中南大学
硕士学位论文
合金元素和热处理对Al-Mg-Si基汽车车身板材组织和性能的影
响
姓名：许可勤
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：甘卫平
20040101
币｝似≥ｌ６代汽车正朝着轻量化、高速、』霎、舒兰节能与低污染的方向二：于呈：薹辜弓
合金由
的铝化率，是汽车工业发展的必然趋势。在制作车身板材的铝合金中，
于具有强度高，塑性好，优良的耐蚀性等优点而成为近年来研究的热
本论文采用正交设计法研究了Ａｌ—Ｍｇ—Ｓｉ基铝合金中合金元素和热处理制度对合金力
学性能、成形性能和显微组织的影晌，优化出最佳合金成分和热处理制度。利用金相显微镜、透射电镜（ＴＥＭ）、能谱分析（ＥＤｓ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、Ｄｓｃ、电子探针（ＥＭＰＡ）、ｘ射线衍射仪、电子万能拉伸机、显微硬度计等一系列分析测试手段，研究了Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、ｚｒ对合金力学性能，冲压性能和显微组织的影响，固溶温度、自然时效、预时效对合金力学性能的影响以及该合金的时效强化机制。
研究结果表明：
１．Ｃｕ、№、Ｓｉ、Ｚｒ对合金强度影响由大到小的顺序是：ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ，对６ｏ２／６ｂ影响最大的是Ｚｒ，对ｒ值影响最大的是Ｃｕ，Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｒ对ｎ值影响不大。
２．微量ｚｒ在Ａ卜Ｍｇ—ｓｉ基车身板材铝合金中主要以粒状Ｂ（Ａ１ａＺｒ）弥散相存在，Ｂ（胍３ｚｒ）弥散相能抑制再结晶，产生亚结构强化和弥散强化，Ｚｒ含量为Ｏ．２Ⅲ．％时，合金的成形性能明显改善。
３．固溶处理温度升高，ｎ固溶体中Ｓｉ含量增加，№含量则无明显变化，人工时效时合金强度和硬度增加。
４．合金自然时效主要产生Ｇ．Ｐ．区，人工时效主要强化相为Ｂ’（Ｍ９２ｓｉ）。在本实验范围内，淬火和人工时效之间的室温放置，能引起合金硬度下降，室温放置时间越长，人工时效后试样硬度越低，合理的预时效温度和过剩Ｓｉ，能有效的减轻自然时效对合余性能的不利影响。
５．合金最佳成份是Ａ卜０．９５Ｍｇ—１．３５ｓｉ—Ｏ．３５Ｍｎ一１．２Ｃｕ一０．２０ｚｒ一０，０ｌＴｉ，最佳热处理工艺是５５０℃十３０ｍｉｎ固溶一１５０℃＋５ｍｉｎ预时效一自然时效一１７５℃＋５ｈ人工时效６．合金Ｔ４状态下与６０１０的成形性能指标合金相比，ｏｏ２／ｏｂ小了２０９６，ｎ值相等，ｒ值大了４．３％，６大了８．３％，Ｔ４综合成形性能优于６０ｌＯ合金Ｔ４综合成形性能。人工时效后，合金抗变形能力与抗压痕能力优于传统车身板材。
研究结果为设计高性能汽车车身板材提供了有效的途径，对于解决汽车车身板材依
赖进口的难题，提高我国汽车工业整体水平，具有积极的推动作用。关键词：合金元素力学性能成形性能显微组织热处理
汽车车身板材Ａｌ－Ｍｇ－ｓｉ基合金
＾ｂｓｔｒａｃｔ
Ａｔｐｒｅｓｅｍ，ＶｅｈｉｃｌｅｓａｒｅｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇｔｏｂｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ、１１ｉｇｈｓｐｅｅｄ、ｓａｆｂｔｙ、ｃｏｍｆｏｎ、
ｅｎｅｒｇｙ—ｓａＶｉｎｇａｎｄｅｎＶｉｒｏｍｅｎｔａｌ
ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ．Ｉｔｉｓａ订ｅｎｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅ
ａｌｕｍｉｎ啪ｚａｔｉｏｎｏｆ
Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ａｍｏｎｇａ王ｌａｌｌｌ工ｎｉｎｕｍａｌｌｏｙＳ南ｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｂｏｄｙｓｈｅ如，６ｘｘｘｍｌｏｙｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄ、ｖｉｄｅｌｙｂｅｃａｕｓｅｏｆ“ｓｇｏｏｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉ曲ｓｔｒｃｎｇｍ、ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｆｏｍａｂｉｌ时、ｇｏｏｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅ．
