1、对乘用车每减重1 0，可节油6 一8，排放降低4 L 1,2 j，轻量化的实施可以通过优化设计、合理选材以及先进的工艺技术实施。铝合金是重要的轻量化材料，其比重为2 7 8g c m 3（仅为钢的1 3），典型的铝质零件一次减重效果可达3 0 一4 0，二次减重则可进一步提高到5 0【2 1；目前铝合金应用有铸件、挤压材、锻件和变形板材等。1 9 9 5-2 0 0 0 年，铝合金在汽车上的应用增长了8 0 L 3J。铝合金具有高的强重比，如要达到A A 5 1 2 8 同样的强重比，钢的抗拉强度应达7 5 0M P a；在汽车中，采用铝零件所节省的能量是生产该零件所用原铝生产耗能的6 1 2
2、倍HJ。2 0 0 6 年欧、美、日等国家和地区的小汽车平均用铝量已经达到1 2 7k g 辆；欧洲铝协预测，2 0 1 5年前，欧洲小汽车用铝量将增至3 0 0k g 辆H 1。应用铝合金可以降低排放，轿车中每使用1k g 铝，可使轿车使用寿命期内减少2 0k g 尾气排放。此外，铝合金还是绿色环保材料，可循环回收，对铝合金汽车零件全寿命周期的能耗和C O：排放的评估表明：铝合金是很有发展前景的绿色汽车制造材料。2 0 0 9 年的欧洲车身会议资料上报导，一些典型车型应用变形铝合金已达2 5 3 0 蛞。采用铝合金板材制作发动机罩盖就可以明显减少二次碰撞对行人的伤害，有利于汽车碰撞对行人保护
3、的法规的实施。文章将对汽车用变形铝合金性能及应用进行系统论述，并提出铝合金汽车板迸一步的研发方向。2 铝合金汽车板的力学性能2 1准静态应变速率下的铝合金汽车板材力学性能目前铝合金汽车板主要有两个系列：6 0 0 0 系和5 0 0 0 系，其典型牌号的合金成分列于表l。两个系列典型牌号的铝合金板材设计概念基本成分和性能特点列于表2【5 1；其典型牌号的准静态应变速率下的力学性列于表3，7J。【收稿日期】2 0 1 0 2 2 3【基金项目】国家。八六三”项目（2 0 0 7 A A 0 3 2 5 5 1）【作者简介】马鸣图（1 9 4 2 一）男，河南兰考县人，中国汽车工程研究院研究员级高
4、级工程师，研究方相为汽车材料的研究与开发、双相钢、徼合金钢等；E m a l l：m i n g t u m a 1 2 6 0 1）m4 中国工程科学万方数据裹16 0 0 0 系和5 0 0 0 系铝合金汽车板材的主要成分T a b l elM a i nc o m p o s i t i o no fa u t o m o b i l es h e e tf o r5 0a n d6 0 s e r i e s合金主要成分牌号S iF ec uM nM g1 61 O 一1 5 0 5 0 0 2 0 O 2 0O 2 5 一O 6 06 0 2 2O 8 1 5O I）5 一O 2 0
5、O O l 一0 1 0 1）0 2 一O 1 1）0 4 5 一O 7 06 l l lO 7 一1 1 0 4 00 5 0 0 9 0 0 1 5 0 4 50 5 0 一1 O5 0 2 2 0 2 5 0 4 00 2 0 0 5 0 O 1 03 5 0 4 95 0 2 3 0 2 5 O 4 00 2 0 0 5 0 0 1 05 0 6 25 1 8 2 0 2 0 0 3 5 0 1 00 2 0 0 5 04 5 5 0裹2T a b l e 26 0 0 0 系和5 0 0 0 系的基本成分和特点B a s i cc o m p o s i t i o na n db
6、e h a v i o ro f5 0 0 0a n d6 0 0 0s e r i e s表36 0 0 0 系和5 0 0 0 系铝板典型牌号的力学性能T a M e3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft y p i c a lt r a d e m a r kf o r6 0 0 0a n d5 0 0 0s e r i e s铝合金汽车板的流变曲线拉伸断裂后的试样及其和软钢的对比见图1 引。从图1 可以看出：铝合金汽车板的均匀延伸率和总延伸率均低于软钢，特别是均匀延伸和缩颈延伸均远低于软钢。圈1 铝合金和钢的拉伸曲线F i g 1T e
