铝合金(非常经典)

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 7 103kg 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62 IACS InternationalAnnealedCopperStandard 电阻率2 66 10 8 m 欧姆米 99 9 Al 顺磁性 磁化率215 1 2 力性 纯铝进行60 80 冷变形 b虽然能达到150 180MPa 但 已降低到1 1 5 变脆 2 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5 10nm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 3 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 4 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 5 各种元素在铝中的极限溶解度 6 铝合金中常见元素的原子直径 原子间最紧密距离 7 铝合金常加入的元素为Zn Mg Cu Si Li 在合金中可能形成 CuAl2S Al2CuMg MgZn2T Al2Mg3Zn3 Mg2Si AlLi Mg2Al3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 8 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 9 纯铝 10 国产变形铝合金分五大类 常见只有四大类 11 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 1145 99 45 Al 1200 99 00 Al 12 13 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 14 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 15 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 16 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1 10表示处理的具体程序 17 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 18 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 19 20 一 硬铝 1 一般特点较好的综合机械性能 b 420 60MPa 0 2 280 300MPa 15 17 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 21 AlZnMg合金相图 22 2 硬铝的组织 23 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 24 随Mg含量增加 相减少 S相增加Cu Mg 8 主要是 相Cu Mg 8 4 主要是 S相Cu Mg 4 1 5 主要是S相 S相中Cu Mg 2 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 S T 耐热性 随温度升高 S相比 软化的慢 S相高温强化效果好 25 26 3 硬铝的合金化 成分范围 Cu 2 5 6 0 硬铝的主要成分Mg 0 4 2 8 主要作用生成S相Mn 0 4 1 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 27 典型合金的化学成分 LY12 相当2024 Al 4 3Cu 1 5Mg 0 6MnLY11 相当2017 Al 4 3Cu 0 6Mg 0 6MnLY2Al 2 9Cu 2 2Mg 0 6Mn 28 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 29 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 30 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 31 典型合金的热处理 LY12 495 WQ 自然时效6天 b 450MPa 或 室温停3天 190 10h b 500MPa 不同合金自然时效硬化的能力和速度不同 32 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2 6h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 150 250 下工作的构件 如航空发动机内的压气机叶片 33 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600 700MPa 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 b 780 850MPa 0 2 450 550MPa 34 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 b 300 450MPa 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 35 36 37 38 39 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 a 1 429 1 471nm 相 MgZn2 六方晶格 a 0 521nm c 0 86nm Zn Mg 1 4 主要是T相 Zn Mg 4 出现 相 Zn Mg 6 7 完全有 相组成 40 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 a 0 496nm c 0 868nm 110 以下主要是GP区110 140 主要是 160 200 主要是 270 以上可出现T相 41 合金化 Zn Mg的总量约4 5 7 6 wt Zn Mg一般在2 3 8 MgZn2中Zn Mg 5 38 通常加入的微量元素 Mn0 2 0 45 显著提高SCR 增加淬火敏感性 产生剥落腐蚀 Cr 0 3 显著提高SCR 增加淬火敏感性 产生剥落腐蚀 Zr0 15 0 3 细化晶粒 提高可焊性 Ti 0 2 细化晶粒 提高可焊性 Cu 0 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 42 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 2 Cu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 43 44 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125 150 时效 Al Zn Mg Cu系合金是在Al Zn Mg合金时效序列 GP T 的基础上 又出现了Al Cu Mg合金的沉淀过程 GPB S S S 45 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2 Zn Mg Cu一般在9 75 13 5 Mn Cr Zr Ti的含量和作用与Al Zn Mg合金相似Fe和Si为杂质 46 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 470 WQ单级时效 T6 120 24h 强度高 b 550MPa SCC敏感双级时效 T74 120 3h 160 3h 稍过时效 强度降低10 SCC不敏感 47 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 48 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 49 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 6 Mg 1 Si 6063合金 0 68Mg 0 4Si Cu Cr Mn Ti均 0 1 50 Al Mg Si合金的组织 强化相是Mg2Si 相 Al Mg