Ｉｎｔｈｉｓｐ印ｅｒ，ｍｅｉＩｌｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａ１１ｄｈｅａｔ仃ｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｅ
ｍｉｃｒｏｓｔｒｌｌｃｔｕｒｅ、ｆｏｎｎａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｉｎＶｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｌｏｔｓｏｆ卸ａｌｙｓｉｎｇａｎｄ
ｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｓｕｃｈａｓｍｉｃｍｓｃｏｐｅ、ＴｒａｌｌｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃ缸ｍＭｉｃｍｓｃｏｐｅ（ＴＥＭ）、ｘ—ｒａｙＥｎｅｒｇｙ。Ｄｉｓｐ喇ｖｅＳｐｅｃ仃ｏｃｏｐｙ（ＥＤＳ）、ＳｃａｌｌｎｉｎｇＥｌｅｃ响ｎＭｉｃｍｓｃＱｐｅ（ＳＥＭ）、Ｄｉ疵ｒｅｎｔｉａｌＳｃ孤ｍｎｇＣ越ｏｒｉｍｅｔｅｒ（ＤＳＣ），ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｐｍｂｅＡｌｌａｌｙ∞ｒ、ｍｉｃｒｏｈａｆ血ｅｓｓｒｎｅａｓｕｒｃｍｅｎｔ、ｔｃｎｓｉｌｃｔｅｓｔｉｎｇ、Ｘ－Ｒ丑ｙＤｉ妊ｂｃｔｊｏｎｅｔｃ，Ｔｈｅａｌｌｏｙ∞ｍｐｏｓ衔ｏｎｓ锄ｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｒｅｏｐｔｉｍｉ乃ｅｄ．
ＴｈｅｒｅｓＩｌｌｔｓｏｆｔｌｌｅｓｔＩｌｄｙｓｈｏｗｍａｔ：
１．Ｔｈｅｅ妊ｂｃｔｏｆＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、ｚｒｏｎｍｅｔｅｌｌＳｉｌｅｓｎ＿ｅｎｇｌｌｌｏｆＴ６ｔｅｍｐｌｅｉｓＳｉ＞Ｃｕ．＞Ｍｇ＞Ｚｒ；ＺｒｈａＳａｓｉｇＩｌｉｆｉｃ趾ｔｉｌｌｆｌｕｅｎｃｅｏｎｍｅｏｏ２／ｏｂ；Ｃｕｐｌａｙｓａｉｍｐｏｎ曲ｔｒｏｌｅｉｎｉｎｎｕｅｎｃｉｎｇａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｐｌ髂ｔｉｃＰ瑚ｅｔｅ《ｒ）ａ１１ｄＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、ｚｒｈａｖｅｌｍｌｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔｍｉｎ－ｈａｒｄｅｎ血ｇｅｘｐｏｎｅｎｔ（ｎ）．
。、ｖ，。
２．ＡＳｍａｌｌＶ０１ｕⅡ世丘ａｃ嘶ｏｆ盈ｉｌｌ～一Ｍ争ｓｉｂａｓ。ｄ８ｌ】ｏｙｓｗｍ芦。ｄｐｉｔ如Ｂ（Ａ１３Ｚｒ）ｄｉｓｐｅｒｓｏｉｄｐｈａｓｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｉｍｂｉｔｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｌｉｏｎ，ａｓｗｃｌｌ踮ｐｒｏｖｉｄｅｓｕｂｓｍｌｃｔ眦ｅｓ讹ｎｇｔｈｅｎｉｎｇａＪｌｄｄｉｓｐｅｒｓｏｉｄｓ廿ｅｎｇ廿ｌｅｎｉｎｇ．ＴｈｃｐｒｏｐｅｎｉｅｓｏｆＡＪ—Ｍｇ?Ｓｉｂ髂ｅｄａｌｌｏｙｃｏｎｔａｊｎｊｎｇ０．２叭，％Ｚｒ戤ｉｍｐｒｏｖｅｄ．
３．ｗｉｔｌｌⅡｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎ廿ｅａｈｎｅｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｃ，ｔｈｃｃｏｎｔｅｎｔｏｆＳｉｉｎｏ（Ａ１）ｓ０１ｕｔｉｏｎｓｏｌｉｄｉｎｃｒｅ鼬酣，Ｗｈｉｌｅ血ｅｃｏｎｔｅｍｏｆＭｇｉｎｏ（Ａ１）ｓｏｌ埘ｏｎｓｏｌｉｄｃｈ趾ｇｅｄｌｉｍｅ．ｎＩｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｎ蜘ⅡｎｅｎｔｔｅＩｎｐ号ｒａｔｕｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｔｈｅｉｎｃｒｅ鹪ｅｏｆｓ仃ｃｎｇｍ锄ｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆａｎｉｆｉｃｉａｌａｇｉｎｇ．
