材料科学概论论文

金属材料概论金属材料概论 铝及铝合金铝及铝合金 刘俊珺 刘俊珺 0909 材料成型与控制 材料成型与控制 摘要摘要 众所周知 铝是地壳中含量最丰富的金属 其具有低密度 抗腐蚀 高 比强 良好的导电及成型性能 可回收利用等众多优点 在使用中 铝合金能 满足很宽的机械性能要求和温度范围要求 广泛用于航空 建筑 汽车三大工 业领域 关键词关键词 发展现状 性能 加工工艺 前景 IntroductionIntroduction toto metallicmetallic materialsmaterials AluminumAluminum andand aluminumaluminum alloyalloy LIU Jun jun Materials forming and control09 Abstract Abstract As everyone knows aluminum is the most abundant metal in the earth s crust which has low density high specific strength corrosion resistance good conductivity and forming properties recyclable use and many other advantages in use aluminum alloy can meet the mechanical property requirements and wide temperature range requirements widely used in aviation architecture three auto industry Key Key wordswords Development status Performance Processing technology Application prospect 前言前言 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料 1825 年丹麦化 学家奥斯德发表实验制取铝的经过 1827 年 德国化学家武勒重复了奥斯 德的实验 并不断改进制取铝的方法 1854 年 德国化学家德维尔利用钠 代替钾还原氯化铝 制得成锭的金属铝 正是由于铝在加工制造 生产应 用等各方面前景美好 使得铝及铝合金广受欢迎 铝及铝合金密度较小 强 度高 导电 导热性优良 塑性和成型性好 无低温脆性 易加工 目前随着近年 来科学技术以及工业经济的飞速发展 已突破普通铝合金建筑材料的应用范围 的局限 铝及铝合金材料已广泛地应用于建筑 航空 军事 汽车 航海 医 疗等领域中 2008 年北京奥运会火炬 祥云 就是铝 正文正文 目前由于铝及铝合金自身的优良性能 受到公众的很大欢迎 也就是说 其正处在一个蓬勃发展并急速上升的时期 这也是铝及铝合金目前的发展现状 就目前市场而言 铝及铝合金主要的应用为以下几个方面 铝的导热性好 是制作制冷设备 散热器 热交换器的好材料 铝是非磁 性体 不受磁力影响 因此船舶上的罗盘常装在铝或铝合金外壳中 建筑方面 近来广为利用铝和铝合金制作梁材 柱材 衔架 框架 门窗 屋面 墙面等 以代替木材和其他材料 铝与铝合金在日常生活和装饰方面的用途也很广 如用于制作炊具 食品 贮藏和包装 乐器 照相机部件以及其他工艺美术品等 铝具有吸声性能 广 播室和现代大建筑物目前多采用它做室内天花板 铝在碰击情况下不产生火花 可应用于防止火花产生的场合 铝在低温环境中 仍然保持良好的强度和机械 性能 有时甚至有所提高 因此它是低温防寒的好材料 电器和无线电工业根据铝的导电性好这一特性 广泛地用铝制造电线 电 缆 电容器 整流器 电器配件和无线电器材等 此外 铝线比较容易冷却 能相对地支持更大的电流 更具有经济性 化工工业根据铝的耐蚀性良好 常 用铝合金制作各种耐蚀性的设备和储运使用的容器 采用较纯的铝以包铝的方 式包覆在其他金属表面上 以保护金属不受腐蚀 这在工业上也有所应用 机械制造业广泛用铝和铝合金制造车轮 滑轮 离心机 通风机 起重机 及泵的零部件 活塞和发动机汽缸等 这是因为铝及其合金不但密度轻 而且 能达到要求的强度 从而能降低在运转中的能量消耗或者在使用相同能量的条 件下大大地提高运转速度 同时也有可能延长机件的使用寿命 整个机器和机 械的质量和尺寸减小后 能使其适于生产 运输 安装和操作 铝和铝合金已 成为制造飞机 汽车 船舶 拖拉机 机动车辆等不可缺少的材料 在日本 铝铸件 压铸件占汽车全部铝用量的 90 以上 而在美国 轧制铝的用量比例 很大 约占 40 以上 此外还有锻造铝及其合金 铝用量的增加主要是汽缸体 散热器 车轮 保险杠 车身外板等零件铝化倾向增强所致 铝及铝合金之所以广受欢迎与其良好的性能是分不开的 铝是元素周期表中第三周期 A 族元素 原子序数 13 原子量 26 998154 金属铝为银白色 不管是固体铝或熔融铝 其密度都随着纯度的提 高而降低 铝的导热系数大约为熟铁的 2 5 倍 为钢的 1 5 倍 铝的比热也是 金属中较大的 为铁的 2 倍 为钢和锌的 2 5 倍 铝的导电性能仅次于金 铂 铬 铜和汞 铝的纯度越高其导电性能越好 铝的导电率为铜导电率的 62 65 和纯度有关 铝的机械性能与纯度关系密切 纯铝软 