《中国制造2025》指明中国装备制造的发展方向,针对汽车零部件先进成形与节能环保提出轻量化要求,意味着对其结构与工艺的重新设计,其中发展轻质高强新材料是一个重要的研究课题。本文在此背景下,围绕商用车关键部件的轻量化,从材料研发着手,结合工艺及结构优化进行全流程设计及研究。针对变形铝合金开展新材料的研发,以高强优塑为目标制备Al-Mg-Si-Sc-Zr合金,研究Sc/Zr元素在铝合金中的存在态及其在塑性变形和热处理过程中的演变,探讨合金的力学性能与其热处理、成形工艺和结构的相互影响关系。取得的研究结果如下:1、研究Al3(Sc,Zr)初生相形态,大小和分布,重点研究变形状态下Al3(Sc,Zr)第二相的析出情况及其对合金力学性能的影响。结果表明,初生Al3(Sc,Zr)颗粒在合金凝固过程中可作为α-Al基体的异相形核位点,形成细小的等轴晶组织;Al3(Sc,Zr)沉淀相强烈阻碍了位错的运动和晶界的迁移导致显著的亚晶界强化和沉淀强化效应。2、在揭示Al3(Sc,Zr)在合金中的微观演变规律的基础上调整合金成分,进行不同变形程度的轧制,以最大化的Al3(Sc,Zr)第二相析出为目的研究合金高温时效工艺,重点研究了合金性能的量化提升。结果表明,析出强化随变形量的增加而增加,冷轧对Al-Sc(Zr)的析出动力学过程有显著的促进作用;对比160℃、180℃、200℃下的微观组织和力学性能,探讨适合的低温时效温度和保温时间以实现Mg2Si相沉淀强化。结果表明,低温时效温度为200℃时,合金的屈服强度为383.41 MPa,抗拉强度为460.35 MPa,延伸率为16.25%。由此制备了适合商用车轮毂用的Al-Mg-Si-Sc-Zr锻造合金并掌握了其时效工艺。3、研究了基于Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的商用车轮毂锻造成形工艺。开展热模拟试验探讨该合金的热变形塑性行为,获得其热加工图,基于Prasad准则确定了Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的两个最佳加工区域(变形温度500-540℃、应变速率0.05-1 s-1和变形温度440-470℃、应变速率0.01-0.02 s-1)以及加工失稳区域。在此基础上设计了成形工艺并对该工艺进行数值模拟分析,以应力应变的分析反馈工艺设计,确定了适合的工艺参数并进行优化。4、开展了动态弯曲疲劳试验和径向疲劳模拟试验研究,在安全参数的范围下对Al-Mg-Si-Sc-Zr合金轮毂进行了结构优化。根据模拟试验结果选定优化参数,对轮辋厚度、轮缘厚度和通风孔内直径进行参数优化,使得轮毂减重5.1%。进一步通过响应面优化中的敏感度图分析了三个设计变量对状态变量的影响因子大小和影响效果,通过减小部分结构尺寸实现材料性能的充分利用,使轮毂总共减重达到7%,安全系数达到2.4。从而,为商用车的轮毂轻量化设计从材料研发、结构与工艺优化建立了理论和试验参考,实现了商用车轮毂的全流程轻量化,为发展新型铝合金在汽车零部件方面的应用奠定了设计与制造基础。