我国7×××系高强铝合金及其研究进展

铝合金具有轻质高强、耐腐蚀、低温韧性好、易于挤压成型、轻盈美观等优点，已成为制造交通运输工具（航空航天飞行器、汽车、船舶等）和轻工建材（幕墙、门窗、护栏等）的主要材料。随着冶炼技术的成熟和挤压成型设备吨位的提升，铝合金的力学性能得以改善，逐渐作为建筑物和构筑物的主体材料被广泛应用。欧美发达国家自20世纪40年代开始将铝合金材料应用于建筑结构中；虽然我国关于铝合金结构的研究与应用起步较晚，但近二十年来随着国家经济的稳步快速发展，铝合金结构在工程体量、规模和设计水平上已接近甚至赶超欧美等发达国家^[1-2]。

目前，6×××系铝合金（6061-T6、6082-T6等）已较为广泛地应用于大跨空间、桥梁、电力塔架等结构中，如图1所示。尤其是近年的铝合金空间结构，因其造型丰富美观、空间使用率高、模块化制造、一体化施工等独特魅力而受到广大建筑师和结构工程师的青睐。

图1 铝合金结构应用实例

Fig.1 Applications of aluminum alloy structure 

但6×××系铝合金的强度普遍偏低，热处理后的名义屈服强度（f_0.2）一般小于350MPa。由于6×××系铝合金在土木工程领域应用过程中会遇到因材料强度偏低而导致构件尺寸偏大、设计目标不易满足等技术问题，7×××系高强铝合金逐渐得到了学术界和工程界的关注。本文从7×××系高强铝合金的工程应用、材料力学性能、构件稳定性能和焊接性能等方面介绍我国高强铝合金的研究进展，总结高强铝合金现阶段研究存在的不足。

1 高强铝合金材料及其工程应用

1.1 高强铝合金材料

根据名义屈服强度一般将铝合金分为普通强度（≤300MPa）、中强（300~400MPa）、高强（400~600MPa）和超强（＞600MPa）铝合金。通常也将名义屈服强度大于400MPa的铝合金统称为高强铝合金。土木工程领域一般涉及的7×××系含锌高强铝合金，如7075-T6和7A04-T6，其f_0.2一般大于450MPa。美国于1943年成功开发出7075高强铝合金，并首次将其应用于B-29型轰炸机中，显著提高了该飞机的承载性能。苏联于1948年开发出与7075高强铝合金类似的B95高强铝合金。我国自20世纪60年代开始研发高强铝合金，相继开发了Al-Zn-Mg-Cu系（7×××系）高强铝合金，如与7075高强铝合金相似的7A04（原LC4）和7A09（原LC9）高强铝合金等。目前7×××系高强铝合金主要用于航天器以及军工产品的结构构件中；近年来，电力输电塔架结构也开始采用7×××系高强铝合金。

1.2 高强铝合金的工程应用

7×××系高强铝合金在以下工程应用中具有竞争优势：

（1）大跨空间网格结构。此类结构中构件截面尺寸偏大，用铝量偏大，经济效益不显著，且大截面构件受制于挤压成型设备的吨位。目前国内最大吨位的挤压成型设备可挤压出高度为550mm的箱形构件，并被应用于南京牛首山佛顶宫项目中^[7]（图2）。但现有的挤压制造加工技术难以满足部分工程需要更大截面构件的要求，而高强铝合金则可以较好地解决此问题。

图2 南京牛首山佛顶宫^[7]

Fig.2 Nanjing Usnisa Palace on the Niushou mountain^[7]

（2）受力较大且重要的节点。对此类节点可以采用普通强度铝合金与碳钢构件混合连接的措施来达到强节点的设计目标^[2]（图3）。混合节点存在异种金属材料防腐处理困难、变形量不协调（铝合金弹性模量仅为钢材弹性模量的1/3）等突出问题。若采用高强铝合金则可避免由于混合节点带来的一系列受力和后期运维问题。

图3 铝合金-碳钢混合节点^[2]

Fig.3 Hybrid joint of aluminum alloy-carbon steel^[2]

（3）大跨度桥梁、复杂格构式塔架等结构。高强铝合金可以显著减小结构中构件截面尺寸，降低结构质量，提高运输、施工装配效率，使结构轻盈美观。

（4）救灾篷房。高强铝合金具有轻质高强、便于携带组装的优点，适用于可以在灾后短时间内快速建成的篷房，在保障人民生命和财产安全方面具有重要意义。

（5）电力抢修塔结构。高强铝合金构件的轻便性、耐腐蚀性使其成为电力抢修塔结构材料的最佳选择。

（6）海岛建筑、能源和通讯设施结构。海岛和海上气候湿润多变，风荷载大，普通强度铝合金无法满足建设要求，而高强铝合金则由于轻质高强、抗腐蚀、耐疲劳可以很好地满足建设要求。

