金属材料_铝及铝合金.ppt

金属材料,方俊飞,fangfei,安徽工业大学材料科学与工程学院,非铁金属,非铁金属：除铁之外的其它金属,轻金属：4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca等重金属：4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等贵金属：Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等稀有金属：相对稀少或产量较少Ti、W、V、Nb、Mo等放射性金属：如镭（Ra）、铀（U）、钍（Th）等半金属：介于金属与非金属之间的元素，如硅、锗、硼,非铁金属具有许多黑色金属所不及的优良特性，是现代工业中不可缺少的材料,第八章铝及铝合金,概述Al是地壳中储量最多的一种金属元素，居四大金属元素之首（Al:8.2wt%,Fe:5.1wt%,Mg:2.1wt%,Ti:0.6wt%)在航空航天领域占有不可替代的位置在民用飞机上，Al合金占飞机结构总重量的7080%在军用飞机上，Al合金占飞机结构总重量的4060%,发展1825年发现Al元素1886年英国的Hall和法国的Heroult发明了电解法制备纯铝1888年形成工业规模生产，但应用很有限20世纪中叶，铝合金在飞机上的应用刺激了铝工业的飞速发展20世纪80年代以后，Al-Li合金、Al-Sc合金等新型合金纯铝的制备原始矿石为Al2O33H2O和Al2O3H2O矿石经高温熔炼得到纯的Al2O3Al2O3用熔融的冰晶石溶解后通直流电电解得到纯铝,法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了一顶头盔,以显示自己的富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。,1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝1854年法国化学家德维尔以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝由于钾和钠均极难制得,所以,当时其价格比黄金还要昂贵,一、工业纯铝（物理性能）,具有银白色金属光泽密度2.72g/cm3，熔点660.4具有良好的导电和导热性其导电性仅次于银和铜纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能,一、工业纯铝（工艺性能）,面心立方结构，极好的塑性和较低的强度(纯度99.99%时，b45MPa，50%)良好的低温性能(-235塑性和冲击韧度也不降低)，冷变形加工可提高其强度，但塑性降低铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低强化方式：一般用固溶强化或冷变形强化提高其强度,一、工业纯铝（分类）,按纯度：高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝,高纯铝：L05L01五种，数字越大，纯度越高；工业高纯铝：LG5LG1五种，数字越大，纯度越高；工业纯铝：L1L7七种，数字越小，纯度越高。用途：主要用途是配制铝合金高纯铝主要用于科学试验和化学工业纯铝还可用来制造电线电缆、包覆材料、耐蚀和生活器皿等,二、铝的合金化,铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、Ti、Zr、B、Ni等辅加元素，组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性,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,合金元素与铝均形成有限固溶体，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,1铝基固溶体,沉淀强化相应满足以下的基本条件：硬度高的质点；在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,2.铝合金中的沉淀强化,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）,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,3.铝合金共晶中的过剩相（强化）,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,铝合金的主要合金元素及其作用,Cu：固溶强化，沉淀强化，提高耐热性Mg：固溶强化，增加抗蚀性，与其它合金元素共同起到沉淀强化作用Mn：有一定的固溶强化作用，主要是提高抗蚀性Si：主要起过剩相强化作用，也可与Mg一起产生沉淀强化作用Zn：固溶强化，与其它合金元素共同起到沉淀强化作用Li：沉淀强化，提高弹性模量，降低密度Ti,Zr,Sc等：一般作为辅加元素，细化晶粒,根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类：,1)形变铝合金2)铸造铝合金,三、铝合金的分类,组织类型:单相组织或+第二相组织,三、铝合金的分类,铸造铝合金成分在E点以右的合金，存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造,形变铝合金成分在E点以左的合金，加热至固溶线DF以上温度得到均匀的单相固溶体，塑性好，适于进行锻造、轧制等,三、铝合金的分类(形变铝合金),成分在F-E之间的合金，固溶体成分随温度变化，可通过热处理方法强化，称为可热处理强化的铝合金,小于F点的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能通过热处理方法强化，称为不可热处理强化的铝合金,四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效),1退火(1)再结晶退火：再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用于消除变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进行成形加工。