鋁合金結(jié)構(gòu)材料的研究進展與應(yīng)用綜述

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流鋁合金結(jié)構(gòu)材料的研究進展與應(yīng)用綜述.精品文檔. 科研技能訓(xùn)練文獻綜述鋁合金結(jié)構(gòu)材料的研究進展與應(yīng)用摘 要鋁合金材料已經(jīng)成為一種應(yīng)用很廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料，本文主要綜述了鋁合金材料的特點，鋁合金材料抗腐蝕性能的研究，鋁合金材料在高溫下的性能，鋁合金材料在建筑上的應(yīng)用和為現(xiàn)代汽車制造業(yè)帶來的益處。關(guān)鍵詞：鋁合金材料；特點；應(yīng)用 Abstr窗體頂端Research and Application of aluminum structural materials窗體底端AbstractAluminum alloy material has become

2、 a very broad application of metal structural materials, this paper reviewed the characteristics of aluminum alloy, aluminum alloy materials research can corrosion resistance, aluminum material properties at high temperatures, aluminum alloy material in the construction of applications and benefits

3、for modern automotive industry brings.Keywords: Aluminum Material; Features; Applications 1 緒論金屬新材料按功能和應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為高性能金屬結(jié)構(gòu)材料和金屬功能材料。金屬功能材料指具有輔助實現(xiàn)光、電、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金屬能源材料、催化凈化材料、信息材料、超導(dǎo)材料、功能陶瓷材料等。高性能金屬結(jié)構(gòu)材料指與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比具備更高的耐高溫性、抗腐蝕性、高延展性等特性的新型金屬材料，主要包括鈦、鎂、鋯、鎳及其合金材料等，以及高端特殊鋼、鋁新型材等。金屬類工程結(jié)構(gòu)材料包括鋼鐵材料、稀有金屬新材

4、料、高溫合金、高性能合金等。稀有金屬新材料指高強、高韌、高損傷容限鈦合金，以及熱強鈦合金、鋯合金、難熔金屬合金、鉭鎢合金、高精度鈹材等。高溫結(jié)構(gòu)材料主要種類包括：高溫合金、粉末合金、高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物，以及高熔點金屬間化合物等。鋁合金材料作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，得到越來越廣泛的青睞。本文對鋁合金材料的特點做了敘述，隨著社會的發(fā)展、技術(shù)的進步，鋁合金材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)方面的總體優(yōu)勢日益突出。目前在國內(nèi)大量使用的鋁合金結(jié)構(gòu)中，主要有鋁合金穹頂結(jié)構(gòu)、鋁網(wǎng)架、鋁網(wǎng)殼等。2 鋁及鋁合金材料分析鋁及鋁合金材料因不同的化學(xué)成分體現(xiàn)出不同的物理性能，主要包括機械性能和電氣性能。在這里機

5、械性能主要分析抗拉強度和伸長率， 抗拉強度越大，則承載的機械負(fù)荷越大；伸長率越大，則更適于彎曲加工。電氣性能主要分析導(dǎo)電性能，而電導(dǎo)率越高，導(dǎo)電性能越好。鋁及鋁合金材料的化學(xué)成分比較繁雜，但因密度在2.7 g/cm3 左右，在大氣中，它們的防腐性能都比較好，可以不考慮其化學(xué)成分對密度和防腐性能的影響。高壓隔離開關(guān)常用的鋁及鋁合金材料主要有板、棒、管及鑄件。下面介紹這幾種常用的鋁及鋁合金材質(zhì)材料， 主要考核其機械性能和導(dǎo)電性能。鋁及鋁合金材料按其成分和性能特征分為工業(yè)純鋁、防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁以及鑄造鋁。主要用于隔離開關(guān)上的有工業(yè)純鋁、防銹鋁、硬鋁、鍛鋁以及鑄造鋁1。3 鋁合金特點與性能的