（7）国防工程。近年来，我国国防工业迅猛发展，对新材料的要求越来越高，特别是在很多工程领域均有对轻质高强、耐腐蚀、无磁和易拆卸等新型材料的需求。高强铝合金是满足这一需求的理想结构材料，在自行式临时军用桥梁、炮弹发射架、移动导弹发射设备、军用栈道中的应用优势巨大。

（8）海上风电工程。海洋是国家战略新兴产业的重点领域，为应对全球气候变化和发展清洁能源，欧美等地区较早地研究开发了海上风电技术，如半潜式海上风电平台（图4a）），目前正处于大规模应用前夕。我国海上风电正处于近海规模化、深海试点化的关键阶段。然而目前适用于远海、深海的半潜式浮式风电平台存在以下问题：① 钢结构浮式风电平台质量大，体积庞大，建造安装费用高（图4b））；② 钢结构浮式风电平台防腐性能差，无法长期承受高温、高湿、高盐雾和海水等复杂海洋环境对其的侵蚀，防腐涂装和运维费用高（图4c））。高强铝合金的部分甚至全部替代可以较好地解决此类问题。

图4 半潜式浮式风电平台

Fig.4 Semi-submersible floating wind power platform

2 高强铝合金的研究进展

目前国内外学者已对7×××系高强铝合金构件材料的基本力学性能进行了较为充分的研究，但有关其构件稳定性能的研究尚处于初步阶段，尤其缺乏关于不同截面高强铝合金构件轴压、偏压、抗弯整体和局部稳定承载性能的研究。基于搅拌摩擦焊接连接的铝合金结构受力性能的相关研究也十分缺乏，尚没有成熟的计算理论和设计方法可预测焊接板件和构件的承载性能。下文将重点介绍清华大学金属结构课题组（以下简称课题组）对高强铝合金的系列研究。

2.1 高强铝合金材料力学性能

国内不少铝合金材料标准都给出了7075-T6和7A04-T6高强铝合金的室温下纵向拉伸力学性能，如表1和表2所示。铝合金结构标准中仅上海市地方标准《铝合金格构结构技术标准》（DG/TJ 08-95—2020）^[8]规定了7075-T6高强铝合金的力学指标下限值。两类高强铝合金的名义屈服强度均大于400MPa。

2011年，张伟等^[12]对7A04-T6铝合金的静力本构关系进行了试验研究。2015年，ZHANG等^[13]进行了7075-T6高强铝合金材料在室温下的准静态、中应变率和高应变率动态力学性能试验，给出了Johnson-Cook本构方程。2016年，陈志华等^[14-15]对7075-T73高强铝合金开展了单次和反复受火后力学性能试验和理论研究，拟合了单次和反复受火后7075-T73高强铝合金的力学性能计算公式。2017年，SENTHIL等^[16]通过7075-T6高强铝合金的标准和缺口圆棒试验研究了其在不同应力状态、应变速率和温度下的塑性流动和断裂行为，为高强铝合金在极端环境状况下的结构性能提供了技术依据。2020年，李进军等^[17]通过单调拉伸试验研究了7A04-T6铝合金的力学性能和单调本构模型。

课题组^[18-23]自2014年起开展了一系列7075-T6和7A04-T6高强铝合金材料基本力学性能和构件承载力性能的研究。2016年，课题组^[18-19]对7A04-T6高强铝合金拉伸试件进行了单调和循环加载试验研究，如图5所示。研究表明：单调拉伸试件的破坏比较突然，破坏前没有明显颈缩现象；试件在循环荷载下出现了典型的循环硬化现象，并确定了试件在循环荷载下的循环强化参数，为准确计算高强铝合金结构在地震作用下的响应提供了重要基础与依据。同年，课题组在开展3种L形截面柱轴压试验研究时^[20-23]，进行了相应试件的单调拉伸试验（表3）。

图5 7A04-T6高强铝合金试验装置和应力-应变曲线

Fig.5 Test setup and stress-strain curves of 7A04-T6 high strength aluminum alloys

2021年，为了进一步研究工字形、箱形和圆形截面的7A04-T6和7075-T6高强铝合金构件的受弯、轴压和压弯性能，课题组开展了一批试件的单调拉伸性能试验研究，其典型应力-应变曲线如图6所示，关键力学指标如表3所示。

