铝合金(非常经典).ppt

第二章铝及其合金,第一节工业纯铝、合金化及铝合金的分类、牌号和状态符号一、工业纯铝1、物性熔点660.24；密度2.7103kg/m3；弹性模量（E）72000MPa面心立方晶格a=0.4049nm；原子直径0.286nm相对电导率62IACS（InternationalAnnealedCopperStandard）电阻率2.6610-8m(欧姆米)(99.9%Al)；顺磁性（磁化率215）；,2、力性,纯铝进行6080冷变形，b虽然能达到150180MPa，但已降低到11.5%，变脆,3、化学性能,铝的化学活泼性极高，标准电极电位（1.67伏）。铝在空气中表面生成510nm厚的Al2O3保护膜，在大气中耐蚀。在浓硝酸中有极高的稳定性，与有机酸及食品几乎不反应。在硫酸、盐酸、碱、盐中不稳定。,4、特点,质量轻优秀的导电、传热和塑性变形性能在大气中有良好的耐蚀性强度低不适于作结构材料,二、铝的合金化,合金化原理主要固溶强化和时效强化固溶强化：元素溶解度大，与Al原子直径差大，例如Mg和Mn时效强化：所加元素或形成的中间相，高温时在Al中有较大的溶解度，随温度降低溶解度急剧变小。常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li。,各种元素在铝中的极限溶解度,铝合金中常见元素的原子直径（原子间最紧密距离）,铝合金常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li。,在合金中可能形成：CuAl2SAl2CuMgMgZn2TAl2Mg3Zn3Mg2SiAlLiMg2Al3铝中的主要杂质：Fe、Si为了改善合金的塑性和抗蚀性，合金中常加入Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等微量元素。,三、分类、牌号和状态符号,(1)我国铝及其合金过去的分类和牌号：采用汉语拼音加阿拉伯数字表示纯铝：LG工业高纯铝；L工业纯铝变形铝合金分类及牌号:（L）（类）（序号）（状态）,纯铝,国产变形铝合金分五大类，常见只有四大类,(2)美国变形铝合金牌号及状态,牌号：用四位阿拉伯数字表示第一位数表示合金系（即加入最多的那种元素）第二位数表示原始合金或改进合金，0为原始合金，改进合金依次为1、2、3等最后两位数表示具体合金牌号，对于纯铝表示小数点后两位铝含量（114599.45Al，120099.00Al）,目前我国变形铝合金牌号,表示方法基本与美国相同,不同之处在于第二位不用阿拉伯数字,而是用英文字母：例如：7A04、7B04,状态：,F加工态（热轧、挤压）,不控制应变硬化量O退火再结晶状态，强度最低、塑性最高W固溶处理正在自然时效过程（不稳定）H冷作硬化状态T热处理状态,应变硬化状态：,H1应变硬化。H2应变硬化加不完全退火。H3应变硬化稳定处理。H112加工过程的应变硬化（不控制应变量）。H321加工过程的应变硬化（控制应变量）。H116特殊应变硬化。,热处理状态：,在T后附有一位或多位数。对于T状态，列出了在两次操作之间或操作之后的室温下可能发生自然时效时间。如果这段时间在冶金学上有重要意义的话，就应对这段时间加以控制。数字110表示处理的具体程序。,T1从高温成形过程冷却和自然时效至基本稳定的状态T2从高温成形过程冷却，然后冷加工和自然时效至基本稳定的状态T3固溶处理、冷加工和自然时效至基本稳定的状态T4固溶处理，自然时效到基本稳定的状态T5从高温成形过程冷却，然后进行人工时效的状态T6固溶处理，人工时效到强度最高的状态T7固溶处理，人工时效到过时效状态（稳定化处理的状态）T8固溶处理后冷加工，然后进行人工时效的状态T9固溶处理、人工时效、然后冷加工的状态T10从高温成形工序冷却，然后冷加工并进行人工时效的状态TX51通过拉伸消除应力的状态TX52通过压缩消除应力的状态TX54通过拉伸和压缩相结合的方法消除应力的状态,第二节变形铝合金,简单地说：硬铝综合机械性能好（不耐蚀）超硬铝室温强度最高锻铝热塑性好防锈铝耐蚀性好，易成形，焊接性好（强度低）,一、硬铝,1、一般特点较好的综合机械性能b42060MPa，0.2280300MPa，1517。