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我國7×××系高強鋁合金及其研究進展

來源:鋁高端制造      發布日期: 2023年06月25日
信息摘要:鋁合金具有輕質高強、耐腐蝕、低溫韌性好、易于擠壓成型、輕盈美觀等優點,已成為制造交通運輸工具(航空航天飛行器、汽車、船舶等)和輕工建材(幕墻、門窗、護欄等)的主要材料。

鋁合金具有輕質高強、耐腐蝕、低溫韌性好、易于擠壓成型、輕盈美觀等優點,已成為制造交通運輸工具(航空航天飛行器、汽車、船舶等)和輕工建材(幕墻、門窗、護欄等)的主要材料。隨著冶煉技術的成熟和擠壓成型設備噸位的提升,鋁合金的力學性能得以改善,逐漸作為建筑物和構筑物的主體材料被廣泛應用。歐美發達我國20世紀40年代開始將鋁合金材料應用于建筑結構中;雖然我國關于鋁合金結構的研究與應用起步較晚,但近二十年來隨著我國經濟的穩步快速發展,鋁合金結構在工程體量、規模和設計水平上已接近甚至趕超歐美等發達我國[1-2]。

目前,6×××系鋁合金(6061-T6、6082-T6等)已較為廣泛地應用于大跨空間、橋梁、電力塔架等結構中,如圖1所示。尤其是近年的鋁合金空間結構,因其造型豐富美觀、空間使用率高、模塊化制造、一體化施工等獨特魅力而受到廣大建筑師和結構工程師的青睞。

6×××系鋁合金的強度普遍偏低,熱處理后的名義屈服強度(f0.2)一般小于350MPa。由于6×××系鋁合金在土木工程領域應用過程中會遇到因材料強度偏低而導致構件尺寸偏大、設計目標不易滿足等技術問題,7×××系高強鋁合金逐漸得到了學術界和工程界的關注。本文從7×××系高強鋁合金的工程應用、材料力學性能、構件穩定性能和焊接性能等方面介紹我國高強鋁合金的研究進展,總結高強鋁合金現階段研究存在的不足。

1 高強鋁合金材料及其工程應用

1.1 高強鋁合金材料

根據名義屈服強度一般將鋁合金分為普通強度(≤300MPa)、中強(300~400MPa)、高強(400~600MPa)和(>600MPa)鋁合金。通常也將名義屈服強度大于400MPa的鋁合金統稱為高強鋁合金。土木工程領域一般涉及的7×××系含鋅高強鋁合金,如7075-T6和7A04-T6,其f0.2一般大于450MPa。美國于1943年成功開發出7075高強鋁合金,并第一次將其應用于B-29型轟炸機中,顯著提高了該飛機的承載性能。蘇聯于1948年開發出與7075高強鋁合金類似的B95高強鋁合金。我國自20世紀60年代開始研發高強鋁合金,相繼開發了Al-Zn-Mg-Cu系(7×××系)高強鋁合金,如與7075高強鋁合金相似的7A04(原LC4)和7A09(原LC9)高強鋁合金等。目前7×××系高強鋁合金主要用于航天器以及軍工產品的結構構件中;近年來,電力輸電塔架結構也開始采用7×××系高強鋁合金。

1.2 高強鋁合金的工程應用

7×××系高強鋁合金在以下工程應用中具有競爭優勢:

1)大跨空間網格結構。此類結構中構件截面尺寸偏大,用鋁量偏大,經濟效益不顯著,且大截面構件受制于擠壓成型設備的噸位。目前國內很大噸位的擠壓成型設備可擠壓出高度為550mm的箱形構件,并被應用于南京牛首山佛頂宮項目中[7](圖2)。但現有的擠壓制造加工技術難以滿足部分工程需要更大截面構件的要求,而高強鋁合金則可以較好地解決此問題。

2)受力較大且重要的節點。對此類節點可以采用普通強度鋁合金與碳鋼構件混合連接的措施來達到強節點的設計目標[2](圖3)?;旌瞎濣c存在異種金屬材料防腐處理困難、變形量不協調(鋁合金彈性模量僅為鋼材彈性模量的1/3)等突出問題。若采用高強鋁合金則可避免由于混合節點帶來的一系列受力和后期運維問題。