(2)低温退火：消除内应力，适当增加塑性，通常在180300保温后空冷。(3)均匀化退火：消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。,2淬火（固溶处理）将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的单一固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不高，具有很好的塑性。,四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效),3.时效将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效,四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效),室温下进行的时效称为自然时效低温加热下进行的时效称为人工时效,时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化,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,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）,五、形变铝合金,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,五、形变铝合金(防锈铝合金LF),主要性能：具有很高的塑性、较低或中等的强度、优良的耐蚀性能和良好的焊接性，利用冷加工硬化来提高强度,主要系列：Al-Mn系、Al-Mg系,Mn在Al中的最大溶解度仅为1.82，形成的MnAl6沉淀相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。,1、Mn对合金力学性能的影响,Al-Mn合金典型的显微组织是含Mn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。,2、Mn对合金耐蚀性的影响,MnAl6相与基体的电极电位相近，故产生的腐蚀电流较小。另外Mn还可与有害杂质Fe形成（Mn，Fe）Al6相，避免FeAl3相的腐蚀作用。,Al-Mn系合金,Al-Mg系合金,Mg在Al中的固溶强化显著，其强度高于Al-Mn合金。,1、Mg对合金力学性能的影响,W(Mg）5时：获得单相合金，热处理后组织成分均匀，耐蚀性能良好。,2、Mg对合金耐蚀性的影响,W(Mg）5时：晶界上连续析出Mg5Al8相，有晶界腐蚀和应力腐蚀的倾向。（可在退火前施加2的变形，促进退火时Mg5Al8相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾向）,五、形变铝合金(防锈铝合金LF),常用Al-Mn系：LF21，抗腐蚀性较好，常用来制造需弯曲、冷拉或冲压的零件，如管道、容器、油箱等。,使用：防锈铝只能用冷变形来强化，一般在退火态或冷作硬化态使用,常用Al-Mg系：LF2、LF3、LF5、LF6等，有较高的疲劳性能和抗振性，强度高于Al-Mn系合金，但耐热性较差，广泛用于航空航天工业中，如制造油箱、管道、铆钉、飞机行李架等,3、其他元素对合金性能的影响,Si：改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。Mn：增加固溶强化，改善耐蚀性。V或Ti：细化晶粒，提高强度和塑性。稀土元素：减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高热塑性。Fe、Cu和Zn等：对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。,五、形变铝合金(硬铝合金LY),硬铝包括：Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类,但W（Mn）1，会产生粗大脆性相（Mn，Fe）Al6，降低合金塑性,Mn：中和Fe的有害作用，改善耐蚀性。同时，起到固溶强化和抑制再结晶的效果。,Cu,Mg形成时效强化相：相（CuAl2）、S相（Al2CuMg）,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Cu/Mg=8,强化相以为主；Cu/Mg=48，强化相以+S为主；Cu/Mg=1.54,强化相以S为主。,五、形变铝合金(硬铝合金LY),低强度硬铝(铆钉硬铝)，如LY1、LY3、LY10等，Mg,Cu%较低，强度较低，但有很高的塑性，时效速度慢,分类,中强度硬铝（标准硬铝），如LY11，可淬火（过饱和固溶）时效，强度提高；,高强度硬铝，如LY12,Al-Cu-Mn系硬铝：,Al-Cu-Mg系硬铝：,超耐热硬铝合金，具有较好的塑性和工艺性能，常制成板材和管材主要用于飞机构件、蒙皮、螺旋桨、叶片等,焊接性和耐蚀性较差，对于板材可包覆一层高纯铝，通常还要进行阳极氧化处理和表面涂装，为提高其耐蚀性一般采用自然时效。部分Al-Cu-Mg系硬铝具有较高的耐热性，可在较高温度使用,具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也不高表面通常包覆wZn=1%的铝锌合金，零构件也要进行阳极化防腐蚀处理一般采用淬火加人工时效的热处理强化工艺用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机蒙皮、壁板、大梁、起落架部件等,Al-Zn-Mg-Cu系合金：强度最高，常用LC4、LC9等；,五、形变铝合金(超硬铝合金),超硬铝是在Al-Zn-Mg系合金基础上发展起来的。由于-MgZn2、T-Al2Mg3Zn3两种沉淀强化相在固溶体中有较大的溶解度，因此固溶强化效果十分显著。当W(Zn+Mg)=9%时，强度最高；超过这一值后，因在晶界析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。,主加元素Mg、Zn的作用：,改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。