铝合金在汽车轻量化中的应用

目前的统计数据和预测使用传统钢铁已经变得越来越少，主要是因为，在汽车行业，使用铝的频率越来越高。与钢铁相比，铝合金解决方案，可显著减轻重量，不再仅用于高档车辆，而且也用于中档车辆。另外，越来越多的车辆部件由铝制成。其次，传统钢材已被新型高强度和超高强度钢板取代这种钢材比标准钢材具有更大的重量节省潜力。

1 超高强度钢与超高强度铝合金的比较[1]

超高强度钢在技术标准方面符合汽车行业的需求。这些超高强度钢正在为铝工业建立新的目标。来自6000系列的超高强度铝合金很容易达到400MPa的屈服强度，超高强度钢具有1100MPa的较高屈服强度。但铝合金更轻更能引发主机厂的需求增加。新一代超高强度铝合金成为汽车制造商的超高强度钢真正替代品。7000系列的铝合金主要与锌混合并含有较少量的镁和铜，可硬化且非常坚硬。该系列中最受欢迎的合金7050和7075，已经广泛用于航空和航天领域，例如飞机机翼。汽车行业也开始使用。

铝合金作为特殊材料，用作车辆B柱的加固，例如，由7000铝合金系列制成的部件可以比超高强度钢更容易地集成到铝结构中，超高强度铝合金的加工类似于超高强度钢，在处理超高强度铝合金时遇到一些挑战。与含有镁和硅的6000铝合金系列相比，这些合金更难以形成。在钢铁行业也使用一种方法，即热冲压方法，也称为冲压硬化。在加压硬化期间，通过将金属加热至约500℃来增加材料的强度。然后在冷却成形工具中淬火金属之前进行成形。作为这一过程的结果，这些部件具有高强度和弹性，并且还具有所需的机械性能。

除了加压淬火之外，超高强度铝合金还可以通过固溶热处理和随后的热成形进行加工。在固溶热处理过程中，铝质材料被加热到500°C左右，这样所包含的元素就会移动并均匀地分布在基体中。冷却至室温后，再将金属加热至200-250℃，在烘箱中热成形，然后成型并冷却。

超高强度钢和超高强度铝合金比较的主要标准是所谓的屈服强度。屈服点是描述在发生塑性变形之前可以施加在材料上的最大载荷的参数。铝部件的最终特性取决于之前添加到铝合金中的热处理类型。7075铝合金可以在两种状态下获得，T6和T7。在7075-T6时，达到约500MPa的屈服点，而在7075-T7时约为450MPa。对于铝合金，450-500MPa的屈服点已经是非常高的值。尽管如此，如果我们考虑相同的产品厚度，超高强度钢仍然具有1100MPa的屈服强度，其强度更强。超高强度铝合金的优势在于其密度：约2.7g/cm3，约为7.8g/cm3的钢轻约三分之二。因此，随着厚度的增加，Ultralex等超高强度铝合金的重量减轻了约17%，并且与超高强度钢相比具有相同的强度。

就强度和能量吸收而言，发生碰撞时的特征，两种材料的车辆部件都具有相似性。测量施加应力时断裂后材料样品的长度。超高强度铝合金Ultralex的值是15%，这是超过两倍高于超高强度钢（6%）。低延伸率表明材料是相当脆弱的。车辆部件的断裂伸长率，预计会有一个强度高，一定不能太低也不能太高。

2 激光摆动加工对汽车铝合金的焊接[2]

本文的范围是研究激光焊接的改进，通过光束摆动，向量身定制的毛坯部件进行焊接，开发不同刚度的铝合金部件，广泛用于汽车行业。为此，由两种工业等级制成的片材，即不同厚度的AA-6082 T6和AA-5754 H111制成对接接头和搭接接头。在使用和不使用填充焊丝（AA-5556）的情况下来评估该技术。焊接工艺包括无损检测（NDT）和机械测试。

结果表明，在厚度较小的片材内，对接接头倾向于失效。相反，搭接接头处的剪切试验突出显示了在薄板的热影响区（HAZ）中的破裂模式。值得注意的是，摆动过程通常可以在与优化的焊接参数组合时避免出现孔隙。然而，在搭接接头中总是检测到残余孔隙度，随着熔融区域的大小而变化。

