有色金属热处理第二章铝及铝合金

有色金属及热处理,第一节纯铝及其合金化第二节铝合金的热处理原理第三节铸造铝合金及其热处理第四节变形镁合金及其热处理,第二章铝及铝合金,第一节纯铝及其合金化一、纯铝及其合金特性a.纯铝比重小（2.7g/cm3）、强度低、熔点低(660).工业纯铝板材：冷轧b150MPa，0.2100MPa；退火b80MPa，0.250MPa铝合金比重小，比强度(b/)比一般高强钢高的多.,b.资源多（占地壳总储量的7%以上），成本低.c.抗腐蚀性能好，但不抗盐碱.d.焊接性能和加工性能好C919Al-Li合金机身等直段部段.,塑性好（面心立方结构，12个滑移系）.良好的冷热加工性能，450-500可轧、锻、挤等.切削性好.铸铝合金的铸造性能极好.,一、纯铝及其合金特性,e.导电性好，仅次于银、铜和金，耐大气腐蚀，磁化率极低，接近于非铁磁性材料.,一、纯铝及其合金特性,e.优良的低温性能，无低温脆性.,一、纯铝及其合金特性,表.工业纯铝的低温性能,铝及铝合金用途：在电气工程、汽车、建筑、机械、航空及宇航工业、轻工业都有广泛用途.纯铝由于性能低，铸造性能差，而主要用来配置铝合金，制作电线电缆，电缆和制造家庭用器皿。,庞巴迪C系列飞机的铝锂合金机身段,C919大型客机铝锂合金机身等直段部段,二、铝中杂质主要有Fe、Si，其次Cu、Zn、Mg、Ni、Ti等，对铝的机械、工艺和腐蚀性能均有影响.共晶T时的极限溶解度，铁0.052、硅1.65，并随温度下降而急剧减小。,铝-铁合金,铝-硅合金,二、铝中杂质,二、铝中杂质Fe、Si共存时的相.FeAl3、(Si)相、(Fe3SiAll2)、(Fe2Si2Al9).当WFeWSi，富Fe化合物(Fe3SiAl12).,当WSiWFe，富Sip(Fe2Si2).,骨骼状(Fe3SiAll2)，枝条状(Fe3SiAll2)，粗针状(Fe2Si2Al9)。相硬脆，塑性，后者尤为严重。,二、铝中杂质严格控制硅含量，Fe：Si23。铝中铁硅比不当时，纯铝铸锭产生裂纹.当W(Fe+Si)小于0.65时，合金的结晶间隔小，铸造工艺性，WFeWSi铸锭开裂倾向.当W(Fe+Si)大于0.65时，共晶数量，共晶液体易充填热裂纹，铁硅比的影响.E（FeAl3、）铝，破坏纯Al表面氧化膜连续性，耐蚀性、导电性.,三、纯铝的牌号和用途,高纯铝：LG1LG5纯度为99.93%99.999%，编号越大，纯度越高。主要用于科研及电容器。,工业高纯铝：L00及L0纯度分别为99.85%、99.9%，主要用于铝箔、包铝、铝合金原料及其他特殊用途。,工业纯铝：L7L1纯度为98.0%99.7%，编号越大，纯度越低。主要用于熔制配制铝合金、制作电线、电缆和日用器皿等。,不可热处理强化，冷变形强度（唯一），工业纯铝可按冷作硬化或半冷作硬化使用。热处理形式为退火（350500），保温时间随工件厚度而定。T再约200，杂质元素T再，其中铬、锰、铁较明显。,三、纯铝的牌号和用途,我国纯铝的牌号及杂质含量（GB1196-83）,LG4,LG3,LG2,LG1,新标准,改型情况（B-Y）：表示为原始纯铝的改型（按国际规定用字母表的次序选用），与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。,三、纯铝的牌号和用途,纯铝新旧牌号对比表,三、纯铝的牌号和用途,四、铝的合金化,纯铝强度低，很少用作结构材料.,纯铝与铝合金，力学、物理及化学性能均发生了变化.如熔点、凝固点等.,铝合金分组区分图,四、铝的合金化,主要依靠固溶强化和沉淀强化机械性能；晶粒细化、加工硬化及过剩相强化也能发挥一定作用。确定合金成分时应考虑：1、固溶强化能力合金组元的固溶强化能力与其本身的性质及固溶度有关固溶度10%例Al-Zn、Al-Ag、Al-Mg合金，固溶强化作用差，单纯简单的二元合金无使用价值。主要是它们具有相近原子的半径和性能，晶格畸变,可用于铝合金化的某些元素的溶解度,四、铝的合金化,1%10%15%），抗拉强度和屈服强度差值较大（0.2/b=0.70.8），良好的冲击韧性和抗蚀性。人工时效：强度较高，屈服强度增加更为明显（0.2/b=0.80.95），但塑性、韧性、和抗蚀性一般较差。通过改变时效T和t，人工时效可分为完全时效（也称峰值时效）、不完全时效（也称欠时效）及过时效、稳定化时效等。,五、时效理论的应用,完全时效：强度最高，达到时效强化的峰值；不完全时效：时效温度稍低或时效时间较短，以保留较高的塑性；过时效：时效程度超过强化峰值，相应综合性能较好，特别是抗蚀性较高；稳定化时效：温度比过时效更高，其目的是稳定合金的性能及零件尺寸。