激光模拟耦合锻造铝合金机械特性研究

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1、激光模拟耦合锻造铝合金机械特性研究第1章绪论1.1选题的目的及意义在现代化的工业发展的需求中，能源问题成为了一个日渐尖锐的全球问题，如何降低汽车的自重和减少车辆的油耗问题一直以来都是各大汽车的生产商追逐的目标，也是提高自身竞争力的关键所在。根据相关的数据表明，如果汽车的重量每减少50kg，那么每升燃油行驶的距离会增加2km；如果汽车重量每减轻1％，那么燃油消耗下降大约为0.6％～1％[1]。铝是一种被广泛使用的轻金属，它具有密度小，耐腐蚀性强，塑性高等优点，铝合金填补了铝强度低的劣势，因此，铝合金在

2、铸、锻、冲压工艺均有广泛的适用性，而且非常适合汽车零部件生产的压铸工艺。在现代的汽车制造业中，不论是从汽车的生产成本、零部件的质量、包括材料的利用方面，铝合金都成为了不可或缺的重要材料，由于现在汽车工业正向着轻量化以及环保节能的方向发展，如果采用铝合金取代传统的钢架结构，汽车的质量将会减轻至少30%至40%，同时汽车的发动机也将减轻30%，目前，美国、德国和日本是在汽车材料上使用铝合金最多的国家，高达80%。另外，铝合金在地壳中的含量也较为丰富，用化学元素的分布的角度，各元素的含量按照从多到少的顺序

3、为：氧、硅、铝、铁、钙，可以看到，铝是地壳中排在首位的金属元素，其含量可观，随着金属材料领域的逐渐拓展，铝及其合金的应用会更加广泛，在工业中将创造更多的价值，发挥越来越不可取代的实际作用。上个世纪60年代开始，7000系铝合金进入了一个较快的发展时期，成为了当时最为广泛的应用于各个领域的铝合金代表。随着铝合金的不断发展，研究发现6000系铝合金比7000系铝合金具有更优异的机械性能，Al-Mg-Si系（6000系列）与Al-Zn-Mg系（7000系列）相比，具有更高的强度，同时在自然时效方面也发挥着

4、更重要的作用，6000系铝合金是建立在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基础上，完全取消了Cu稍许降低了强度的劣势，进而成为了优良的可热处理性和可焊性的优良合金。正是由于此类合金具有高的强度、可焊性高等特点，在汽车业中得到了广泛的应用。6000系铝合金有许多优良的特质，例如强度高，成型性好、耐高温和耐腐蚀性强等特点，尽管7000系铝合金可以达到比较理想的力学性能，但是与6000系铝合金相比，却有较差的疲劳强度。而且与2000系铝合金相比较来看，6000系铝合金表现出良好的抗腐蚀性。同时，通过增加少量的合

5、金元素可以达到细化6000系铝合金的晶粒的目的，来进一步改变晶粒的再结晶状态，进而可以改进诸多的铝合金的热处理工艺，来提升铝合金的机械性能。对目前来说，板材仍然是材料中研究和应用的核心话题，并且板材的应用在轿车的制造业中的比例也不断的攀升，经过热处理（T4、T6、T8）的6000系铝合金，更是能够较好的符合制作汽车壳体的要求，因此，常常被用作制作车身材料。例如，AudiA8的车身设计材料即采用了6000系铝合金，在制作的过程中，需要具有较高的铝合金纯度和加工技术，并且在保证连续生产的条件下，生产过程

6、中的热处理能耗很大，因此，如何节省加工的铝合金材料的成本，开发出具有优良机械性能的铝合金材料仍是现在需要关注的热点问题[2]。仿生耦合制备技术是一种改良材料和优化材料的一种有效的手段，所谓耦合就是把两种体系通过相互作用联系起来，铝合金激光仿生耦合技术就是利用激光与铝合金表面的相互作用使铝合金表面快速熔凝，来模拟自然界中生物的非光滑表面，进而来达到优化材料性能的目的。本论文主要研究6082变形铝合金在经过激光的处理后，形成了规则排布的仿生耦合非光滑表面，通过变换不同的激光参数，来制作出不同的耦合形态和

7、单元体的分布方式，研究不同的激光参数下的仿生耦合铝合金的基体、单元体以及热影响区的显微组织变化，研究单元体的长度、深度、硬度随激光参数的变化规律，从而来进一步地探讨仿生耦合处理后的铝合金的机械性能的变化。第2章材料制备与试验方法2.1试验材料试样的激光仿生耦合试样在课题组自主研发的2+2维激光仿生制备系统(见图2.2)上进行。从三个不同的方面来制作仿生耦合单元体试样：第一方面，制备不同激光加工参数（包括不同的激光电流、脉宽、频率和激光扫描速度）的拉伸试样；第二方面，制备具有不同单元体形态的（桩钉状、

8、堤坝状、网格状)试样；第三方面，制备不同单元体分布密度的纵向堤坝试样。生物体表是多种多样的，存在着许多不同的耦合因素，生物体表的多样性为我们提供了不同形状、尺寸以及分布规律的单元体[57]。例如：蚂蚁头部存在凹坑状的仿生表面，而蜣螂头部却是凸包状的，蝗虫的鞘翅是波纹状的，穿山甲和一些深海鱼类的鳞片呈现出规律的网格型，植物的叶片和深海的贝壳会出现更为规律的排列，它们是条状或多种形状的共同镶嵌的结果。生物体表的非光滑单元体的尺寸大小可以存在从几十微米到几十毫米的范围，例如