1 引言

随着高机动性先进飞行器的快速发展,其内部整体构件不同位置的受力条件差异越来越大,导致应力分布不均衡,从而缩短了整个构件的服役寿命^[1]。依据服役条件设计符合要求的梯度材料,使其内部应力变化更平缓,可延长构件的使用寿命^[2]。梯度材料的传统制备方法主要包括热喷涂^[3]、气相沉积^[4]、粉末冶金^[5]、铸造^[6]和自蔓延高温合成^[7],但这些工艺具有一定的局限性,只能制备种类单一、形状简单、尺寸有限的梯度材料^[8]。激光直接沉积技术是通过高能激光熔化金属粉末使其在基板上逐层沉积来成形构件的,适合制备大尺寸、高性能及形状复杂的梯度材料^[9-11]。目前,人们已采用该技术成功实现了异种钛合金^[12]、钛合金/镍基合金^[13]、镍基合金/高强度钢^[14]、金属基复合材料^[15]等组织和性能差异较大的梯度材料的制备。

TA2钛合金具有优异的延展性以及较低的强度,且冲压性能优良,易于加工;TA15钛合金具有较高的强度^[16]。激光直接沉积制备的TA2/TA15梯度材料可用作高温与复杂应力环境下承受弯曲变形的关键结构件,如飞机隔框和壁板^[17]。目前,国内外针对激光直接沉积制备TA2/TA15梯度材料的研究主要集中在其拉伸性能及疲劳性能等方面。Liang等^[18]研究了TA2/TA15梯度区的力学性能,结果发现,梯度区的拉伸强度高于TA2低于TA15;他们还对梯度区的断裂失效机制进行了分析,结果发现裂纹均产生于TA2,并且梯度区材料的延伸率主要取决于TA15和TA2的界面结合强度以及TA2的晶粒尺寸。Zhan等^[19]研究了激光沉积制备的新型TA2/TA15钛合金的疲劳行为,并对TA2/TA15试样进行了单轴拉伸和疲劳试验,试验结果表明,TA2/TA15梯度区的杨氏模量、屈服应力和疲劳极限介于TA2和TA15之间。

由于梯度材料过渡区的成分及组织均存在差异,因此,弄清梯度材料在梯度过渡区不同位置的变形行为,对衡量材料的总体力学性能及梯度过渡区合金成分优化具有重要意义。目前,梯度材料弯曲性能的研究主要是通过三点弯曲试验与有限元模拟相结合的方式进行的。Roumina等^[20]采用有限元模拟研究了梯度钢以及均质马氏体钢在弯曲载荷下的变形行为,结果发现,梯度钢较均质马氏体钢的弯曲率更小,表现出了优异的弯曲性能。Seifoori等^[21]通过有限元模拟与试验相结合的方式研究了玻璃纤维增强聚合物和碳纤维增强聚合物的弯曲行为,模拟了不同位移载荷下构件内部的应力分布,研究结果表明,三点弯曲试验结果与有限元模拟结果的拟合误差小于6%。Li等^[22]通过有限元模拟和试验对镁合金三点弯曲性能进行了深入研究,分析了镁合金在弯曲过程中的应变分布以及中性层位移的模拟和试验结果。

本文选取用于框梁结构的激光直接沉积TA2/TA15梯度材料作为研究对象,研究了它的显微组织演变;同时,本文采用室温三点弯曲试验与有限元模拟相结合的方法,分析了不同过渡层在承受弯曲载荷时的变形行为和应力-应变分布,以便更好地解释弯曲过程中梯度材料过渡层的作用。

2 试验方法

2.1 多道多层沉积试验

本文采用激光直接沉积技术制备TA2/TA15梯度材料。TA2、TA15合金的成分如表1所示。

沉积试验使用的激光直接沉积系统包括GS-TFL-8000 CO₂激光发射器、同轴送粉喷嘴和BSF-2送粉器。沉积过程中采用氩气作为保护气体,其氧含量低于5×10^-5(体积分数)。