４?ＤＩｌｒｉｎｇｎａｔｕｒａｌａｇｉｎｇ，ｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔ融ｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙＧ．ｐｚｏｎｅ．Ｂ’（Ｍ９２ｓｉ）ｐｈａｓｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｌｙｓｔｒｅｎｇｔｈｅｌｌｉｎｇｐｈａｓｅｄ嘶ｎｇａｎｍｃｉａｌａｇｉｎｇ．Ａｄｅｌａｙａｔ瑚ｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎ
ａｎｍｃｉａｌａｇｉｎｇｃｏｌｌｌｄｄｅｃｒｅａｓｅｍｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｃａｌｌｏｙｄｕ曲ｇａｎｉｆｉｃｉａｌａｇｉｎｇ，ｑｕｃｎｃｈｉｎｇａｎｄ
ｔｈｅｌｏｎｇｅｒｔｌｌｅｄｅｌａｙ，ｔｈｅ１０ｗ盯ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓ，ｗｈｉｌｅｐｒ０蹿ｐｆｅ－ａｇ证ｇ懒Ｂ１ｐｅｍｔｕｒｅａｎｄｅｘｃｅｓｓＳｉｃｏｕｌｄａｌｌ“ｉａｔｅ１ｌｌｅｄ幽ｎｔ出疆ｂｃｔｏｆ咖ａｌａｇ讯ｇ．
５．１１ｌｅｏｐｔｉＨｌ啪ａｕｏｙｃｏｒ【ｌｐｏＳｉｔｉｏｎｉｓ烈一Ｏ．９５Ｍ扩１．３５Ｓｉ－１．２Ｃｕ＿Ｏ．２Ｚ卜Ｏ．０１Ｔｉ．１ｈｅｉｄｅａ王ｈｅａｔｔｆｅ咖１ｅｎｔ＿ｐ缸锄ｅｔｅｆｓ雠５５０℃＋３０“ｎｓｏｌｕｔｉｏｎ—１５０℃＋５ｍｉｎｐｒｅ—ａｇｉｎｇ一１７５℃＋５ｈａｎｉｆｉｃｉａｌａｇｉｎｇ．
ｍ髓Ａｍｅｒｉｃａｎ从６０１０ｂｙ２０％，６．Ｔｈｅｏ０２／ｏｂｏｆ吐璩ｏｐ血血ｅｄａｌｌｏｙｉｓｓｍａｌｌｅｒ
ｓ廿ａ．ｉｎ．１ｍｒｄｅｌｌｉｎｇｅ珥）０ｎｅｎ“ｎ）ｏｆｔｈｅｏｐｔｉｎｌｉｚｅｄａｌｌｏｙｉｓｔｈｅｓａｍｅ硒ＡｍｅｒｉｃａｎＡＡ６０１０，
ａｎｉｓｏ仃０ｐｉｃｐｌａｓｔｉｃｐａｒ啪ｅｔｅｒ（ｒ）ｏｆ恤。州喊ｚｅｄａｌｌｏｙｉｓｂｉｇｈｅｒｔｈａＩｌＡｍｅｒｉｃ衄ＡＡ６０ｌＯｂｙ４．３％，觚ｉｌｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｎｌｅｏｐ血１ｉｚｃｄａ１１０ｙｉｓ王ｌｉ曲盯ｔｈａｎＡｍｅｒｉｅａｎＡＡ６０１０ｂｙ８．３％，Ｓｏ
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ｏｆｏｕｒｃｏｕｍｒｙｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄＩｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｓｎｉｏｎｓｔ黜丑ｅ皿巾ｅｍｅｓｆｏ珊ａｂｉｌ缸ｙ耐ｃｒｏｓ咖ｃｔｌ啪ｈｅ砒ｔｒｅ蚰ｎｃｍａｕｔｏｂｏｄｙｓｈｅｅｔｓ烈－Ｍｇ－Ｓｉｂａｓｃｄ硅Ⅱ０ｙ
中南大学硕士学位论文
１．１研究的目的及意义
第一章文献综述
世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源，环保，安全。因此，减轻汽车自重以降低能耗，减少环境污染。提高汽车的燃料经济性，节约有限资源，提高汽车行驶的平稳性、乘客的舒适性和安全性，成为各大汽车厂商关注的焦点。汽车车重每减轻１００ｋｇ，油耗可减少０．４—１．ＯＬ／ｋｍ。车重减少５０％，Ｃ０：排放减少１３％，同时氮化物、硫化物等的排放量也会楣应减少。减轻汽车自重的关键是馒用轻质材料。在轻质材料中，由于聚合物类的塑料制品在回收中存在环境污染问题，镁合金材料的价格和安全性也限制了它的广泛应用。铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表面着色．良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性成为汽车轻量化最理想的材料。铝合金汽车以其节能降耗，利于环保，工序减少，装配效率高，燃油效率高，安全舒适，相对载重能力大等优点而备受青睐“’“。铝合金材料大量用于汽车工业，无论从汽车制造、汽车运营、废旧汽车回收等方面考虑，它都带来巨大的经济效益和社会效益，而且随着汽车产量和社会保有最的增加，这种效益将更加明显。由于能源、环境问题普遍受到人们的重视，汽车用铝合金的开发和应用得到广泛关注，铝合金在汽车中的使用量也呈逐年上井的趋势。表卜ｌ。’是美国，日本，法国三国汽车工业国使用的铝量。
表１．１发达国家每辆汽车使用铝合金量（单位：ｋｇ）
１９８０１９８５１９９０１９９５
美国５４（３．６）６８（５．５）日本（４．５）（５．５）９ｌ（８．９）１３３（１２．８）１５０（６．５）（７．５）（９．Ｏ）
法国３８４５５２５５６５
注：表中括号数据为铝合金用量占汽车总重量百分比
汽车车身约占汽车总重量的３０９６，对汽车本身来说，约７㈣的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身的铝合金化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要，已成