在对接接头中，影响孔隙率的因素是激光源功率和填充焊丝量。增加功率并减少填充焊丝量，导致孔隙率降低。过量的填充焊丝导致熔融浴的较快固化，这阻碍了在焊接过程中产生的气体或金属蒸气的排出。这是因为我们需要使用更多的激光能量来焊接填充物，从而获得高质量的接头线。我们以40J/mm（BW）-45J/mm（B）的热量输入实现了降低孔隙率的最佳焊接参数。在本文研究的参数变化范围内，对于对接接头，摆动变化不影响孔隙度。但是，就质量、生产率和效率而言，对接接头的最佳参数是BW，生产率超过30%，效率比B高出12.5%（表3）。摆动效应对于增加搭接接头强度部分的宽度而不增加穿透深度更为明显。这对于在美学方面具有最佳表面外观非常有用。此外，由于不可能完全排空在激光工艺过程中产生的气体或金属蒸气，因此在搭接接头中残留的孔隙率仍然存在穿透焊接。剪切试验表明，对于相同的焊接条件，机械特征表现出使用填充焊丝的最佳强度。

3 用于汽车应用的5754铝合金类似和不类似的超声波点焊[3]

铝（Al）合金越来越多地用于交通运输业，由于它们的高强度重量比，可以减轻车辆的重量。这些应用不可避免地涉及汽车5754铝合金的相似和不相似的连接，制造多材料车身结构和部件。超声波点焊（USW）是一种新兴且有前途的固态连接技术，可适用于连接铝合金。在这项研究中，5754铝合金在类似的（Al5754-Al5754）和不同的（Al5754-ZEK100镁合金，Al5754-HSLA钢）配置下以不同程度的焊接能量进行焊接。据观察，USW对界面微观结构具有强烈的影响，通过类似焊接动态重结晶在焊接界面处存在细晶粒，而在不相似的焊接中形成界面扩散层。拉伸搭接剪切强度随着焊接能量的增加而增加，达到最佳值，随着焊接能量的进一步增加而下降。不同的Al5754-ZEK100和Al5754-HSLA钢节点的强度分别是相似Al-Al节点的55%和88%。不同的Al5754-HSLA钢接头表现出最长的疲劳寿命，这是由于应力集中减少以及由于钎焊效应引起的附加强化在熔核边缘挤出Al-Zn共晶组织。

高功率USW用于在类似（Al5754-Al5754）和不类似（Al5754-ZEK100镁合金，Al5754-HSLA钢）配置中以不同水平的焊接能量连接5754铝合金。USW对界面微观结构具有显着影响，在类似的焊接中通过动态再结晶在焊接界面处形成细晶粒。在Al-Mg异种合金中形成的含有Al12Mg17相的界面扩散层随着焊接能量的增加而增加。Al-HSLA钢接头的界面扩散层主要由Al-Zn共晶组织和一些Fe2Al5和FeAl3相组成，随着焊接能量的增加，Al-Zn共晶体的挤压使其厚度减小。首先拉伸搭接剪切强度增加，达到最大值，然后随着所有焊接接头中焊接能量的增加而下降。通过USW，在ZEK100-Al5754异种接头中约有78%的ZEK100-ZEK100接头强度和约55%的Al5754-Al5754接头强度。不同的Al5754-ZEK100和Al5754-HSLA钢焊接接头的强度分别是相似的Al5754-Al5754焊接接头的55%和88%。不同的Al5754-HSLA钢焊接接头在所有循环载荷水平下显示出最长的疲劳寿命，这是由于应力集中减少以及挤压出的Al-Zn共晶体在熔核边缘处的钎焊效应引起的附加强化。

