開發(fā)是關(guān)鍵。過去用于轎車車身的鋁合金主要有一（系）、（系）一（系）三大系列。系合金是可熱處理強(qiáng)化的合金，以和為主加元素，其強(qiáng)化相為或。該系合金表現(xiàn)出良好的鍛造性，而且具有較高的強(qiáng)度和一定的烤漆硬化性。不過系鋁合金的抗蝕性比其他工業(yè)鋁合金差。在北美和被認(rèn)為是系鋁合金中較為適用于車身板的合金。合金是以為強(qiáng)化相的合金，具有良好的成形性而用于汽車外板，如車蓋、底板蓋，司機(jī)室等。取代鋼板時(shí)，可使外壁減輕【】。但這種材料在低溫人工時(shí)效時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)度下降，烤漆時(shí)要獲得足夠

12、的強(qiáng)度，則需要較高的溫度和較長的時(shí)間。然而，未來的烤漆溫度很可能會(huì)因?yàn)樾赂倪M(jìn)的環(huán)保型漆在汽車行業(yè)的應(yīng)用而進(jìn)一步降低，這樣就限制了其在烤漆過程中獲得強(qiáng)化。而合金為作強(qiáng)化相的合金，具有較好的成形性，而且在烤漆過程中不會(huì)表現(xiàn)出性能的降低。但這種材料由于強(qiáng)化相形核困難，時(shí)效硬化速度慢，烤漆硬化能力較低，因而其應(yīng)用被限制于車身內(nèi)板。系合金中的固溶于鋁中，形成固溶強(qiáng)化效應(yīng)，其成形性，抗腐蝕性能較高。但該系合金屬于非熱處理強(qiáng)化合金，只能通過加工硬化獲得強(qiáng)度，一般東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論以（退火）狀態(tài)使用，強(qiáng)度較低，通常用于汽車內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位。系合金退火態(tài)的強(qiáng)度主要由原子的固溶強(qiáng)化和晶粒尺寸強(qiáng)化所決

13、定，符合關(guān)系：盯。仃。塒式中，為屈服應(yīng)力（），盯。是摩擦應(yīng)力（），反映原子的固溶強(qiáng)化程度，為晶粒尺寸，為常數(shù)。參數(shù)和不僅隨含量的增加而增大，而且還受晶粒形狀和結(jié)晶織構(gòu)的影響。由于鑄造、均勻化、冷軋加工及隨后進(jìn)行的專門退火處理等工藝參數(shù)的變化會(huì)改變合金的顯微組織，因而將直接影響合金最終的強(qiáng)化效果【。雖然有許多因素影響系合金的屈服強(qiáng)度，但晶粒尺寸對系強(qiáng)度的影響比對其他系鋁合金強(qiáng)度的影響大得多。系合金的強(qiáng)化取決于含量及晶粒尺寸使其具有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：勒德斯（）線和勒德斯延遲（，或屈服點(diǎn)伸長。勒德斯線（）是產(chǎn)品表面出現(xiàn)的“一系列新臺(tái)階或鋸齒狀變形帶”引起表面粗化的一種形式。如果晶粒尺寸過大，且在變形時(shí)

14、進(jìn)一步發(fā)展，便會(huì)出現(xiàn)“桔皮”現(xiàn)象，造成不雅外觀。一般來說，晶粒尺寸為岫時(shí)，基本上可以避免板材對勒德斯線的敏感性；晶粒尺寸超過時(shí)，從視覺上便不可接受，同時(shí)因早期的縮頸變形還可能引起成形性降級。而一旦晶粒尺寸在斗以上，勒得斯線和桔皮效應(yīng)的出現(xiàn)便容易導(dǎo)致板材表面起皺，使板材的表面質(zhì)量變壞。所謂勒德斯延遲是指材料最初屈服時(shí)的變形不均勻，此時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變而屈服應(yīng)力并不增加。這源于溶質(zhì)氣團(tuán)的位錯(cuò)源的釋放，導(dǎo)致合金在顯著的應(yīng)變強(qiáng)化之前出現(xiàn)很大的形變量。這種現(xiàn)象會(huì)造成用烤漆涂層難以掩飾的令人討厭的外觀。勒德斯延遲隨晶粒尺寸的減小而增加，而且大都發(fā)生在含量大于（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的合金中。但含量低于（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，又會(huì)影響