强度低 但 与某些金属组成铝合金后 不仅在某种程度上仍保持着铝固有的特点 同时又 显著地提高了它的硬度和强度 使之几乎可与软钢甚至结构钢相媲美 铝的化 学性质极其活泼 其氧化物 卤化物 硫化物及碳化物等的生成能非常大 铝 的最特殊的性能是有同氧强烈结合的倾向 特别是同空气中的氧 铝的密度比 铁低 最适于不产生高应力的毂状结构件的轻量化代用材料 如罩类 箱类 歧管等 铝经合金化可使抗拉强度提高到 45 钢水平 当用于高应力零件时 必 须加大零件厚度来弥补强度的不足 以铝代钢可望减轻重量 50 铝的特点主 要有 1 铝的密度低 是钢的 1 3 活塞使用铝是轻量化效果最好的例子 2 高的耐蚀性 铝的表面自然形成氧化膜 故耐蚀性优良 不易生锈 易 保持漂亮的表面 铝车轮普遍采用的原因就在于此 3 柔性地强度设计 铝的合金化会使常温下的强度不低于铸铁 可用铝铸 造或压铸成型的活塞 汽缸盖 汽缸体等零件 4 高的导热性能 与铸铁比 导热性能约高三倍 因而最适于必须要散热 的热交换器零件上 这也是铝活塞所要求的特征 5 高的导电性能 电导率约为铜的 60 密度是铜的 1 3 因此 用铜重 量一半的铝就可传送与铜等量的电荷 但作为电线它比铜的可挠性差 6 表面美观 经阳极氧化处理可在表面生成无色透明的氧化膜 另外 利 用染色 电解等可获得各种各样的色调 7 铸造性 由于铝的溶化温度低 流动性好 故容易制造复杂形状的零件 8 切削性 切削性是铸铁的 4 5 倍 工具磨损程度仅为铸铁的 1 2 9 耐磨性 根据表面处理及使用条件 可直接作为轴承面使用 也可用于 汽缸体 就铝及铝合金的加工工艺而言 已经迈入了一个相对成熟的阶段 1949 年以前 我国铝合金及其加工业几乎是空白 根本谈不上装机水平 工艺技术的先进性 1956 年我国第一家大型综合性铝加工企业 东北轻合金 加工厂正式投产 从而初步形成了采矿 冶炼到加工的完整的铝加工体系 为 开拓和发展铝加工业奠定了良好的基础 1968 1977 年为我国铝工业的开拓阶 段 我国自己设计 自己制造设备 自己建筑安装的西北铝加工工厂分别于 1968 年和 1970 年相继投产 依靠自力更生完成了我国铝加工企业的较合理的 布局 此后 在全国建设了一批 近 100 家 中小型铝加工厂和铝制品厂 1978 1992 年是中国铝加工的振兴与大发展时期 1994 年以后 中国的铝 加工技术日进成熟 生产规模 工艺装备 技术和质量水平以及科技开发等步 入了一个更高层次的发展阶段 开始与国际铝加工业接轨 世界上铝 包括再生铝 产量的 85 以上被加工成板 带 条 箔 管 棒 型 线 粉 自由锻件 模锻件 铸件 压铸件 冲压件及其深加工件等 铝及铝合金产品 铝及铝合金材料的主要形式方法有铸造成型法 塑性成型法 和深加工法 1 制造成型法 铸造成型法就是利用铸造铝合金的良好流动性和可填充 性 在一定温度 速度和外力条件下 将铝合金熔体浇注到各种模型中 以获 得具有所需形状与组织性能的铝合金铸件和压铸件的方法 2 塑性成型法 铝及铝合金的塑性成型法就是利用铝及铝合金的良好苏 醒 在一定的温度 速度条件下 施加各种形式的外力 克服金属对于变形的 抵抗 使其产生塑性变形 从而得到各种形状规格尺寸和组织性能的铝及铝合 金板 带 条 箔 管 棒 型 线和锻件等的加工方法 按工件的受力及变 形方式分类主要有轧制 挤压 拉拔 锻造 按工件在加工过程中的温度可分 为冷加工 热加工 温加工 3 深加工法 深加工法是将铸造或塑性成型法所获得的半成品进一步通 过表面处理或表面改性处理 机械加工或电加工 焊接或其他接合 剪断 冲 切 拉伸 弯曲等方法 加工成成品零件或部件的方法 如今铝及铝合金材料备受青睐 随着工业经济的发展 我们有理由相信其 发展前景一片美好 目前全世界已正式注册的铝合金达千种以上 分别包含在 1XXX 到 9XXX 系 中 为世界经济的发展和人类的进步做出了巨大贡献 但是 随着科技的进步 和人民生活水平的提高 有些合金已被淘汰 急需发展一批高强 高韧 高模 耐磨 耐蚀 耐疲劳 耐高温耐低温 耐辐射 防火 防暴 易切削 易抛光 可表面处理 可焊接的和超轻的新型铝合金 如 780MPa 的高强高韧合金 密度小于 2 4t m3 的铝锂合金 粉末冶金和复合材料 铝合金是汽车上应用得最快和最广的轻金属 这主要是因为铝合金本身的性 能已经达到重量轻 强度高 耐腐蚀的要求 铝合金进一步拓展其应用范围后 随之而来的是进一步降低了整车重量 提高了整车的经济性 铝合金型材强度高 延伸率大 延展成型性能好 且具有良好的抗腐蚀性 能 已突破普通铝合金建筑材料的应用范围的局限 因其良好的耐腐蚀性能 不仅可以杜绝碳素钢 铸铁护栏因生锈而带来的反复维护的成本与烦恼 且表 面多彩化 可与建筑群 建筑小区的人文环境效果匹配 大大丰富了建筑物的 外立面 增强建筑的整体美感 目前 该项成果正在进一步向交通高速公路护 栏 汽车等更多更广的行业渗透推广 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料 在航空 航天 汽 车 机械制造 船舶及化学工业中已大量应用 随着近年来科学技术以及工业 经济的飞速发展 对铝合金焊接结构件的需求日益增多 使铝合金的焊接性研 究也随之深入 铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术