中南大学硕十学位论文
为近几年国内外研究的热点之一。
表１．２全铝车身开发实例
在汽车车身板材上，用变形铝合金代替传统钢板，可以有效地减轻汽车自重。近几年来，汽车车身的铝化引起世界各太汽车厂商的高度重视，世界各主要汽车制造厂在近几年中，都有铝制车身的概念车或批量生产的车型问世，实例见表１．２【４］。目前世界各大汽车厂商和科研机构都在积极研究开发汽车车身板用铝合金，稳定质量，优化工艺，降低成本【５“’７’“９】。据新浪网消息，我国即将成为世界第五大汽车工业国。据预测，到２００５年我国汽车总产量将达到３５０万辆左右，２０１０年约为４５０万辆，２０１５年将达到６００万辆左右。随着技术的进步和人们生活水平的提高，消费者对汽车的需求量越来越大，
对汽车性能的要求也越来越高，但是我国汽车工业发展水平已难以满足广大消费者的要求。我国许多汽车厂家只是简单引进外国车型，缺乏自己的特色，科研和生产严重脱节。进入Ｗ１’ｏ后，我国汽车工业将面临严酷的市场竞争，我国汽车工业既有巨大而诱人的商机，又面临外国同行的巨大挑战，所以必须在借鉴外国先进经验和先进生产技术的基础上，自行研制开发汽车车身用铝合金，加大技术含量，而不是一味地依赖进口和简单仿制，这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。目前，我国汽车铝化率还比较低，一般轿车单车用铝量为４０—５０ｋｇ左右，铝化率平均为４％，远远低于发达国家。国内汽车用铝材发展也不平衡，铝轮毂发展过热，汽车车身板材基本属于空白“…。由于汽车车身占汽车总重量的３０％左右，因此开发高性能车身用铝合金，对于解决汽车车身板材依赖迸口的难题，提高我国汽车工业整体水平，具有重要的意义。
１．２汽车车身板用铝合金的特征及性能
目前，用于汽车车身板的铝合金主要有Ａ１一ｃｕ．Ｍｇ（２０００系），Ａｌ－Ｍ敷５０００系）和Ａ１．Ｍｇ．Ｓｉ（６０００系）。表１—３［１１】列出了主要车体铝台金板材的化学成分。表１．４［１２】列出了主要车体铝合金板材的典型室温力学性能。表１．５列出了车身覆板和薄板部件用铝合金及使用部位。
２０００系铝合金具有优良的锻造性、高的强度、焊接性能好，可热处理强化等特点，其强化相为ｃｕＭｇＡｌ２和ＣｕＡｌ２。ｃｕ舢２强化的合金，在时效温度升高时，会出现强度降低的现象，而ｃｕＭｇ灿２强化的合金，由于强化相形核困难，时效硬化很慢。因此，由这两种强化相强化的合金，需要高的人工时效温度以便获得合适的强度。２０００系合金中，２０３６已广泛用于生产车身扳。２０００系合金虽然强度高，成形性好，但其抗蚀性比其他铝合金差，容易发生应力腐蚀开裂，点蚀，剥蚀等，而且在喷漆烘烤时需要比较高的温度，并且喷漆烘烤时硬化能力低，这大大限制了２０００系合金在汽车车身板材上的广泛应用。
５０００系铝合金中的Ｍｇ固溶于铝中，形成固溶强化效应，使该系合金具有接近普碳钢板的强度，成形性，抗腐蚀性能优，用于内板等形状复杂的部位。５０００系合金退火态的强度主要由Ｍｇ原子的固溶强化和晶粒尺寸强化所决定，符合ＨａＪｌ．Ｐｅｔｃｈ关系；
表１．３主要车体铝合金板材的化学成分
合金ＭｇＳｉＣｕＦｅＭｎＺｎＣｒＴｉ
２００８０，２５?Ｏ．５０Ｏ．５．０．８０．７．Ｉ．Ｉ≤０，４０≤０．３０≤Ｏ．２５≤Ｏ．１０≤Ｏ，１０２０１０Ｏ．４０．１．００．５０Ｏ．７．１．３≤０．５００．１—０．４≤０．３０≤０．１５
２０３６０．３－０．６≤Ｏ．５０≤２．２０≤Ｏ．５０Ｏ．１－Ｏ．４≤０．２５０．１０≤０．１５５７５４２．６．３．６≤０．４０≤Ｏ．１０≤Ｏ．４０≤Ｏ．５０≤０．３０≤Ｏ．１０５１８２４．０．５．ＯＯ．２００．１５Ｏ．３５０．２—０．５０．２５０．１０Ｏ．１０５０３０４．０．５．０Ｏ．０８≤０．３０≤０．４０≤０．１０≤０．０５０．１０５０３２５．０－６．ＯＯ．２５Ｏ．Ｓ００．４００．２００．１０Ｏ．２００．１０６００９０．４．ｏ．８０．６－１．Ｏ０．１５－Ｏ．６０≤Ｏ．５０Ｏ．２－ｏ．８≤０．２５≤Ｏ．１０≤０．１０６０１０Ｏ．６．１．０Ｏ．８．１．２Ｏ．１５．０．６０≤Ｏ．５００．２加．８≤０．２５≤０．１０≤０，１０６１１ｌＯ．５－１．Ｏ０．６一１．１Ｏ．５．０．９≤Ｏ．４０≤Ｏ．４０≤Ｏ．１０≤ｎｌＯ６０１６０．３．Ｏ．６１．Ｏ－１．５≤０．２０≤Ｏ，５０≤０．２０Ｏ．１０
６ｘｘｘ０．５．１．４０．６－１．５≤０．１０≤０．３０≤０．１０≤０．１０≤Ｏ．１０
表１．４主要车体铝合金板材典型室温力学性能
合金和状态ｏｂ（ＭＰａ）ｏｏ２（ＭＰａ）弯曲疲劳强度（１０８）（ＭＰａ）密度（ｋｇ，ｃｍ３）
２０３６一Ｔａ３４０１９５１２５２．７５ｘ１０’
５１８２．Ｏ２７５１３０１４０２，６５ｘ１０’