15、合金的加工硬化速度，使其強(qiáng)度不足。于是對于系合金關(guān)鍵是控制含量及晶粒尺寸以獲得強(qiáng)度和表面質(zhì)量的最佳組合。此外，系合金的延展性和彎曲能力，隨含量的增加急劇下降【”，且烤漆過程中常伴有軟化現(xiàn)象。日本過去主要以系為基礎(chǔ)開發(fā)轎車車身用鋁合金板材。通過調(diào)整含量以及微量元素，控制加工過程和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硖岣叱尚涡?；并在不影響成形性的前提下，加入適量的，提高合金的強(qiáng)度，使烤漆處理時(shí)不軟化。具有代表性的一和一合金板特別適合于要求用延展方法成形的零部件，如車蓋、后行李箱蓋、負(fù)載底板和空氣過濾器等【”。但近年來日本也開始轉(zhuǎn)向開發(fā)系車身板。系合金是可熱處理強(qiáng)化的合金。該系臺(tái)金強(qiáng)度適中，成形性和耐蝕性好，東北大學(xué)

16、博士學(xué)位論文第章緒論易著色，綜合性能優(yōu)良。其最大的特點(diǎn)是能在固溶處理淬火后具有較低屈服強(qiáng)度的狀態(tài)下供貨，具有良好的沖壓成形能力，并能在最終的烤漆處理過程中獲得進(jìn)一步強(qiáng)化。盡管系合金也要從顯微組織以及相關(guān)的加工考慮，但與系合金不同，系合金的參數(shù)盯。相對較高，其原因主要是室溫時(shí)效時(shí)形成了共格原子集團(tuán)；而且系合金變形時(shí)不會(huì)出現(xiàn)勒德斯延遲，這是因?yàn)楹辖鹬械暮枯^低，其它可溶性的元素、以共格原子集團(tuán)的形式束縛了，降低其擴(kuò)散速度，而不易于形成釘扎位錯(cuò)的有效原子氣團(tuán)。此外，系合金與系合金的另一不同之處是屈服強(qiáng)度對晶粒尺寸的依賴較弱，亦即晶粒尺寸對材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不明顯，于是有益于成形部分保持光滑表面。但對

17、于系合金，重要的是通過固溶處理來獲得時(shí)效硬化效應(yīng)，同時(shí)控制再結(jié)晶組織特別是晶粒形態(tài)和織構(gòu)來實(shí)現(xiàn)板材性能的各向同性捫。然而，再結(jié)晶所形成的最終組織取決于再結(jié)晶之前板材組織中第二相粒子的大小、分布以及亞結(jié)構(gòu)。此外，還受合金化以及加熱速度等的影響。控制鑄造、軋制及隨后進(jìn)行的熱處理等整個(gè)熱加工工序過程合金相的析出可顯著地影響合金的再結(jié)晶行為和結(jié)晶織構(gòu)【”。而合金化的目的之一就是考慮控制合金相的形成對機(jī)械性能和成形性的影響。在系合金中，和合金具有相近的力學(xué)性能，其狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度較低，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的成形性，可與一板相媲美，且不出現(xiàn)勒德斯線，但烤漆后的強(qiáng)度相對較低，約為。而合金雖然烤漆后的強(qiáng)度較高，但狀

18、態(tài)下的強(qiáng)度也高，其成形性與相似。合金狀態(tài)下的強(qiáng)度為，烤漆后的強(qiáng)度超過，為制造車身板提供了良好的最初成形性和最終的使用性能。目前，歐美國家主要以系合金為基礎(chǔ)開發(fā)鋁合金車身板，如車蓋、后行李箱蓋以及車門等車身構(gòu)件】。在歐洲廣泛使用的是合金，在北美由于更注重強(qiáng)度，主要用合金，最近還開發(fā)了抗蝕性更好的合金，其（為內(nèi)部熱處理）已專利化，并投入工業(yè)化生產(chǎn)【。像，和車型的外板及許多內(nèi)板上都有應(yīng)用。目前，關(guān)于這三大系列的鋁合金，國外從年代起就已開始逐步應(yīng)用。其中用于汽車板的部分鋁合金的化學(xué)成分如表所示【。表給出了上述系的部分合金狀態(tài)下的力學(xué)性能以及成形后進(jìn)行模擬烤漆時(shí)其力學(xué)性能的變化?？梢娫撓岛辖鹁哂幸欢ǖ暮?/p>

