铝合金结构材料的研究进展与应用综述

科研技能训练文献综述铝合金结构材料的研究进展与应用11摘要铝合金材料已经成为一种应用很广泛的金属结构材料，本文主要综述了铝合金材料的特点，铝合金材料抗腐蚀性能的研究，铝合金材料在高温下的性能，铝合金材料在建筑上的应用和为现代汽车制造业带来的益处。关键词：铝合金材料；特点；应用ResearchandApplicationofaluminumstructuralmaterialsAbstractAluminumalloymaterialhasbecomeaverybroadapplicationofmetalstructuralmaterials,thispaperreviewedthecharacteristicsofaluminumalloy,aluminumalloymaterialsresearchcancorrosionresistance,aluminummaterialpropertiesathightemperatures,aluminumalloymaterialintheconstructionofapplicationsandbenefitsformodernautomotiveindustrybrings.Keywords:AluminumMaterial;Features;Applications21绪论金属新材料按功能和应用领域可划分为高性能金属结构材料和金属功能材料。金属功能材料指具有辅助实现光、电、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金属能源材料、催化净化材料、信息材料、超导材料、功能陶瓷材料等。高性能金属结构材料指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特性的新型金属材料，主要包括钛、镁、锆、镍及其合金材料等，以及高端特殊钢、铝新型材等。金属类工程结构材料包括钢铁材料、稀有金属新材料、高温合金、高性能合金等。稀有金属新材料指高强、高韧、高损伤容限钛合金，以及热强钛合金、锆合金、难熔金属合金、钽钨合金、高精度铍材等。高温结构材料主要种类包括：高温合金、粉末合金、高温结构金属间化合物，以及高熔点金属间化合物等。铝合金材料作为一种新兴的结构材料，在现代建筑结构设计中，得到越来越广泛的青睐。本文对铝合金材料的特点做了叙述，随着社会的发展、技术的进步，铝合金材料应用于建筑结构方面的总体优势日益突出。目前在国内大量使用的铝合金结构中，主要有铝合金穹顶结构、铝网架、铝网壳等。2铝及铝合金材料分析铝及铝合金材料因不同的化学成分体现出不同的物理性能，主要包括机械性能和电气性能。在这里机械性能主要分析抗拉强度和伸长率，抗拉强度越大，则承载的机械负荷越大；伸长率越大，则更适于弯曲加工。电气性能主要分析导电性能，而电导率越高，导电性能越好。铝及铝合金材料的化学成分比较繁杂，但因密度在2.7g/cm3左右，在大气中，它们的防腐性能都比较好，可以不考虑其化学成分对密度和防腐性能的影响。高压隔离开关常用的铝及铝合金材料主要有板、棒、管及铸件。下面介绍这几种常用的铝及铝合金材质材料，主要考核其机械性能和导电性能。铝及铝合金材料按其成分和性能特征分为工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝以及铸造铝。主要用于隔离开关上的有工业纯铝、防锈铝、硬铝、锻铝以及铸造铝[1]。33铝合金特点与性能的研究3.1铝合金材料的特点质量轻，铝材的密度近似为钢材密度的三分之一，在不同合金中，其密度在2600-2800kg/m3之间变化。强度较高、可以减轻结构构架的质量。耐腐蚀，铝合金材料具备极强的耐大气腐蚀能力。当暴露在大气中时，其表面极易形成一层及其致密的氧化膜，从而起到很好的隔离保护作用，免维护，尤其适用于一些在较强腐蚀环境下服役的结构体；另外铝合金材料有很强的抗硫化物腐蚀的特性，即使在高达500℃时，也具备良好的抗氧化性能和高达80%的辐射能放射率[2]。铝的延性好，但作为结构用材而言，其强度过低。为了提高强度，一种是采用冷加工工艺，不过这一加工对强度提高不是很大，而延性却急剧降低(甚至只有原值的十分之一)。