６００９．ｎ２３０１２５“５２．７ＩｘＩＯ’
６０ｌＯ－Ｔｄ２９０１７０１２５２．７０ｘｌｏｊ
冷轧钢板２９８１８ｌ●——
式中ｏ，为屈服应力（ＭＰａ），ｏｏ是摩擦应力（ＭＰａ），它反映了Ｍｇ原乎的固溶强化程度ｄ是晶粒尺寸，ｋ是常数。虽然随着Ｍｇ含量的增加，Ｐｅｔｃｈ参数ｋ、ｏｏ增大，但是Ｐｅｔｃｈ参数也受晶粒形状，织构的影响。这些微观组织的变化受合金中弥散相及工艺参数的影响。虽然有许多因素影响５０００系合金的屈服强度，但是晶粒尺寸对５０００系强度的影响
表１．５车身覆板和薄板部件用铝合金及使用部位
，—＾．Ａ状态使用部位车辆种类２００２Ｔ４车盖、后行李箱盖、车门轿车
２１１７Ｔ４车盖、后行李箱盖、车门轿车
２０３６Ｔ；轿车、载重汽
车盖、底板盖、司机室
垄
２０３７Ｔ｛车盖、后行李箱盖、车门轿车
２０３８Ｌ车盖、后行李箱盖、车门轿车
轿车、公共汽５０５２Ｈ３２．Ｈ３４车门、底板、车顶、油箱
车、载重汽车
车盖、后行李箱盖、负载底板、空气过滤器、司轿车、载重汽５１８２０．ＳＳＦ
机室生
轿车、载重汽６００９ｎ车盖、后行李箱盖、司机室、控制板、挡泥板
车
６０１０Ｔ４车盖、后行李箱盖、挡泥板轿车
６０１５Ｌ自行车盖、侧面控制板、车门轿车
６０１６Ｔ４车盖、后行李箱盖、车门轿车
６１１ｌＴ。车盖、后行李箱盖、车门轿车
比对其他系铝台金强度的影响大得多。因此，当不同Ａ１．Ｍｇ系合金之间进行强度对比时，耍把晶粒尺寸的影响考虑在内。Ａｌ—Ｍｇ合金中当Ｍｇ含量大于２％时，随Ｍｇ含量增加，组织中逐渐出现ｐ（Ｍ９５Ａ１８）相，ｐ相随温度升高而迅速软化，共晶含量少，合金耐热性差。Ａ１－Ｍｇ系的固溶强化易导致出现勒得斯线（由于屈服点伸长而出现的一系列新的台阶或锯齿状变形带）和延迟屈服。当晶粒尺寸大于１００哪时，扳材易出现桔皮效应。虽然５０００系铝合金具有优良的成形性，但是该系合金强度比２０００系和６０００系强度低，勒得斯线和桔皮效应的出现容易导致板材表面起皱，出现滑移带，使得板材的表面质量变坏，甚至喷漆后也不能完全消除，并且喷漆烘烤过程中会软化，所以５０００系合金只用在对表面质量要求不严格的汽车内板上。
Ｉ
６０００系铝合金强度高，塑陛好，具有优良的耐蚀性，综合性能好。６０００系一Ｔ４材的
屈服强度和抗拉强度接近冷轧钢板的值，ｎ值大于或等于冷轧钢板的ｎ值。６０００系合金
是热处理可强化合金，其强化相主要为Ｍ９２Ｓｉ。６０００系合金的晶粒尺寸对屈服强度的影
响不大。６０００系合金板材冲压成形后于１７５℃油漆烘烤，强度提高约１５０ＭＰａＩｎｌ。６０００系合金中，６００９和６０１６具有非常相似的机械机械性能，Ｔ４念的届服强度低，因此具有
优良的成形性能，但是油漆烘烤的强度较低，约为１８０ＭＰａ。６０１０油漆烘烤后的强度较
高，但是Ｔ４态的屈服强度也比较高，这使成形性降低。６１１１的Ｔ４态的屈服强度约为１５０～１８０ＭＰａ，油漆烘烤后屈服强度超过２００ＭＰａ，显然６１１１最初的成形性能和最终性能能
很好地结合。欧洲把具有优良成形性能的６０１６合金作为主要的汽车车身板材，而美国则
由于６１１１合金最终产品具有高的强度而把它作为主要的车身板材Ｉｌ”。
表１．６主要铝合金板的机械性能
合金塞鬣絮冀嚣ｎ值。值杯笋Ｉ簟善．芋。’五
率６．％率６。．％
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２ＩＩ７．Ｔ４２５０２０００２Ｓ０Ｓ９Ｂ
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注：｜）ｔ为板材厚度
表卜６“”给出了轿车车身传统用２０００系、５０００系、６０００系铝合金和钢的成形性能指标，主要为冲压性能指标。可见钢的总延伸率６最大，说明钢在拉伸过程中变形最大。而在一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，故均匀延伸率６。对冲压成形
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茹巍＝黧她洲
性有重要的意义。６０００系的均匀延伸率６。最大，说明６０００系板材的极限变形程度最大。５０００系的硬化指数ｎ值最大，说明５０００系板材的冲压性能最好。板厚方向系数Ｙ则是钢的最大。另外，杯突值ｍ和１８０。弯曲半径（Ｏｔ）都是钢的最大。数据表明，铝合金的冲压成形性能与钢相比，已基本上接近钢的性能，甚至某些方面已超过钢材，因此可以代替钢作为汽车车身板。而对于铝合金来说。２０００系抗蚀性，５０００系的勒得斯线和桔皮效应都不尽如人意。所以６０００系铝合金受到了关注。
１。３Ａｌ－臻ｇ－ｓｉ基铝合金板材的研究现状
１．３．１国外研究现状’，
国外科研工作者对Ａｌ—Ｍｇ—Ｓｉ基铝合金做了大量的研究，研究工作主要集中在以下几个方面：
④对精９２ｓｉ相析出过程及动力学的研究