19、烤硬化能力。表給出了用于轎車車身板系、系、系合金和鋼的塑性和沖東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論壓成形性能指標(biāo)【，。可見鋼的總延伸率最大，說明鋼在拉伸過程中變形最大。而在一般情況下，沖壓成形是在板材均勻塑性變形的范圍內(nèi)進(jìn)行，故均勻伸長率對沖壓成形性似乎更有意義。系合金的均勻伸長率最大，說明系板材的極限變形程度最大。系合金的應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)珂值最大，意味著板材受力變形時(shí)，其較大的應(yīng)變由于應(yīng)變強(qiáng)化而增加了抵抗進(jìn)一步變形的能力，故可使局部變形轉(zhuǎn)移到鄰近區(qū)域，延緩縮頸的到來，從而造成較大的板面有更為均布的應(yīng)變。而鋼的塑性應(yīng)變比值最大，值越大，板材抵抗失穩(wěn)變薄的能力越大，越能發(fā)揮拉伸失穩(wěn)前的最大強(qiáng)度【。此外，鋼的

20、杯突值和彎曲半徑（）也均為最大。這些數(shù)據(jù)表明，鋁合金的沖壓成形性能與鋼相比雖然還有一定的差距，但用鋁合金替代鋼作為汽車車身板材料還是完全可行的。由于系合金的抗蝕性和烘烤硬化性，系合金成形時(shí)產(chǎn)生的勒得斯線和桔皮效應(yīng)都不盡如人意，而系合金與鋼板相比，其態(tài)板材的值超過鋼板。該系合金的成形性雖不如系，但沖壓時(shí)不產(chǎn)生滑移線痕，而且經(jīng)油漆烘烤，烤漆硬化性優(yōu)于系合金。因而，系合金的研究愈來愈受到關(guān)注【¨，目前的發(fā)展趨勢是開發(fā)系車身板鋁合金。表國外部分汽車板鋁合金的成分范圍（）查！查蘭堡主堂竺墮查表幾種典型鋁合金汽車板的及烤漆后的性能笙！主笪壘巧×！塑！垡！塑！塑！塑！塑絲！翌?。罕磙I車車

21、身鋁合金板材和鋼板的成形性比較系車身板合金的研究進(jìn)展對汽車車身板的基本要求是盡可能高的沖壓變形能力和使用中的抗凹陷性。汽車板的抗凹陷性是指板材制成的車體與外界硬物碰撞時(shí)不產(chǎn)生凹坑或塌陷的能圭！壟芏堡主芏堡壘查表幾種典型鋁音疊汽車板的及烤橡后的性能塹！主些墮協(xié)。一一一表轎車車身鋁臺(tái)金板材和鋼板的成形性比較，】。深沖鋼為板材厚度系車身板合金的研究進(jìn)展塒汽車車身板的基本要求是盡可能高的沖壓變形能力和使用中的抗凹陷性。汽車板的抗凹陷性是指板材制成的車體與外界硬物碰撞時(shí)不產(chǎn)生凹坑或塌陷的能汽車板的抗凹陷性是指扳材制成的車體與外界硬物碰撞時(shí)不產(chǎn)生凹坑或塌陷的能東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論力【】。對于外板，

22、抗凹陷性是一種臨界使用要求，其直接與板厚和屈服強(qiáng)度有關(guān)，且受材料特性、幾何形狀、連接點(diǎn)的位置、沖撞物體的性能以及加載速度等諸多因素的影響。就是說對于強(qiáng)度較低的材料可通過選用較厚的板材來滿足抗凹陷性的要求。但是從節(jié)約鋁的成本和減輕重量來看，最為理想的是選用厚度盡可能薄而抗凹陷性適宜，且烤漆時(shí)獲得高強(qiáng)度的材料。烤漆強(qiáng)度的增加即為材料獲得低板厚和高抗凹陷性提供了可能性，同時(shí)又保證了車輛燃油最大的經(jīng)濟(jì)性以及板材重量為最小。然而，態(tài)的系合金沖壓成車身構(gòu)件時(shí)，其強(qiáng)度并不高，而且涂裝過程的加熱溫度較低（），保溫時(shí)間較短（），抑制了系合金的時(shí)效硬化能力，使之不能在常規(guī)的烤漆操作中獲得顯著的硬化效果【，因而開發(fā)

