铝合金的低温机械性能评估

２００９年第２期总第１６８期

低温

工

程

Ｎｏ．２Ｓｕｍ

２００９Ｎｏ．１６８

ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ

铝合金的低温机械性能评估

任

彦孙金菊

西安７１００４９）

（西安交通大学能源与动力工程学院

摘要：基于多方面的数据资料，分析阐述了铝合金低温下机械性能的变化规律：随着温度的降

低，铝合金屈服强度和抗拉强度有所增加，塑性和韧性有所提高，疲劳特性得到改善。评估了ＬＤ５铝合金低温下的机械性能，以及发生冷脆现象的可能性。研究表明：当ＬＤ５铝合金用于７７Ｋ以上低温环境时，若构件最大应力小于ＬＤ５室温下的屈服强度，则构件的低温机械性能可以得到保证。

关键词：ＬＤ５

铝舍金低温冷脆机械性能

文章编号：１０００－６５１６（２００９）０２－００５６－０５

中图分类号：ＴＢ６４

文献标识码：Ａ

Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒａｌｕｍｉｎｕｍ

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１

引

发生低温冷脆转变。脆性断裂经常是突然发生，迅速

言

扩展，会造成灾难性重大事故。缺乏专门的低温金属材料知识和性能数据，将会造成选材和设计不当，在低温装备运行中将引发失效事故。

铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密封性好、感应放射能衰减快等特性，因此越来越广泛的应用于低温领域。近几十年来，国内外虽然已经积累了大量的铝合金低温

低温设备在航空、航天、超导技术以及民用工业中得到日益广泛的应用，确保这些设备的安全运行至关重要。其中低温金属材料的选取和设计是重要的环节之一。

低温金属材料机械性能与常温状态下相比有较大的差别，某些金属材料延性和韧度会急剧降低，即

收稿日期：２００８．１２．１７；修订日期：２００９－０２．２７

基金项目：国家８６３计划（课题编号２００７ＡＡ０５２２０２）支持。作者简介：任彦，男，２３岁．硕士研究生。

万方数据　

第２期

铝合金的低温机械性能评估

５７

机械性能研究资料，但针对ＬＤ５铝合金低温性能研究的实验数据公开报道少，也只有少数国家拥有与中国ＬＤ５相对应的铝合金，如俄罗斯的ＡＫ６…、美国的２０３１¨。等，这使得材料应用人员选材时感到无据可依。

本文参考了大量分散的数据资料，通过综合分析，阐述了铝合金低温下机械性能的变化规律（包括低温下屈服强度、抗拉强度、韧性、疲劳强度的变化等）。初步评估了ＬＤ５铝合金低温下的机械性能，以及发生冷脆现象的可能性。就面心立方晶格结构（Ｆａｃｅ．ｃｅｎｔｅｒｅｄ

ＣｕｂｉｃＬａｔ．

ｒｉｃｅ）的铝合金而言，大都具有良好的低温机械性能一１。但是金属脆性转变是异常复杂的现象，诸多因素都可能导致脆性转变，包括低温应用环境、应力集中、以及载荷变化情况等。只有综合考虑这些因素的影响，才能较科学地判断铝合金是否会发生冷脆转变。

机械性能主要包括机械强度、塑性和韧性。对机械强度的考察需要考虑抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、弹性模量和泊松比的变化，而对塑性和韧性的考察需要考虑延伸率、断面收缩率、冲击韧性和断裂韧性等。

弹性模量和泊松比

在工程机械应力的计算上，弹性模量和泊松比是

不可缺少的参量。图１中，随着温度降低，铝合金弹Ｋ时比室温增加了１６％左铝合金泊松比随温度的下降有所降低，但是相对于弹性模量来说，其变化十分微小，在工程应力计算中可认为其泊松比基本不变。

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图１铝台金在各种温度下的杨氏弹性模■与室温下的比值‘‘１

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方数据２．２屈服强度和抗拉强度

金属在低温下的机械强度一般都比常温下大。金属由于温度降低而发生脆性断裂，是因为其屈服强度比抗拉强度随温度降低增加得更多”１，所以这些材料在低温下达到其屈服点之前就可能断裂了。而对于铝合金这样的面心立方晶格结构（Ｆａｃｅ．ｃｅｎｔｅｒｅｄ

Ｃｕｂｉｃ

Ｌａｔｔｉｃｅ）的合金，如表１所示，随温度降低，抗拉

强度的增加要比屈服强度的增加大的多，直至２０

Ｋ

抗拉强度才停止增加Ｈ。。因此，在２０Ｋ以上低温范围内，铝合金不会因为屈服强度高于抗拉强度，导致由韧性状态向脆性状态的转变¨一。

表１

铝合金在不同温度下的屈服

强度和抗拉强度‘７１

Ｔａｂｌｅ１

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ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

