第8章__铝及铝合金（伍玉娇教材8）

第8章 铝合金,8.1 纯铝8.2 铝合金,目的：本章介绍铝及其合金的热处理方面的基本知识，以及变形铝合金、铸造铝合金的各种应用；讨论成分、组织和热处理对铝合金的化学性能、力学性能的影响及其与应用的关系。,地壳中含量近8.2%，列全部化学元素含量的第三位(仅次于氧和硅)，列全部金属元素含量的第一位（Fe: 5.1%；Mg: 2.1%；Ti: 0.6%）。,8.1 纯 铝,铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。,Bauxite铝土矿,Bauxite-pebbly 矾土卵石,Kaolinite clay高岭土,霞石（Nepheline）：岩浆矿物，长石类矿物。氧化铝（Alumina ）菱镁铀矿（Bayleyite ）明矾（Alunite）,资源, 密度小（2.7103kg/m3 ） 高的热导率、电导率 高的耐腐蚀性 优异的机加工性能 高的韧性、成形性,铝的性质和用途,中国电解铝产量,世界电解铝产量,8.2铝合金,形变铝合金：相图中D点以左的部分。该类铝合金加热至固溶线FD以上时能形成单相固溶体，塑性好，适用于压力加工成形。不能热处理强化的形变铝合金：相图中F点以左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金：相图中F和D之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。铸造铝合金：相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。,1.分类 按铝合金所处相图的位置分类： 形变铝合金、铸造铝合金,纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为铝合金,一、铝合金的热处理及时效强化,旧标准,新标准,按铝合金加入合金元素种类分类：,按加入合金元素后铝合金的性能特点分类：,新旧牌号对照,2. 铝合金热处理强化特点,固溶处理应在理想温度下进行，以使大部分合金元素完全固溶获得单相组织。固溶温度不能超过固相线温度， 以免过热，甚至出现熔融化合物、晶粒长大将影响机械性能 。吸收的氢原子可与内部空洞结合，形成小气孔或起泡。应该尽量减少炉内或熔池内的水蒸汽。,Liquation along GBs due to overheatingof an Al-Cu-Mg alloy during ST,Blistering on Al alloy surface, heat-treated in a humid atmosphere,1）固溶处理,合金元素在铝合金中的固溶强化效果,Mn 和 Cu 含量为 0.5%时，强化效果最好，超过后将形成 Al6Mn 相 或不溶的Al-Cu-Fe 化合物相。 Mg 的强化效果最显著；锌的强化效果最差。,退火态高纯铝的屈服强度很低，为711 MPa。,固溶时效处理的一般步骤,固溶： 将铝合金加热到单相固溶体区（固溶线以上、固相线以下），使合金元素溶入，获得成分均匀的固溶体。淬火： 快冷到室温获得单相过饱和固溶体。时效： 过饱和固溶体加热到室温以上某一温度，使其分解形成细小分散沉淀相。,2） 铝合金的时效强化机制,自然时效：室温下时效人工时效：在高于室温进行时效,Al4%Cu铸态组织及淬火态组织,时效分解【析出，脱溶（或沉淀）】：过饱和固溶体中析出一个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚稳过渡相的过程。属于固态相变。,时效分解（析出）过程和产物,过饱和固溶体分解产物,GP区,过渡相（中间沉淀相）,平衡相,AlCu合金： 过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解： 过 GP区 其中 GP区、为亚稳定相 （ 又称为GP区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为：过 GP区 ,GP区：溶质原子在基体 100面上偏聚构成的 圆盘形片 A.Guinier和G.D.Prestor于1938年研究AlCu合金自然时效时发现 圆盘形片尺寸：510nm0.40.6nm，数量10141016/cm3 晶体结构： 与基体相结构相同（fcc） 界面：与相完全共格。,G P区是溶质原子富集的、排列有序的、与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进GP区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利于获得尺寸细小、数量多GP区。,GP区附近基体晶格变化,GP 区尺寸分布随时效时间的变化,屈服强度随时效时间的变化,具有临界尺寸且弥散分布的 GP 区或过渡相（中间相）才能使铝合金达到最大时效强化。,平衡相图中， GP区脱溶线决定了GP区稳定存在的最高极限温度。,只有细小弥散分布于基体中的GP区将导致基体强化。,相：圆碟片状，30nm2nm；正方点阵，ab0.404nm，c0.768nm。为均匀形核、分布均匀，与基体完全共格，位向关系为100/100基体；相周围比GP区存在更大的共格应变，故其强化效果大于GP区。 相：圆碟片状，100nm几十 nm；正方点阵，ab0.404nm，c0.58nm。与基体部分共格，位向关系为100/100基体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相（CuAl2）。,过渡相：时效时间增加，基体中依次析出、过渡相 过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。 