鋁合金結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用綜述

1、 科研技能訓(xùn)練文獻(xiàn)綜述鋁合金結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)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(diǎn)，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(lái)的益處。關(guān)鍵詞：鋁合金材料；特點(diǎn)；應(yīng)用 Abstr窗體頂端Research and Application of aluminum structural materials窗體底端AbstractAluminum alloy material has become a very broad application of metal structural ma

2、terials, 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 for modern automotive industry brings.Keywords:

3、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(shí)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、稀有金屬新材料、高溫合金、高性能合金等。稀有金屬新材料指高強(qiáng)、高韌、高損傷容限鈦合金，以及熱強(qiáng)鈦合金、鋯合金

4、、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(diǎn)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(jì)中，得到越來(lái)越廣泛的青睞。本文對(duì)鋁合金材料的特點(diǎn)做了敘述，隨著社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)方面的總體優(yōu)勢(shì)日益突出。目前在國(guó)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(jī)械性能和電氣性能。在這里機(jī)械性能主要分析抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率， 抗拉強(qiáng)度越大，則承載的機(jī)械負(fù)荷越大；伸長(zhǎng)率越大，則更適于彎曲加

5、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(duì)密度和防腐性能的影響。高壓隔離開(kāi)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(jī)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(kāi)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(diǎn)與性能的研究3.1 鋁合金材料的特點(diǎn)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2

6、600-2800kg/m3之間變化。強(qiáng)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(qiáng)的耐大氣腐蝕能力。當(dāng)暴露在大氣中時(shí)，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(hù)作用，免維護(hù)，尤其適用于一些在較強(qiáng)腐蝕環(huán)境下服役的結(jié)構(gòu)體；另外鋁合金材料有很強(qiáng)的抗硫化物腐蝕的特性，即使在高達(dá)500時(shí)，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(qiáng)度過(guò)低。為了提高強(qiáng)度，一種是采用冷加工工藝，不過(guò)這一加工對(duì)強(qiáng)度提高不是很大，而延性卻急劇降低(甚至只有原值的十分之一)。另一種提高強(qiáng)度的方法是鋁與其它元素熔成合金。這樣其強(qiáng)度會(huì)增大很多，若應(yīng)用熱處理，則

7、可以獲得更高的強(qiáng)度。Al、Si、Mn合金的強(qiáng)度可以達(dá)到f0.2 = 250/mm2，Al、Zn和Al、Cu合金的強(qiáng)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(jiàn)的問(wèn)題，對(duì)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(shí)，其溫度應(yīng)力將比鋼結(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

8、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(hù)，易回收，再處理成本低，再利用率高，回收剩余價(jià)值高等等的優(yōu)點(diǎn)。鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在車輛、航空、建筑等領(lǐng)域呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)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(guó)外大型空間建筑的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)已開(kāi)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(jìng)技場(chǎng)、貝爾競(jìng)技中心等3。3.2 鋁合金材料抗腐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。

9、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(jiǎn)單鋁硅合金（不能熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能較低，鑄造性能好），特殊鋁硅合金（可熱處理強(qiáng)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(qiáng)度硬鋁可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在淬火和剛淬火狀態(tài)下塑性中等，點(diǎn)焊焊接良好，用氣焊時(shí)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(yáng)極氧化處理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(jī)上的骨架

10、零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)?50以下工作零件。針對(duì)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(duì)鋁合金熔體進(jìn)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(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和抗蝕性鋁合金熱處理的目的是為了改善組織，提高強(qiáng)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

11、、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(jiàn)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(duì)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(shí)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(jiàn)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(píng)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(kāi)展大量的腐蝕環(huán)境下材料的試驗(yàn)研究，以測(cè)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

12、相關(guān)規(guī)律。但由于鋁合金構(gòu)件的實(shí)際工作環(huán)境和受力狀態(tài)相對(duì)實(shí)驗(yàn)研究而言是長(zhǎng)期而緩慢的，真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬腐蝕受力環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)是財(cái)力和時(shí)間上所不允許的，因此需要研究如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室加速模擬實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)再現(xiàn)鋁合金構(gòu)件的腐蝕損傷和機(jī)械損傷模式，這雖然是又一個(gè)難點(diǎn)，但卻具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)在腐蝕環(huán)境中需要測(cè)量各類數(shù)據(jù)和觀察試驗(yàn)表面形貌，但許多測(cè)量設(shè)備本身就是金屬構(gòu)件，腐蝕環(huán)境很可能會(huì)對(duì)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(cè)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(jì)中對(duì)腐蝕因素的考慮，以及對(duì)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

13、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(jiàn)、最危險(xiǎn)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(jì)中，故研究鋁合金結(jié)構(gòu)高溫性能的意義重大。在國(guó)外，鋁合金結(jié)構(gòu)高溫性能的研究逐漸成熟。而在國(guó)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(shí)，鋼材的強(qiáng)度逐漸下降；溫度達(dá)到 600時(shí)，強(qiáng)度將至常溫時(shí)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(shí)，鋁合金材料的強(qiáng)度和彈性模量下降很快，200時(shí)，結(jié)構(gòu)用鋁合金的強(qiáng)度開(kāi)始明顯下降；300時(shí)強(qiáng)度下降到常

14、溫下強(qiáng)度的 50%以下；溫度達(dá)到 550時(shí)，結(jié)構(gòu)用鋁合金材料的強(qiáng)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(duì)研究成果進(jìn)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(jì)體系，促進(jìn)鋁合金結(jié)構(gòu)在我國(guó)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(lái)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(duì)空氣的污染，鋁合金材料迅速地進(jìn)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(lái)的效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：節(jié)能效果可觀，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、減少行駛阻力、改善傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率及減輕汽車自重等

15、；環(huán)境污染減少，汽車減重的同時(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)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(jià)格較高，生產(chǎn)難度大，各種性能難于合理匹配等特點(diǎn)

16、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(diǎn)，鋁合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可采用獨(dú)特短程線結(jié)構(gòu)專利設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)緊湊，凈跨度大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jià)比，耐腐蝕，無(wú)需定期維修和防腐處理，永久密封技術(shù)和獨(dú)特設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求也越來(lái)越高。針對(duì)以上存在的問(wèn)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(shí)兼顧材料制備的成本，鋁合金結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用前景會(huì)更光明。參考文獻(xiàn)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(kāi)關(guān)上的具體應(yīng)用J. 高樂(lè)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(jì)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(jiǎn)述J. 同濟(jì)大學(xué): 2007, 28(6):100-106.6 張掙, 張其林. H型截面鋁合金構(gòu)