6、研究3.1 鋁合金材料的特點質(zhì)量輕，鋁材的密度近似為鋼材密度的三分之一，在不同合金中，其密度在2600-2800kg/m3之間變化。強度較高、可以減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)架的質(zhì)量。耐腐蝕，鋁合金材料具備極強的耐大氣腐蝕能力。當(dāng)暴露在大氣中時，其表面極易形成一層及其致密的氧化膜，從而起到很好的隔離保護作用，免維護，尤其適用于一些在較強腐蝕環(huán)境下服役的結(jié)構(gòu)體；另外鋁合金材料有很強的抗硫化物腐蝕的特性，即使在高達(dá)500時，也具備良好的抗氧化性能和高達(dá)80%的輻射能放射率2。鋁的延性好，但作為結(jié)構(gòu)用材而言，其強度過低。為了提高強度，一種是采用冷加工工藝，不過這一加工對強度提高不是很大，而延性卻急劇降低(甚至只有原值

7、的十分之一)。另一種提高強度的方法是鋁與其它元素熔成合金。這樣其強度會增大很多，若應(yīng)用熱處理，則可以獲得更高的強度。Al、Si、Mn合金的強度可以達(dá)到f0.2 = 250/mm2，Al、Zn和Al、Cu合金的強度甚至可以達(dá)到f0.2=350-400N/mm2。彈性模量小，鋁的彈性模量約為鋼材的三分之一，在不同的合金中，其彈性模量在68500-74500N/mm2之間變化。因而變形大和不穩(wěn)定是常見的問題，對缺陷敏感度高。熱脹系數(shù)大，鋁的熱脹系數(shù)大約是鋼材的兩倍，在不同的合金中，其熱脹系數(shù)在19×10-6 - 25×10-6/之間變化。鋁結(jié)構(gòu)的溫度變形受到約束時，其溫度應(yīng)力將比

8、鋼結(jié)構(gòu)小30%。因此盡管鋁材的熱脹系數(shù)大，其熱膨脹影響小，殘余應(yīng)力影響小?？蓴D壓，鋁和鋼之間的另一差異是鋁結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以用軋制、擠壓、鑄造和拉拔工藝制作。尤其重要的是擠壓工藝，這種工藝可以提供任何形狀的型材產(chǎn)品，特別是用軋制工藝不易獲得的產(chǎn)品。它還具有有利于環(huán)境保護，易回收，再處理成本低，再利用率高，回收剩余價值高等等的優(yōu)點。鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用越來越廣泛，在車輛、航空、建筑等領(lǐng)域呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭。特別是在體育、環(huán)保等大跨度標(biāo)志性建筑中應(yīng)用前景廣闊，國外大型空間建筑的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)已開始大量應(yīng)用鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如豐田博物館、康涅狄格大學(xué)及夏威夷大學(xué)競技場、貝爾競技中心等3。3.2 鋁合金材料抗腐

9、蝕性能的研究合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類：一類是形變鋁合金能承受壓力加工。可加工成各種形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。另一類是鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有簡單鋁硅合金（不能熱處理強化，力學(xué)性能較低，鑄造性能好），特殊鋁硅合金（可熱處理強化，力學(xué)性能較高，鑄造性能良好），鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用。高強度硬鋁可進行熱處理強化，在淬火和剛淬火狀態(tài)下塑性中等，點焊焊接良好，用氣焊時有形成晶間裂紋的傾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低：抗腐蝕性不高，常采用陽極氧化處理

10、與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力。用途主要用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件如飛機上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)?50以下工作零件。針對鋁合金材料還有兩種再處理方法，分別是變質(zhì)處理和熱處理，這兩種方法可以提高材料的抗蝕性。變質(zhì)處理是指利用少量元素對鋁合金熔體進行處理，使合金組織和性能獲得改善。少量的限度是不能改變合金的成分，雜質(zhì)含量不能超標(biāo)。 Al-Si 合金在變質(zhì)處理后顯微結(jié)構(gòu)圖像上的硅相不但細(xì)化，而且球化或纖維狀，從而引起力學(xué)性能的改變，有效地提高了抗拉強度、伸長率和抗蝕性鋁合金熱處理的目的是為了改善組織，提高強度、硬度、塑性、抗蝕性和尺寸穩(wěn)定性；消除應(yīng)力、改善切削加工

