第8章-铝及其合金-20090316.ppt

非铁金属材料概述 铁及其合金 黑色金属除钢铁以外所有其它金属材料 非铁金属材料 有色金属 种类很多 轻金属密度3 5Cu Pb Zn Sn Ni贵金属Au Ag Pt稀土金属RE Y Sc La系元素 稀有金属Li Ti Nb V Mo W Zr放射金属Ra Th U 使用量较少 但作用很大 且极高价值Al Mg Ti及其合金比重小 航空 航天 航海 Cu Al Ag及其合金导电性好 电力电工 电子 半导体 超导 Ni Mo Nb Co 耐高温 火箭 发动机 高温结构材料 Cu Ti及其合金优良的耐蚀性 石油 化工 航海 军舰 Ra U Th原子能发电与核燃料 新型工业的发展 生产技术朝着高温 低温 高压 高速 强腐蚀工作条件发展 有色金属材料的发展也很快 我国有色金属资源丰富 但生产技术与国外有明显的差距 主要内容Al及其合金Mg及其合金Cu及其合金Ti及其合金 第八章铝及其合金 工业纯铝铝合金概述变形铝合金铸造铝合金 8 1工业纯铝 一 特性轻 可作为各种轻质结构材料的基本组元 导电 导热性能好 仅次于Ag Cu 塑性好 可冷热加工 抗大气腐蚀性好 强度很低 b80 100MPa 冷变形后为150MPa 250MPa 但收缩率明显下降 二 分类其牌号是根据杂质的含量来编制的 高纯铝L04 L01 Al 99 93 用于科研化工及其它特殊用途 工业高纯铝L0 L00 Al 99 85 用于高纯铝的生产 工业纯铝L1 L7 Al 98 用于铝合金 电线电缆和日常器皿生产 三 用途制作电线电缆 具有导热和抗大气腐蚀性而对强度要求不高的一些用品与器皿 8 2铝合金概述 一 铝合金中的合金元素对铝进行合金化 可大幅度提高其强度 主要合金元素有Cu Mg Si Zn Mn Li 辅加的微量元素有Ti V B Ni Cr Re等 杂质元素有Fe等 不同的合金元素在铝合金中形成不同的合金相 起着不同的作用 1 铝基固溶体合金元素与铝均形成有限固溶体 主要合金元素在铝中的极限溶解度见表 如Mn Mg Zn等二元系均不产生沉淀强化相 主要溶于铝基固溶体 起固溶强化作用 Al Mg二元合金相图 Al Mn二元合金相图 Al Zn二元合金相图 2 铝合金中的沉淀强化沉淀强化相应满足以下的基本条件 1 硬度高的质点 2 在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度 能析出较大体积分数的沉淀相 3 在时效过程中 沉淀相具有一系列介稳相 并且是弥散分布 与基体形成共格 在周围基体中产生较大的共格应变区 例如 Al Cu合金中 CuAl2 Al Cu Mg合金中 S相 Al2CuMg Al Zn Mg系合金中 MgZn2 T Al2Mg3Zn3 Al Si Mg系中 出现 Mg2Si Al Li系中 AlLi Al Cu二元合金相图 3 铝合金共晶中的过剩相 强化 共晶中的第二相不溶于铝基固溶体 又称为过剩相 其数量达到一定量时可提高合金的强度和硬度 过高会降低韧性 4 铝合金中的微量元素及微合金相铝合金中添加微量元素Ti Zr和Re 可形成难熔金属间化合物 在合金结晶过程中起非自发形核核心作用 细化晶粒 产生细晶强化 二 铝合金的组织特点与分类 一般相图类型 变形铝合金 铸造铝合金 组织类型 单相组织 或 第二相组织根据Al合金的成分与生产工艺特点 分两类 1 变形铝合金合金元素含量 5 在A点的左边 2 铸造铝合金具有共晶组织 合金元素含量在8 25 Al合金的常用合金系 三 铝合金的强化固溶强化时效强化 沉淀强化 过剩相强化细晶强化 四 铝合金的时效 1 时效过程与性能变化铝合金的强化机理与钢不同 主要是依靠时效过程中时效相的析出 沉淀强化 来进行的 而钢主要是由于钢的同素异型转变来强化 时效 过饱和固溶体在室温或一定温度下保温 其性能发生变化的过程 时效强化 过饱和固溶体在室温或一定温度下保温 其硬度或强度升高的现象 以Al 4Cu合金为例 可分为四阶段 1 形成溶质原子 Cu 的富集区 GP I 与母相 Al为基的固溶体 保持共格关系 引起 的严重畸变 使位错运动受阻碍 从而提高强度 2 GP I 区有序化 GP II 区 化学成分接近CuAl2 具有正方晶格 引起更严重的畸变 使位错运动更大阻碍 显著提高强度 3 溶质原子的继续富集 以及 形成 已达到CuAl2 且部分地与母相晶格脱离关系 晶格畸变将减轻 对位错阻碍能力减小 合金趋于软化 强度开始降低 4 稳定相 的形成与长大与母相完全脱离晶格关系 强度进一步降低 这种现象称为过时效 图示 时效时间与硬度的关系 图示 时效时间与强度的关系 注意 1 时效并不一定包括这4阶段 如自然时效往往只有第1 2阶段 2 其原理适用于其它合金系 如S相 T相 相等的时效过程 3 铝合金的自然时效是可逆的 回归效应 自然时效合金快速加热到230 250度 短时间保温2 3分钟 冷到室温后即变软 重新回到淬火态 