过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核。为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、层错、空位团以及GP区等处不均匀形核。因此，其形核速率与基体中位错密度有关。,平衡相： ：正方点阵：ab0.905nm，c0.486nm，一般与基体不共格，但存在一定的晶体学位向关系，其界面能高，形核功也高。为减小形核功，常在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。 平衡相仅在较高的时效温度出现，平衡相尺寸粗大，降低了强化效果。,淬火态，单相固溶体，铜原子在基体中混乱分布,时效初期，单相固溶体中形成保持共格界面的GP区,时效中期，形成半共格界面的过渡相,高温时效，固溶体中析出非共格界面的平衡相,基体上析出及 ,15400,3.影响时效强化对主要因素,1）淬火工艺的影响2）时效温度的影响3）时效时间的影响,固溶强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化,固溶强化： 无限互溶合金系的组元间物理化学性质相似、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果低。如铝锌、铝银简单二元合金系，固溶强化作用小，无实用价值；溶解度大于1的Al-Mg、Al-Cu、A1-Mn、A1-Si合金系，固溶强化作用较大，有实用价值。但固溶强化效果有限。,二、铝合金的强化方式,过剩相强化： 合金元素加入量超过其极限溶解度后，固溶加热时剩有部分不能溶入固溶体的第二相即为过剩相。 过剩相多为硬而脆的金属间化合物，可阻碍位错运动，从而提高强度、硬度，但降低塑性、韧性。 Al-Si铸造合金的主要强化手段是过剩相强化。随着硅含量增加，过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共晶成分太多，以免出现急剧降低强度和塑性的多角形初晶硅。,细晶强化 铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合金强韧性细晶强化。 铸造铝合金：对不能热处理强化或强化效果不大的铝合金进行变质处理，细化铸态组织。如铸造铝硅合金中加入微量Na或Na盐或Sb等，可细化晶粒，显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等细化铁的夹杂物AlFeSi，从而提高塑性。 变形铝合金中添加微量Ti、Zr、Be及Re土元素，能形成难熔化合物，合金结晶过程时作为非自发晶核，以细化晶粒，提高合金的强度和塑性。如铝Mn合金中添加0.020.3Ti可细化晶粒。,三、形变铝合金,不能热处理强化变形铝合金,这类铝合金不能进行热处理强化。性能特点： 优良的抗腐蚀性能，又称为防锈铝合金，简称为防锈铝。 良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。 强度较低，为了提高其强度，可用冷加工方法使其强化。 切削加工工艺性能差，适用制作焊接管道、容器、铆钉以 及其它冷变形零件。 防锈铝合金：铝-镁系合金5AXX、铝-锰系合金3AXX。,铝锰防锈铝合金,锰的作用：铝中的最大溶解度为1.82%。锰和铝形成的金属间化合物MnAl6的沉淀强化效应小，但其弥散析出质点可阻止晶粒长大，细化晶粒。锰溶于相起固溶强化作用，减慢扩散速度，提高再结晶温度。3A21合金：含锰1.0-1.6%，显微组织为含锰的固溶体和弥散分布的MnAl6质点，有较高的强度和优良的塑性。在大气和海水中与纯铝的耐蚀性相当，有良好的工艺性能，在航空工业中用于承受深冲加工而受力不大的零件，如油箱、润滑油导管、铆钉等零件，以及建筑构件。,3A21合金的力学性能（不小于）,防锈铝合金：,5A02、5A03、5A05、5B05、5A06、 5A12、 5B06、5A13、5A33、5A43、3A21、5083 LF2、 LF3、 LF5、 LF10、LF6、 LF12、 LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-1,5A05: 5%Mg、0.30.6%Mn: 270MPa、18%（退火态）,5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件 5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架 5A06 焊接结构，冷模锻零件，容器，飞机蒙皮骨部件 5A12 焊接结构件，防弹甲板3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品的工业装备等,热处理强化变形铝合金,硬铝合金2AXX Al-Cu-Mg系硬铝称为普通硬铝；Al-Cu-Mn系硬铝称为耐热硬铝。可通过热处理（固溶时效）强化，也可形变强化。 Al-Cu-Mg合金：有四种金属间化合物，其中有两个强化相，即(CuAl2)相和S(CuMgAl2)相；还有两个T(Al6CuMg4)相与（Mg5Al6）相。S相有很高的稳定性和沉淀强化效果，其室温和高温强化作用均高于相。 硬铝的缺点：抗蚀性差，合金中含有大量的铜，而含铜固溶体和化合物的电极电位均高于晶界，因此易产生晶界腐蚀，使用过程中需采取包铝阴极保护、喷漆等防腐措施；固溶处理温度范围窄，如2A12为495503，低于该温度时固溶体的过饱和度不足，影响时效效果；高于该温度时，又易产生晶界熔化。 