本研究中使用的材料是由美国通用汽车公司供应的1.5mm厚的5754-O铝合金片，Magnesium International和加拿大滑铁卢大学由Magnesium Elektron提供的2.0mm厚的ZEK100-OMg合金片，以及由ArcelorMittal Dofasco提供的1.2毫米厚的热浸镀锌HSLA钢。焊接采用2.5 kW双楔形Sonobond MH2016 HP USW系统以20 kHz的能量模式运行，8 mm×5 mm的扁平锯齿焊接头具有九个平行以确保在焊接过程中良好地抓住片材。在焊接之前，使用120号砂纸稍微研磨片材的表面，然后用丙酮清洁，然后用酒精超声波清洁以去除润滑剂和碎屑。

4 碳纤维增强塑料，铝合金和汽车发动机盖用合金钢的冲击试验有限元分析比较[4]

本文介绍了在发生碰撞时使用有限元分析（FEA）需要应用的最佳材料的重要性，以便使发动机盖坚固并且安全。汽车发动机盖强度的增加可以使得汽车司机更加安全。

使用SolidWorks仿真软件模拟汽车发动机盖的冲击测试。通过撞击汽车发动机盖，有4种不同力（870N，1370N，1870N和2370N），采用了3种不同的汽车发动机盖材料（Al6061T6（SS），AISI1045和CFRP-夹层复合材料）。

Solidworks软件的功能是快速而精确地设计模型。SolidWorks设计是基于已经选择的模型或组件定义的3D模型。这种方法是用于机械工程仿真的常用数值方法。通过使用有限元分析（FEA），它可以解决数学上困难和耗时的操作。通过使用有限元方法可以解决的工程和数学物理中感兴趣的典型问题领域包括结构分析，传热，流体流动，质量传输和电磁势。

从静态分析中，应力和位移分析通过使用有限元分析进行数值研究。它还能够使用SolidWorks仿真软件模拟汽车发动机盖的冲击测试。汽车发动机盖的三种不同材料Al6061 T6（SS），AISI 1045钢和CFRP夹层复合材料通过撞击汽车发动机盖的四种不同力量进行了检查。已经选择了870N，1370N，1870N和2370N的力进行冲击测试。此外，成功比较了在最大应力和最大位移方面使用不同材料的模拟结果。与钢AISI 1045和Al 6061-T6（SS）相比，CFRP-夹层复合材料具有更高的最大位移值。从这个结果可以预测CFRP-夹层复合材料在材料性能方面具有高度的灵活性。因此，从结果来看，CFRP-夹层复合材料和钢AISI 1045几乎具有相同的应力值。结果表明，与Al 6061-T6（SS）相比，这两种材料都具有高屈服强度性能。

5 铸造汽车铝合金在大规模屈服条件下的疲劳裂纹扩展[5]

在250℃下进行疲劳裂纹扩展试验，以研究汽车工业在高温下用于汽缸盖应用的材料，大规模屈服条件下的疲劳裂纹扩展。所研究的材料是由Lost Foam Casting（消失模铸造）生产的铸造铝合金AlSi7Cu3Mg（接近于A319）。研究了两种不同的微观结构：一种含有大的孔隙，另一种孔隙已通过热等静压（HIP）去除。已经通过原位表面光学显微镜测量了不同加载条件下的疲劳裂纹增长率（FCGR），所有这些都导致了广义的塑性，并评估毛孔对FCGR的影响。与原位观察结果显示，样品表面和大块中的孔隙和大的硬质颗粒都与裂纹相互作用。FCGR在10-6米和10-4米/周之间似乎主要对应用的应变幅度敏感。尽管孔隙促进了裂纹萌生和裂纹聚结，但它们对稳态FCGR的影响似乎有限，对稳态FCGR使用能量密度进行了分析模拟。

这项研究工作的主要结论如下：

·裂缝路径由孔隙全局驱动，局部由多孔材料的硬质颗粒驱动。

在无孔材料中，裂纹路径仅由裂纹/颗粒相互作用驱动。

·位于大硬质颗粒（大于≈100μm）上的裂纹萌生和裂纹聚结。

·在大规模屈服的情况下，测量两种材料的裂纹增长率的较大值：10-6米/周期和10-4米/周期之间。

·由于裂纹/微观结构的相互作用，实验裂纹增长率呈现相对较大的散射。

·“稳态”疲劳裂纹扩展速率似乎对所施加的应变幅度最敏感。

6 针对汽车轻量化的先进铝合金开发和现场运行服务测试[6]