图6 7A04-T6高强铝合金材性试验结果

Fig.6 Coupon test results of 7A04-T6 high strength aluminum alloys

现行国家标准《铝合金结构设计规范》（GB 50429—2007）^[24]没有给出7075-T6和7A04-T6高强铝合金材料的相关规定。为了推动高强铝合金在结构工程中的应用，课题组参与了《铝合金结构技术标准》（GB 50429，修订稿）的相关工作，负责对7A04-T6高强铝合金材料的设计指标给出建议。

表3汇总了现有研究中关于7A04-T6高强铝合金的材料力学性能。除文献[17]的试件取自于圆管试件外，其余所有试件均取自于L形和箱形试件，试件均为挤压型材，名义厚度包括3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm和24mm，基本涵盖了实际工程常用板厚。去除表3中名义屈服强度f_0.2和抗拉强度fu的最大值和最小值，f_0.2和f_u的平均值分别为533.3MPa和596.1MPa，明显大于表2中现行国家标准规定的下限值，其变异系数分别为0.038和0.036，表明试验数据的离散性较小。据此可以得到具有95%保证率的名义屈服强度和抗拉强度标准值，分别为499.8MPa和561.1MPa；考虑到铝合金材性试验统计的数据有限，为安全起见，取铝合金结构构件的抗力分项系数为1.2^[24]，则其名义屈服强度和抗拉强度设计值分别为416.5MPa和467.6MPa。因此，建议用于构件计算的常温下7A04-T6高强铝合金的抗拉、抗压和抗弯强度设计值f，抗剪强度设计值f_v和极限抗拉、抗压和抗弯强度设计值f_u,d分别为410MPa、235MPa和465MPa。

2.2 高强铝合金构件轴压整体稳定性能

2020年，李振宇等^[25]开展了12根7A04-T6高强铝合金圆管构件的轴压整体稳定性能试验研究和数值分析。试件的截面尺寸包括70mm×5mm和75mm×5mm（D×t），其中D为圆管外径，t为圆管壁厚；长细比范围为70~100。试件均发生了整体失稳破坏。

为了研究高强铝合金构件轴压整体稳定性能，2016年，课题组^[20-23]先后对42根小截面和18根大截面的7A04-T6高强铝合金L形截面柱进行了轴压整体稳定性能试验和理论研究。小截面尺寸为L110mm×8mm和L90mm×8mm，大截面尺寸为L200mm×24mm；小截面和大截面试件的长细比范围分别为15~100和30~100。试件的破坏模式包括整体弯曲失稳、弯扭失稳和局部失稳（图7a））；分析了不同长细比对构件承载性能的影响；基于试验和数值参数分析提出了L形截面柱轴压承载力计算公式，解决了依据现行国家标准《铝合金结构设计规范》（GB 50429—2007）^[24]得到的计算结果偏于保守的问题，为工程设计以及铝合金标准的修订与编制提供了技术支持。

2021年，课题组完成了30根7A04-T6高强铝合金箱形截面柱和11根圆形截面柱的轴压整体稳定性能试验，试件截面尺寸为S80mm×80mm×5mm、S120mm×120mm×10mm、R100mm×70mm×8mm、R100mm×50mm×6mm、R60mm×30mm×3mm、C165mm×7.5mm和C165mm×15mm，长细比范围为15~90。试验时典型试件的照片如图7b）、c）所示，试件发生了整体弯曲失稳和局部-整体相关失稳。

图7 高强铝合金构件轴压整体稳定性能试验

Fig.7 Overall buckling test on high strength aluminum alloy columns under axial compression loading

2.3 高强铝合金构件轴压局部稳定性能

鉴于有关7×××系高强铝合金轴压构件局部稳定性能的研究几乎为空白，因此课题组完成了系列构件的轴压局部稳定性能试验，包括7根7075-T6高强铝合金工字形截面短柱（图8a））、15根7A04-T6高强铝合金箱形截面短柱（图8b））和5根7A04-T6高强铝合金圆形截面短柱（图8c））。其中工字形截面短柱的轴向荷载-轴向位移曲线如图8a）所示，曲线上的点表示试件发生局部屈曲，试件编号中的H表示工字形，后面的数字依次表示翼缘宽厚比和腹板宽厚比。试验结果表明：构件的局部几何初始缺陷很小，属于高精级构件；翼缘（腹板）宽厚比越大，极限应力与材料屈服强度的比值越小，对材料强度的利用越不充分。

图8 高强铝合金轴压构件轴压局部稳定性能试验

Fig.8 Local buckling test on high strength aluminum alloy columns under axial compression loading