3)大跨度橋梁、復雜格構式塔架等結構。高強鋁合金可以顯著減小結構中構件截面尺寸,降低結構質量,提高運輸、施工裝配效率,使結構輕盈美觀。

4)救災篷房。高強鋁合金具有輕質高強、便于攜帶組裝的優點,適用于可以在災后短時間內快速建成的篷房,在保障人民生命和財產安全方面具有重要意義。

5)電力搶修塔結構。高強鋁合金構件的輕便性、耐腐蝕性使其成為電力搶修塔結構材料的比較好選擇。

6)海島建筑、能源和通訊設施結構。海島和海上氣候濕潤多變,風荷載大,普通強度鋁合金無法滿足建設要求,而高強鋁合金則由于輕質高強、抗腐蝕、耐疲勞可以很好地滿足建設要求。

7)國防工程。近年來,我國國防工業迅猛發展,對新材料的要求越來越高,特別是在很多工程領域均有對輕質高強、耐腐蝕、無磁和易拆卸等新型材料的需求。高強鋁合金是滿足這一需求的理想結構材料,在自行式臨時軍用橋梁、炮彈發射架、移動導彈發射設備、軍用棧道中的應用優勢巨大。

8)海上風電工程。海洋是我國戰略新興產業的重點領域,為應對全球氣候變化和發展清潔能源,歐美等地區較早地研究開發了海上風電技術,如半潛式海上風電平臺(圖4a)),目前正處于大規模應用前夕。我國海上風電正處于近海規?;?、深海試點化的關鍵階段。然而目前適用于遠海、深海的半潛式浮式風電平臺存在以下問題:① 鋼結構浮式風電平臺質量大,體積龐大,建造安裝費用高(圖4b));② 鋼結構浮式風電平臺防腐性能差,無法長期承受高溫、高濕、高鹽霧和海水等復雜海洋環境對其的侵蝕,防腐涂裝和運維費用高(圖4c))。高強鋁合金的部分甚至全部替代可以較好地解決此類問題。

2 高強鋁合金的研究進展

目前國內外學者已對7×××系高強鋁合金構件材料的基本力學性能進行了較為充分的研究,但有關其構件穩定性能的研究尚處于初步階段,尤其缺乏關于不同截面高強鋁合金構件軸壓、偏壓、抗彎整體和局部穩定承載性能的研究?;跀嚢枘Σ梁附舆B接的鋁合金結構受力性能的相關研究也很大缺乏,尚沒有成熟的計算理論和設計方法可預測焊接板件和構件的承載性能。下文將重點介紹清華大學金屬結構課題組(以下簡稱課題組)對高強鋁合金的系列研究。

2.1 高強鋁合金材料力學性能

國內不少鋁合金材料標準都給出了7075-T6和7A04-T6高強鋁合金的室溫下縱向拉伸力學性能,如表1和表2所示。鋁合金結構標準中僅上海市地方標準《鋁合金格構結構技術標準》(DG/TJ 08-95—2020)[8]規定了7075-T6高強鋁合金的力學指標下限值。兩類高強鋁合金的名義屈服強度均大于400MPa。

2011年,張偉等[12]7A04-T6鋁合金的靜力本構關系進行了試驗研究。2015年,ZHANG等[13]進行了7075-T6高強鋁合金材料在室溫下的準靜態、中應變率和高應變率動態力學性能試驗,給出了Johnson-Cook本構方程。2016年,陳志華等[14-15]7075-T73高強鋁合金開展了單次和反復受火后力學性能試驗和理論研究,擬合了單次和反復受火后7075-T73高強鋁合金的力學性能計算公式。2017年,SENTHIL等[16]通過7075-T6高強鋁合金的標準和缺口圓棒試驗研究了其在不同應力狀態、應變速率和溫度下的塑性流動和斷裂行為,為高強鋁合金在極端環境狀況下的結構性能提供了技術依據。2020年,李進軍等[17]通過單調拉伸試驗研究了7A04-T6鋁合金的力學性能和單調本構模型。

課題組[18-23]2014年起開展了一系列7075-T6和7A04-T6高強鋁合金材料基本力學性能和構件承載力性能的研究。2016年,課題組[18-19]7A04-T6高強鋁合金拉伸試件進行了單調和循環加載試驗研究,如圖5所示。研究表明:單調拉伸試件的破壞比較突然,破壞前沒有明顯頸縮現象;試件在循環荷載下出現了典型的循環硬化現象,并確定了試件在循環荷載下的循環強化參數,為計算高強鋁合金結構在地震作用下的響應提供了重要基礎與依據。同年,課題組在開展3種L形截面柱軸壓試驗研究時[20-23],進行了相應試件的單調拉伸試驗(表3)。