7、n s i o nc o r v e so fa l u m i n u m 枷o ya n ds t e e ls h e e t s2 2 高应变速率下的铝合金板材的力学性能材料的高应变速率下的响应特性对于冲压模拟，尤其是所制汽车构件的碰撞模拟是很重要的力学参量。铝合金的高应变速率的本构特性亦是电磁成形时应考虑的一个参量，这时应变速率已高达35 0 08 1 1 8 ，从而可以获得比A A 5 7 5 4 和A A 6 1 1 1 成形极限图上的极限应变更高的成形参量【9 1；这种结果与电磁成形时工具和板材的交互作用，塑性的模具稳定性以及材料的应变速率敏感性有关。因此已有一系列工作来研究铝
8、合金汽车板材的应变速率敏感性。通常认为，铝合金的应变速率敏感性是低的。然而，许多研究表明：室温下当应变速率高于l 1 0 38 一时，A l 或铝合金的应变速率敏感性增加，纯A l 的室温下的应变速率敏感性是适中的，流变应力和应变速率的对数呈线性关系，在应变速率高于l1 0 3S。1 时，应变速率敏感性增加 10 1 1 。然而，随着合金量增加或加工工艺的变化（如热处理和冷加工）都会降低室温下的应变速率的敏感性【lo 1 2 B 1，合金A A 6 0 6 1 在峰值时效状态下有类似的结果，当A A 6 0 6 1 合金在过时效状态，应变速率高于l 1 0 3s。1 时，其应变速率敏感性有增加
9、 14 I。在A A 6 0 8 2，A A 7 1 0 8【t 3 和A A 7 0 7 5 1 列合金中也观察到类似的趋势。将不同M n 含量（1 8 一8 4）的高纯度mM g 合金的挤压材，加工成哑铃状试样，进行1 1 0 一一2 1 0 3s。1 应变速率下的拉伸试验，结果表2 0 1 0 年第1 2 卷第9 期5万方数据明：在应变速率高于l 1 0 2S。1 时，塑性应变为0 2 的屈服强度随M n 含量增加而增加，但在应变速率低于1 1 0 2s 一时，这种关系不明显；而且各种应变速率下的应力应变曲线形状无明显变化引。在应变速率为l 1 0 s 一和速率I 1 0 1s 一之间纯
10、灿的最大流变应力随应变速率增加而增加，而A l M g 合金则随应变速率增加而下降。但在应变速率超过1 1 0 1s。1 时，除A 1 8 M g 合金之外，全部A lM g 合金的最大流变应力均随应变增加而增加。对A A 5 1 8 2 的热轧板的不同应变速率下的流应力进行了检验，结果表明，在应变小于5 时，流变应力随应变速率增加而增加；当变形继续增加，在应变速率在l 1 0 s 一和l 1 0 3s 1 时，最大流变应力随应变速率增加而降低，当应变速率高于1X1 0 3s。时，则最大流变应力随速率增加又开始上升，而总延伸率则随应变速率增加而增加；在应变速率达到2X1 0 3s。1 时，总延
11、伸率高于4 0，而在应变速率为l 1 0 2s。1 时，大约为3 0 1 7,1 S 。对A A 5 4 5 4 的正火态和H 3 4 状态的应变速率敏感性试验表明：应变速率对这两个状态的A A 5 4 5 4 的屈服强度影响很小，但使总延伸率明显上升1 l。这种延伸率增长与缩颈后出现的变形有关，是由延性失效机理的时间相关性所引起的。文献【8 1 研究了A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 板材在准静态（Q S 一3 3 1 0 8 1）和应变速率为l，1 0 0，6 0 0，15 0 0s 叫的拉伸性能，材料的板原为1 6m m，沿轧制方向取样，数据用J o h s o n c
12、o o k 方程处理。A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 是非热处理的加工硬化A l M g合金，主要用于车身结构件和内板，合金成份列于表4。合金中的第二相为富F e 相和富M n 相，未变形的A A 5 1 8 2 比A A 5 7 5 4 中含有更高的第二相，且粒子尺寸更大。A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 中第二相的百分数分别为0 6 0 和0 9 8。普通力学性能试验在电流伺服试验机上进行，而高速拉伸在T S H B（拉伸H o p n i n s o n 杆）上完成。在进行拉伸试验时，标距长将明显影响总延伸值，对铝合金变速拉伸变形时，这点影响更为明显。试
13、样选用标距部分1 2 5m m 1 7 5m m 哑铃试样，不同应变速率下的真应力和对数应变的试验曲线见图2，图中Q S 的应变速率为3 3 l0 s。从图2（a）可以看出：在较高的应变速率下，与准静态的应变速率下（Q s）的流变应力相比有一定的增长，但在6 0 0s。1 和15 0 0s。1 的应变速率下，流6 中国工程科学变应力几乎在同一水平，这与文献，1 3 1 中的结果类同；但A A 5 1 8 2 在所试验的应变速率范围内，流变应力对应变速率是不敏感的，硬化速率几乎没有变化，见图2（b）。表4 试验的A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 的合金成份T a b l e 4C