２．３延伸率和断面收缩率

材料是否存在冷脆现象，还应从塑性方面考虑。考察塑性有两大指标，即延伸率和断面收缩率。大部分铝合金（除了Ａｌ—ｚｎ系的某些高强铝合金）的延伸率随温度的降低而升高，在２０Ｋ一７７Ｋ附近达到最

２铝合金的低温机械性能

２．１

性模量比值增加，在２０右Ｈ’，这个增加比例和铝合金的成分几乎没有关系。

５８

低温工程

２００９正

大值…。断面收缩率随着温度的降低缓慢下降，可知铝合金在低温时仍保留其延性。图２为一些铝合金的延伸率和断面收缩率随温度的变化。因此，在

７７

Ｋ以上的低温范围内，大部分铝合金的塑性都随

着温度降低而提高或者保持在室温下的水平。

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图２铝合金的延伸率和断面收缩率随温度的变化…

Ｆｉｇ．２

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ｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ

２．４缺口敏感性

缺口的存在会促使材料脆化，韧性一脆性转变温度升高。因此低温下工作的构件，如开有各种缺口（如键槽，圆角过渡等），会增加低温脆性的危险性。

常用缺口试样的抗拉强度盯：与光滑试样抗拉强度

盯。（或屈服强度盯。：）之比作为评定材料的塑性或在应力集中区内材料对载荷重新分布能力的标准。图３是一些铝合金缺口敏感性与温度的关系，数据来源于前苏联的铝合金实验。大部分铝合金的缺口敏感

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性在低温下都是不高的（二上≥１．０）＂１。ＡＫ８Ｔ１型合

Ｏ＂ｏ

２

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金在所研究的整个温度范围内保持（二Ｌ＞１．２），即

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２

所有实验温度下缺口试样的强度均高于同样温度下的屈服强度，由此证实其缺口塑性得到了保持。

２．５

冲击韧性

缺口冲击韧性实验综合考察了低温、应力集中及形变速度３大因素对材料脆化的影响。由冲击韧性实验的结果来看，若温度的降低导致材料的冲击韧性值急剧下降并引起了脆性破坏，则认为材料发生了冷脆转变。如图４所示，铝合金的冲击功随温度降低先有所上升，降低到某一温度后达到最大值，再随温度的降低，逐渐下降。因此，从冲击韧性随温度降低的变化规律考虑，在７０Ｋ以上的低温范围内，铝合金不会发生冷脆转变。

万　

方数据图３铝合金的缺口敏感性与温度的关系一１

１．Ｂ９５ＴＩ型合金；２．ＡＫ８ＴＩ型合金；３．０１２０１Ｔ１Ｈ合金；４．ＡＭｒ５型合金，冷作１／４并经过稳定化；５．ＡＭｒ４型合金，冷作Ｌ／２并经过稳定化；６．ＡＭｒ４型合金，焊接金属；７．ＡＭｒ５Ｍ型合金；８．ＡＭｒ３型台金。

Ｆｉｇ．３

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图４工业纯铝和铝合金冲击吸收功与温度的关系‘‘１

Ｆｉｇ．４

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２．６断裂韧性

在传统的强度设计方法中，往往不考虑构件中的缺陷对强度的影响，但时常会发生低应力脆断事件。断裂力学不再把材料当作毫无缺陷的连续均匀介质，而是从构件存在宏观裂纹出发，利用线弹性机械和弹塑性机械的分析方法，把构件的裂纹大小和工作应力以及材料抵抗断裂的能力（断裂韧性）定量地联系起来。大部分铝合金的断裂韧性在７７Ｋ以上的低温范围内是随温度的降低而增大的¨０｜，并常常在７７Ｋ附近呈现较宽的最大值。表２中，除了Ａ１．ｚｎ系的高强铝合金（７０７５一Ｉ＂７３５１），所有铝合金在７７Ｋ处的断

裂韧性都比２９７Ｋ时增大了。因此，从断裂韧性随温

度降低的变化规律来看，在７７Ｋ以上的低温范围内，铝合金也不会发生冷脆转变。

第２期

铝合金的低温机械性能评估

５９

表２铝合金在不同温度下的断裂韧性‘７】

Ｔａｂｌｅ２

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ａｌｌｏｙｓ

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ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