23、時(shí)效動(dòng)力學(xué)較快的合金成為研究的重點(diǎn)。時(shí)效析出特性自年和報(bào)道了合金加熱到，出現(xiàn)細(xì)小的（××）針狀區(qū)，進(jìn)步升溫區(qū)加厚發(fā)展成桿，而最終成為靼大板條狀的平衡相以來，至今關(guān)于系合金時(shí)效析出的研究已有五十多年的歷史。但由于析出過程的復(fù)雜性，且受合金組成、材料加工經(jīng)歷和時(shí)效條件等因素的影響，使析出相的類型、析出序列隨之改變，特別是對亞穩(wěn)析出物的改變將直接影響材料的強(qiáng)化特征，因而有關(guān)的研究仍在繼續(xù)。一般認(rèn)為平衡的合金（即，原子比）的時(shí)效析出序列為：旺過飽和固溶體區(qū)一¨針一桿一片（平衡相），。按照這一析出過程，在時(shí)效初期，、原子聚集在鋁基體的晶面上，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)，即所謂的區(qū)，

24、它是一些球狀的、無獨(dú)立晶格結(jié)構(gòu)的、或原子集團(tuán)【們。最新的研究表明，其大小為寬，長度不超過，且為單層原子厚【“。因尺寸超細(xì)，很難觀察到聚集過程，至今有關(guān)的細(xì)節(jié)還不清楚。由于所形成的區(qū)與基體保持共格關(guān)系，邊界上的原子為母相和區(qū)所共有，為了同時(shí)適應(yīng)兩種不同原子的排列形式，在共格邊界附近便產(chǎn)生彈性應(yīng)變，這種晶格畸變導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，因而在形成區(qū)的同時(shí)，合金的硬度提高。隨時(shí)效時(shí)間的延長，三種類型的溶質(zhì)集團(tuán)彼此競爭，趨向有序化并迅速長大，沿方向發(fā)展成細(xì)針狀的曠相，該相尺寸約為××【“】，具有單斜晶格，晶格常數(shù)，“。由于，相仍與基體共格，且在軸方向上引起的彈性共格應(yīng)變場大，因而產(chǎn)生的彈性

25、應(yīng)力也高。當(dāng)，相長大到一定尺寸，它的應(yīng)力場遍布整個(gè)基體，應(yīng)變區(qū)幾乎相連時(shí)，合金的硬度便達(dá)到峰值。東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論隨、原子的進(jìn)一步富集，眇相逐漸失去與基體的共格關(guān)系，形成的相與基體局部共格，是沿方向析出的具有六方晶體結(jié)構(gòu)的桿狀物，約為××大小，晶格常數(shù)，。此時(shí)周圍基體的彈性應(yīng)變有所減輕，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙減少，合金的硬度隨之下降。在時(shí)效后期，相完全與基體間失去共格關(guān)系，轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的（）相。平衡的相為立方結(jié)構(gòu)，通常以片狀形式在上形成，其尺寸已較大，達(dá)到了微米尺度，晶格常數(shù)”】。由于相完全從基體中脫離，共格應(yīng)變消失，因而硬度降低。對于平衡合金，從區(qū)、曠和中間相到平衡相的

26、轉(zhuǎn)變，其原子比與的基本相同，均為：。顯然，在所有的強(qiáng)化相中，相的強(qiáng)化效果最好，其次為午目，而較弱的是相。鋁合金車身板是在欠時(shí)效狀態(tài)下使用，因而合金在烤漆處理時(shí)很難形成平衡的相，起強(qiáng)化作用的主要是的亞穩(wěn)析出物，相。一般”相的體積分?jǐn)?shù)隨著合金的化學(xué)成分和時(shí)效條件而改變。對于合適的成分和時(shí)效條件，則有可能在合金的整個(gè)區(qū)域中只析出相】。如果一合金含有過量的（，原子比），則析出序列相對復(fù)雜，即為旺過飽和固溶體區(qū)一一（板條狀），此外，還有一些其它報(bào)道?！薄Ｅc平衡的合金相比，過剩合金析出的第一和第二階段沒有變化，只是過剩合金中，由、原子和空位聚集形成的區(qū)和相所含的比平衡合金中的含量多得多，使其原子比降低接近