14、 o m p o s i t i o no fA A 5 7 5 4a n dA A 5 1 8 2s e r i e s 枷o yu s e di nt h et e s t i n g合金合金成份牌号M gM nF eS iZ nC uC rT i5 7 5 43 20 20 30 0 6一一一0 0 15 1 8 24 50 3 50 2 7O 0 80 0 50 0 5 0 0 30 1重雹域星R翻憾（a）A A 5 7 5 4A A 5 1 8 2图2 应变速率对流变应力的影响F i g 2E f f e c to fs t r a i nr a t eo nt h ef l o w
15、s t r e s s在应变速率为15 0 0s，试验温度（2 3，5 0，1 5 0，3 0 0o C）对流变应力的影响见图3。由图3 可以看出，在这一应变速率下，两个合金的应力应变特性随温度的变化表现有类似趋势，即从室温到1 5 0o C之间流变应力有轻微的下降，但在3 0 0，两个合金的流变应力有明显的下降，即温度升高，硬化速率下降，导致流变应力较低。变形过程中应变对试验温度的影响可以作为一个绝热热过程来处理，实验材料的温度升高是由于塑性变形引起，塑性功部分转化为热量，其温升可由式（1）计算：万方数据A n 卢高卜峨（1）式（1）中，芦为总的塑性功转向为热的部分，试验得出口的平均值为0
16、9 5【l 郫；r 为由于塑性变形引起的温度增长量；C p 为试验材料的热容；p 为材料密度；盯为单轴拉伸流变应力；占。为轴向的塑性应变，而积分表示全部塑性功。利用式（1）计算的A A 5 7 5 4 室温变形时的温升大约为2 6 5，而对于A A 5 1 8 2 为3 1，这样的温升对试验结果和趋势影响不大。星R毯憾星-R翅憾对效应变（a）A A 5 7 5 4C o）A A 5 1 8 2图3 在15 0 0s“的应变速率下。初始温度对流变应力的影响F i g 3E f f e c to fi n i t i a lt e m p e r a t u r eo nt h ef l o ws
17、 t r e s su n d e rt h es t r a i nr a t e15 0 0S 一1总伸长由断裂后的试样直接测定。两种板材的延伸率和应变速率的关系有类似趋势，见表5，即当应变速率增加时，总伸长率也明显增加，而A A 5 7 5 4比A A 5 1 8 2 的延伸率随应变速率增长更加明显。在恒定的应变速率15 0 0s。下，延伸率和温度的关系列于表6。表6 中数据表明，在试验温度1 5 0 以下，两个合金的延伸率没有明显变化，然而，当试验温度为3 0 0 时，延伸率明显下降。应变、应变速率和温度对V o n，M i s e s 流变应力的影响，通常用J o h n s o n
18、 c o o k 经验本构模型模拟，2 l】，并可表示为：矿=【A+日占=1】【l+C l n e】【l r“】（2）式（2）中占，I 为有效塑性应变；占+=占矗“，占为尺度塑性应变率或者是被参考塑性应变率嘞归一化的塑性应变率；T 是由下列方程所给定的均质温度表达式：T=（r 一氇）（一如）；A，B，c，厅，r n 是拟合给定材料数据求得的常数。式（2）第一项表示了在给定应变速率下的材料加工硬化特性，第二和第三项分别表达到应变速率和温度的敏感性；应用非线性回归程序用式（2）拟合试验数据，求得式（2）中的各常数列于表7。表5 两种铝合金板材的延伸率和应变速率的关系T a b l e5T h er
19、 e l a t i o no re l o n g a t i o nf o rt w oa l u m i n u m枷o ys h e e t s 稍ms t r a i nr a t e表6 两种铝合金板材的延伸率和温度的关系T a b l e 6T h er e l a t i o no fe l o n g a t i o nf o rt w oa l u m i n u ma l l o ys h e e t sw i t ht e s t i n gt e m p e r a t u r e注：应变速率为15 0 08-1表7A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 的