２．７

疲劳强度

疲劳断裂时往往都不产生明显的塑性变形，而是

突然发生的，具有很大的危险性。因此研究铝合金低温疲劳特性十分重要。铝合金的疲劳强度随温度的降低而提高，在７７Ｋ至２０Ｋ范围内增加最大ｐ１，并且疲劳裂纹的传播在低温下并不恶化。因此，室温设计给定的疲劳特性值，在低温下运行安全系数反而升高。图５为几种铝合金的疲劳特性随温度变化的关系。

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图５几种铝合金的疲劳特性与温度的关系…

Ｆｉｇ．５

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另外研究发现…，当温度降低时，铝合金的疲劳强度和强度极限之比值不变，即疲劳强度与强度极限以同样的方式随温度而变化。这个事实可用来估计低温下的铝合金的疲劳强度。

万　

方数据３评估ＬＤ５铝合金低温下的机械性能

根据所掌握的铝合金低温机械性能知识和数据，从不同角度对ＬＤ５铝合金的低温机械性能进行了分析，并评估了ＬＤ５铝合金低温下发生冷脆转变的可能性。

弹性模量和泊松比：室温下（３００Ｋ），ＬＤ５铝合金的弹性模量Ｅ＝７２ＧＰａ，ｌ，＝０．３３。由２．１可知，温度Ｔ＝２０Ｋ时，ＬＤ５铝合金的弹性模量Ｅ增加了１６％左右，即Ｅ一８３．５２ＧＰａ。其泊松比可基本认为不变，即ｌ，＝０．３３。

为了评估低温下ＬＤ５弹性模量的变化对构件应力分布的影响，作者研究了某低温叶轮的应力分布。利用ＡＮＳＹＳ有限元软件对叶轮应力进行了计算，结果表明２０Ｋ时的应力分布与常温时情况相比基本不变。因此，在２０Ｋ以上低温时，ＬＤ５铝合金弹性模量虽然随着温度的降低有所增加，但这一变化对构件的应力分布影响甚微。

屈服强度和抗拉强度：由２．２所述可知，ＬＤ５铝合金的屈服强度和抗拉强度都随温度的降低而升高，但是抗拉强度的增加要比屈服强度的增加大得多，所以ＬＤ５铝合金在低温下不会因为屈服强度大于抗拉强度而发生冷脆转变。

延伸率和断面收缩率：由２．３所述可知，ＬＤ５铝合金（Ａｌ－Ｃｕ系合金）的延伸率随着温度降低而上升，在７７Ｋ附近达到最大值。其断面收缩率随温度降低缓慢下降。从两大塑性指标来看，至少在７７Ｋ以上低温范围内，其塑性随温度降低有所提高，不会发生冷脆转变。

缺口敏感性：２．４图３中，俄罗斯铝合金（ＡＫ８），

ｒｒ？

即中国铝合金（ＬＤｌ０），其缺口敏感性不高（二Ｌ＞

Ｏ＂ｏ．２

１．２），且随温度的降低几乎没有下降。ＬＤＩＯ铝合金在低温下只要保持最大应力不超过屈服强度盯。：，就不会因为应力集中导致冷脆现象发生。ＬＤ５铝合金

和ＬＤＩＯ铝合金同属Ａｌ—ｃｕ系合金且皆为锻铝，化学成分相近，机械性能相似，而ＬＤｌＯ铝合金属于高强合金，其塑性明显低于ＬＤ５铝合金。由此可推断，ＬＤ５铝合金在低温下的缺口敏感性要低于ＬＤＩＯ。同理，只要保持构件最大应力不超过ＬＤ５铝合金屈服强度矿叫，就不会因为应力集中发生冷脆断裂事故。

冲击韧性：由２．５所述可知，ＬＤ５铝合金的冲击韧性先随温度下降而上升，在７７Ｋ附近达到最大值，然后

６０

低温工程

２００９矩

随温度下降而缓慢降低。低温缺口冲击韧性试验综合了应力集中、低温及形变速度这３大影响材料脆化的因素，因此ＬＤ５铝合金冲击韧性随温度变化的规律也进一步说明了ＬＤ５铝合金不会发生低温冷脆现象。

断裂韧性：由２．６所述可知，ＬＤ５铝合金（Ａｌ－Ｃｕ系合金）的断裂韧性，在室温至７７Ｋ这一温度范围内，随温度下降而增大。从断裂韧性随温度的变化来看，ＬＤ５铝合金不会发生低温冷脆现象。

疲劳强度：由２．７所述可知，ＬＤ５铝合金的疲劳强度随温度降低有所提高，并且疲劳裂纹的传播在低温下不会加剧，因此室温设计给定的疲劳特性值，在

１

（１）在７７Ｋ以上低温范围内，包括ＬＤ５的大部分铝合金（除了Ａｌ—ｚｎ系的某些高强合金）随着温度降低，其屈服强度和抗拉强度都有所提高，塑性和韧性也有所提升，疲劳特性得到改善，因此，在７７Ｋ以上低温范围内，大部分铝合金不会发生冷脆转变。