多道多层沉积试验示意图如图1(a)所示。先在基板上沉积TA15粉末,然后混合不同比例的TA2和TA15粉末,沉积不同成分的过渡层,使每一过渡层中的Al含量(质量分数,下同)按照6%、2.5%、1.5%依次递减,然后再沉积Al含量为0%的TA2粉末,最后再混合不同比例的TA2和TA15粉末,沉积不同成分的过渡层,使每一过渡层中的Al含量按照2.5%、4%、6%依次递增,最终均为Al含量为6%的TA15。工艺参数如下:激光功率为6~7 kW,光斑直径为8~10 mm,激光扫描速率为500~600 mm/min,送粉率为20 g/min。

图 1. 激光直接沉积过程示意图以及三点弯曲试验取样示意图。(a)多道多层沉积示意图;(b)三点弯曲试验取样位置示意图

Fig. 1. Schematic of laser direct deposition process and sampling diagram for three-point bending experiment. (a) Schematic of multi-channel and multi-layer deposition; (b) sampling diagram for three-point bending experiment

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2.2 显微组织分析与显微硬度测试

采用线切割工艺在试样过渡区切取一定尺寸的块状样品,将其热镶成直径分别为22 mm和30 mm的圆形块状试样,然后用60#、120#、240#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸研磨试样表面,再用抛光液(由Fe₂O₃和Cr₂O₃按3∶1的质量比混合而成的悬浮液)进行机械抛光,最后用腐蚀液(由HF、HNO₃和H₂O按1∶6∶43的体积比混合而成)进行腐蚀。腐蚀结束后,采用莱卡DM4000光学显微镜(OM)、JCM-6000Plus扫描电镜(SEM)、Cam Scan 3400扫描电镜(SEM)表征所有试样的微观组织。

采用FM800型显微维氏硬度计测量所有试样的显微硬度,多次测量取平均值,测试条件如下:加载载荷为0.294 N,加载时间为10 s。具体操作如下:从梯度区一侧开始,设定不同的排间距(非梯度区的排间距大,梯度区的排间距小),每排测量3个点。

2.3 室温弯曲性能测试

在图1(b)所示的试样中取三点弯曲试样数根,试样尺寸为3 mm×3 mm×35 mm,表面粗糙度R_a≤0.8 μm。在室温环境下参考试验标准进行两端简支的三点弯曲试验。采用SANS电子万能试验机(50 kN)进行位移控制方式的加载,加载速度为1 mm/min,试验中的加载头和支座半径均为2 mm,跨距为30 mm。

在梯度过渡区,合金成分由TA15变为TA2,由于合金中的V、Zr、Mo等元素含量较少且波动幅度较大,故选择Al元素含量标记试样种类。试样取样方式如图1(b)所示,在TA15区域内取的样品记作TA15;在梯度区内从上至下依次取样,试样分别记作GZ-1、GZ-2、GZ-3。

2.4 三点弯曲试验的有限元模拟

根据三点弯曲试样的尺寸以及试验所用压辊、支辊的尺寸建立有限元几何模型。三点弯曲试样长35 mm,宽3 mm,沿沉积方向高3 mm,压辊和支辊半径均为2 mm。压辊的位置在试样长度方向的中心处,两支辊关于试样长度方向的中心呈面对称,间距为30 mm,压辊和支辊分别位于试样高度方向的两侧,与试验中的情况完全一致。压辊和支辊简化为解析刚体,即简化为半径为2 mm的圆柱形解析刚体单元。试样为3D拉伸实体模型,选用C3D8R计算单元对试样进行网格划分,网格总数为2520,如图2所示(RP为参考点)。

图 2. 有限元模拟三点弯曲试验的几何模型及网格划分

Fig. 2. Geometric model and meshing of three-point bending experiment in finite element simulation

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对压辊和支辊施加约束,对支辊施加固支约束。将在压辊上施加的载荷设为位移载荷,参考试验中的真实进给量设定位移载荷,同时完全限制另外两个方向的移动自由度和三个旋转自由度。压辊与试样之间的约束以及支辊与试样之间的接触约束均设定为面接触约束,即可以发生相互滑动但不能相互穿透,与试验情况一致。在赋予材料属性时,为简化模型,将试样沿沉积方向划分为三层,每层厚度均为1 mm,按照成分测试结果和室温拉伸试验获得的应力-应变曲线赋予对应的材料参数。沉积态TA2、沉积态TA15以及TA2/TA15梯度材料的室温拉伸性能如表2所示。