20、J o h n s o n c o o k 方程中的参数T a b l e7P a r a m e t e i si nJ o h n s o n-c o o ke q u a t i o nf o rA A 5 7 5 4a n dA A$1 8 2光学和S E M 观察表明：A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 在拉伸变形时的失效模式为延性剪切失效，其缩颈量和损伤量随应变速率而增加，损伤是孔洞在第二相上的萌生长大和粗化过程的结果，在临近断口表面2 0 1 0 年第1 2 卷第9 期7万方数据的部位其塑性应变和水静压力是最高的，对断口表面韧窝内的粒子检测表明：孔洞是由于第二相粒子
21、的断裂或第二相粒子和基体交界面的脱聚而形成；能谱检测表明：第二相粒子是富F e 和M n 的金属间化物相。应变速率对A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 的缩颈断口形貌和孔洞的影响见图4，高应变速率使断口附近的空洞率明显上升。图4 不同应变速率下的A A 5 7 5 4 和A A 5 1 8 2 的断口附近的夹杂物和空洞的比较F i g 4I n c l u s i o na n dd s l l 嗍ei nt h en e a rt e n s i o nf r a c t u r eo fA A 5 7 5 4a n dA A 5 1 8 2u n d e rv a r i o
22、 u ss t a i nr a t e已经表明8 1：回归拟合参数计算的曲线和试验结果具有良好的一致性。3 汽车用铝合金板材的成形性板材的成形性是指为生产一个满意的最终产品，在冲压过程中钢板承受形状变化的能力。其成形性可以通过成形性试验进行评价，成形性试验可以分为有几何约束的成形性试验和无几何约束的成形性试验陋】。在钢铁材料中，为评价各类板材的成形性已有大量试验结果旧1，但铝合金板材的成形性试验结果的报导还较少。3 1 单轴拉伸下的铝合金汽车板的成形参量单轴拉伸试验是评价材料成形性的最常用的试验，为提高板材的成形性，希望板材具有较低的屈强比，较高的加工硬化速率、均匀延伸率以及n 值（应变硬化
23、指数）和r 值（塑性应变比）；5 0 0 0 系和6 0 0 0系合金的单轴拉伸下典型的成形参量见表8。可以看出：铝合金汽车板在同样强度下和钢铁材料相比，其均匀延伸率、r 值均低于后者，但n 值仍然较高，并具有较高的F L D；因此，铝合金仍具有一定的成形性，可以冲压成汽车的外覆盖件。3 2铝合金汽车板的成形极限曲线成形极限曲线是表征材料在多种应力状态下的成形性的一种表征m 1；或者是汽车板材基本处于平面应力条件下，塑性失稳或断裂的最大主应变与次主应变的函数关系曲线。测量F L C 曲线的方法是圆顶冲头延展试验陋埘省，几种铝合金和软钢的成形极限曲线对比见图5”J，其铝合金板材相应的性能见表3
24、和表8。表85 0 0 0 系和6 0 0 0 系铝板典型牌号的成形性T a b l e 8F o r m a b i H t yo f 鲫c a lt r a d e m a r kf o r5 0 0 0a n d6 0 0 0s e r i e s：H o l l o m o n 方程：o r=b 8；冷弯垂直于轧向d=O，1 8 0 0 不裂；F L D o 为工程应变文献E 2 6 曾研究了不同牌号铝合金板材的软5 0 5 2 的lm m 厚的铝板，处理工艺和性能列于表9，化态和硬化态的成形极限图。所用材料为3 0 0 4 及其相应的成形极限图见图6。8 中国工程科学万方数据图5 铝
25、合金板材和软钢的F L C 曲线对比F i g 5T h ec o m p a r i n go fF L Cf o ra l u m i n u ma l l o ys h e e tw i t hF L Cf o rs o f ts t e e ls h e e t表93 0 0 4 及5 0 5 2 的板材处理工艺和性能T a b l e9T r e a t m e n tp r o c e s s i n ga n dp r o p e r t i e sf o r 3 0 0 4a n d5 惦2舻-（t i m a）2；H m 一杯突高度；a 一模子半径从图6 可以看出：不论3 系