这是因为Cu除了加强固溶强化外，还出现S-CuMgAl2沉淀强化相。Cu还提高沉淀相弥散度，消除晶界网状脆性相，改善晶界腐蚀倾向,主加元素Cu的作用：,其他元素对合金性能的影响：,Cr或Ti：形成弥散的金属间化合物Al2Mg2Cr、Al3Ti，显著提高合金的再结晶温度，阻止晶粒长大。Mn：增加固溶强化，改善耐应力腐蚀性。,五、形变铝合金(锻造铝合金LD),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。,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系：,Al-Cu-Mg-Si系：,常用代号有LD7、LD8、LD9等，耐热性较好，主要用于250温度下工作的零件，如叶片、超音速飞机蒙皮等。,热塑性好，可用锻压方法来制造形状较复杂的零件一般在淬火加人工时效后使用主要制造要求中等强度、高塑性和耐热性的锻件、模锻件，如各种叶轮、导风轮、接头、框架等。,优点密度低：Li的密度只有0.53g/cm3，加入1wt%Li，可使铝合金密度降低3%比强度高，加入1wt%Li，可使铝合金比强度提高6%比刚度高，加入1wt%Li，可使铝合金比刚度提高9%缺点塑性低、韧性差，缺口敏感性大，原因主要是Al3Li相引起位错共面滑移、晶界无析出带和晶界平衡相的形成等价格高，约为硬铝价格的23倍，原因主要是Li太活泼，给冶炼和加工造成困难,五、形变铝合金(Al-Li合金),提高塑性、韧性的方法降低锂含量，由以前的23%下降到1.01.5%左右（美国）增加Cu含量，由以前的2%左右提高到4%左右（美国）微合金化，美国主要是加入Ag，俄罗斯加Sc采用特殊的热处理工艺,应用情况美国已将2195合金成功地用于航天飞机外推进剂贮箱，减轻重量3400kg俄罗斯的14201460系列Al-Li合金多年前就已用于军用飞机和空间站等航天器新建立的国际空间站舱体采用Al-Li合金制造,六、铸造铝合金,铸造铝合金系列：Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系代号：ZL1、ZL2、ZL3、ZL4加两位数字的顺序号表示；若为铸锭，则在ZL后加D；若为优质，则在代号后加A；需表示状态时，在合金代号后用短横线连接状态代号；铸造方法代号不写入合金代号中。,六、铸造铝合金(1.Al-Si系),铸造铝合金的铸造性能好，密度小，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性用于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，如飞机、仪表壳体等制造低、中强度的形状复杂的铸件，如电机壳体、气缸体、风机叶片、发动机活塞等,Al-Si(11-13%)系铸造铝合金俗称硅铝明,六、铸造铝合金(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+13KCl),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%Si,变质机理,ZL102变质前：b140MPa3后：s180MPa8,六、铸造铝合金(2.Al-Cu系),Al-Cu系铸造铝合金有较高的强度、耐热性，但密度大、耐蚀性差，铸造性能不好，有热裂和疏松倾向主要强化相为CuAl2常用代号有ZL201、ZL202、ZL203等适于制作大负荷的铸造耐热件，主要用于制造较高温度下工作的要求高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等,六、铸造铝合金(3.Al-Mg系),Al-Mg系铸造铝合金耐蚀性好，强度和韧性高，密度小，切削性和抛光性优，但铸造性能差，耐热性低组织：Al固溶体+少量Al8Mg5常用代号有ZL301、ZL303等主要用于制造在腐蚀介质下工作的承受一定冲击载荷的形状较为简单的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,六、铸造铝合金(4.Al-Zn系),Al-Zn系铸造铝合金铸造性能好，强度较高，但密度大，耐蚀性较差，热裂倾向大自然时效后具有较高强度常用代号有ZL401、ZL402等主要用于制造受力较小、形状复杂的汽车、飞机、仪器零件，也可用于制造日用品,（一）国际牌号规则：根据主要合金元素来命名，用四位数字标记；第一位数字表示主要合金系；第二位数字表示合金的改型；第三位和第四位数字表示合金的编号,七、铝合金牌号(变形铝合金),1xxx纯铝，如1050(99.5Al)，1060(99.60Al)，1199(99.99Al)2xxxAl-Cu系合金，如2024(4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn)，2048(3.3Cu-1.5Mg-0.4Mn),2224(4.1Cu-1.5Mg-0.6Mn)3xxxAl-Mn系合金，如3003(1.2Mn-0.12Cu)，3004(1.2Mn-1.0Mg)4xxxAl-Si系合金，如4032(12.2Si-1.0Mg-0.9Cu-0.9Ni)，4043(5.2Si)5xxxAl-Mg系合金，如5052(2.5Mg-0.25Cr)，5086(4.0Mg-0.4Mn-0.15Cr)6xxxAl-Mg-Si系合金，如6061(1.0Mg-0.6Si-0.3Cu-0.20Cr)，6063(0.7Mg-0.4Si)7xxxAl-Zn-Mg-Cu系合金，如7075(5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.23Cr)，7475(5.7Zn-2.3Mg-1.5Cu-0.22Cr)8xxxAl-Li或Al-Sn系合金，如8090(2.5Li-1.3Cu-1.0Mg-0.12Zr)9xxx备用,（二）中国牌号1.老牌号：根据主要合金元素来命名，用拼音+数字表示（1）纯铝：LG+数字或L+数字工业高纯铝：LG5、LG4LG1工业纯铝：L1、L2L7（2）防锈铝：LF+数字Al-Mg系：LF2、LF5、LF6等Al-Mn系：LF21,七、铝合金牌号(变形铝合金),（3）锻铝：LD+数字Al-Mg-Si系：LD31Al-Cu-M