另一种提高强度的方法是铝与其它元素熔成合金。这样其强度会增大很多，若应用热处理，则可以获得更高的强度。Al、Si、Mn合金的强度可以达到f0.2=250Ｎ/mm2，Al、Zn和Al、Cu合金的强度甚至可以达到f0.2=350-400N/mm2。弹性模量小，铝的弹性模量约为钢材的三分之一，在不同的合金中，其弹性模量在68500-74500N/mm2之间变化。因而变形大和不稳定是常见的问题，对缺陷敏感度高。热胀系数大，铝的热胀系数大约是钢材的两倍，在不同的合金中，其热胀系数在19×10-6-25×10-6/℃之间变化。铝结构的温度变形受到约束时，其温度应力将比钢结构小30%。因此尽管铝材的热胀系数大，其热膨胀影响小，残余应力影响小。可挤压，铝和钢之间的另一差异是铝结构构件可以用轧制、挤压、铸造和拉拔工艺制作。尤其重要的是挤压工艺，这种工艺可以提供任何形状的型材产品，特别是用轧制工艺不易获得的产品。它还具有有利于环境保护，易回收，再处理成本低，再利用率高，回收剩余价值高等等的优点。铝合金作为结构材料的应用越来越广泛，在车辆、航空、建筑等领域呈现良好的发展势头。特别是在体育、环保等大跨度标志性建筑中应用前景广阔，国外大型空间建筑的网壳结构已开始大量应用铝合金结构构件，如丰田博物馆、康涅狄格大学及夏威夷大学竞技场、贝尔竞技中心等[3]。43.2铝合金材料抗腐蚀性能的研究合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类：一类是形变铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。另一类是铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金（不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好），特殊铝硅合金（可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好），铸造铝合金在铸态下使用。高强度硬铝可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好，用气焊时有形成晶间裂纹的倾向，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：抗腐蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。用途主要用于制作各种高负荷的零件和构件如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150℃以下工作零件。针对铝合金材料还有两种再处理方法，分别是变质处理和热处理，这两种方法可以提高材料的抗蚀性。变质处理是指利用少量元素对铝合金熔体进行处理，使合金组织和性能获得改善。少量的限度是不能改变合金的成分，杂质含量不能超标。Al-Si合金在变质处理后显微结构图像上的硅相不但细化，而且球化或纤维状，从而引起力学性能的改变，有效地提高了抗拉强度、伸长率和抗蚀性铝合金热处理的目的是为了改善组织，提高强度、硬度、塑性、抗蚀性和尺寸稳定性；消除应力、改善切削加工性能及高温工作稳定性能[4]。影响铝合金结构腐蚀的主要因素有结构的防腐蚀方法和措施、材料制造工艺水平、受力环境和材料的抗腐蚀能力等因素，其中受力环境包含荷载环境和腐蚀环境两方面，腐蚀环境又受到温度、浓度、酸碱度等因素的影响，可见研究材料的腐蚀力学行为需要充分考虑到诸多影响因素对材料构件的作用。铝合金结构随着腐蚀条件和腐蚀作用时间的不同，发生腐蚀位置、程度和类型也不同。按照腐蚀形态的不同，腐蚀损伤可分为均匀腐蚀、局部腐蚀和荷载应力腐蚀。其中荷载应力腐蚀引起的破坏事故所占比例最高，可见研究腐蚀环境下铝合金材料的腐蚀力学行为是十分必要的。要准确评定腐蚀条件下铝合金材料结构的使用状态和寿命，需要开展大量的腐蚀环境下材料的试验研究，以测定不同受力状态和腐蚀环境下材料的剩余寿命和使用状况与腐蚀损伤之间的相关规律。