轻量化已经使得许多汽车系统中铝合金的使用增加，包括动力总成，白车身和悬架。这些应用的新合金的适用性服务认证通常需要开发新的测试方法，以便在测试长期材料响应的同时，使测试组件的实际温度和负载条件受到影响。由于车辆的典型使用寿命超过3000小时，新的测试方法必须在更实际的时间范围内，清楚地表明材料适合于应用。使用中子衍射对蠕变行为进行的原位研究，可以很快发现在运行条件下各个结晶面对施加载荷的响应，从而产生关于目标元件预期寿命的关键信息。这些知识有助于确定合金的化学成分和加工条件，从而使制造部件能够在车辆的预期使用寿命中保持热机械载荷。两种基于Al-Si和Al-Cu系统的先进铝合金是这项研究的重点。

本研究旨在通过应用原位中子衍射分析来研究铸造铝合金206的蠕变行为。研究的主要重点在200-250℃的高温范围内优化了合金的性能，并确定了该合金中的蠕变机理。结果不是只解释206铸造合金的蠕变响应，但它们也有助于理解200系列合金的蠕变行为。本研究获得的蠕变数据也与Al-Si合金的蠕变数据进行了比较。目前的研究可以成为新型工业合金和应用中适用性服务认证的原型，这些合金和应用需要在高温下提高强度和抗蠕变性。

蠕变试验样品由含有4.5wt%Cu，0.3wt%Mn，0.25wt%Mg和0.22wt%Ti的T7热处理的铝合金206加工而成，由ECK工业公司提供。在加载到测试温度之前，机加工的样品在200,225和250℃的目标温度下在空气中稳定至少200小时。样品的纵轴平行于散射矢量定位，所以应变的测量与所选择的{111}，{311}，{200}，{220}和{222}晶面的晶体学反射的拉应力平行。

1.206 合金的蠕变行为对施加的应力水平高度敏感。本研究记录的三个应力指数（n）水平分别为低，中和高，表明有三种不同的蠕变机制。

2.活化能的结果表明，206合金的蠕变速率可能受位错核心扩散控制，在80-110 kJ/mol或横向滑移310 kJ/mol。

3.（200）平面在所有施加的应力和温度下显示晶格应变的最低量，这可能是由于平行于[200]方向的主动位错运动。

4.在本研究中测试的206合金与含有Zr，Ti和V的弥散相添加的Al-Si合金之间，在250℃观察到{111}应变水平的显着差异。热激活位错滑动在减少贡献中起作用-对于Al-Cu合金，在225和250℃下{111}和{220}面的强度降低，而对于Al-Si合金，所有研究的hkl平面几乎同等地支持施加载荷直至过渡到第三次蠕变。

5.尽管{111}和{200}的贡献减少，其他（如{311}，{220}和{222}）的承载能力足以证明总体显著的蠕变在测试条件下的206合金的抗性。

7 钎焊对钎焊力学性能影响的研究一汽车换热器用铝合金[7]

汽车热交换器的质量在车辆性能中起着关键作用，因为它们确保了发动机的完整性，并且在发生故障时可能导致严重的机械难题。从制造的角度来看，换热器结构在控制热交换器各种损坏模式方面的一般行为会成为无可置疑的挑战（工艺装配、设计等的影响）。特别是通过采用不同的合金类型材料衍变，钎焊操作参数和部件设计勇敢面对和解决这些挑战。这就要求不断需要控制使用条件，并了解钎焊合金机制，为制造汽车换热器提供最佳解决方案。

通过模拟钎焊以及钎焊后合金的机械性能，来进行实验研究。在本研究中使用具有不同组份和冶金条件的铝合金，以理解钎焊对机械性能的影响。所进行的实验和结果显示了钎焊后机械性能的降低。但有趣的是，所研究的再钎焊合金的机械性能与第一次钎焊循环非常相似。

