铝的性能

目录

  • 插图
    • 图 1. Al 2024‑T4 和 Al 7075‑T6 的旋转弯曲疲劳试验
    • 图 2. 抗拉强度对常用变形铝合金疲劳强度的影响
    • 图 3. 可热处理(2014-T6、6151-T6)和不可热处理(5052-0、5052-H36)铝合金的疲劳曲线
    • 图 4. 24 ST(2024‑T4)铝的 Q 值
    • 图 5. Ø125mm Al 7075‑T6 线轴形变幅杆 —— 泊松比对端面轴向振幅的影响
    • 图 6. Ø110mm Al 7075‑T6 线轴形变幅杆 —— 泊松比对端面轴向振幅的影响
    • 图 7. 平轧 Al 7075-T6 中的方向性
  • 表格
    • 表 1. 铝材料性能的最佳估计值

用途

由于成本相对较低且易于加工,在应力较低且冲击/磨损/冲蚀不重要的场合,铝往往是超声谐振器的首选材料。用途包括 ——

  • 大型圆柱形变幅杆
  • 大型块形变幅杆
  • 母变幅杆
  • 低增益增幅杆
  • 换能器前驱动块

牌号对照

各种牌号铝的规格对照表可在此处找到。该对照表包含美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利和日本的牌号命名。

常用合金

铝有大量合金可供选择。两种常用的合金是 Al 2024‑T4 和 Al 7075‑T6。("T"表示热处理状态。有多种热处理状态可供选择,可能会影响性能。)

疲劳

参见关于疲劳的一般讨论

大多数铝没有真正的耐久极限。相反,随着循环次数增大,S‑N 曲线的负斜率会变得更加平缓。(不过,请参阅下文的 Varley。)

以下来自 Boyer(第 335 页)的图表展示了 Al 2024‑T4 和 Al 7075‑T6 在低频旋转弯曲试验中的疲劳性能。(原始来源:Sanders[1],第 470 页)上方的实心圆点数据带对应无缺口试样,下方的空心圆点数据带对应严重缺口试样(Kt > 17)。数据带右端的彩色矩形对应未失效的试样(越出试样)。

图表 - Al 2024­T4 和 Al 7075­T6 的旋转弯曲疲劳试验
图 1. Al 2024‑T4(上图)
和 Al 7075‑T6(下图)的旋转弯曲疲劳试验

请注意,两种合金的疲劳性能非常相似。在无缺口状态下,两者在约 109 次循环时的疲劳强度都在 140 MPa [20 kpsi] 附近,不过 Al 7075‑T6 的表现略好。在有缺口状态下,Al 7075‑T6 的表现略差。

Boyer[1](第 335 页)指出:"尽管有这些实验室数据,用户发现在实际使用中遇到波动载荷时,某些铝合金的表现明显优于其他合金。例如,机身制造商确定,合金 7075‑T6 的疲劳性能无疑逊于合金 2024‑T3。"Boyer 没有说明这是针对无缺口状态、有缺口状态还是两者。

来自 Juvinall[1](第 215 页)的图 2 展示了各种铝合金的疲劳强度与极限抗拉强度之间的关系。在极限抗拉强度不超过约 340 MPa [50 kpsi] 时,疲劳强度约为极限抗拉强度的 40%。但是,如果极限抗拉强度超过 340 MPa,疲劳强度就不再增加,而是稳定在约 138 MPa [20 kpsi]。(注意,最右侧两个数据点的疲劳强度约为 160 MPa [23 kpsi];其合金牌号未知。)这些疲劳强度与上文 Boyer 的数据一致。(注意,通过施加特殊技术(例如引入残余压应力),疲劳强度有可能提高到 138 MPa 以上。这在很大程度上取决于载荷类型。)

图表 - 抗拉强度对常用变形铝合金疲劳强度的影响
图 2. 抗拉强度对常用变形铝合金疲劳强度的影响

耐久极限

人们常说铝没有耐久极限 —— 也就是说,只要循环次数足够多,无论交变应力多低,它们最终都会发生疲劳。然而,来自 Varley[1](第 42 页)的图 3 表明,情况未必如此。 该图比较了两种可热处理合金和两种不可热处理合金的疲劳性能。对于所测试的合金,该图展示了两个重要现象 ——