（２）由于ＬＤ５铝合金的室温屈服强度相对较低，材料设计时应保证构件的最大应力低于其室温屈服强度。这样的话，就可以保证ＬＤ５铝合金构件在７７Ｋ以上低温范围内的机械性能。

参

考

文

献

低温下安全性变高。此外，铝合金的疲劳强度与极限强度的比值几乎保持不变，这一关系可用来大致上估计疲劳强度。

３２

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ａｎｄ

ｉｔｓ

ａｎｏｙｓ［Ｍ］．Ｎ．Ｙ．Ｗｉｌｅｙ，１９８７：２９－３２，

４结语

４

陈鼎。陈振华．铝合金在低温下的力学性能［Ｊ］．宇航材料工艺，２０００（４）：１－７．

通过实验研究低温下铝合金的力学性能，技术要求高，时间周期长，资金消耗大，因此完全依赖实验手段研究铝合金低温力学性能是不可行的。本文作者运用铝合金的低温机械性能理论知识，在目前有限的低温性能数据基础上，通过分析初步建立了一种铝合金材料低温性能评估方法，为铝合金低温力学性能的评价提供了一条可行途径。可以作为选材依据用于指导铝合金材料的应用。

通过研究，得到了铝合金在低温环境下力学性能的变化规律和ＬＤ５铝合金材料的应用设计原则：（上接第４６页）

４

８５６

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参

１

ＳｋａＨｔｒｏｍ

ｔｕｒｅｓ

考文献

ｆｏｒｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｎｇｇａｓｅｏｕｓｍｉｘ－

结论

Ｃ

Ｗ．Ｍｅｔｈｏｄ

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（１）对于微型四塔变压吸附制氧装置，随着原料

２

ｂｙ

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（２）随着产品气流量的增加，产品气中氧气体积分数下降，而氧气回收率升高。

（３）随着节流孔径的增大，产品气中氧气体积分数先增大后减小，存在最佳的节流孔径，其合适的值

６５３

ＳａｎｔｏｓＪＣ．ＰｏｒｔｕｇａｌＡＦ，ＭａｇａｌｈａｅｓＦＤ，ｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉ－

ｚａｔｉｏｎｏｆＢｍａｌｌ

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Ｙ

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Ｗ，Ｊｉａｎｇｙｉｎｇ

ｓｍａｉｌ－ｓｃａｌｅ

Ｇ．ｅｔ丑１．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ

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为０．７５ｍｍ左右。

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Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ

（４）随着分子筛量的增加，产品气中氧气体积分数先增大后减小，存在最佳的分子筛量值。

（５）产品气中氧气体积分数随高径比的增加先增大后减小，合适的高径比为５．３左右，其值需实验确定。

７

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万方数据　

铝合金的低温机械性能评估

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

任彦， 孙金菊， Ren Yan， Sun Jinju

西安交通大学能源与动力工程学院,西安,710049低温工程CRYOGENICS2009(2)1次

参考文献(10条)

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5. 吴志生.单平.胡绳荪.廉金瑞.刘翠荣.姚芒荣 电极深冷处理与铝合金点焊的铜铝合金化[期刊论文]-中国机械工程2005,16(2)

6. 吴志生.刘翠荣.刘子建.单平.胡绳荪.王晓峰 深冷处理点焊电极铜合金中位错环研究[会议论文]-20067. 刘瑛.张新明.李慧中.刘波.高慧.李惠杰.LIU Ying.ZHANG Xin-ming.LI Hui-zhong.LIU Bo.GAO Hui.LI Hui-jie 3种高强铝合金的低温拉伸力学性能研究[期刊论文]-金属热处理2007,32(1)

8. 刘春立.何涛.富大欣 航天结构材料低温力学性能测试技术[期刊论文]-低温工程1999(3)

9. 雒惠云.陈正刚.阎春杰.李海镇.Luo Hui-yun.CHEN Zheng-gang.YAN Chun-jie.LI Hai-zhen 铝合金低温焊接的研究[期刊论文]-真空与低温2004,10(3)

10. 刘咏.林映红.周科朝 强冷条件下铝合金的变形行为[期刊论文]-中国有色金属学报2003,13(4)

引证文献(1条)

1.程丽霞.陈异.蒋显全.王金伟 液化天然气运输船及其储罐用材料的研究进展[期刊论文]-材料导报 2013(1)

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