在车辆中，由于燃料的燃烧或部件之间的各种摩擦，发动机缸体的温度升高是不可避免的。如果监管不力，后者很快就会成为严重损害的来源。相反，温度过低会影响发动机的性能并导致过早磨损。如此使用也会导致部件寿命的急剧下降。因此需要良好的温度调节，并且需要使用各种热交换器。

然而，不管考虑哪种类型的交换器，总体结构保持不变。只有构件铝合金的设计，构件几何形状和成分根据期望的热容量，热交换的性质以及交换器在发动机部件中的位置而变化。因此，取决于实用性和期望的热控制，存在不同的类型能力。对于绝大多数车辆，发动机中的各种换热器如下：

·冷却散热器

·加热散热器

·充入空气冷却器

·冷凝器

·蒸发器

在这项工作中，为了研究钎焊冷却散热器所用材料的机械性能，首先必须精确表征。在这些结果的基础上，可以通过损伤机制分析裂纹萌生和扩展的阶段。本章介绍所研究材料的结构，化学性质和制造以及测试样品的制备。在简要描述了机械测试和表征技术之后，描述了监测损伤机制的方法。

热交换器的钎焊需要使用镀覆材料，一方面包括填充金属，另一方面包括芯合金。可以添加额外的“夹层”层以在腐蚀方面起到牺牲作用。以下部分介绍了本工作中使用的材料的一般特性以及制造和钎焊方法。

简要介绍了本研究主题的结构。它们全部由相同的芯合金类型组成，3XXX在钎焊之前的厚度范围在0.2和0.4mm之间。它们不同于其在空气侧包层和冷却剂侧包层上的电镀。

用于制造散热器的标准材料是对称的，由4045个电镀层组成，每个电镀层占总量的10%厚度。

另一个由相似的层组成，并且是对称的。但是，在两侧总厚度不超过4045的情况下，内部包层或冷却液侧镀覆的总厚度为7072的10%，而7072包层是为了提高合金的耐腐蚀性而添加的。它增加了锌，提高了腐蚀性能。

这些多层结构是通过不同轧制的方法获得的。为了获得厚度和机械性能，同时考虑材料的完整性，轧制过程可以分为三个不同的阶段：

阶段1：在第一阶段，合金被加热以使其达到轧制温度并释放残余应力。然后在第二步中，将包层和芯材夹在中间并热轧至所需的最终厚度。

阶段2：不同的钢锭通过点焊进行组装，根据所需的结构，然后热轧成最终厚度。

阶段3：在这个阶段，通过冷轧减少厚度以获得期望的厚度值。然后将材料剪切成所需的宽度并缠绕成线圈。

最后，进行热处理以恢复材料的机械性能并达到所需的冶金状态。这种状态允许在冷却散热器管的情况下进行理想的成形。该过程适用于研究并经过简单滚动过程的材料。

没有形成实际的铜焊接头。所有的样本都没有与任何金属接触，也没有形成钎焊接头，因为它们不属于本研究的一部分。

钎焊-测试样品不经过任何钎焊条件直接进行测试。

钎焊后-测试样品通过无钎焊条件。

再钎焊后-测试样品通过无钎焊条件

形成任何钎焊接头，在室温下放置3个小时，再次通过钎焊而不形成任何钎焊接头的条件。之前已经提到钎焊过程具有非常强烈的影响微观结构以及表面状况。需要进行类似于Nocolok焊剂钎焊的热处理，以获得代表钎焊交换器管材料的微观结构和机械性能。

本程序适用于测试样品以研究机械性能，下面将对其进行介绍并进行总结。

样品材料从卷纸上切下。材料的取样是通过大约21英寸的长方形切片中的剪切器完成的。将样品装载到样品测试装置。该设备被设计成一次容纳5个这样的样本。带有样本的测试样本装置通过炉子进行模拟。

样品的热脱脂是通过在250℃下热处理实现的。进行钎焊之前的干燥步骤以除去施加流体时的任何痕迹。作为喷洒在两侧的焊剂的下一步应用，达到5g/m 2。钎焊样品连接到数据记录器，以验证每组样品运行的温度时间曲线。