Si合金的组织可用Al Mg2Si伪二元相图来研究在共晶温度 Mg2Si在Al中的极限溶解度为1 85 51 52 53 时效序列 针状GP区 有序针状GP区 六方 六方 Al Mg Si合金 Mg2Si 1 2 的Tc温度很高 190 在150 160 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 54 Al Mg Si合金的成分 Mg2Si中Mg Si 1 73 通常Mg Si 2 合金随Mg2Si相对量增大 强度升高 Mg过剩会降低Mg2Si在 固溶体中的溶解度Si过剩无此作用 一般保持Si含量高于Mg应考虑Si容易与Mn和Fe形成杂质相 FeMnSi Al6 消耗Si 因此 Si含量应适当提高 Al Mg Si合金有明显的时效停放效应 添加Cu可减轻该效应 Mg2Si含量小于1 时无停放效应 添加Cu使Al Mg Si合金的室温强度和耐热性明显增加 但塑性和耐蚀性下降 Mn提高Al Mg Si合金强度 韧性 耐蚀性 Cr有相同作用 Ti可消除铸锭中的柱状晶 并细化晶粒 改善工艺塑性 55 Al Mg Si合金的热处理 锻铝可进行自然时效或人工时效 但自然时效速率慢 需10天以上 而且强化效果比人工时效差 约差30 50 锻铝一般在人工时效状态下使用520 530 WQ150 170 10 12h 56 应用 特点 中等强度 b 300MPaMg2Si 0 8 1 2 b300MPa如6061挤压后重新固溶处理水淬 T6 b 316MPa飞机发动机零件 直升飞机螺旋桨叶 形状复杂的锻件和模锻件 57 2 Al Mg Si Cu合金 Al Mg Si Cu系合金是在Al Mg Si系基础上发展出来的 第一个工业Al Mg Si合金是美国1923年的专利 51S合金 0 6 Mg 1 Si 6063 0 68Mg 0 4Si Cu Cr Mn Ti均 0 1 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 我国的Al Mg Si Cu合金都是Si过剩型合金 一般特点 与Al Mg Si合金相同 加Cu后着色困难 原因是在阳极氧化时有Cu从样品表面沉淀 Cu b 抗蚀 58 Al Mg Si Cu合金的组织 主要强化相为Mg2Si 序列还可出现Cu4Mg5Si4AlX W 序列当Cu含量非常高时才能出现S和 序列 59 合金化 Al Mg Si合金加Cu后出现含Cu相 它参与时效强化 故锻铝的强度随Cu含量提高而增加 Cu的作用 提高强度和耐热性 降低塑性和抗蚀性 降低自然时效速度 抑制停放效应 60 热处理 热处理特点与Al Mg Si合金相同 但随Cu含量升高淬火温度降低 540 500 61 应用 LD2工艺塑性好 b 330MPa抗蚀性接近LF21 用于直升机旋翼 形状复杂的锻件 LD10强度高 接近硬铝 共晶组织多 铸锭热裂倾向小 有好的热塑性 生产承受重载荷的锻件和模锻件 62 几种典型的Al Mg Si Cu合金 63 64 3 耐热锻铝 Al Cu Mg Fe Ni合金 在Al Cu Mg基础上加1 Fe和1 Ni 形成Al9FeNi相 为稳定化合物弥散质点 起弥散强化作用 LD7 2618 2 2Cu 1 6Mg 1 25Ni 1 25Fe 0 05Ti使用温度范围150 225 内燃机活塞 压气机鼓风机的涡轮叶片 高温工作的锻件 65 四 防锈铝 包括ALMn系和AlMg系合金共同特点 强度比纯铝高 优秀的抗蚀性和可焊性 不能热处理强化 66 1 Al Mn系合金 67 LF21 3003 1 0 1 6 Mn Mn再高出现MnAl6 对轧制不利 由于MnAl6的电极电位与纯铝相近 因此有少量MnAl6合金仍有好的抗蚀性 退火态 b 130MPa 0 2 50MPa 23 抗蚀性好与纯铝相似 塑性好 易于冲压成形 这类合金退火时易产生不均匀的粗大晶粒组织 原因是Mn在铸造时产生晶内偏析 低Mn处再结晶温度低 晶粒易长大 造成退火材晶粒尺寸不均匀 加少量Fe有好的作用 但一般要求Fe Mn 1 8 68 应用 退火 半硬 硬状态应用以管 板 型材应用于焊接用品 炊事用品 航空上广泛用于要求冲压 受力不大的零件 Al Mn合金中加1 Mg损害表面质量 但有固溶强化作用 可提高强度10 如3004 3004合金 1 2Mn 1 0Mg 生产饮料罐 69 2 Al Mg系合金 特点 密度比纯铝轻 强度比纯铝和Al Mn高 退火态 LF3 b 196MPaLF5 b 274MPa在大气和海水中抗蚀性比纯铝好在酸性和碱性介质中抗蚀性比LF21差好的塑性 可焊性和抛光性能 70 71 Mg在Al中的溶解度极限17 4 450 Al Mg系合金中的 相 Mg2Al3 也有沉淀过程 GP区 Mg2Al3 但由于Mg原子尺寸大 GP区周围有密集的空位云 GP区与母相不发生共格应变 无明显时效硬化效应 含Mg高时 相有强烈沿晶界沉淀现象 造成剥落腐蚀 exfoliationcorrosing 72 通常使用的Al Mg合金含Mg 5 该类合金冷作后如不进行120 150 稳定化处理 在室温可发生时效软化 LF2 2 4Mg 内燃机 柴油机的油管 焊接油箱 舰船上部 LF3 3 5Mg 用于焊接结构 相当于5154 当Mg 5 时 相沿晶沉淀形成连续网 尤其Mg 8 合金变脆 产生SCC和剥落腐蚀 采用形变热处理解决 73 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 74 几种常用变形铝合金的主加成分 75 五 Al Li合金 目前的Al Li合金是指添加2 3 Li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1wt Li合金密度降低3 弹性模量高 刚度大 每加1wt Li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2 3倍 断裂韧性低 废料回收难于管理 76 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 77 Al Li合金二元相图虚线代表亚稳 溶解度曲线 78 立方结构 LI2有序结构 Cu3Au型 点阵常数a 0 4047nm 79 含 2 5wt Li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 80 几种典型的Al Li合金 81 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 82 一 分类和牌号 按GB1173 74铸铝分四大类 Al Si ZL1XX Al Cu ZL2XX Al Mg ZL3XX Al Zn ZL4XX 83 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 84 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 x Si5xx x Mg7xx x Zn8xx x Sn9xx x 其他6xx x 未使用系列 85 例如 86 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Al Si系合金的共晶点靠近Al端 共晶成分Al 11 7 Si 577 87 88 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 300 3h 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 89 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 Na Sb 锑 RE Sr锶 效果越来越好 Sr对改善共晶Si的形态最有效 90 Al 12Si合金变质处理前 400 91 Na变质处理后 400强度提高30 92 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 93 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 94 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 22Mg 0 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 550 6h淬火 205 8h时效ZL10912Si1 0Cu1 2Mg1 0Ni相当于102上加1 0Cu1 2Mg1 0Ni可热处理强化 95 Z