硬铝具有优良的加工工艺性能，可加工成板、管、棒、线、型材等，用于制作飞机蒙皮、壁板、隔框等。,2A01 100 的结构铆钉 2A02 200300的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片 2A06 150250的飞机结构及125250的航空器结构铆钉 2A10 强度比2A01高，用于制造100的航空器结构铆钉 2A11 飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构 件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉 2A12 航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件 2A14 形状复杂的自由锻件与模锻件 2A16 250300的航天航空器零件，室温及高温工作的焊接容器与气密座舱 2A17 225250的航空器零件 2A50 形状复杂的中等强度零件 2A60 航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等 2A70 飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等 2A80 航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件 2A90 航空发动机活塞,2A01、2A02、2A04、2B11、 2B12、 2A10、2A11、 2A12、 2A06、2A16、2A17 LY1、 LY2、 LY4、 LY8、 LY9、 LY10、LY11、LY12、 LY6、 LY16、LY17,锻铝合金,Al-Mg-Si系合金（4AXX）：制造形状复杂的型材和锻件，如飞机和发动机中工艺性和耐蚀性要求较高的零件；有较严重的停放效应: 淬火后不立即时效处理，则会降低人工时效强化效果。 Al-Cu-Mg-Si系合金（2AXX）：制造形状复杂、承受中等载荷的各类大型锻件和模锻件，但该类合金有应力腐蚀和晶界腐蚀的倾向，不宜作薄壁零件；为减轻停放效应，将铜加入合金，合金中还可以出现(CuAl2)和S(CuMgAl2)相起补充强化作用，提高合金强度。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金（6AXX）：因含有较多的Fe、Ni，因而具有较高的耐蚀性能，适宜于制造发动机的活塞、汽轮机叶片等耐高温和耐腐蚀的零件。,锻铝有Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni等合金系。该类合金的合金元素种类多而含量少，具有良好的热塑性和锻造性，并可热处理强化。,6005 挤压型材与管材，用于要求强度较高的结构件，如梯子、电视天线 6009 汽车车身板 6010 薄板，汽车车身 6061 用于一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构件，如卡车、塔式建筑、船舶、电车、家具、机械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材 6063 建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料 6066 锻件及焊接结构件的挤压材料 6070 重载焊接结构与汽车工业用的挤压材料与管材 6101 公共汽车用高强度棒材、电导体与散热器材等 6201 高强度导电棒材与线材 6205 厚板、踏板与耐高冲击的挤压件 6262 要求抗蚀性优于2011和2017合金的有螺纹的高应力零件 6351 车辆的挤压结构件，水、石油等的输送管道 6463 建筑与各种器具型材，以及经阳极氧化处理后有明亮表面的汽车装饰件 6A02 飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件,6A02、 6B02、 6070、 2A50、2B50、2A70、2A80、2A90、2A14、4A11、6061、 6063LD2、 LD2-1、LD2-2、LD5、LD6、 LD7、 LD8、 LD9、LD10、LD11、LD30、LD31,超硬铝合金7AXX,属于铝锌镁铜系合金。 锌、镁为主要合金元素，有时还加入少量铜、锰、铬、钛等元素；合金中的强化相(MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3)相高温溶解于固溶体，低温产生强烈的时效强化效应。加入的铜可改善抗应力腐蚀性能，形成 S(Al2CuMg)和(CuAl2)相起补充强化作用，还可提高沉淀强化相的弥散度，消除晶界网状脆性相，改善晶界腐蚀倾向。但铜降低超硬铝的焊接性，故一般超硬铝采用铆接和粘接。 超硬铝Rm达600700MPa ，韧性高；热处理强化效果（固溶时效）最显著，热塑性好，易加工成形；但缺口敏感性大，疲劳极限低，应力集中敏感，应力腐蚀倾向较大，其耐热性低于硬铝，高温下软化快，只能在120以下使用。用于飞机结构材料如翼梁、蒙皮。,7A03、7A04、7A09、7A10、7003 LC3、 LC4、 LC9、 LC10、LC12,7A04： 5.07.0 %Zn 、1.42.0%Cu、 1.82.8%Mg、 0.20.6%Mn。Rm：600MPa，A9%,7A09 用于制造飞机中要求强度高、抗腐蚀性强的高应力结构件 7A04 飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等,典型铝合金固溶时效后的性能,铸造有色金属及其合金牌号表示方法统一如下: 铸造有色纯金属的牌号为 Z +该金属元素符号+ 纯度百分含量数字。 