  1. 对于两种不可热处理合金(5052-0、5052-H36),当循环次数超过 107 时疲劳曲线趋于平坦;这表明这些合金可能具有耐久极限。另一方面,对于两种可热处理合金(2014-T6、6151-T6),即使在 5x108 次循环时疲劳曲线仍在继续下降;因此,在所测试的循环范围内,这些材料没有耐久极限。
  2. 在图 3 中,材料的静强度是其曲线与纵轴的交点(即零次循环时的强度)。从该图可以看出,高静强度并不一定预示着优异的高周疲劳性能。例如,6151‑T6 的静强度优于两种不可热处理合金中的任何一种,但其高周疲劳性能却逊于两者。根据曲线的斜率,随着疲劳循环次数超过 5x108,这种劣势很可能会进一步增大。Juvinall[1](第 215 页)指出:"作为一类材料,可热处理铝合金的疲劳比更低,也不像不可热处理合金那样倾向于趋近真正的耐久极限。最近的冶金学研究 [8,20] 提供了一个可能的部分解释:室温下的疲劳应力会使经过热处理的合金发生过时效。"

基于其高周疲劳性能,人们可能会得出图 3 中的不可热处理铝是更优谐振器材料的结论。然而,对于超声应用,静强度同样需要考虑,因为在谐振器拧紧时需要静强度来抵抗螺纹应力。

注意 —— Varley 没有给出其数据的任何细节。因此,无法得知图中数据点是代表单次失效,还是代表给定应力水平下多次失效的平均值。如果属于前者,那么考虑到疲劳寿命的典型离散性,这些曲线的平滑程度似乎好得令人难以置信。尽管如此,对不可热处理合金进行超高周疲劳范围的进一步研究似乎是有必要的。

注 —— 除了上述合金之外,还有许多其他不可热处理合金和可热处理合金。不可热处理合金属于 1XXX、3XXX、4XXX 和 5XXX 系列。可热处理合金属于 2XXX、6XXX 和 7XXX 系列。不过也有一些例外。(参见 Hatch[1],第 352-354 页。)

图表 - 可热处理(2014-T6、6151-T6)和不可热处理(5052-0、5052-H36)铝合金的疲劳曲线
图 3. 可热处理(2014-T6、6151-T6)
和不可热处理(5052-0、5052-H36)铝合金的疲劳曲线

品质因数(Q)

Zemanek[1C]用一根 Ø12.7 mm x 3048 mm 长的杆测量了 24 ST(即现在的 Al 2024‑T4)的 Q 值。该杆在真空中以低振幅进行静电激励,处于纵向谐振状态。所得数据如图 4 所示。在 20 kHz 时,Q 值约为 180,000。(注意,Y 轴上的数值必须乘以 104 才是实际的 Q 值。)

图表 - 24 ST(2024­T4)铝的 Q 值
图 4. 24 ST(2024‑T4)铝的 Q 值

Zemanek[1C](第 1285 页)评论说,弯曲谐振的阻尼比纵向谐振更高。不过,尚不清楚他指的是弯曲模态的固有特性,还是由他激励弯曲模态的方式所致。

注:Culp[0]曾尝试用全波/半波法测量 Al 7075‑T6 的 Q 值,所用变幅杆为 Ø17.3 mm,频率为 20 kHz。然而,由于低应变下的损耗测量不可靠,结果有些不确定。不过,在最大峰值应变 0.00155(62 微米_峰值)时,前半波段的平均净损耗约为 1.8 瓦。这相当于 Q 值约为 92000。然而,由于测试方法不同,这些数据不足以得出 Al 7075‑T6 的 Q 值逊于 Al 2024‑T4(见上文)的结论。(注:尽管 Culp 的测试是在空气中进行的,但由于最初的全波测试和随后的半波测试以相同振幅运行,变幅杆末端的声辐射(即传递给空气的能量)被假定为恒定不变。因此,这种声辐射对净功率损耗没有任何影响。)

与钛的比较

对于一种未指明牌号、在相同测试条件下 Q 值为 27000 的钛,Culp 测得的净损耗为 9.7 瓦。因此,根据 Culp 的有限数据,Al 7075‑T6 的损耗比该钛低约 80%。

考虑 Mason 的数据Ti-6Al-4V 的 Q = 20000,以及上文 Zemanek 的数据(Q = 180,000),Al 2024‑T4 的损耗比 Ti-6Al-4V 低约 93%。不过,Mason 测试的应变明显高于 Zemanek,尚不清楚这是否会影响比较结果。

定性地说,在相同条件下,铝保持冷却,而钛会变温甚至发热。(当然,铝保持较低温度的部分原因是其热导率更高,从而能将热量从高应变区域传导出去。)