耐蚀性低有晶间腐蚀现象，应力腐蚀（SCC）倾向小。焊接性不好主要用于以铆钉、螺栓、点焊为连接手段的结构中。可热处理强化,AlZnMg合金相图,2、硬铝的组织,在AlCuMg三元系合金相图铝角附近，按Mg含量增加，依次可能出现以下四个相：,：CuAl2正方晶格S：Al2CuMg斜方晶格T：Mg32（CuAl）49立方晶格(也称CuMg4Al6)：Mg2Al3面心立方,随Mg含量增加，相减少，S相增加Cu/Mg8,主要是相Cu/Mg84，主要是S相Cu/Mg41.5，主要是S相，S相中Cu/Mg2.61相析出序列的GP区和是圆片状S相析出序列的GP区和S是针状强化效果：ST耐热性：随温度升高，S相比软化的慢，S相高温强化效果好。,3、硬铝的合金化,成分范围：Cu：2.56.0，硬铝的主要成分Mg：0.42.8，主要作用生成S相Mn：0.41.0，消除Fe对抗蚀性的有害影响，抑制再结晶产生挤压效应，超过1产生（MnFe）Al结晶相有时加：Ti细化铸态晶粒Be提高氧化膜的致密性，防止Mg的烧损。,典型合金的化学成分：,LY12（相当2024）Al4.3Cu1.5Mg0.6MnLY11（相当2017）Al4.3Cu0.6Mg0.6MnLY2Al2.9Cu2.2Mg0.6Mn,4、硬铝的热处理,除生产工序中的热处理外，硬铝的主要热处理是淬火时效淬火：原则是在防止过烧、晶粒粗化、包铝层污染的前提下，尽可能采用较高的加热温度，以使强化相充分固溶，但硬铝的固溶温度范围窄，非常容易过烧。,时效：,除耐热硬铝LY2合金进行人工时效，大多数硬铝都是在自然时效状态下应用。硬铝自然时效状态下的抗蚀性（晶间腐蚀）优于人工时效状态。,硬铝合金易产生晶间腐蚀的原因：,含Cu的固溶体和Cu2Al相的电极电位都较高，当Cu2Al在晶界沉淀时，晶界附近出现含Cu较低的贫化带，该贫化带电极电位较低，在腐蚀介质中成为阳极，而含Cu较高的晶粒内部和析出相（Cu2Al）则为阴极。另外，晶界两侧的Cu贫化带很窄（面积小），阳极电流密度高，故遭到强烈腐蚀（即沿晶界腐蚀）。为了改善硬铝的抗蚀性，除合金化、热处理及其它措施（阳极化、涂漆）外，在板材表面包覆一层纯度大于99.5的纯铝。纯铝的电极电位低于基体，可起阳极保护作用。包铝层厚度一般占板材厚度的4，厚板可减至2。,典型合金的热处理,LY12：495WQ自然时效6天（b450MPa）或室温停3天19010h（b500MPa）不同合金自然时效硬化的能力和速度不同。,5、硬铝的性能和用途,按强度和用途分为：铆钉、中强、高强和耐热硬铝四大类铆钉硬铝：LY1、LY4、LY9、LY10，以线材供应。LY1（剪切强度196MPa）和LY10（剪切强度265MPa）自然时效状态工艺塑性良好，铆接时间不受限制。LY4（剪切强度286MPa）和LY9属于高强铆钉硬铝，在淬火后规定时间内铆接，LY4在26h内铆接，LY9在20min内铆接。中强硬铝：LY11：塑性好，以板、棒、型材应用于各种工业，在航空工业中主要用于模锻螺旋桨叶。高强硬铝：LY12：强度最高，应用最广，用于制造主要受力件。板材：飞机蒙皮、壁板。型材：飞机隔框、翼肋、长桁耐热硬铝：LY2：较好的高温性能，用于制造在较高温度（150250）下工作的构件，如航空发动机内的压气机叶片。,二、超硬铝（Al-Zn-Mg-Cu系合金）,超硬铝是在Al-Zn-Mg合金基础上加Cu发展起来的，它的强度超过硬铝，可达600700MPa，所以称超硬铝。第二次世界大战后，才开始大批生产和应用。调质的45钢：b780850MPa0.2450550MPa,1、Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金,特点：高的时效硬化能力；中等强度（b300450MPa）；优良的可焊性；好的热变形性和抗应力腐蚀性能；宽的固溶处理温度范围；低的淬火敏感性。,相组成：,工业上实际应用的Al-Zn-Mg合金成分范围处于：T和T相区当Zn含量不变时，随Mg含量增加合金中逐渐出现T相。