2021年,為了進一步研究工字形、箱形和圓形截面的7A04-T6和7075-T6高強鋁合金構件的受彎、軸壓和壓彎性能,課題組開展了一批試件的單調拉伸性能試驗研究,其典型應力-應變曲線如圖6所示,關鍵力學指標如表3所示。

現行我國標準《鋁合金結構設計規范》(GB 50429—2007)[24]沒有給出7075-T6和7A04-T6高強鋁合金材料的相關規定。為了推動高強鋁合金在結構工程中的應用,課題組參與了《鋁合金結構技術標準》(GB 50429,修訂稿)的相關工作,負責對7A04-T6高強鋁合金材料的設計指標給出建議。

3匯總了現有研究中關于7A04-T6高強鋁合金的材料力學性能。除文獻[17]的試件取自于圓管試件外,其余所有試件均取自于L形和箱形試件,試件均為擠壓型材,名義厚度包括3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm和24mm,基本涵蓋了實際工程常用板厚。去除表3中名義屈服強度f0.2和抗拉強度fu的很大值和小值,f0.2fu的平均值分別為533.3MPa和596.1MPa,明顯大于表2中現行我國標準規定的下限值,其變異系數分別為0.038和0.036,表明試驗數據的離散性較小。據此可以得到具有95%保證率的名義屈服強度和抗拉強度標準值,分別為499.8MPa和561.1MPa;考慮到鋁合金材性試驗統計的數據有限,為安全起見,取鋁合金結構構件的抗力分項系數為1.2[24],則其名義屈服強度和抗拉強度設計值分別為416.5MPa和467.6MPa。因此,建議用于構件計算的常溫下7A04-T6高強鋁合金的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值f,抗剪強度設計值fv和極限抗拉、抗壓和抗彎強度設計值fu,d分別為410MPa、235MPa和465MPa。

2.2 高強鋁合金構件軸壓整體穩定性能

2020年,李振宇等[25]開展了12根7A04-T6高強鋁合金圓管構件的軸壓整體穩定性能試驗研究和數值分析。試件的截面尺寸包括70mm×5mm和75mm×5mm(D×t),其中D為圓管外徑,t為圓管壁厚;長細比范圍為70~100。試件均發生了整體失穩破壞。

為了研究高強鋁合金構件軸壓整體穩定性能,2016年,課題組[20-23]先后對42根小截面和18根大截面的7A04-T6高強鋁合金L形截面柱進行了軸壓整體穩定性能試驗和理論研究。小截面尺寸為L110mm×8mm和L90mm×8mm,大截面尺寸為L200mm×24mm;小截面和大截面試件的長細比范圍分別為15~100和30~100。試件的破壞模式包括整體彎曲失穩、彎扭失穩和局部失穩(圖7a));分析了不同長細比對構件承載性能的影響;基于試驗和數值參數分析提出了L形截面柱軸壓承載力計算公式,解決了依據現行我國標準《鋁合金結構設計規范》(GB 50429—2007)[24]得到的計算結果偏于保守的問題,為工程設計以及鋁合金標準的修訂與編制提供了技術支持。

2021年,課題組完成了30根7A04-T6高強鋁合金箱形截面柱和11根圓形截面柱的軸壓整體穩定性能試驗,試件截面尺寸為S80mm×80mm×5mm、S120mm×120mm×10mm、R100mm×70mm×8mm、R100mm×50mm×6mm、R60mm×30mm×3mm、C165mm×7.5mm和C165mm×15mm,長細比范圍為15~90。試驗時典型試件的照片如圖7b)、c)所示,試件發生了整體彎曲失穩和局部-整體相關失穩。

2.3 高強鋁合金構件軸壓局部穩定性能

鑒于有關7×××系高強鋁合金軸壓構件局部穩定性能的研究幾乎為空白,因此課題組完成了系列構件的軸壓局部穩定性能試驗,包括7根7075-T6高強鋁合金工字形截面短柱(圖8a))、15根7A04-T6高強鋁合金箱形截面短柱(圖8b))和5根7A04-T6高強鋁合金圓形截面短柱(圖8c))。其中工字形截面短柱的軸向荷載-軸向位移曲線如圖8a)所示,曲線上的點表示試件發生局部屈曲,試件編號中的H表示工字形,后面的數字依次表示翼緣寬厚比和腹板寬厚比。試驗結果表明:構件的局部幾何初始缺陷很小,屬于高精級構件;翼緣(腹板)寬厚比越大,極限應力與材料屈服強度的比值越小,對材料強度的利用越不充分。