选取TA2、TA15以及Al质量分数为1.5%、2.5%、4%的TA2/TA15梯度材料作为代表成分,赋予模型相应的材料属性。参考实际的三点弯曲试样进行建模,TA15模型对应TA15试样,其材料均为TA15;GZ-1模型对应GZ-1试样,此模型上两层为TA15材料,下层是Al质量分数为4%的TA2/TA15梯度材料(抗拉强度为862 MPa);GZ-2模型对应GZ-2试样,此模型上层是Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料(抗拉强度为735 MPa),下两层为TA2材料(抗拉强度为490 MPa);GZ-3模型对应GZ-3试样,此模型上层是Al质量分数为1.5%的TA2/TA15梯度材料(抗拉强度为653 MPa)和Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料(抗拉强度为735 MPa),下层为TA15材料(抗拉强度为1014 MPa)。

3 分析与讨论

3.1 梯度材料的显微组织

图3和图4为激光直接沉积TA2/TA15梯度材料中TA15合金和TA2合金区域的微观组织图。

图3(a)为TA15区域的显微组织,可以观察到α板条纵横交错形成α+β网篮组织。TA2区域的显微组织如图3(b)所示,α相没有规则的形状,且存在极少量β相,这是由沉积过程中新沉积层熔化部分前层材料造成的。这与Qian等^[8]观察到的TA2/TA15的显微组织略有差异。

图 3. TA2/TA15梯度材料中TA15和TA2合金区域的OM和SEM图。(a) TA15;(b) TA2

Fig. 3. OM and SEM images of TA15 and TA2 zones of TA2/TA15 gradient materials. (a) TA15; (b) TA2

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图4(a)~(d)为梯度材料过渡区的组织。图4(a)为过渡区的宏观组织,可以明显看到过渡区分为3层;图4(b)~(d)分别对应着过渡区的三层,此过渡区的下部为TA15,上部为TA2。图4(b)中的显微组织依旧为网篮状,较TA15网篮组织中板条的α片层的平均宽度增大,且α板条的长宽比明显降低(长度约在10 μm以内),部分残余的β相呈点状,沿直线断续分布。在图4(c)中可观察到明显的马氏体板条,板条呈典型的V字形,长度约为100 μm,马氏体周围分布细长的α板条(这可能是由于增材制造过程的冷速较快,所以形成了马氏体^[23]),马氏体的形貌随着过渡区组织的成分而变化。在后续沉积过程中,马氏体由于受到热影响而发生分解,形成了集束状α组织^[24],如图4(d)所示。该过渡区中的β相多数呈点状或者细线状分布,α板条的边界难以分辨,在右上角的SEM图中可以明显看到β相呈河流状分布,α片层宽度较大。在后续沉积的TA2区域中可以观察到团状 α相以及极少量的 β 相,如图3(b)所示。对于钛合金梯度材料,人们常用Al当量和Mo当量解释其微观组织的演变^[25]。Liang等^[18]研究发现,Mo当量的降低会增大α片层的宽度。

图 4. TA2/TA15梯度材料过渡区的OM和SEM图。(a)过渡区的宏观组织;(b)(c)(d)不同过渡区的微观组织

Fig. 4. OM and SEM images of transition zone of TA2/TA15 gradient material. (a) Macrostructure image of transition zone; (b)(c)(d) microstructures of different transition zones

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3.2 显微硬度

图5为激光直接沉积TA2/TA15梯度材料的显微硬度。从图中可以明显看到显微硬度随着铝元素的增加而增加:TA2区的显微硬度为(177±13.3) HV;Al质量分数为1.5%的TA2/TA15梯度材料的显微硬度为(217±25.2) HV,较TA2有小幅提高;Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料的显微硬度较Al质量分数为1.5%的TA2/TA15梯度材料略微增加;Al质量分数为4%的TA2/TA15梯度材料的显微硬度较Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料大幅提高;TA15区的显微硬度最高,为(358±8.7) HV。