11、性能及高溫工作穩(wěn)定性能4。影響鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素有結(jié)構(gòu)的防腐蝕方法和措施、材料制造工藝水平、受力環(huán)境和材料的抗腐蝕能力等因素，其中受力環(huán)境包含荷載環(huán)境和腐蝕環(huán)境兩方面，腐蝕環(huán)境又受到溫度、濃度、酸堿度等因素的影響，可見研究材料的腐蝕力學(xué)行為需要充分考慮到諸多影響因素對材料構(gòu)件的作用。鋁合金結(jié)構(gòu)隨著腐蝕條件和腐蝕作用時間的不同，發(fā)生腐蝕位置、程度和類型也不同。按照腐蝕形態(tài)的不同，腐蝕損傷可分為均勻腐蝕、局部腐蝕和荷載應(yīng)力腐蝕。其中荷載應(yīng)力腐蝕引起的破壞事故所占比例最高，可見研究腐蝕環(huán)境下鋁合金材料的腐蝕力學(xué)行為是十分必要的。要準(zhǔn)確評定腐蝕條件下鋁合金材料結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和壽命，需要開展大量的

12、腐蝕環(huán)境下材料的試驗研究，以測定不同受力狀態(tài)和腐蝕環(huán)境下材料的剩余壽命和使用狀況與腐蝕損傷之間的相關(guān)規(guī)律。但由于鋁合金構(gòu)件的實際工作環(huán)境和受力狀態(tài)相對實驗研究而言是長期而緩慢的，真實、準(zhǔn)確地模擬腐蝕受力環(huán)境進行長期試驗是財力和時間上所不允許的，因此需要研究如何實現(xiàn)實驗室加速模擬實驗精準(zhǔn)再現(xiàn)鋁合金構(gòu)件的腐蝕損傷和機械損傷模式，這雖然是又一個難點，但卻具有非常重要的現(xiàn)實意義。同時在腐蝕環(huán)境中需要測量各類數(shù)據(jù)和觀察試驗表面形貌，但許多測量設(shè)備本身就是金屬構(gòu)件，腐蝕環(huán)境很可能會對其造成損壞甚至影響數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，這需要不斷地優(yōu)化腐蝕力學(xué)測試方法，為后期的分析研究提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中

13、對腐蝕因素的考慮，以及對腐蝕、腐蝕疲勞引起鋁合金結(jié)構(gòu)性能下降的研究，成為一種必然5。3.3 鋁合金材料在高溫下的性能在危害建筑物的諸種災(zāi)害中，火災(zāi)是最常見、最危險和最具毀滅性的災(zāi)害之一。鋁合金結(jié)構(gòu)在高溫下的性能與常溫下有很大差異，現(xiàn)有關(guān)于常溫下鋁合金結(jié)構(gòu)性能的研究成果并不能應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計中，故研究鋁合金結(jié)構(gòu)高溫性能的意義重大。在國外，鋁合金結(jié)構(gòu)高溫性能的研究逐漸成熟。而在國內(nèi)，研究尚處于初步階段。金屬材料在常溫和高溫下的力學(xué)性能具有很大差異。當(dāng)溫度達(dá)到 400時，鋼材的強度逐漸下降；溫度達(dá)到 600時，強度將至常溫時的 50%以下。和鋼材相比，鋁合金的防火性能較差。當(dāng)溫度升高時，鋁