Ｍ９２ｓｉ相是６０００系合金中的主强化相，它的大小和形状对性能的影响极大。其一般过程为：
ａ过饱和固溶体一溶质原子丛聚区一ＧＰ区（球状）一§”相（针状）一Ｂ’相（棒状）一母楣【１５１６‘１７＇１酊。
其中强化效果最好的为Ｂ’７相，其次为Ｂ７相【１９１。Ｐａｓｈｌｅｙ等人首先提出了溶质原子丛聚区，并用来解释双级时效行为，接着Ｄｕｎａ和Ａｌｌｅｎ利用ＤＳＣ证实时效过程中形成了溶质原子丛聚区。最近Ｅｄｗａｒｄｓ等人找到了在７０℃时效的过程中，ｓｉ原子丛聚区、Ｍｇ原子丛聚区、Ｍｇ原子和Ｓｉ原子丛聚区出现的直接证据。６０００系合金中抗拉强度对§”相与Ｂ７相的比率非常敏感【２０】。许多科研人员对６０００系合金时效过程中析出的过渡相的结构和化学成分做了大量的研究，对Ｇ．Ｐ．区的结构和化学成分尚无统一的认识，ＥｄｗａｒｄｓＧ．Ａ认为Ｇ．Ｐ．区、Ｂ’’相、Ｂ’相中Ｍｇ、Ｓｉ原子百分比为１．１ｆ２Ｉ】，而Ｍａｔｓｕｄａ认为Ｇ．Ｐ．区的Ｍｇ、ｓｉ原予百分比为１：１，并且指出Ｇ．Ｐ．区是由多个平面组成，每个平面有一个原子层厚，宽２．５ｎｍ，长度在３０ｎｍ之内，平面内Ｍｇ、Ｓ｛原子桶距Ｏ，４０５ｍ并且交替排列‘２２１。还有人专门研究了含过剩Ｓｉ的Ｍ９２ｓｉ相析出动力学【２３】。
②合金元素对６０００系合金组织和性能的影响
Ｓｉ和Ｍｇ是６０００系合金中最重要的合金元素，它们形成了强化相Ｍ９２Ｓｉ，其平衡重量比为Ｍｇ：ｓ净１．７３。为保持最大的时效强化能力，合金中Ｍｇ、ｓｉ元素含量应符合此关系。据研究阱ｌ，每增加Ｏ．１％Ｍ９２Ｓｉ可使强度峰值增加５ＭＰａ’同时延伸率有少量增加。每增加Ｏ．１％初生硅，强度峰值增加１０－１５ＭＰａ，延伸率下降Ｏ．２５％。另外，ｓｉ能提高铸造和焊接流动性、耐磨性；Ｍｇ提高合金的抗蚀性和可焊性，但Ｍｇ含量过高则会降低Ｍ９２Ｓｉ在Ｑ固溶体中的溶解度。Ｃｕ在～．Ｍ争Ｓｉ合金中的作用在近几年也成为研究的热点哟丑ｍ捌，研究表明，Ａｌ—Ｍｇ—Ｓｉ合金中加入铜，０”相形核更为容易，Ｂ”相密度增加，使合金时效强化能力提高，同时ｃｕＡｌ２和ｃｕＭｇＡｌ２也参与时效硬化作用，使合金的强度更高，但是当ｃｕ含量过高时，则会降低合金的抗蚀性。Ｍｎ和Ｃｒ的加入则会在ＡＩ．Ｍｇ．ｓｉ合金中产生弥散相，抑制合金再结晶和产生弥散强化，使合金的强度提高，性能得到改善，微量的ｃｒ能提高合金抵抗晶间腐蚀的能力眩９ｊ们。虽然国外对ｓｉ、Ｍｇ、ｃｕ对合金的强度影响做了大量的研究，但是综合分析Ｓｉ、Ｍｇ、ｃｕ对合金强度影响程度的大小则未见报道。厅在７０００系合金中能抑制再结晶，提高合金的强塑性，改善合金的横向断裂性能，但是未见有关ｚｒ在Ａｌ—Ｍｇ—ｓｉ基汽车车身板材中作用的报道。
③热处理工艺的影响
４０
重３０
寸蕾加
１０
柏
３（１爨
咭
锝
２０差
１０
图１．１熟处理制度对力学性能的影响
１．固溶淬火态２．自然时效态３．自然时效＋１８０℃，３０ｍ．ｍ４．１５０℃／５ｍｉ“
５．１５０℃，５ｍｉｎ＋自然时效６．】５０℃，５ｍｉｎ＋自然时效＋１８０℃，３０ｍｉｎ
Ａ１．Ｍｇ．Ｓｉ变形铝合盒是热处理可强化合金，合金成型后的热处理制度对产品最终使用
性能有着重要的影响，见图１一ｌ。其中最主要的热处理制度就是固溶时效处理。时效处理是热处理的关键。由于板材在冲压前不可避免地要存放一段时间，研究自然时效对合金性能的影响就十分必要了。自然时效使人工时效后合金的强度、硬度下降。而预时效则能减轻自然时效的有害作用【３１，３２１。固溶后进行预拉伸可充分发挥６０００系车身板的油漆烘烤效应，使其在短时间烘烤达到峰值时效状态。预拉伸一方面产生形变强化，另一方面增加Ｂ”相的密度，产生沉淀强化，预拉伸缩短了达到峰值硬度的时间，硬度值也有所提高。研究表明，６０００系铝合金经５％预拉伸＋自然时效＋人工时效可获得良好的综合性能…】。
④织构对６０００系合金成形性能的影响
钢板的成形性能总的来说优于铝合金的成形性能，这已被成形极限图和其他成形性能实验所证实。这主要是因为Ａ１（ｆｃｃ）和钢（ｂｃｃ）的织构不同。因此可以通过采用合理的方法控制织构来提高铝合金的成形性能。织构影响再结晶板材的塑性各向异性。织构通过影响成形极限图来控制成形行为“““３，但是这些关系并没有完全被秀清楚。一些文章中反复提到，再结晶织构中的Ｇｏｓｓ取向｛０１１）＜１００＞导致差的成形性能呲“３６瑚３。但是，人们对再结晶Ａ１板中的典型立方取向织构｛００１）＜ｌＯＯ＞怎样影响成形性能并无统一意见啪?３５一“。铝合金板材的成形性能主要由ｎ态板材中的再结晶织构所控制。一般来说，为了提高板材的成形性能，应该避免出现太强烈的再结晶织构。科研人员主要通过调整合金成分、加工工艺，热处理工艺来控制板材的再结晶织构”…。一些元素例如Ｆｅ和Ｍｎ能形成粗大的相，这些粗大相能提供非均匀形核位置而诱发成核，弱化再结晶织构、细化晶粒。在５２０一５４０℃固溶处理时，含Ｍｎ的第二相粒子能抑制晶粒长大。但是这些元素的含量过高的话则会降低成形性能，因此它们的含量应该严格控制。在均匀化过程中，不溶的第二相粒子球化，一些溶解相，主要为Ｍ９２ｓｉ，溶解在铝中。均匀化的程度主要取决于退火温度和退火时间，为了让多数Ｍ９２Ｓｉ溶解，均匀化温度应该高于５４０℃。在低温下预热能溶解部分Ｍ９２Ｓｉ“…，所以在以后的热加工中有害的Ｍ９２Ｓｉ沉淀相数量减少，使再结晶织构弱化，提高了板材的成形性能和表面质量。热轧工艺参数例如轧制速度、出口温度控制了热变形过程中储存的能量，热轧后退火能有效的控制板材的织构和表面质量Ｈ０１。固溶处理过程中形成的再结晶织构受沉淀相的影响。大量细小弥