T相：Al2Mg3Zn3，立方晶格，a1.4291.471nm。相：MgZn2，六方晶格，a0.521nm，c0.86nm。Zn/Mg14，主要是T相。Zn/Mg4，出现相。Zn/Mg67，完全有相组成。,时效序列：,无论合金是落在T还是相区，实际上时效析出序列均如下：球形GP区T是部分共格的过渡相，六方晶格，a0.496nm，c0.868nm。110以下主要是GP区110140主要是160200主要是270以上可出现T相,合金化：,ZnMg的总量约4.57.6（wt），Zn/Mg一般在23.8，（MgZn2中Zn/Mg5.38）通常加入的微量元素：Mn0.20.45，显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。Cr0.3，显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。Zr0.150.3细化晶粒，提高可焊性。Ti0.2，细化晶粒，提高可焊性。Cu0.25，显著提高SCR，降低可焊性。该合金不采用自然时效制度，其原因有二：Al-Zn-Mg系合金GP区长大速度缓慢，自然时效过程需数月才能达到稳定阶段。与人工时效比较，自然时效的抗应力腐蚀能力差。,2、Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝,四十年代初，人们发现在Al-Zn-Mg系合金中加入2Cu能改善合金的塑性和抗蚀能力，再加入少量的Cr等微量元素可强烈提高抗应力腐蚀性能，从此发展了Al-Zn-Mg-Cu合金，即超硬铝。,超硬铝的相组成：,在Al-Zn-Mg系合金中加入Cu，主要强化仍然是析出序列，但还可能出现S相（Al2CuMg）析出序列，当Cu含量大于2时，还可能出现（CuAl2）析出序列。通常认为在125150时效：Al-Zn-Mg-Cu系合金是在Al-Zn-Mg合金时效序列（GPT）的基础上，又出现了Al-Cu-Mg合金的沉淀过程（GPBSSS）,合金化：,Zn和Mg主要强化元素Cu也起强化作用，但主要还是提高SCR，极限溶解度2ZnMgCu一般在9.7513.5Mn、Cr、Zr、Ti的含量和作用与Al-Zn-Mg合金相似Fe和Si为杂质,典型合金LC4,LC4合金：Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.2Cr-0.4Mn（Fe和Si分别小于0.5）超硬铝的热处理：人工状态下使用。LC4合金：470WQ单级时效（T6）：12024h,强度高（b550MPa）、SCC敏感双级时效（T74）：1203h1603h，稍过时效，强度降低10，SCC不敏感,外的几国种典型合金发展方向：提高Zn和Cu、降低Fe和Si、以Zr代替Mn和Cr,超硬铝的特点和应用：,特点：强度最高；抗蚀性低（有SCC倾向）；焊接性不好；缺口敏感性强；耐热性比硬铝差。应用：可生产板材、型材及模锻件应用于飞机结构，如：翼梁、蒙皮、起落架、大梁。,三、锻铝Al-Mg-Si及Al-Mg-Si-Cu系）,1、Al-Mg-Si合金特点：突出的特点是有优良的热塑性，适于生产锻件。另外：中等强度，良好的耐蚀性和可焊性（没有SCC）易进行阳极氧化着色或上珐琅（Cu对阳极氧化不利）第一个工业Al-Mg-Si合金是美国1923年的专利（51S合金，0.6Mg，1Si）6063合金：0.68Mg，0.4Si，Cu、Cr、Mn、Ti均1.2）的Tc温度很高（190），在150160时效组织是由针状GP区或棒状相组成，很少出现PFZ，也不在位错形核或沉淀。,Al-Mg-Si合金的成分：,Mg2Si中MgSi1.73，通常MgSi8），合金变脆，产生SCC和剥落腐蚀。采用形变热处理解决,高Mg合金的缺点：,由MgO组成的氧化膜不致密，不起保护作用，抗蚀性低、易SCC和剥落腐蚀，产生钠脆（不能用钠盐作熔炼剂）。,几种常用变形铝合金的主加成分,五、Al-Li合金,目前的Al-Li合金是指添加23Li的各种铝合金，除理论研究外，都是三元或三元以上的铝合金。