26、或者5 系的铝合金，硬化状态的成形性均逊于软化状态的成形性，文献还研究了不同应变路径对铝合金板材成形性的影响，采用的路径见图7；图8 示出了3 0 0 4 0 状态和5 0 5 2 0 状态的板材经应变路径I 变形之后的成形极限图的对比；可以看出，经等双轴拉伸变形随之单轴拉伸变形的试样和单一的应变路径相比，可以提高靠近平面应变变形区的极限应变；而第二个应变路径试验结果表明：在单轴拉伸变形之后随之双轴拉伸变形的试样和单一应变路径相比，可以提高从双轴拉伸到单面应变变形区的极限应变。3 3 汽车铝合金板的深拉延与延展性能许多汽车零件经冲压成形，并具有较杂的几何锹毯+H1 O0 8制0 6翅+H0 4
27、0 2（a）5 0 5 2o，7纱哺。形状。在冲压时，成形零件同时承受延展和深拉延变形的综合，而表征这种成形性的试验为延展和深拉延实验。通常软钢汽车板由于具有高的n 值（0 2 0 0 2 8）、高的r 值（1 5 2 4），且总延伸率大于4 0，因此具有高的深冲和延展成形性汹3；而铝合金的r 值通常在0 7 0 8，总延伸率只有2 0 3 0，因此研究铝合金深冲成形性，对汽车用铝合金开发和应用具有特殊意义。J a i n 等田研究了汽车铝合金板的深拉延和延展成形性，所用的实验装置见图9。应变路径l应变路径Q 一旷一夕o o图7 两种应变路径的对比F i g 7E x p e r i m e
28、n t a lp r o c e d u r e sf o rt h et w ot y p e so ft w o-s t a g es t r a i np a t h s2 0 1 0 年第1 2 卷第9 期9万方数据锹倒+H制翅+H图83 0 0 4 和5 0 5 2 的应变路径l 下的成形极限曲线F i g 8F L C3 0 0 4a n d5 0 5 2d e t e r m i n e df o rs t r a i np a t i dD c舢模具尺寸D dD。D cf墨R d1 4 9 8 61 5 3 8 31 4 9 9 91 7 7 81 9 21 21 2。9，6，
29、3D d-D p 冲头直径；D c 一压边直径；墨厂模子截面半径；墨冲头截面半径：p 一间隙（D d。D p）2图9 深冲和延展成形的试验装置F i g 9G e o m e t r i cp a r a m e t e r so fC U Pt l 爆缸试验用材料为：A A 5 7 5 4 0 和A A 6 1 1 1 一T 4，合金的单轴拉伸下的性能列于表1 0。A A 5 7 5 4 含有3 M g 产生固溶强化，并产生高的应变硬化速率。A A 6 1 1 1 是沉淀强化的A 1 一M g S i C u 合金。经铸轧后，最后冷轧至1 5 5m l n。经5 3 0o C 的温度固溶，保
30、温时间足以使M g，C u，S i 固溶，经快速淬火和几个星期的自然时效，检测单轴拉伸性能列于表1 l；为使摩擦系数恒定，在板材两边加上0 1 2 7m m的T e f l o n 塑料薄膜。试验时通过特定的断裂时的极1 0 中国工程科学限载荷而估算极限拉延比L D R（极限拉延高度与试样直径之比）。表1 0 给出了不同直径试样的冲头位移和冲头直径的关系。对于两个材料，当板坯直径达到一定值后，在深拉延时的断裂之前的载荷极限和板坯的直径无关，利用这一极限载荷的概念，就可以确定L D R；从图l O 也可看出：板坯直径越大，则达到极限载荷的冲头位移量越小。利用这一极限载荷的概念，用3 5 个试样可
31、以快速确定板材的L D R 值。利用这种方法确定的不同模子剖面半径下的所得的A A 5 7 5 4 0 和A A 6 11 lT 4 的L D R 试验值列于表1 1。表1 0A _ A 5 7 5 4 0 A A 6 1 1 1 一T 4 合金单轴拉伸下的性能和成形性参量T a b l e1 0U n i a x i a lt e n s i l ep r o p e r t i e sa n dt e s i kf o r m a b i l i t yp a r a m e t e r so fA A 5 7 5 4-0a n dA A 6 1 1 1 一I 4表U 不同模子剖面半径下的A A 5 7 5 4 一O 和A A 6 1 U T 4 的L D R 试验值T a b l e1 1F e p e r i m e n t a lL D Rv a l u e sf o rA A 5 7 5 4 0a n dA A 6 1 1 1 一T 4可以看出，在同样的R d 值下，A A 5 7 5 4 0 的L D R 值高于A 6 1 1 l T 4，这一区别与两种材料的加工硬化、冷弯