散分布的Ｍ９２ｓｉ质点有利于立方再结晶织构的形成№４２３。而立方再结晶织构一般认为能提高板材的成形性能”…。对于６０００系铝台金，控制整个生产工艺中Ｍ９２ｓｉ相的形状、分布、密度成为获得弱再结晶织构和好的表面性能的主要措施之一。虽然国外文献有Ｍｇ、Ｓｉ对合金织构影响的报道，但是未见有综合分析Ｃｕ、Ｍｇ、ｓｉ、ｚｒ对Ａ卜Ｍｇ—ｓｉ基铝合金成形性能影响的报道。
⑤铝的杂质无害化与材料的回收技术
铝合金材料是可最大限度地回收利用的材料，目前国外的回收率约为８０％，汽车用铝中有６０％来自回收的废铝。预计到回２０１０年回收率可提高到９０％。提高铝回收的效率可使汽车制造商得到更廉价的回收铝供应，并且减少了能耗。废铝再生的能耗不到原铝生产的５９６。铝的杂质无害化与材料的回收技术的开发研究目的在于使再生铝中所含杂质（Ｆｅ等）结晶细化、分散均匀以防止汽车废料再生成低品位的铝，有助于构筑真的循环型社会。新的回收技术，如激光选出法对改进回收过程是个很大的推动“。。
１．３．２国内研究现状
国内对、Ａ卜Ｍｇ—ｓｉ系铝合金汽车车身板材的研究不多，这方面的报道很少。汪明朴”“在６０】Ｏ合金中加入０．２ｗｔ．％的富ｃｅ混合稀土，研究了该合会的时效特性，发现稀土６０１０合金车身板材成性性能和力学性能优于６０ｌＯ铝合金车身板材。郑卅『大学的关绍康Ｈ“”ｊ等人研制开发了一种新型Ａ卜Ｍｇ—ｓｉ—Ｔｉ多元合会汽车车身板材，成分为Ｓｉ０．８—１．２％，Ｃｕ０．４一Ｏ．７％，Ｍ９０．８～１．２％，ＭｎＯ．２—０．５％，ＴｉＯ．卜Ｏ．３％，通过研究发现，预时效和预拉伸可改善合金的性能，Ｔｉ有利于预时效过程中Ｇ．Ｐ．区和§”核心的形成。该成果已于２０００年通过鉴定。
稀土（ｓＣ、ｃｅ）以前主要用作铸造铝合金的变质剂。现在研究稀土对变形铝合金的性能的影响也是一个热点∽４８’４９１。６０００合金中加入适量的稀土，能改善越．Ｍｇ．Ｓｉ系合金的铸态组织。具有变质细化的作用，能有效地缩短砧．Ｍｇ．Ｓｉ系合金的均匀化时间。稀土能提高Ａｌ－Ｍｇ－ｓｉ系合金的热塑性，并使变形抗力降低。稀土的加入能明显改善Ａｌ—Ｍｇ－ｓｉ系合金的表面处理性能。
虽然国内对Ａｌ－Ｍｇ—Ｓｉ基铝合金汽车车身板材在合金成分，热处理制度上做了一些
研究，但是研制的汽车车身板材成形性能仍然赶不上低碳钢板，并且强度偏低，板材的抗变形能力不强。
综合国内外的研究现状可咀发现，目前还没有关于Ｚｒ在Ａ１．Ｍｇ—ｓｉ基铝合会汽车车身板中作用的报道，也没有发现综合分析Ｃｕ、Ｍｇ、ｓｉ、ｚｒ对合金力学性能和成形性能影响程度的报道。
１．３．３目前我国车身用铝合余板存在的问题
铝合金没有在汽车上大规模应用是因为其价格比钢高（约为钢的２倍）和铝板的冲压成型性比钢板差，尺寸精度不易掌握等的缘故。这些问题将随着科技的发展，社会的进步而得以解决。首先，随着冶炼技术和回收技术的进步，铝锭价格不断下降，各国政府和人民对节能、环保的要求以及激烈的市场竞争也迫使汽车厂商降低利润而采用更多的铝合金；其次，针对冲压性能不如钢板的问题可分为两个方面来研究：一是通过材料学的研究合理地优化各合金元素的配比，通过各元素的相互作用来提高合金的性能。二是改进工艺手段，如热处理工艺、轧制工艺、模具设计等来提高它的冲压成形性能。
１．３．４我国汽车车身用铝的研究方向
我国汽车车身用铝合金板材还处于研制、引进、吸收和消化阶段，急需在以下几个方面开展工作：
①通过优化６０００系合金成分，各种加工工艺，尤其是利用我国直接电解的Ａ１．Ｓｉ．Ｔｉ多元合金，制造出具有较好冲压性能的板材。
②系统的研究铝合金板材的成分，显微组织，力学性能与冲压性能之间的关系。
⑨开发使铝钢的焊接性能提商的合金。
④建立汽车车身用铝合金标准，研制适应性更强的汽车车身用铝合金，尤其要把主要力量放在６０００系合金上面。
⑤建立报废汽车的回收系统，开发报废汽车材料的再生利用技术。
⑥开发汽车车身用新型铝合金，如发泡铝、超塑性铝合金等。
中南大学硕十学位论文
１．４本论文的研究内容与分析测试手段
１．４．１本论文的研究内容
ｆ１１合金成分设计；
（２）Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、ｚｒ对合余组织和性能的影响；
