[发明专利]一种基于超声循环共振效应增强铝合金力学性能的方法

说明书

一种基于超声循环共振效应增强铝合金力学性能的方法，将铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材在室温下进行超声循环共振，诱导受控的微尺度往复位移运动，提升板材的强度和延展性，本发明通过控制超声发生器的频率，保持与铝合金材料自身的固有频率相同或接近，使材料发生循环共振，循环共振能不断地向材料中引入空位，并动态地析出精细分布的析出相，以此使合金增强力学性能，使该类铝合金板材具有更高的强度，增强了轻量化铝合金板材与传统钢材的竞争力，同时增加了铝合金的延伸率，促进铝合金在各个领域的广泛应用。

技术领域

本发明属于有色金属材料加工技术领域，特别涉及一种基于超声循环共振效应增强铝合金力学性能的方法。

背景技术

铝及铝合金作为轻量化材料已经在现代交通领域得到了广泛应用，与传统钢材相比，铝合金密度低、抗腐蚀性优良且易于回收，因此铝合金在现代交通的应用逐年增加。但是铝合金相对其他金属强度较低，这限制了其作为结构材料的应用范围。传统提升铝合金强度的方法是将铝合金在铸造后在一定的温度下进行铸锭的均匀化处理，然后进行热/冷变形。经过变形后，对这些合金进行固溶处理和淬火，使其进行时效处理以获得较高的强度。经过热处理的铝合金中形成了大量的纳米尺度的硬化颗粒，从而使铝合金得以强化，这就是铝合金材料的主要强化机制——析出强化。

传统的加工方法存在不少的问题，首先冷变形后产品最终形状固定，此后再进行高温退火和淬火时样品表面温度不均会引起热应力，这使产品产生变形甚至开裂。这种现象造成铝合金产品的成品率和质量降低，制造成本升高。更为重要的是传统方法制备的铝合金跟钢材等其他金属结构材料相比，力学性能仍然相对较差，这也阻碍了铝合金作为一种轻量化材料的应用范围。目前用于提高铝合金强度的方法主要包括添加更多合金元素和晶粒细化，尽管这些方法能够是铝合金的强度提高，但是这些方法也会使铝合金的制造成本升高，使铸造和加工成型难度增大，同时会极大降低铝合金的延伸率。正因为以上因素致使这些方法目前难以大规模使用在高性能铝合金的工业化生产。综上所述，开发能够提高铝合金综合力学性能并且可以大规模生产的低成本加工方法，对拓展铝合金使用范围是非常重要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超声循环共振效应增强铝合金力学性能的方法，通过控制超声发生器的频率，保持与铝合金材料自身的固有频率相同或接近，使材料发生循环共振，循环共振能不断地向材料中引入空位，并动态地析出精细分布的析出相，以此使合金增强力学性能，使该类铝合金板材具有更高的强度，增强了轻量化铝合金板材与传统钢材的竞争力，同时增加了铝合金的延伸率，促进铝合金在各个领域的广泛应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于超声循环共振效应增强铝合金力学性能的方法，将铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材在室温下进行超声循环共振，诱导受控的微尺度往复位移运动，提升板材的强度和延展性。

所述超声循环共振是利用位于板材两面的两个超声发生器，分别向板面施加声波频率信号，且信号频率f₁＝f±(0.1～100)Hz，即声波信号的频率接近或者等于材料的固有频率，此时会使材料发生反复的振动，以此引入大量空位，其中f为板材材料的固有频率，一般为1～5×10⁴Hz，具体取决于实际铝合金材料的大小、质量、形状以及温度。

所述两个超声发生器同时施加超声波信号，信号振幅的大小为5～20μm，两个信号的相位差为T/2，整个超声循环共振过程中，超声波信号的循环次数为500～1000，整个过程需要时间为1～1000s。使材料发生共振，共振所产生的巨大能量使得材料本身的原子发生来回往复振动。

所述两个超声发生器所发生的声波位于面板两侧并垂直于面板，且以面板为中心发生对称，这样能够使材料更好发生共振。

通过拉伸实验，测量出进行超声循环共振之后材料的屈服强度和极限抗拉强度以及断后延伸率，因此来评价材料的力学性能。