鋁合金具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、低溫韌性好、易于擠壓成型、輕盈美觀等優(yōu)點，已成為制造交通運輸工具（航空航天飛行器、汽車、船舶等）和輕工建材（幕墻、門窗、護欄等）的主要材料。隨著冶煉技術(shù)的成熟和擠壓成型設(shè)備噸位的提升，鋁合金的力學(xué)性能得以改善，逐漸作為建筑物和構(gòu)筑物的主體材料被廣泛應(yīng)用。歐美發(fā)達我國自20世紀40年代開始將鋁合金材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中；雖然我國關(guān)于鋁合金結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用起步較晚，但近二十年來隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展，鋁合金結(jié)構(gòu)在工程體量、規(guī)模和設(shè)計水平上已接近甚至趕超歐美等發(fā)達我國^[1-2]。

目前，6×××系鋁合金（6061-T6、6082-T6等）已較為廣泛地應(yīng)用于大跨空間、橋梁、電力塔架等結(jié)構(gòu)中，如圖1所示。尤其是近年的鋁合金空間結(jié)構(gòu)，因其造型豐富美觀、空間使用率高、模塊化制造、一體化施工等獨特魅力而受到廣大建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞。

但6×××系鋁合金的強度普遍偏低，熱處理后的名義屈服強度（f_0.2）一般小于350MPa。由于6×××系鋁合金在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用過程中會遇到因材料強度偏低而導(dǎo)致構(gòu)件尺寸偏大、設(shè)計目標(biāo)不易滿足等技術(shù)問題，7×××系高強鋁合金逐漸得到了學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。本文從7×××系高強鋁合金的工程應(yīng)用、材料力學(xué)性能、構(gòu)件穩(wěn)定性能和焊接性能等方面介紹我國高強鋁合金的研究進展，總結(jié)高強鋁合金現(xiàn)階段研究存在的不足。

1 高強鋁合金材料及其工程應(yīng)用

1.1 高強鋁合金材料

根據(jù)名義屈服強度一般將鋁合金分為普通強度（≤300MPa）、中強（300~400MPa）、高強（400~600MPa）和強（＞600MPa）鋁合金。通常也將名義屈服強度大于400MPa的鋁合金統(tǒng)稱為高強鋁合金。土木工程領(lǐng)域一般涉及的7×××系含鋅高強鋁合金，如7075-T6和7A04-T6，其f_0.2一般大于450MPa。美國于1943年成功開發(fā)出7075高強鋁合金，并第一次將其應(yīng)用于B-29型轟炸機中，顯著提高了該飛機的承載性能。蘇聯(lián)于1948年開發(fā)出與7075高強鋁合金類似的B95高強鋁合金。我國自20世紀60年代開始研發(fā)高強鋁合金，相繼開發(fā)了Al-Zn-Mg-Cu系（7×××系）高強鋁合金，如與7075高強鋁合金相似的7A04（原LC4）和7A09（原LC9）高強鋁合金等。目前7×××系高強鋁合金主要用于航天器以及軍工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中；近年來，電力輸電塔架結(jié)構(gòu)也開始采用7×××系高強鋁合金。

1.2 高強鋁合金的工程應(yīng)用

7×××系高強鋁合金在以下工程應(yīng)用中具有競爭優(yōu)勢：

（1）大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)中構(gòu)件截面尺寸偏大，用鋁量偏大，經(jīng)濟效益不顯著，且大截面構(gòu)件受制于擠壓成型設(shè)備的噸位。目前國內(nèi)很大噸位的擠壓成型設(shè)備可擠壓出高度為550mm的箱形構(gòu)件，并被應(yīng)用于南京牛首山佛頂宮項目中^[7]（圖2）。但現(xiàn)有的擠壓制造加工技術(shù)難以滿足部分工程需要更大截面構(gòu)件的要求，而高強鋁合金則可以較好地解決此問題。