过饱和固溶态 8 3变形铝合金 变形铝合金分为两大类非热处理强化变形铝合金主要有防锈铝合金热处理强化变形铝合金 过饱和 固溶处理和时效处理 主要有硬铝 锻铝 超硬铝合金 一 防锈铝合金 成分 Al Mn Al Mg Mn Mn Mg作用 固溶强化 提高抗蚀性组织 单相 组织性能 耐蚀性好 塑性好 易加工成形 焊接性好 可利用冷加工硬化来提高强度牌号 Al Mn系LF21Al Mg Mn LF2 3 5 6 7 10 11 12等用途 在航空工业中应用广泛 宜制造承受焊接的零件 管道 容器以及铆钉 二 硬铝 1 成分 基本是Al Cu Mg合金 有的加入少量MnCu Mg形成时效强化相 相 CuAl2 S相 Al2CuMg Mn固溶强化 并提高抗蚀性 表硬铝合金的成分 2 组织 相 CuAl2 S相 Al2CuMg 组织因Cu Mg不同 组成相不同 性能也有差别 随Cu 提高 提高 S 降低 Mg 提高 降低 S 提高当Mg 2 5 出现T相 CuMg4Al6 和Mg2Al3相 时效强化作用小 Cu Mg 8 强化相以 为主 Cu Mg 4 8 强化相以 S为主 Cu Mg 1 5 4 强化相以S为主 3 分类低合金硬铝 铆钉硬铝 LY1 LY3 LY10合金Mg Cu 较低 有较高塑性 但强度较低 时效速度慢 标准硬铝可淬火 过饱和固溶 时效 强度提高 LY11生产半成品 叶片 大型铆钉 高合金硬铝较多的Cu Mg 具有良好的耐热性 强度高 但塑性及承受冷热加工能力差 LY12可用作航空模锻件 蒙皮 骨架 肋 和重要的销轴 T 150 耐热硬铝较多的Mn Mg 强化相S 外 还有Al19Mg2Mn 可制做250 300 工作的飞机零件 三 超硬铝合金 成分 Al Zn Mg Cu系合金 强度最高 牌号 LC3 LC4 LC5 LC6 LC9 强化相 除S 外 还存在强化效果很大的MgZn2相及Al2Mg3Zn3相性能 强度高 淬火 120 时效 但抗蚀性差 包铝 组织稳定性不好 工作温度小于120 用途 可作结构中的主要受力件 如飞机大梁 桁架 加强框等 超硬铝合金牌号与成分 四 锻铝合金 合金系Al Mg Si Al Mg Si Cu 普通锻铝合金 Al Cu Mg Ni Fe 耐热锻铝合金 牌号 LD2 LD5 LD6 LD10 LD7 LD8 LD9性能 良好的热塑性 较高的机械性能 强化相 Mg2Si S 等 用途 制作形状复杂的大型锻件铝合金 8 4铸造铝合金 应具有高流动性 较小收缩率 热裂 缩孔和疏松倾向小 良好的铸造性能 共晶合金或合金中有一定量共晶组织常用合金系Al SiZL101 102 104 Al CuZL201 202 203Al MgZL301 302Al ZnZL401 402 铸造铝合金性能 Al Si系ZL1xx最好的铸造性能 中等强度和抗蚀性 应用最广泛 Al Cu系ZL20 x最高的高温和室温性能 适于制造大负荷或耐热铸件 但铸造性能和抗蚀性较差 Al Mg系ZL30 x有最好的抗蚀性和较高的强度 但铸造 耐热性能差 适于抗蚀 耐冲击和表面装饰性高的铸件 Al Zn系ZL40 x铸态下的高强度铝合金 在强度 抗蚀性和铸造性能 均中等 一 Al Si及Al Si Mg合金 Al Si系铸造合金用途很广 ZLl02二元铸造合金 具有共晶组织 Si10 13 ZL102的显微组织 未变质 变质处理 共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状 过共晶合金中还有少量初生硅 呈块状 塑性较低 不实用 需要细化组织 一般需要采用变质处理 以改变共晶硅的形态 使硅晶体细化和颗粒化 常用的变质剂为钠盐 加入1 3 质量分数 的钠盐混合物 2 3NaF 1 3NaCl 或三元钠盐 25 NaF 62 NaCl 13 KCl 变质机理1 钠原子在结晶硅的表面有强烈偏聚 降低硅的生长速度并促使其发生分枝或细化 2 使铝硅合金变为亚共晶组织 加入变质剂后 共晶温度由577 降为564 共晶成分由11 7 Si变为14 0 SiZL102的强度不算高 但流动性好 可生产形状复杂 薄壁 受力不大的精密铸件 加钠盐对Al Si合金凝固过程的影响示意图 ZL102二元合金中加入合金元素 如Cu Mg Mn等 在铸态或在热处理过程中形成不同形式的强化相如Mg2Si CuAl2 Al2CuMg 以提高强度 常用来制造形状复杂性能要求较高的零件 如ZL104发动机气缸 机匣ZL108 ZL109铸造铝合金活塞 轻 抗蚀性好 线膨胀系数小 强度硬度较高 耐磨性较好 二 铝铜系铸造铝合金 合金中只有少量的共晶体 故铸造性能不好 抗蚀性也较差 Cu太高 韧性不好主要强化相为CuAl2具有较高的强度和热稳定性 适于制作大负荷的铸造耐热件ZL201ZL202ZL203 三 铝镁铸造合金 优点 比重轻 强度和韧性较高 并具有优良的耐蚀性 切削性和抛光性 缺点 铸造性能较差 耐热性较差 ZL