但由于铝合金构件的实际工作环境和受力状态相对实验研究而言是长期而缓慢的，真实、准确地模拟腐蚀受力环境进行长期试验是财力和时间上所不允许的，因此需要研究如何实现实验室加速模拟实验精准再现铝合金构件的腐蚀损伤和机械损伤模式，这虽然是又一个难点，但却具有非常重要的现实意义。同时在腐蚀环境中需要测量各类5数据和观察试验表面形貌，但许多测量设备本身就是金属构件，腐蚀环境很可能会对其造成损坏甚至影响数据结果的准确性，这需要不断地优化腐蚀力学测试方法，为后期的分析研究提供良好的数据基础。所以，在结构设计中对腐蚀因素的考虑，以及对腐蚀、腐蚀疲劳引起铝合金结构性能下降的研究，成为一种必然[5]。3.3铝合金材料在高温下的性能在危害建筑物的诸种灾害中，火灾是最常见、最危险和最具毁灭性的灾害之一。铝合金结构在高温下的性能与常温下有很大差异，现有关于常温下铝合金结构性能的研究成果并不能应用于铝合金结构的抗火设计中，故研究铝合金结构高温性能的意义重大。在国外，铝合金结构高温性能的研究逐渐成熟。而在国内，研究尚处于初步阶段。金属材料在常温和高温下的力学性能具有很大差异。当温度达到400℃时，钢材的强度逐渐下降；温度达到600℃时，强度将至常温时的50%以下。和钢材相比，铝合金的防火性能较差。当温度升高时，铝合金材料的强度和弹性模量下降很快，200℃时，结构用铝合金的强度开始明显下降；300℃时强度下降到常温下强度的50%以下；温度达到550℃时，结构用铝合金材料的强度和弹性模量基本丧失[6]。在今后的铝合金结构高温性能研究当中，还应该对研究成果进行系统的归纳总结，建立完整的铝合金结构抗火设计体系，促进铝合金结构在我国的应用与发展[7]。4铝合金材料的应用4.1铝合金材料现代汽车制造业带来的效益铝合金使现代汽车轻量化，为了节约能源，减少汽车尾气对空气的污染，铝合金材料迅速地进入到汽车制造业。铝材在现代汽车制造业备受青睐，铝材正在代替钢铁成为现代汽车制造业的基础材料。汽车用铝合金材料量增加后带来的效益主要体现在以下几个方面：①节能效果可观，提高发动机效率、减少行驶阻力、改善传动机构效率及减轻汽车自重等；②环境污染减少，汽车减重的同时，也减少了二氧化碳的排放量，因而可大大减少环境污染，提高环境质量；③综合性能提高，在不减少汽车容量的情况下减轻汽车自重，可使汽车更稳定，乘客空间变得更大，在受到冲击时铝合金结构能吸收、分散更多的能量，因而更具舒适性和安全性[8]。64.2铝合金材料在建筑上的应用建筑结构材料不同于建筑装饰材料，是整个建筑物的主要承力部件，建筑装饰材料如门窗、幕墙、围栏、天花板、镶边等一般不承受重力，只需美观耐用就行，而结构材料是整个建筑物的顶梁柱。以往，建筑结构材主要选用优质木材和钢材，现在绿色建筑铝合金结构材正慢慢兴起，而铝合金结构材料有价格较高，生产难度大，各种性能难于合理匹配等特点[9]。铝合金作为一种建筑材料具有其他建材不可替代的优点，铝合金结构稳定，可采用独特短程线结构专利设计，稳定性高，结构紧凑，净跨度大，结构强度能适应各种不均衡风载、雪载等恶劣环境条件。铝合金结构具有高的性价比，耐腐蚀，无需定期维修和防腐处理，永久密封技术和独特设计保证不漏水，良好的隔音和吸音效果[10]。5展望随着建筑、航空、车辆等领域技术的不断发展，对结构材料的要求也越来越高。针对以上存在的问题，以提高和完善铝合金结构材料使用性能为目标，同时兼顾材料制备的成本，铝合金结构材料应用前景会更光明。7参考文献[1]朱增文,刘彦明,刘利平.不同品种的铝及铝合金材料在高压隔离开关上的具体应用[J].高乐电兴:2010,46(2):63-64.[2]孙德勤.铝合金结构材料及其发展[J].新材料产业:2011,10(3):60-63.[3]李征.大跨度铝合金网壳结构的应用[J].工程设计与建设,2005,37(3):14-18.[4]李丽娟,谢志红,郭永昌.铝合金双层球抗震性能分析[J].甘肃工业大学学:2003,29(3):47-52.[5]沈祖炎,郭小农,李元齐.铝合金结构研究现状简述[J].同济大学:2007,28(6):100-106.[6]张挣,张其林.H型截面铝合金构件平面内的承载力[J].西安交通大学学报:2003,31(11):