（2）受力較大且重要的節(jié)點。對此類節(jié)點可以采用普通強度鋁合金與碳鋼構(gòu)件混合連接的措施來達到強節(jié)點的設(shè)計目標(biāo)^[2]（圖3）?；旌瞎?jié)點存在異種金屬材料防腐處理困難、變形量不協(xié)調(diào)（鋁合金彈性模量僅為鋼材彈性模量的1/3）等突出問題。若采用高強鋁合金則可避免由于混合節(jié)點帶來的一系列受力和后期運維問題。

（3）大跨度橋梁、復(fù)雜格構(gòu)式塔架等結(jié)構(gòu)。高強鋁合金可以顯著減小結(jié)構(gòu)中構(gòu)件截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高運輸、施工裝配效率，使結(jié)構(gòu)輕盈美觀。

（4）救災(zāi)篷房。高強鋁合金具有輕質(zhì)高強、便于攜帶組裝的優(yōu)點，適用于可以在災(zāi)后短時間內(nèi)快速建成的篷房，在保障人民生命和財產(chǎn)安全方面具有重要意義。

（5）電力搶修塔結(jié)構(gòu)。高強鋁合金構(gòu)件的輕便性、耐腐蝕性使其成為電力搶修塔結(jié)構(gòu)材料的比較好選擇。

（6）海島建筑、能源和通訊設(shè)施結(jié)構(gòu)。海島和海上氣候濕潤多變，風(fēng)荷載大，普通強度鋁合金無法滿足建設(shè)要求，而高強鋁合金則由于輕質(zhì)高強、抗腐蝕、耐疲勞可以很好地滿足建設(shè)要求。

（7）國防工程。近年來，我國國防工業(yè)迅猛發(fā)展，對新材料的要求越來越高，特別是在很多工程領(lǐng)域均有對輕質(zhì)高強、耐腐蝕、無磁和易拆卸等新型材料的需求。高強鋁合金是滿足這一需求的理想結(jié)構(gòu)材料，在自行式臨時軍用橋梁、炮彈發(fā)射架、移動導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)備、軍用棧道中的應(yīng)用優(yōu)勢巨大。

（8）海上風(fēng)電工程。海洋是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重點領(lǐng)域，為應(yīng)對全球氣候變化和發(fā)展清潔能源，歐美等地區(qū)較早地研究開發(fā)了海上風(fēng)電技術(shù)，如半潛式海上風(fēng)電平臺（圖4a）），目前正處于大規(guī)模應(yīng)用前夕。我國海上風(fēng)電正處于近海規(guī)?；?、深海試點化的關(guān)鍵階段。然而目前適用于遠海、深海的半潛式浮式風(fēng)電平臺存在以下問題：① 鋼結(jié)構(gòu)浮式風(fēng)電平臺質(zhì)量大，體積龐大，建造安裝費用高（圖4b））；② 鋼結(jié)構(gòu)浮式風(fēng)電平臺防腐性能差，無法長期承受高溫、高濕、高鹽霧和海水等復(fù)雜海洋環(huán)境對其的侵蝕，防腐涂裝和運維費用高（圖4c））。高強鋁合金的部分甚至全部替代可以較好地解決此類問題。

2 高強鋁合金的研究進展

目前國內(nèi)外學(xué)者已對7×××系高強鋁合金構(gòu)件材料的基本力學(xué)性能進行了較為充分的研究，但有關(guān)其構(gòu)件穩(wěn)定性能的研究尚處于初步階段，尤其缺乏關(guān)于不同截面高強鋁合金構(gòu)件軸壓、偏壓、抗彎整體和局部穩(wěn)定承載性能的研究?；跀嚢枘Σ梁附舆B接的鋁合金結(jié)構(gòu)受力性能的相關(guān)研究也很大缺乏，尚沒有成熟的計算理論和設(shè)計方法可預(yù)測焊接板件和構(gòu)件的承載性能。下文將重點介紹清華大學(xué)金屬結(jié)構(gòu)課題組（以下簡稱課題組）對高強鋁合金的系列研究。

2.1 高強鋁合金材料力學(xué)性能

國內(nèi)不少鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)都給出了7075-T6和7A04-T6高強鋁合金的室溫下縱向拉伸力學(xué)性能，如表1和表2所示。鋁合金結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中僅上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金格構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-95—2020）^[8]規(guī)定了7075-T6高強鋁合金的力學(xué)指標(biāo)下限值。兩類高強鋁合金的名義屈服強度均大于400MPa。