27、于：。值得注意的是過剩合金在析出的第三階段，不僅析出了桿狀的，相，原子比升高到左右【”，而且還出現(xiàn)了板條狀的相。通常是作為含的一。合金中穩(wěn)定的四元相，是其亞穩(wěn)相；而過剩合金中形成的相是只含有、的三元相，因具有與相相同的六方晶體結(jié)構(gòu)和板條形態(tài)，故將其記為，相口”。隨著時(shí)效溫度的升高和時(shí)間的延長，板條狀的析出物幾乎全部溶解，或者說被相和所替代，并不形成平衡的相【】，所以最后階段只觀察到粒子和相。為立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)】。在過剩合金中，烤漆硬化性的提高主要?dú)w因于第二階段形成更大體積分?jǐn)?shù)的”相】。如果在過剩合金中同時(shí)含有，則析出序列為：過飽和固溶體區(qū)一一一（板條狀），還有一些其它形式，。根據(jù)三維原予

28、探針研究，在第一階段形成的區(qū)的化學(xué)組成不受的影響，與過剩合金在這一階段所形成的區(qū)基本相同。在析出的第二階段，以形成曠相為主。對于高合金，原子溶入到針狀的析出物中，和都是含有、的四元強(qiáng)化相扣”。對析出的第三階段影響最為顯著，所形成的相最初是由等東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論人在合金中觀察到的，他們認(rèn)為是變異的相，后經(jīng)等人研究證實(shí)，這種相就是相的初始物并稱之為。相與平衡的相具有相同的晶體結(jié)構(gòu)及相近的晶格參數(shù)【，】，但由于和基體的界面處易于發(fā)生的偏析，可能限制相的擴(kuò)散長大而使其尺寸較小【。合金中相析出的數(shù)量隨含量的增加而增加。由于的加入對形成相有利，所以從相轉(zhuǎn)變成相，或者說形成的相替代了沖目。相經(jīng)長期

29、時(shí)效后，最終發(fā)展成相。相具有六方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)，其化學(xué)組成為或，】。根據(jù)等人峙艮道在達(dá)到峰值硬度時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)和相存在的跡象，說明和相是在過時(shí)效條件下形成的。這就意味著和相需經(jīng)較高溫度或較長時(shí)間時(shí)效才能析出，難以在烤漆條件下形成，對烤漆強(qiáng)度的提高沒有貢獻(xiàn)。因而，烤漆條件下的時(shí)效強(qiáng)化仍主要?dú)w因于形成更多的及更細(xì)化的曠相【】。除上面提到的析出序列外，還有一種形式為：過飽和固溶體一（富）一礦一一“。顯然，相的析出與口相析出的形式類似，富的區(qū)是由（）基面上原子的偏聚而形成的圓盤狀區(qū)。延長時(shí)效時(shí)間，在（）基面上會(huì)形成圓盤狀的擴(kuò)相，最終發(fā)展成圓盤狀的和相析出物。相的晶體結(jié)構(gòu)為，屬于體心正方晶系，其晶格參數(shù)

30、，。當(dāng)時(shí)，形成的相減少。實(shí)際上，系合金是通過由時(shí)效析出形成的一種或多種、和相的亞穩(wěn)相進(jìn)而產(chǎn)生一種復(fù)雜的顯微組織而被強(qiáng)化。在合金中不同的析出序列主要取決于比值以及合金中的含量，用單一的析出模式不足以表現(xiàn)各種條件下的時(shí)效特征。合金元素的影響鋁合金中的析出過程是受擴(kuò)散控制的。在較低的時(shí)效溫度下，平衡相很難從過飽和固溶體中直接形核，一般是先形成過渡的亞穩(wěn)相。在合金中所形成的不同相的析出類型和范圍主要受合金元素、含量以及時(shí)效條件的影響。（）和的影響和是系合金中的主加元素。含有過量的合金，不僅析出序列發(fā)生了改變，而且析出物及相的析出溫度降低【】。研究表明，隨含量的增加，合金在和（固溶淬火預(yù)應(yīng)變。×