2.4 高強鋁合金構件受彎性能

為了研究7A04-T6高強鋁合金構件的受彎承載力、失效模式、變形和轉動能力,評估現行規范中受彎承載力計算方法的適用性并為后續的數值和理論分析奠定基礎,課題組完成了16根7A04-T6高強鋁合金箱形構件的三點受彎(圖9a))和16根相應試件的四點受彎試驗(圖9b)),試件的截面尺寸與軸壓試件的截面尺寸相同。其中箱形截面試件(100mm×70mm×8mm)強軸和弱軸的三點受彎的跨中彎矩-端部轉角曲線如圖9a)所示,試件編號中的W和S分別表示弱軸和強軸,A和B表示兩個相同的試件。試驗結果表明:試件的跨中彎矩達到了全截面塑性抗彎承載力,撓度為L/20左右,其中L為試件的計算長度。

2.5 高強鋁合金構件壓彎性能

實際結構工程中的角柱和邊柱常處于壓彎復合受力狀態,受力機理不同于軸壓和純彎受力狀態下的受力機理。為了研究高強鋁合金構件的壓彎承載性能,課題組正在進行7A04-T6高強鋁合金構件的壓彎性能試驗,包括20根箱形截面試件和8根圓形截面試件,偏心距為截面高度的0.25倍,試件截面尺寸與軸壓構件的截面尺寸相同,長細比范圍為45~90,試驗時典型試件的照片如圖10所示,試件均發生了整體彎曲失穩。

2.6 高強鋁合金構件焊接性能

對于鋁合金結構,傳統焊接工藝主要為熔化極惰性氣體(metal inert gas,MIG)保護焊和鎢極惰性氣體(tungsten inert gas,TIG)保護焊。但由于鋁合金具有熔點低、導熱和熱膨脹系數大、表面易形成氧化膜等特點,熔化焊接性能較差[24]。攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是英國焊接研究所提出的一種高效、低耗、低成本的新型固相連接技術[26]。FSW主要利用高速運轉的攪拌頭與焊件之間發生劇烈摩擦產生大量的熱量,使達到塑性狀態后的待焊板件發生塑性流動而連接在一起;與熔化焊接技術相比,FSW具有較明顯的技術、成本和環保優勢[26]。FSW的攪拌頭構造和焊接流程如圖11所示。

雖然FSW已被較為廣泛地應用于航空、汽車、船舶、高鐵等領域,眾多學者也對這些領域中常用的2×××系和5×××系鋁合金焊接結構展開了較為充分的研究,但針對適用于土木工程領域T6狀態的6×××系和7×××系攪拌摩擦焊接鋁合金的研究較為有限?,F有研究主要集中在確定攪拌頭形狀和幾何參數的條件下,重點考察旋轉速度、焊接速度、軸肩下壓量等工藝參數對焊接接頭微觀組織、裂紋擴展、顯微硬度和靜載強度的影響。針對T6狀態的7075和7A04高強鋁合金的攪拌摩擦焊接頭性能的研究較少,主要研究結果如表4所示。T6狀態的7075和7A04高強鋁合金接頭的焊接熱影響區的強度為母材強度的0.78~0.95倍和0.80~0.85倍,體現了攪拌摩擦焊技術用于結

3 結論與展望

1)大跨度空間網格結構、大跨橋梁、復雜格構式塔架結構中采用高強鋁合金構件,可以減小構件截面尺寸,便于節點設計,并可解決大截面構件受制于擠壓設備噸位和混合節點防腐不易處理等技術難題。

2)高強鋁合金對常年處于腐蝕性環境下的重要結構承重構件、海港構筑物、海上風電平臺以及偏遠地區電力搶修塔、國防工程、自然災害或突發性公共衛生事件發生時需臨時搶建的建筑物來說,都是理想的結構材料。

3)有關高強鋁合金的研究主要集中于材料力學性能方面,對于其構件穩定性能的研究尚處于初步階段;清華大學金屬結構課題組開展了系列高強鋁合金材料力學性能,構件軸壓、偏壓、抗彎整體穩定以及局部穩定承載性能試驗研究,以期推動高強鋁合金的工程應用。

4)相比于傳統熔化焊,攪拌摩擦焊具有較明顯的技術、成本和環保優勢,能夠較好地解決實際工程應用中需要通過焊接方式形成大截面或特殊截面構件的問題。

本文轉載于鋁高 端制造


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