图 5. 铝含量不同的TA2/TA15梯度材料的显微硬度

Fig. 5. Microhardness of TA2/TA15 gradient materials with different Al contents

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TA2/TA15的显微硬度由(177±13.3) HV增大到(358±8.7) HV的原因主要有两方面:1)固溶强化使TA15中的合金元素种类较TA2中的更多,导致晶格畸变增大,抗变形能力增强;2)β相体积分数增加和α相体积分数减少使得α/β相界面增加,这与Qian等^[8]和Liang等^[18]得到的TA2/TA15过渡区的显微硬度结果一致。

3.3 三点弯曲试验的结果

三点弯曲试样的宏观变形图如图6(a)所示,可以明显看到TA15试样在小变形下即发生了断裂,而GZ-2的变形程度最大且未发生断裂。

弯曲试样的位移-载荷曲线如图6(b)所示,由图可知:所有试样的位移-载荷曲线均存在三个阶段;在弹性阶段,TA15试样所受弯曲力最大,为1292 N,然后依次为GZ-1、GZ-3、GZ-2试样。材料在塑性阶段的屈服点受其显微组织和合金成分的影响。

由图6(d)可以明显看出,TA15的位移在所有试样中是最小的,GZ-2的位移最大并且是TA15的3倍。TA15在高载荷下才开始变形,但其塑性较差,在较小的变形量下就断裂。梯度区试样GZ-2在低载荷下便发生弯曲,并且弯曲的程度最大,因为GZ-2试样底层材料为TA2,TA2合金的强度低但塑性好^[17]。

图6(c)给出了所有试样的平均抗弯强度,由图可知TA15的抗弯强度为2156 MPa,梯度试样的抗弯强度范围为964~1733 MPa。GZ-1试样仅包含小部分梯度区域,过渡层中Al的质量分数分别为6%和4%,故其抗弯强度低于TA15试样。GZ-2试样大部分区域为TA2材料,过渡层中Al的质量分数分别为2.5%和0,TA2材料的强度低于TA15合金但塑性明显优于TA15合金,故其抗弯强度最低,在整个加载过程中可以发生较大变形而不易断裂失效。GZ-3试样涵盖了大部分梯度区,过渡层中Al的质量分数分别为1.5%、2.5%、6%,并且微观组织形貌差异较大。在承受载荷过程中,该试样内部组织的变形协调复杂多样,最终在较大变形下发生断裂失效。

研究发现:成分越接近TA15的试样,其抗弯强度越高,但变形程度较低;成分越接近TA2的试样,其抗弯强度越低,塑性及变形程度越大;梯度过渡区试样的性能介于上述两者之间,抗弯性能及变形程度均居中,可协调塑性需求。

图 6. 三点弯曲试验结果。(a)试样的宏观变形图;(b)试样的载荷-位移曲线;(c)试样的抗弯强度;(d)试样弯曲失效的位移

Fig. 6. Experimental result of three-point bending. (a) Macroscopic deformation of samples; (b) load-displacement curves of samples; (c) bending strength of specimens; (d) displacement of samples in bending failure

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对弯曲测试失效后的试样表面进行观察,结果如图7所示。图7(a)为TA15试样的失效表面。该试样顶部受压应力作用,试样中部为近中性层,裂纹从试样底端萌生后一直扩展至试样中部;试样底部受拉应力,从图7(b)中可以看到在拉应力作用下试样表面产生了大量的微小裂纹,表面微小裂纹从底部萌生并垂直于拉应力向上扩展,各微小裂纹近似平行分布。

图 7. 试样弯曲失效的SEM图。(a)(b) TA15试样;(c) GZ-1试样;(d) GZ-2试样

Fig. 7. SEM images of samples after failure during bending experiment. (a)(b) TA15 sample; (c) GZ-1 sample; (d) GZ-2 sample

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GZ-1试样的失效表面与TA15试样失效表面大致相似,如图7(c)所示,裂纹同样在试样底端萌生后一直扩展至试样中部,并在扩展过程中出现二次裂纹,而且二次裂纹的方向发生了变化,最终裂纹终止于试样中上部。