2011年，張偉等^[12]對7A04-T6鋁合金的靜力本構(gòu)關(guān)系進行了試驗研究。2015年，ZHANG等^[13]進行了7075-T6高強鋁合金材料在室溫下的準(zhǔn)靜態(tài)、中應(yīng)變率和高應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)性能試驗，給出了Johnson-Cook本構(gòu)方程。2016年，陳志華等^[14-15]對7075-T73高強鋁合金開展了單次和反復(fù)受火后力學(xué)性能試驗和理論研究，擬合了單次和反復(fù)受火后7075-T73高強鋁合金的力學(xué)性能計算公式。2017年，SENTHIL等^[16]通過7075-T6高強鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)和缺口圓棒試驗研究了其在不同應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率和溫度下的塑性流動和斷裂行為，為高強鋁合金在極端環(huán)境狀況下的結(jié)構(gòu)性能提供了技術(shù)依據(jù)。2020年，李進軍等^[17]通過單調(diào)拉伸試驗研究了7A04-T6鋁合金的力學(xué)性能和單調(diào)本構(gòu)模型。

課題組^[18-23]自2014年起開展了一系列7075-T6和7A04-T6高強鋁合金材料基本力學(xué)性能和構(gòu)件承載力性能的研究。2016年，課題組^[18-19]對7A04-T6高強鋁合金拉伸試件進行了單調(diào)和循環(huán)加載試驗研究，如圖5所示。研究表明：單調(diào)拉伸試件的破壞比較突然，破壞前沒有明顯頸縮現(xiàn)象；試件在循環(huán)荷載下出現(xiàn)了典型的循環(huán)硬化現(xiàn)象，并確定了試件在循環(huán)荷載下的循環(huán)強化參數(shù)，為計算高強鋁合金結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)提供了重要基礎(chǔ)與依據(jù)。同年，課題組在開展3種L形截面柱軸壓試驗研究時^[20-23]，進行了相應(yīng)試件的單調(diào)拉伸試驗（表3）。

2021年，為了進一步研究工字形、箱形和圓形截面的7A04-T6和7075-T6高強鋁合金構(gòu)件的受彎、軸壓和壓彎性能，課題組開展了一批試件的單調(diào)拉伸性能試驗研究，其典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

現(xiàn)行我國標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50429—2007）^[24]沒有給出7075-T6和7A04-T6高強鋁合金材料的相關(guān)規(guī)定。為了推動高強鋁合金在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，課題組參與了《鋁合金結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50429，修訂稿）的相關(guān)工作，負責(zé)對7A04-T6高強鋁合金材料的設(shè)計指標(biāo)給出建議。

表3匯總了現(xiàn)有研究中關(guān)于7A04-T6高強鋁合金的材料力學(xué)性能。除文獻[17]的試件取自于圓管試件外，其余所有試件均取自于L形和箱形試件，試件均為擠壓型材，名義厚度包括3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm和24mm，基本涵蓋了實際工程常用板厚。去除表3中名義屈服強度f_0.2和抗拉強度fu的很大值和小值，f_0.2和f_u的平均值分別為533.3MPa和596.1MPa，明顯大于表2中現(xiàn)行我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，其變異系數(shù)分別為0.038和0.036，表明試驗數(shù)據(jù)的離散性較小。據(jù)此可以得到具有95%保證率的名義屈服強度和抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，分別為499.8MPa和561.1MPa；考慮到鋁合金材性試驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)有限，為安全起見，取鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力分項系數(shù)為1.2^[24]，則其名義屈服強度和抗拉強度設(shè)計值分別為416.5MPa和467.6MPa。因此，建議用于構(gòu)件計算的常溫下7A04-T6高強鋁合金的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值f，抗剪強度設(shè)計值f_v和極限抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值f_u,d分別為410MPa、235MPa和465MPa。