31、;時(shí)效）條件下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，增加的強(qiáng)度與時(shí)效過程中析出的粒子有關(guān)“。東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論增大含量的主要作用就是提高析出物及”亞穩(wěn)相的析出密度導(dǎo)致更高水平的強(qiáng)化；但也有文獻(xiàn)報(bào)道對促進(jìn)人工時(shí)效動(dòng)力學(xué)作用不大，主要是通過影響時(shí)效初始硬度提高合金的烤漆硬化性】；在高過剩的合金中，由于峰值硬度通常與”到相的轉(zhuǎn)變相連，使轉(zhuǎn)變后的過剩而不足，因此進(jìn)一步增加含量不會(huì)導(dǎo)致峰值硬度更多的改善【”，這就是說并不是合金中的越多，人工時(shí)效后的強(qiáng)度、硬度越高；粒子在晶界上的偏聚會(huì)增加晶間腐蝕的敏感性【】。含量對加工硬化指數(shù)行的影響很小，而對成形性的另外兩個(gè)參數(shù)杯突值丘和斷裂前的最小值（彎曲半徑，板料厚

32、度）有不利影響，合金的拉伸變形能力，特別是彎曲能力隨含量的增加而惡化【”。此外，能提高鑄造和焊接流動(dòng)性及耐磨性?？傊羞^剩的合金具有更好的機(jī)械性能，因此，重要的合金通常都含有過量的。具有一些與類似的作用。高過剩的一合金中的曠和兩相的析出行為主要由含量控制。和強(qiáng)度的增加主要?dú)w因于從固溶體中更完全地脫溶，與增加的形成序列強(qiáng)化相所致；在高時(shí)，強(qiáng)度實(shí)際上就是由提供的最大限度消耗形成初始物的強(qiáng)化造成的【”。而合金的硬度與溶質(zhì)原子集團(tuán)產(chǎn)生的硬化作用有關(guān)，增大含量促進(jìn)與合金中的形成更多的溶質(zhì)原子集團(tuán)而使硬度提高【】。另一方面，隨含量的增加，由預(yù)時(shí)效（固溶淬火短時(shí)人工時(shí)效自然時(shí)效，簡稱）處理所產(chǎn)生的軟化效

33、應(yīng)會(huì)隨之增大【”，這對沖壓而言，較低的屈服強(qiáng)度有利于合金成形。此外，還能提高合金的抗蝕性和可焊性。（）的影響關(guān)于添加對合金的時(shí)效硬化的影響有若干種報(bào)道。一般認(rèn)為是通過改變析出序列而提高時(shí)效硬化性的元素。添加能增加初始硬化速度【】，在預(yù)時(shí)效條件下，無的三元合金在烤漆條件下只觀察到區(qū)，而在含的合金中才觀察到析出，所以的添加主要是提高烤漆過程中”相的析出動(dòng)力學(xué)，改善烤漆性”。較高的含量總是導(dǎo)致更細(xì)密的顯微組織和更高的硬度，使合余的強(qiáng)度增加【?？纱龠M(jìn)預(yù)時(shí)效時(shí)原子集團(tuán)的聚集過程，對后來的自然時(shí)效起到阻止和溶質(zhì)原子遷移的作用，抑制室溫下原子集團(tuán)的形成【”，因而，加可減輕一合金因自然時(shí)效引起的對以后人工時(shí)效

34、硬化性的不良影響。但的研究【】指出，預(yù)時(shí)效的一一（）合金的烤漆硬化性并不因添加到合金中而提高，隨著含量的增加，預(yù)時(shí)效的材料的烤漆硬化性呈下東北大學(xué)博士學(xué)位論文第章緒論降趨勢。從不同含量合金的曲線上發(fā)現(xiàn)，形成”相的析出峰是重疊的，沒有顯示出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)或峰值的差別，因而認(rèn)為在高含量的材料中，較高的烤漆強(qiáng)度主要是或的初始強(qiáng)度造成的，對條件下提高材料的強(qiáng)化沒有貢獻(xiàn)。另一方面，的添加會(huì)使合金的抗蝕性下降。較高的含量可能對纖維腐蝕和晶間腐蝕具有更大的敏感性【娜。纖維腐蝕通常發(fā)生在涂層和底層之間，是存在于界面處的無深度的腐蝕破壞形式，纖維腐蝕往往引起烤漆后出現(xiàn)不雅觀的浮泡、蠕狀痕跡或成片剝落。歐洲汽車制造商為了控制腐蝕性能，一般要求低于，在日本甚至限制的更為嚴(yán)格。但這并不是說在高合金中纖維腐蝕破壞不能預(yù)防。相反，一些研究表明恰當(dāng)?shù)耐繉幽茴A(yù)防纖維腐蝕發(fā)生【】。當(dāng)涂層沒有