2.4 高强铝合金构件受弯性能

为了研究7A04-T6高强铝合金构件的受弯承载力、失效模式、变形和转动能力，评估现行规范中受弯承载力计算方法的适用性并为后续的数值和理论分析奠定基础，课题组完成了16根7A04-T6高强铝合金箱形构件的三点受弯（图9a））和16根相应试件的四点受弯试验（图9b）），试件的截面尺寸与轴压试件的截面尺寸相同。其中箱形截面试件（100mm×70mm×8mm）强轴和弱轴的三点受弯的跨中弯矩-端部转角曲线如图9a）所示，试件编号中的W和S分别表示弱轴和强轴，A和B表示两个相同的试件。试验结果表明：试件的跨中弯矩达到了全截面塑性抗弯承载力，挠度为L/20左右，其中L为试件的计算长度。

图9 高强铝合金构件受弯性能试验

Fig.9 Test on flexural behavior of high strength aluminum alloy members

2.5 高强铝合金构件压弯性能

实际结构工程中的角柱和边柱常处于压弯复合受力状态，受力机理不同于轴压和纯弯受力状态下的受力机理。为了研究高强铝合金构件的压弯承载性能，课题组正在进行7A04-T6高强铝合金构件的压弯性能试验，包括20根箱形截面试件和8根圆形截面试件，偏心距为截面高度的0.25倍，试件截面尺寸与轴压构件的截面尺寸相同，长细比范围为45~90，试验时典型试件的照片如图10所示，试件均发生了整体弯曲失稳。

图10 高强铝合金构件压弯性能试验

Fig.10 Test on high strength aluminum alloy members under eccentric compression

2.6 高强铝合金构件焊接性能

对于铝合金结构，传统焊接工艺主要为熔化极惰性气体（metal inert gas，MIG）保护焊和钨极惰性气体（tungsten inert gas，TIG）保护焊。但由于铝合金具有熔点低、导热和热膨胀系数大、表面易形成氧化膜等特点，熔化焊接性能较差^[24]。搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）是英国焊接研究所提出的一种高效、低耗、低成本的新型固相连接技术^[26]。FSW主要利用高速运转的搅拌头与焊件之间发生剧烈摩擦产生大量的热量，使达到塑性状态后的待焊板件发生塑性流动而连接在一起；与熔化焊接技术相比，FSW具有较明显的技术、成本和环保优势^[26]。FSW的搅拌头构造和焊接流程如图11所示。

图11 搅拌摩擦焊

Fig.11 Friction stir welding

虽然FSW已被较为广泛地应用于航空、汽车、船舶、高铁等领域，众多学者也对这些领域中常用的2×××系和5×××系铝合金焊接结构展开了较为充分的研究，但针对适用于土木工程领域T6状态的6×××系和7×××系搅拌摩擦焊接铝合金的研究较为有限。现有研究主要集中在确定搅拌头形状和几何参数的条件下，重点考察旋转速度、焊接速度、轴肩下压量等工艺参数对焊接接头微观组织、裂纹扩展、显微硬度和静载强度的影响。针对T6状态的7075和7A04高强铝合金的搅拌摩擦焊接头性能的研究较少，主要研究结果如表4所示。T6状态的7075和7A04高强铝合金接头的焊接热影响区的强度为母材强度的0.78~0.95倍和0.80~0.85倍，体现了搅拌摩擦焊技术用于结

3 结论与展望

（1）大跨度空间网格结构、大跨桥梁、复杂格构式塔架结构中采用高强铝合金构件，可以减小构件截面尺寸，便于节点设计，并可解决大截面构件受制于挤压设备吨位和混合节点防腐不易处理等技术难题。

（2）高强铝合金对常年处于腐蚀性环境下的重要结构承重构件、海港构筑物、海上风电平台以及偏远地区电力抢修塔、国防工程、自然灾害或突发性公共卫生事件发生时需临时抢建的建筑物来说，都是理想的结构材料。

（3）有关高强铝合金的研究主要集中于材料力学性能方面，对于其构件稳定性能的研究尚处于初步阶段；清华大学金属结构课题组开展了系列高强铝合金材料力学性能，构件轴压、偏压、抗弯整体稳定以及局部稳定承载性能试验研究，以期推动高强铝合金的工程应用。

（4）相比于传统熔化焊，搅拌摩擦焊具有较明显的技术、成本和环保优势，能够较好地解决实际工程应用中需要通过焊接方式形成大截面或特殊截面构件的问题。

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文章来源：铝高端制造