如ZAl99.5。 铸造有色合金的牌号为 Z+基体元素符号+主要合金元素符号及其名义百分含量数字+其他合金元素符号及其百分含量数字。混合稀土元素符号用RE表示。 如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等。 铸造铝合金的代号用“铸铝”二字的汉语拼音第一个大写字母“ZL”加三位数字表示: 第一位数表示合金系别：1为铝硅系合金； 2为铝铜系合金；3为铝镁系合金；4为铝锌系合金。 第二、三位数字表示合金的顺序号。如ZL111表示11号铝硅系铸造铝合金。,四、 铸造铝合金,铸造铝合金的分类,铝-硅铸造合金,简单硅铝明 简单二元铝硅合金ZAlSi12 （ZL102）是硅含量1113的合金，组织为（ +Si ）共晶体和少量的板块状初晶硅，初晶硅及共晶硅均为粗大的针状硅。合金Rm140MPa，A3。 浇注前对铝合金熔体进行变质处理(金属总重量23的变质剂)，粗大的针状共晶硅细化成细小条状或点状，并在组织中出现初晶固溶体。变质处理后ZL102合金的Rm达180 MPa，延伸率明显提高。 变质剂：2/3NaF+ 1/3NaCl或25NaF+62NaCl +13%KCl。 铝-硅铸造合金具有极好的流动性，铸造收缩率小和优良的焊接性、抗蚀性以及足够的机械性能。但合金致密度较小，适合制造强度要求不太高的、形状复杂的铸件，如仪表壳体等。,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。,特殊硅铝明简单硅铝明的基础上加入适当合金元素Cu、Mn、Mg、Ni等元素，发展成能时效强化的铝合金，称为特殊硅铝明，具有良好的铸造性和较高的抗蚀性及足够的强度，如ZL108、ZL109是我国目前常用的铸造铝活塞的材料。,典型铸造铝硅合金的成分、性能和应用,铝-铜铸造合金,铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210,铝-铜铸造合金的强化相是(CuAl2)，有较高的强度和热稳定性，是所有铸造铝合金中耐热性最高的一类合金。 随铜含量的增加，耐蚀性降低，铸造性能变差。为了改善铸造性能，提高流动性，减少铸后热裂倾向，常加入一定量的硅。 适用于制作低于200，受中等负荷的零件。,汽缸头,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,铝-镁铸造合金,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,铝-镁铸造合金比重小，为2.55，耐蚀性好、强度和韧性较高。（Al8Mg5、Mg2Si） 但由于结晶温度范围宽，故流动性差，形成疏松趋向大、其铸造性能不如铝-硅合金好，为改善铸造性能加入适量硅及微量钛等。用于造船、食品及化学工业。 ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等.用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301),典型铸造铝镁合金的成分、性能和应用, Al-Zn系铸造铝合金 这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用牌号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg). 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,典型铸造铝锌合金的成分、性能和应用,隔绝空气蒸发,1807年：英国H维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于 1855年在巴黎世博会展出。1855年：法国圣克莱尔德维尔 用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生 产出1.9吨铝。1886年：霍尔美及埃鲁法用电解法生产金属铝（霍尔埃鲁工 艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝）1888年：澳大利亚卡尔约瑟夫拜耳发明了拜耳工艺 Bayer process：用240的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿 1910年：铝产量达45000吨,8.3 铝的制取,制取方法的演化,木炭和铝土（氧化铝）,氯气,氯化铝,钾汞齐,铝汞齐,一种金属,主要公司: （2007年）世界原铝产地： 北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（12%）力拓公司（加铝）： 【第二大铝公司】 约400万吨美国铝业公司【Alcoa，第三大铝公司 】约380万吨中国铝业公司：【第四大铝公司】 288 万吨雷诺兹金属公司美凯撒铝及化学公司美波施涅铝工业公司法德国联合工业公司日本轻金属公司澳大利亚科马尔科铝业公司APA公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司 】,氧化铝制取原理,拜耳法：高品位铝土矿碱石灰烧结法和拜耳烧结联合法：中低品位铝土矿,拜耳法：氧化铝生产总量的95碱石灰烧结法拜耳烧结联合法,霞石（Nepheline）,铝土矿Bauxite,高岭石 kaolinite,将粉碎的铝土矿放入240的强 NaOH 溶液中提取出Al2O3,第一步： 将含有A