GZ-2试样的三点弯曲失效试样表面如图7(d)所示,该试样的变形程度较大但并未断裂,试样表面可以观察到随变形产生的带状条纹及底部的微小裂纹,但在试样底部并未萌生垂直于拉应力方向的大裂纹,只是在试样中下部发现了微裂纹。

裂纹扩展路径的曲折度与显微组织密切相关^[26-27]。GZ-3试样的裂纹扩展路径如图8所示,可以观察到图8(a)中裂纹扩展路径的曲折度比图8(b)中的大。GZ-3试样的组织和成分变化较大,并且其裂纹扩展状况也比较复杂。图8(a)是裂纹扩展路径的底部位置,能明显观察到α片层在应力作用下发生了微变形,并且裂纹扩展路径曲折,由于该区域α片层的宽度较大并呈集束状分布,导致裂纹扩展穿过集束状α片层需要很高的能量^[28],因此裂纹扩展路径的曲折度大。图8(b)是裂纹扩展路径的开始位置,该位置处网篮组织的长宽比小,并且α片层的厚度较小,裂纹穿过片层消耗的能量低,故裂纹扩展路径较为平缓。

图 8. GZ-3试样中裂纹的扩展路径图。(a)裂纹扩展路径的底部位置;(b)裂纹扩展路径的开始位置

Fig. 8. Images of crack propagation path of GZ-3 sample. (a) Bottom of crack propagation path; (b) beginning position of crack propagation path

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3.4 有限元模拟结果

对于三点弯曲测试,试样开始变形时,顶部受压应力作用,底部受拉应力作用。载荷直接作用位置(即试样在x方向上的中心)处的应力较大,而试样两侧的应力较小。本文选取x方向最大真实应变为0.005、0.05、0.1的梯度材料的有限元模拟应力分布进行分析。

由图9(a)可以看出:随着应变增大,TA15模型的应力场逐渐增大,并且应变为0.05时TA15模型底部开始出现裂纹,此时的拉应力超过了TA15的抗拉强度(灰色区域);随着应变继续增大,裂纹继续扩展,可以明显看到最大应变为0.1时的裂纹扩展区域增大,最终将导致试样断裂失效。当合金成分从TA15过渡到TA2时,材料的弹性模量和屈服强度均下降^[17]。

图9(b)中GZ-1模型底部Al的质量分数为4%,中下部在应变为0.05时的拉应力超过了底部材料的抗拉强度,因而出现了微裂纹(灰色区域)。随着应变增大,应力场逐渐增大,当最大应变为0.1时,裂纹扩展区域增加。

如图9(c)所示,GZ-2模型在所有模型中的应力水平最低。该模型顶层是Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料,中间层和底层为TA2,TA2的弹性模量和屈服强度较小,在较低拉应力水平下该试样就开始屈服变形,顶层梯度材料受压产生较大的压应变,底层TA2出现拉应力集中;应变增大到0.1时发现裂纹开始萌生,并且之后应变增大试样也不会失效,这是由于TA2的塑性优异,起到了改善应力分布的作用。

图9(d)所示的是GZ-3模型的应力场分布,该模型的顶层是Al质量分数为1.5%的TA2/TA15梯度材料,中层是Al质量分数为2.5%的TA2/TA15梯度材料,底层是TA15材料。GZ-3的塑性优于TA15,因此该模型整个区域的拉应力水平均低于图9(a)所示的TA15模型,最大应变为0.05时顶部和中部的梯度材料起到了调控应力的作用。

图 9. x方向上最大真实应变为0.005、0.05、0.1时有限元模拟梯度材料的应力场分布图。(a) TA15模型;(b) GZ-1模型;(c) GZ-2模型;(d) GZ-3模型

Fig. 9. Stress field distribution diagrams of gradient materials obtained by finite element simulation when the maximum true strain in x direction is 0.005, 0.05, and 0.1. (a) TA15 model; (b) GZ-1 model; (c) GZ-2 model; (d) GZ-3 model