14、合金材料的強度和彈性模量下降很快，200時，結(jié)構(gòu)用鋁合金的強度開始明顯下降；300時強度下降到常溫下強度的 50%以下；溫度達(dá)到 550時，結(jié)構(gòu)用鋁合金材料的強度和彈性模量基本喪失6。在今后的鋁合金結(jié)構(gòu)高溫性能研究當(dāng)中，還應(yīng)該對研究成果進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)，建立完整的鋁合金結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計體系，促進鋁合金結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用與發(fā)展7。4 鋁合金材料的應(yīng)用4.1 鋁合金材料現(xiàn)代汽車制造業(yè)帶來的效益鋁合金使現(xiàn)代汽車輕量化，為了節(jié)約能源，減少汽車尾氣對空氣的污染，鋁合金材料迅速地進入到汽車制造業(yè)。鋁材在現(xiàn)代汽車制造業(yè)備受青睞，鋁材正在代替鋼鐵成為現(xiàn)代汽車制造業(yè)的基礎(chǔ)材料。汽車用鋁合金材料量增加后帶來的效益主要

15、體現(xiàn)在以下幾個方面：節(jié)能效果可觀，提高發(fā)動機效率、減少行駛阻力、改善傳動機構(gòu)效率及減輕汽車自重等；環(huán)境污染減少，汽車減重的同時，也減少了二氧化碳的排放量，因而可大大減少環(huán)境污染，提高環(huán)境質(zhì)量；綜合性能提高，在不減少汽車容量的情況下減輕汽車自重，可使汽車更穩(wěn)定，乘客空間變得更大，在受到?jīng)_擊時鋁合金結(jié)構(gòu)能吸收、分散更多的能量，因而更具舒適性和安全性8。4.2 鋁合金材料在建筑上的應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)材料不同于建筑裝飾材料，是整個建筑物的主要承力部件，建筑裝飾材料如門窗、幕墻、圍欄、天花板、鑲邊等一般不承受重力，只需美觀耐用就行，而結(jié)構(gòu)材料是整個建筑物的頂梁柱。以往，建筑結(jié)構(gòu)材主要選用優(yōu)質(zhì)木材和鋼材，現(xiàn)在綠

16、色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)材正慢慢興起，而鋁合金結(jié)構(gòu)材料有價格較高，生產(chǎn)難度大，各種性能難于合理匹配等特點9。鋁合金作為一種建筑材料具有其他建材不可替代的優(yōu)點，鋁合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可采用獨特短程線結(jié)構(gòu)專利設(shè)計，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)緊湊，凈跨度大，結(jié)構(gòu)強度能適應(yīng)各種不均衡風(fēng)載、雪載等惡劣環(huán)境條件。鋁合金結(jié)構(gòu)具有高的性價比，耐腐蝕，無需定期維修和防腐處理，永久密封技術(shù)和獨特設(shè)計保證不漏水，良好的隔音和吸音效果10。5 展望隨著建筑、航空、車輛等領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，對結(jié)構(gòu)材料的要求也越來越高。針對以上存在的問題，以提高和完善鋁合金結(jié)構(gòu)材料使用性能為目標(biāo)，同時兼顧材料制備的成本，鋁合金結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用前景會更光明。參考文獻1 朱增文, 劉彥明, 劉利平. 不同品種的鋁及鋁合金材料在高壓隔離開關(guān)上的具體應(yīng)用J. 高樂電興: 2010, 46(2):63-64.2 孫德勤. 鋁合金結(jié)構(gòu)材料及其發(fā)展J. 新材料產(chǎn)業(yè): 2011, 10(3):60-63.3 李征. 大跨度鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用J.工程設(shè)計與建設(shè), 2005, 37(3):14-18.4 李麗娟, 謝志紅, 郭永昌. 鋁合金雙層球抗震性能分析J. 甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué): 2003, 29(3):47-52.5 沈祖炎, 郭小農(nóng), 李元齊. 鋁合金結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀簡述J. 同濟大學(xué): 2007, 28(6):100-106.6 張掙, 張其林. H型截面鋁