2.2 高強鋁合金構(gòu)件軸壓整體穩(wěn)定性能

2020年，李振宇等^[25]開展了12根7A04-T6高強鋁合金圓管構(gòu)件的軸壓整體穩(wěn)定性能試驗研究和數(shù)值分析。試件的截面尺寸包括70mm×5mm和75mm×5mm（D×t），其中D為圓管外徑，t為圓管壁厚；長細比范圍為70~100。試件均發(fā)生了整體失穩(wěn)破壞。

為了研究高強鋁合金構(gòu)件軸壓整體穩(wěn)定性能，2016年，課題組^[20-23]先后對42根小截面和18根大截面的7A04-T6高強鋁合金L形截面柱進行了軸壓整體穩(wěn)定性能試驗和理論研究。小截面尺寸為L110mm×8mm和L90mm×8mm，大截面尺寸為L200mm×24mm；小截面和大截面試件的長細比范圍分別為15~100和30~100。試件的破壞模式包括整體彎曲失穩(wěn)、彎扭失穩(wěn)和局部失穩(wěn)（圖7a））；分析了不同長細比對構(gòu)件承載性能的影響；基于試驗和數(shù)值參數(shù)分析提出了L形截面柱軸壓承載力計算公式，解決了依據(jù)現(xiàn)行我國標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50429—2007）^[24]得到的計算結(jié)果偏于保守的問題，為工程設(shè)計以及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)的修訂與編制提供了技術(shù)支持。

2021年，課題組完成了30根7A04-T6高強鋁合金箱形截面柱和11根圓形截面柱的軸壓整體穩(wěn)定性能試驗，試件截面尺寸為S80mm×80mm×5mm、S120mm×120mm×10mm、R100mm×70mm×8mm、R100mm×50mm×6mm、R60mm×30mm×3mm、C165mm×7.5mm和C165mm×15mm，長細比范圍為15~90。試驗時典型試件的照片如圖7b）、c）所示，試件發(fā)生了整體彎曲失穩(wěn)和局部-整體相關(guān)失穩(wěn)。

2.3 高強鋁合金構(gòu)件軸壓局部穩(wěn)定性能

鑒于有關(guān)7×××系高強鋁合金軸壓構(gòu)件局部穩(wěn)定性能的研究幾乎為空白，因此課題組完成了系列構(gòu)件的軸壓局部穩(wěn)定性能試驗，包括7根7075-T6高強鋁合金工字形截面短柱（圖8a））、15根7A04-T6高強鋁合金箱形截面短柱（圖8b））和5根7A04-T6高強鋁合金圓形截面短柱（圖8c））。其中工字形截面短柱的軸向荷載-軸向位移曲線如圖8a）所示，曲線上的點表示試件發(fā)生局部屈曲，試件編號中的H表示工字形，后面的數(shù)字依次表示翼緣寬厚比和腹板寬厚比。試驗結(jié)果表明：構(gòu)件的局部幾何初始缺陷很小，屬于高精級構(gòu)件；翼緣（腹板）寬厚比越大，極限應(yīng)力與材料屈服強度的比值越小，對材料強度的利用越不充分。

2.4 高強鋁合金構(gòu)件受彎性能

為了研究7A04-T6高強鋁合金構(gòu)件的受彎承載力、失效模式、變形和轉(zhuǎn)動能力，評估現(xiàn)行規(guī)范中受彎承載力計算方法的適用性并為后續(xù)的數(shù)值和理論分析奠定基礎(chǔ)，課題組完成了16根7A04-T6高強鋁合金箱形構(gòu)件的三點受彎（圖9a））和16根相應(yīng)試件的四點受彎試驗（圖9b）），試件的截面尺寸與軸壓試件的截面尺寸相同。其中箱形截面試件（100mm×70mm×8mm）強軸和弱軸的三點受彎的跨中彎矩-端部轉(zhuǎn)角曲線如圖9a）所示，試件編號中的W和S分別表示弱軸和強軸，A和B表示兩個相同的試件。試驗結(jié)果表明：試件的跨中彎矩達到了全截面塑性抗彎承載力，撓度為L/20左右，其中L為試件的計算長度。