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图10为梯度材料在不同外加载荷下的应力分布。从图10中可以明显看出,随着外加载荷增大,梯度材料底部和顶部的应力均增大,且底部增大的幅度远大于顶部。由图10(a)可以明显看出,随着外加载荷增大,TA15底部的应力逐渐增加,在外加载荷为600 N时TA15并未明显变形。从图10(b)中可看出,在外加载荷为600 N时,GZ-1的应力场明显弱于TA15,这是因为其底部是Al质量分数为4%的梯度材料,该材料改善了应力分布。由图10(c)可以发现,TA2在外加载荷为600 N时已经失效,其在载荷为200 N和400 N时的位移图如图6(b)所示,其应力是所有材料中最小的,这是由于TA2的抗弯强度较弱但塑性优异。由图10(d)可知,在外加载荷为400 N和600 N时,GZ-3顶部和底部的应力均弱于TA15,这是由于该试样顶部的过渡层改善了应力分布。

图 10. 外加载荷分别为200,400,600 N时有限元模拟梯度材料的应力场分布图。(a) TA15模型;(b) GZ-1模型;(c) GZ-2模型;(d) GZ-3模型

Fig. 10. Stress field distribution of gradient materials obtained by finite element simulation when the load is 200 N, 400 N, and 600 N. (a) TA15 model; (b) GZ-1 model; (c) GZ-2 model; (d) GZ-3 model

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3.5 三点弯曲试验与有限元模拟

图11为三点弯曲试验与有限元模拟得到的TA15试样的载荷-位移曲线,可以看出,有限元模拟和三点弯曲试验得到的载荷-位移曲线在弹性阶段吻合得较好,而塑性阶段两者出现了一定偏差。在塑性阶段,材料的性能与微观组织密切相关,而有限元无法模拟材料的微观组织,因此塑性阶段的模拟存在一定偏差。图6中不同梯度材料的失效位移不同,这与微观组织密切相关。材料失效后的裂纹扩展路径与不同梯度材料的微观组织密切相关,其中TA15、GZ-1、GZ-3失效后出现了长裂纹, 而GZ-2失效后仅出现了微裂纹,并未发生断裂。这些裂纹均是在载荷作用下产生的,而有限元模拟可以得到不同模型材料在弯曲过程中的应力场分布,为材料的弯曲变形分析提供更多的理论依据。通过有限元模拟得到的不同载荷下材料的应力分布如图10所示,其中TA2的应力值在所有模型中是最小的,但其在外加载荷为600 N时便已失效。图9所示为最大真实应变为0.005、0.05、0.1时有限元模拟梯度材料的应力分布图,其中GZ-3模型中含有三个不同Al含量的过渡层,通过应力分布不仅可以看到过渡区应力的变化,并且对比应力分布可以具体分析材料的失效过程。因此,将有限元模拟与三点弯曲试验相结合不仅可以从微观组织角度上分析材料失效的原因,也可以得到失效时的应力分布,为合理调控成分提供参考。

图 11. 三点弯曲试验与有限元模拟得到的TA15试样的载荷-位移曲线

Fig. 11. Load-displacement curves of TA15 sample obtained by three-point bending test and finite element simulation

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4 结论

TA2/TA15梯度材料由底部TA15向TA2过渡时,微观组织由网篮α+β相逐渐向单相α相过渡,β相的含量逐渐减少。梯度区的显微硬度和抗弯强度均随Al含量的增加而增大,显微硬度由(177±13.3) HV(TA2)增大到(358±8.7) HV(TA15),抗弯强度由964 MPa逐渐增大至2156 MPa。

应力场的有限元模拟结果表明,应力分布与合金成分密切相关。相比TA15试样,梯度材料平衡了强度与塑性,其组织与成分的均匀过渡降低了梯度材料受力过程的应力集中。GZ-3的综合性能最优。

TA2/TA15材料的抗弯强度与其微观组织及Al元素含量密切相关,Al元素含量影响着材料的微观组织,而微观组织又影响弯曲过程中裂纹的萌生及扩展。因此,Al元素含量影响着材料的应力分布。合理调控Al元素含量分布不仅可以提高材料的综合性能,更能使其在弯曲变形过程中发挥重要作用。