拉力测试是在法雷奥冶金实验室的MTSAlliance RT/50机器上进行的，该机器配备了30kN的力传感器和激光引伸计。在每次测试之前，精确测量每个样品的厚度和宽度。这些措施重复三次并取平均值来计算每个标本的初始截面。在夹具上，对试件施加1MPa的预加载荷，并通过伸长率系统控制以0.0025s-1的应变速率进行试验。

本研究是在施加约束的幅度单轴加载的简单情况下进行的。结果表明，钎焊后的塑性变形开始发生在比钎焊前低的多的应力水平。由于与钎焊材料相比，再钎焊材料的屈服强度相似或没有显着变化，显然对材料的塑性和弹性没有太大影响。不管在所有情况下材料的组成和试验材料的厚度是不同的，所研究的性能的趋势没有任何显着的影响。材料样品的杨氏模量表明，当我们继续钎焊并重新钎焊时，杨氏模量下降。为了更好地代表运行中散热器管子上的应力，特别是在热冲击期间，最好在施加的变形中设置测试。

8 汽车底盘车身应用的新型7xxx铝合金的可铸造性和机械性能[8]

新开发的Mg 7xxx铝合金，含少量Zn（0.1%）和Ti（0.2%），具有良好的机械性能和良好的铸造性，适用于汽车结构件的近净形铸造。（除非另有说明，所有含量均以重量%表示）元素含量作为潜在候选物进行研究。研究了脆弱温度区间和晶粒细化对热撕裂敏感性（HTS）的影响，以防止热撕裂。Al-6Zn-（1.3-1.5）Mg-0.1Zr-（0.1-0.2）Ti合金的极限拉伸强度（370-390 MPa）为140-150%，伸长率为150-180%（10-12%），中厚壁流动性为60-80%，与商业A356合金的各自性能相比，具有相当好的薄壁流动性。中厚壁流动性取决于所研究合金凝固时的放热量，而薄壁流动性取决于熔融状态下合金的表面能。当Ti含量增加时，观察到中厚壁流动性的凹形变化和薄壁流动性的单调增加。就热撕裂而言，添加Ti导致HTS降低，最终达到零。通过添加3%的Si，可以防止热撕裂；然而，同时，发现伸长率降低至小于4%。由于结合添加0.2%的Ti和0.1%的Zr而导致的晶粒尺寸减小和形态变化导致可铸性的改善，这是由于晶体相干性的延迟，凝固时间的缩短和时间周期的缩短以及含Fe金属间化合物的抑制和T相结晶。

对于开发具有良好机械性能和良好铸造性能的铝合金，研究人员已经研究了新开发的不含Cu的中等 Mg 7xxx Al-6Zn-（1.0-2.3）Mg-0.1Zr-（0-0.2）Ti合金。从结果中得出以下结论：

1.尽管没有Cu和低含量的Mg，但Al-6Zn-（1.3-1.5）Mg-0.1Zr-0.1Ti合金显示出优异的极限拉伸强度（370-390MPa或140-150%，与A356相比）与商用A356合金相比，伸长率为12%（A356的伸长率的150-180%）。

2.与商业A356合金相比，Al-6Zn-1.3Mg-0.1Zr-（0.1-0.2）Ti合金的中厚壁流动性略差（相当于A356的60-80%）和相当的薄壁流动性（70-是A356的100%）。

3.实验合金的中厚壁和薄壁流动性的整体水平分别由凝固时释放的热量和表面能量确定。

4.随着Ti含量的增加，由于a-Al晶体相关性根据铸造壁的不同行为而在所开发的合金中观察到中厚壁流动性的凹形变化和薄壁流动性的单调增加厚度。

5.添加3%Si而不是0.3%Mg通过减少脆弱的温度间隔来防止热裂纹的形成，但是将延伸率降低到4%以下。

6.当Ti含量增加到0.2%时，HTS降低，甚至当冷冻范围较宽且Mg组成和Mg：Zn比率低时，最终也不会形成热裂纹。

7.通过0.2%Ti和0.1%Zr的微合金化，晶粒的尺寸减小和形态变化延迟了晶体的相干性，缩短了凝固时间和脆弱的时间周期，并且抑制了含金属间化合物和T相的结晶，导致防止热撕裂和改善的流动性。

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