泊松比

Culp[0]通过将一个 20 kHz Ø125 mm 半线轴形变幅杆的实测振幅与 FEA 预测值进行比较,确定了 Al 7075‑T6 圆柱棒料的泊松比。图 5 显示,实测的"X"数据与泊松比为 0.33 的 FEA 曲线最为吻合。(在图 4 中,每个"X"数据实际上是变幅杆端面圆周上八个振幅测量值(以 45° 等间隔分布)的平均值。这些测量值的离散很小,因此数据被认为是可靠的。)

对一个同样由 Al 7075‑T6 圆柱棒料制成的 20 kHz Ø110 mm 半线轴形变幅杆的分析显示了类似的结果(图 5a)。不过,泊松比对端面振幅的影响没有那么显著。

作为比较,matweb.com 给出的 Al 2024‑T4 和 Al 7075‑T6 的泊松比均为 0.33。

有趣的是,泊松比的微小变化会对相对端面振幅产生显著影响。

图表 - Ø125mm Al 7075­T6 超声线轴形变幅杆 —— 泊松比对端面轴向振幅的影响
图 5. Ø125mm Al 7075‑T6 线轴形变幅杆 ——
泊松比对端面轴向振幅的影响
图表 - Ø110mm Al 7075­T6 超声线轴形变幅杆 —— 泊松比对端面轴向振幅的影响
图 6. Ø110mm Al 7075‑T6 线轴形变幅杆 ——
泊松比对端面轴向振幅的影响

方向性

退火状态下未经冷加工的铝具有随机取向的晶粒,是各向同性的 —— 即其力学性能在所有方向上都相同。 然而,一旦经过冷加工(例如轧制、挤压等),晶体就会重新取向,材料不再是各向同性的(参见 Hatch[1] 第 376 页的图 5)。此时,材料性能取决于测试方向。

平轧 Al 7075-T6 中的方向性
图 7. 平轧 Al 7075-T6 中的方向性

这些方向性性能会影响调谐。例如,加工了两个完全相同的 20 kHz 双槽条形变幅杆。第一个变幅杆的加工使材料的纵向与螺柱轴线平行(即晶粒方向与螺柱轴线平行);第二个变幅杆的加工使材料的长横向与螺柱轴线平行(即晶粒方向与螺柱轴线垂直)。第一个变幅杆的轴向频率比第二个低 125 Hz(0.6%)(Culp[0])。这表明材料纵向上的杨氏模量约低 1.3%。与第二个变幅杆相比,第一个变幅杆的主要非轴向谐振频率也有所降低。

方向性对均匀性的影响尚不清楚。

材料性能的最佳估计值

表 1. 铝材料性能的最佳估计值
材料 杨氏模量 [GPa] 密度 [kg/m3] 泊松比 细杆波速 [m/sec] 疲劳强度 [MPa] 疲劳应变 备注
2024-T3 73.8 2843 0.32 5095 140 0.0019 注 4
7075-T6 73.3 2843 0.33 5088 140 0.0019 注 5

表格注释 ——

  1. 除非另有说明,性能数据由 Culp[0] 测定。
  2. 疲劳强度为无缺口试样的数据,来自 Boyer(第 335 页)(参见上文疲劳)。
  3. 这些性能未考虑坯料类型(棒材、条材、板材)或方向性
  4. 对于 2024-T3,材料性能是通过对照一个实测变幅杆校准 FEA 确定的。
  5. 对于 7075-T6,性能数据通过以下方式确定 ——
    1. 对照实测变幅杆校准 FEA(7 个试样)。
    2. 在 Herfurth 压电振动台上不连接换能器测量变幅杆频率(8 个样品)。
    3. 全波 —— 半波测量(5 个样品)。

表面处理

多种镀层已成功用于铝上,且疲劳性能未见明显下降。这些镀层包括软镍、软铬和阳极氧化。使用硬质镀层时必须小心,因为它们可能在应力作用下开裂。由此产生的裂纹可能扩展进入铝基体,导致失效。不过,如果将大多数镀层用于低应力区域(例如端面),则是可以接受的。

蚀刻

铝的晶粒方向可以用 Keller 蚀刻剂检查(加工前或加工后均可)(1% HF(氢氟酸)、1.5% HCl(盐酸)、2.5% HNO3(硝酸),余量为水)。对于铜基铝合金(2000 系列,如 2024),推荐使用 Kroll 试剂(1% HF(氢氟酸)、12% HNO3(硝酸),余量为水)。两者均有市售。