2.5 高強鋁合金構(gòu)件壓彎性能

實際結(jié)構(gòu)工程中的角柱和邊柱常處于壓彎復(fù)合受力狀態(tài)，受力機理不同于軸壓和純彎受力狀態(tài)下的受力機理。為了研究高強鋁合金構(gòu)件的壓彎承載性能，課題組正在進行7A04-T6高強鋁合金構(gòu)件的壓彎性能試驗，包括20根箱形截面試件和8根圓形截面試件，偏心距為截面高度的0.25倍，試件截面尺寸與軸壓構(gòu)件的截面尺寸相同，長細比范圍為45~90，試驗時典型試件的照片如圖10所示，試件均發(fā)生了整體彎曲失穩(wěn)。

2.6 高強鋁合金構(gòu)件焊接性能

對于鋁合金結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)焊接工藝主要為熔化極惰性氣體（metal inert gas，MIG）保護焊和鎢極惰性氣體（tungsten inert gas，TIG）保護焊。但由于鋁合金具有熔點低、導(dǎo)熱和熱膨脹系數(shù)大、表面易形成氧化膜等特點，熔化焊接性能較差^[24]。攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）是英國焊接研究所提出的一種高效、低耗、低成本的新型固相連接技術(shù)^[26]。FSW主要利用高速運轉(zhuǎn)的攪拌頭與焊件之間發(fā)生劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱量，使達到塑性狀態(tài)后的待焊板件發(fā)生塑性流動而連接在一起；與熔化焊接技術(shù)相比，F(xiàn)SW具有較明顯的技術(shù)、成本和環(huán)保優(yōu)勢^[26]。FSW的攪拌頭構(gòu)造和焊接流程如圖11所示。

雖然FSW已被較為廣泛地應(yīng)用于航空、汽車、船舶、高鐵等領(lǐng)域，眾多學(xué)者也對這些領(lǐng)域中常用的2×××系和5×××系鋁合金焊接結(jié)構(gòu)展開了較為充分的研究，但針對適用于土木工程領(lǐng)域T6狀態(tài)的6×××系和7×××系攪拌摩擦焊接鋁合金的研究較為有限?，F(xiàn)有研究主要集中在確定攪拌頭形狀和幾何參數(shù)的條件下，重點考察旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩下壓量等工藝參數(shù)對焊接接頭微觀組織、裂紋擴展、顯微硬度和靜載強度的影響。針對T6狀態(tài)的7075和7A04高強鋁合金的攪拌摩擦焊接頭性能的研究較少，主要研究結(jié)果如表4所示。T6狀態(tài)的7075和7A04高強鋁合金接頭的焊接熱影響區(qū)的強度為母材強度的0.78~0.95倍和0.80~0.85倍，體現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)用于結(jié)

3 結(jié)論與展望

（1）大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、大跨橋梁、復(fù)雜格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)中采用高強鋁合金構(gòu)件，可以減小構(gòu)件截面尺寸，便于節(jié)點設(shè)計，并可解決大截面構(gòu)件受制于擠壓設(shè)備噸位和混合節(jié)點防腐不易處理等技術(shù)難題。

（2）高強鋁合金對常年處于腐蝕性環(huán)境下的重要結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件、海港構(gòu)筑物、海上風(fēng)電平臺以及偏遠地區(qū)電力搶修塔、國防工程、自然災(zāi)害或突發(fā)性公共衛(wèi)生事件發(fā)生時需臨時搶建的建筑物來說，都是理想的結(jié)構(gòu)材料。

（3）有關(guān)高強鋁合金的研究主要集中于材料力學(xué)性能方面，對于其構(gòu)件穩(wěn)定性能的研究尚處于初步階段；清華大學(xué)金屬結(jié)構(gòu)課題組開展了系列高強鋁合金材料力學(xué)性能，構(gòu)件軸壓、偏壓、抗彎整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定承載性能試驗研究，以期推動高強鋁合金的工程應(yīng)用。

（4）相比于傳統(tǒng)熔化焊，攪拌摩擦焊具有較明顯的技術(shù)、成本和環(huán)保優(yōu)勢，能夠較好地解決實際工程應(yīng)用中需要通過焊接方式形成大截面或特殊截面構(gòu)件的問題。

本文轉(zhuǎn)載于鋁高 端制造