（３）固溶温度对合金力学性能的影响；
（４）不同时效制度对合金力学性能的影响；
（５）Ａ１一Ｍｇ－ｓｉ基汽车车身板材的时效强化机制；
（６）综合所有实验，找出合金成分、显微组织、力学性能与冲压性能之间的关系，优化板材成分及热处理制度，研制出成形性能和力学性能较好的汽车车身板材。１．４．２测试分析手段
（１）常温拉伸试验，测定合金的抗拉强度ｏ。，屈服强度ｏｏ２和延伸率６；
（２）冲压性能实验，测板材的塑性应变比（ｒ），硬化指数（ｎ），屈强比（。ｏ２，ｏｓ）；
（３）ｘ射线衍射实验；
（４）ＤＳＣ分析；
（５）测量试样的显微硬度；
（６）电子探针分析；
（７）测试样的电阻；
（８）利用金相显微镜，扫描电镜（ＳＥＭ），能谱分析（ＥＤＳ）和透射电镜（ＴＥＭ）进行微观组织观察。
中南火学硕士学位论文
第二章实验方法
２．１实验方案
本论文采用正交设计法【５０］制备出九种不同成分的Ａｌ—Ｍｇ．ｓｉ基合金，对其采用相同的加工工艺和热处理制度，研究Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｒ对合金组织和性能的影响，优化出合金成分。对成分优化的合金进行熟处理，研究了不同固溶处理制度和不同时效制度对合金组织和性能的影响。
２．１．１合金成分设计
“正交设计法”是处理多因素实验的一种科学的实验方法，它可利用正交表来合理的安排实验，用这种方法只做较少次数的实验便可判断出较优的条件，对实验结果进行简单的统计分析，可以更全面，更系统地掌握实验结果，作出正确判断。在文献综述中已经说明，６１１１合金由于具有最初的成形性能和晟终性能能很好地结合的优点，因此美国的许多汽车生产商把它作为主要的车身板材１１１】。但是６１１ｌ的强度仍比较低，最初的成形性能也需要提高。本实验所研究的合金成分是在参考表１．３中６１１１的成分的基础上设计的。考虑到Ｍ９２Ｓｉ是６０００系合金的主要强化相，Ｍｇ、Ｓｉ含量的变化能引起合金性能的明显变化，所以设计Ｍｇ的含量为Ｏ．９５．１．５５Ｗｔ．％，Ｓｉ的含量为０．７５．１．３５ｗｔ．％，ｃｕ虽然不是主要的强化元素，但是对强度也有重要的影响，因此设计ｃｕ含量的变化大于Ｍｇ、Ｓｉ含量的变化，Ｃｕ含量为Ｏ．４－１．２Ｗｔ，％，而Ｚｒ是作为微量元素加入的，ｚｒ的含量为０．１．Ｏ．３ｗｔ．％。合金牌号和合金名义成分见表２．１ｒ本论文中所有成分均为重量百分比）。
表２．１采用正交设计法所设计的合金成分
＼牌号０１０２０３０４０５０６０７０８０９元素＼
Ｃｕ０．４００．４００，４００．８００．８００．８０１．２０１．２０１．２０ＭｇＯ．９５１．２５１．５５０．９５１．２５１．５５Ｏ．９５１．２５１．５５ＳｉＤ．７５１．０５ｌ＇３５１．０５１．３５Ｏ．７５ｌ－３５０．７５１．０５ＭｎＯ．３５Ｏ．３５Ｏ－３５Ｏ．３５Ｏ．３５Ｏ．３５Ｏ．３５Ｏ．３５０－３５ＺｒＯ．１Ｏ．２Ｏ．３Ｏ．３Ｏ．１Ｏ．２Ｏ．２Ｏ．３Ｏ．１Ｔｉ０．０１０．０１０．０１０．０１０．ＯｌＯ．０１０．０１０．０１Ｏ．０１
中南大学硕十学位论文
２．１．２工艺流程及材料制备原料
论文中试样采用的具体工艺与流程如图２．１。表２．２列出制备合金用原料情况。
图２—１工艺流程图
表２—２制备合金用原料
『Ａｌ
ＭｇＳｉＣｕＭｎＺｒＩ工业纯铝工业纯镁Ａ１．２０％ＳｉＡ１．５０％ＣｕＡｌ—１０％ＭｎＡｌ一３。５％Ｚｒ
２．２合金的制备
２．２．１熔铸及铸锭均匀化处理
合金的熔炼铸造在材料学院“熔铸实验室”进行。熔炼炉采用坩埚电阻炉，熔炼温度为７５０．８００℃，覆盖剂为１号熔剂，除气剂采用六氯乙烷，加料顺序为Ａ１、中间合金、Ｍｇ、Ｈ—Ｂ细化剂。采用铁模铸造，空冷。均匀化处理采用箱式电阻炉，均匀化处理制度为５２０℃，保温１２小时。
２．２．２铣面和轧制
合金轧制实验在材料学院材料厂生产车间完成。为了去除铸锭表面缺陷，铸锭进行铣面。铣面后的锭坯于４２０℃加热，保温３小时，在由３２０ｌＩｌＩｎ二辊热轧机上由２０ｍｍ轧至６ｍｍ厚（中间退火温度为４２０℃，热轧出口温度为４００℃左右，在再结晶温度之上），然后在二辊冷轧机上，冷轨成２ｍｍ左右厚的板材。
２．２．３固溶及时效
固溶处理在箱式电阻炉中进行，淬火水温＜３５℃，转移时间＜２５秒。时效在箱式炉中进行，用ＵＪ３７型携带式直流电位差计校正炉温，热电偶为镍铬．镍铝型（代号为Ｅｕ一２），炉温波动控制±５℃范围内。具体固溶及时效制度见以后各相关章节。
２．３性能测试方法
２．３．１台金力学性能测试
沿轧制方向截取合金的拉伸试样，按照ＧＢ３０７６．８２的要求，在材料学院的ｃｓＳ．４４１００电子万能试验机上进行力学性能测试，拉伸速度为２ｍｍ／ｍｉｎ，测出相回的ｏｅ，ｏｏ２和６．试样尺寸如图２．２所示。
２．３．２显微硬度的测定
沿轧制方向上取样，试样经热处理后，抛掉表面的氧化皮，在ＭＸＴ７０显微硬度测