优点：密度小（每加1wtLi合金密度降低3）弹性模量高，刚度大（每加1wtLi合金弹性模量增加6）淬火时效析出大量（Al3Li）使合金大大强化。缺点：材料生产困难，（Li与一般材料都反应，价格是一般铝合金的23倍），断裂韧性低，废料回收难于管理。,淬火时效析出大量（Al3Li）使合金大大强化,高强相当于2000系和7000系高的抗疲劳性比其它铝合金高高的耐热性比铝铜合金好抗蚀性比7000系好较好的超塑性,Al-Li合金二元相图虚线代表亚稳溶解度曲线,，立方结构，LI2有序结构（Cu3Au型）点阵常数a=0.4047nm,含2.5wtLi的Al-Li-Cu-Mg合金在190时效对应不同的Cu、Mg含量时合金得到的沉淀产物,几种典型的Al-Li合金,第三节铸造铝合金,特点：比重小，比强度高。有良好的抗蚀性和铸造工艺性(可进行各种成型铸造)熔点低、熔炼工艺和设备简单。,一、分类和牌号,按GB117374铸铝分四大类。AlSi（ZL1XX）Al-Cu（ZL2XX）Al-Mg（ZL3XX）Al-Zn（ZL4XX）,美国铸造铝合金的分类和牌号,用四位数字表示，但第三位数字后有小数点，第一位数表示合金系，第二和第三位数表示牌号，小数点后0表示铸件，1表示铸锭，当对原始合金或杂质中限修改时，在数字前按字母顺序加A、B、C、D等（但不包括I、O、Q和X），X表示实验合金。,1xx.x纯度99.00的纯铝2xx.x以加Cu为主3xx.x以加Si为主，还加Cu和或Mg4xx.xSi5xx.xMg7xx.xZn8xx.xSn9xx.x其他6xx.x未使用系列,例如:,二、Al-Si系铸造铝合金,俗称“硅铝明”，应用最广的一类铸造铝合金。特点：最好的铸造性能。（线收缩小，流动性好，热裂倾向小）中等强度、较好的抗蚀性AlSi系合金的共晶点靠近Al端。共晶成分Al11.7Si（577）,ZL102（共晶合金）,Si易呈粗大的针状形态分布，强度低（160Mpa）机械性能差，热处理强化效果不大，一般只进行退火，退火制度（3003h，空冷或随炉冷）共晶组织：随过冷度增大，组织变细，强度高，机械性能变好。ZL102：用铁模生产薄壁件，可得满意的机械性能。如果用砂模或厚壁件，组织粗大，机械性能不好。,为了提高Al-Si合金的机械性能，可采用如下手段：,变质处理：目的：细化Si相，改变Si相形态变质剂：NaSb（锑）RE（Sr锶）(效果越来越好)Sr对改善共晶Si的形态最有效。,Al-12Si合金变质处理前400,Na变质处理后，400强度提高30,时效强化：加入合金元素：Cu、Mg除起变质作用外，还能时效强化。加入形成（CuAl2），S（Al2CuMg），（Mg2Si）的元素。在Al-Si中加Mg形成，同时加入Mg和Cu形成和S,固溶强化：加入合金元素例如：加少量Mn，除起固溶处理强化作用外，还能使粗针状的（Fe2Si2Al9）转化为骨骼状的（AlMnFeSi），减轻杂质对合金的有害影响。,退火态使用：ZL102Al-Si200以下使用人工时效：ZL101Al-7Si-0.3Mg，200以下使用ZL104Al-9.25Si-0.22Mg0.35Mn200以下使用ZL105Al-5Si-0.45Mg-1.25Cu250以下使用ZL103在ZL105的基础上提高Cu，增添MnZL108（活塞合金）相当于在102基础上加入1.5Cu0.7Mg0.6Mn（ZL108需作变质处理），5506h淬火，2058h时效ZL10912Si1.0Cu1.2Mg1.0Ni相当于102上加1.0Cu1.2Mg1.0Ni可热处理强化,ZL102铸造形状复杂，耐蚀，承受负荷较低的零件。ZL101铸造形状复杂，承受中等负荷的零件。(水泵及传动装置壳体、水冷发动机气缸体等)ZL104铸造形状复杂，承受高负荷的零件。,三、AlCu系,含Cu大于4。主要强化相CuAl2。特点：有最高的室温和高温性能（可热处理强化）密度大，铸造和抗蚀性均较差。最大的优点：耐热性好最大的缺点：耐蚀性差使用与铸造大负荷或耐热铸件。（在200300温度下工作）,AlCu是一种比较陈旧的