,铸造铝合金的状态,硬铝（Al-Cu-Mg系）以自然时效为主，可以保证较低的晶间腐蚀.其他类型的铝合金，特别是超硬铝（Al-Zn-Mg-Cu系）选用仍人工时效为宜。不仅可以充分发挥时效强化效果，而且抗应力腐蚀性能较好；高温工作零件，采用人工时效，保证合金组织和性能的稳定性。,五、时效理论的应用,、铝合金时效后的性能特点：,、停放效应淬火后在室温停放一段时间再进行人工时效处理时，将使铝合金的时效强化效应降低。,通常在铝合金中添加其他元素以降低停放效应的影响。如在Al-Mg-Si系合金中加入0.2%0.3%的Cu，可以大大减少淬火后停放效应对合金性能的影响。,自然时效对Al-1.75Mg2Si合金在160人工时效硬度的影响,、停放效应理论解释：Al-Mg-Si系合金中镁在铝中的溶解度远硅。室温停留期间，过剩硅将首先偏聚，而镁、硅原子的G.P.区是在硅核上形成的.停放时间短：只产生硅偏聚，大部分溶质原子仍保留在固溶体内，随后人工时效，镁和硅原子继续向硅的偏聚团上迁移，形成大量稳定晶核并长大.停放时间长：合金内形成大量偏聚，固溶体中溶质元素浓度。人工时效T，小于临界尺寸的G.P.区将重新溶入固溶体，稳定的晶核数量，形成粗大的过渡相.,2、分级时效单级时效的优点：生产工艺比较简单，能获得很高的强度.单级时效的缺点：显微组织的均匀性较差，在拉伸性能、疲劳和断裂性能与应力腐蚀抗力之间难以得到统一.分级时效优点：弥补单级时效的缺点且能缩短生产周期。特别是对Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系(超硬铝）合金收到很好的效果.,五、时效理论的应用,分级时效：在不同温度进行两次或多次时效处理，按其作用可分为预时效（又称成核处理）和最终时效两个阶段.预时效处理温度一般较低，目的是形成高密度的G.P.区.最终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度以达到预期的性能要求.,五、时效理论的应用,2、分级时效,正确选定时效制度，必须了解主要热处理参数对铝合金显微组织及性能的影响.,Al-Cu系合金的G.P.区和过渡相的亚稳相界图,Al-MgZn2系合金的G.P.区和过渡相的亚稳相界图,几种等温淬火与时效制度示意图TA时效温度，TCG.P.区的溶解温度,无G.P.区做核心沉淀相不均匀分布,形成G.P.区做核心保证组织的均匀性,G.P.区连续形成长大高致密组织,下图所示为几种等温淬火与时效制度示意图.,五、时效理论的应用,3、形变热处理形变热处理：将塑性变形与热处理联合进行的综合工艺.目的：合金中缺陷密度.铝合金有两类形变热处理：高温形变热处理、低温形变热处理、预变性热处理.,五、时效理论的应用,3、形变热处理（1）铝合金高温形变热处理形变时再结晶不完全或部分再结晶.LD31合金挤压件（淬火临界冷却速度小，空气冷却）热处理制度：挤压时坯料加热T（480-520），挤压缸温度（450-470），材料流动v15m/min，空气冷却，人工时效T（160-170）8h.,五、时效理论的应用,铝合金高温形变热处理工艺1-淬火时的加热与保温；2-压力加工；3-开始变形时的温度；4-快冷；5-淬火时瞬时重复加热；6-淬火加热温度范围；7-工艺塑性温度范围,3、形变热处理（1）铝合金低温形变热处理最常用的低温形变热处理方式：（1）淬火冷（温）变形人工时效（2）淬火自然时效冷变形人工时效（3）淬火人工时效冷变形人工时效,五、时效理论的应用,3、形变热处理（1）铝合金低温形变热处理LY12合金板材方案：淬火20%变形130、10-20h的时效.保证塑性，b60MPa，0.2100MPa.LY11合金板材方案：淬火150轧制，变形程度为30%变形100、3h的时效.在相对降低2倍情况下，可使瞬间抗力50MPa，0.2130MPa.,五、时效理论的应用,五、时效理论的应用,淬火后立即冷变形和自然时效后冷变形对LY11合金硬度的影响,4、回归处理回归处理：将经过自然时效的铝合金在200-250短时间加热，然后迅速冷却，可使合金的硬度和强度恢复到接近新淬火状态的水平。,目的：零件修复和校形、缺少重新淬火所需高温设备或重新淬火会导致很大变形.,硬铝中的回归现象（214）,五、时效理论的应用,第三节铸造铝合金及其热处理,铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。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。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）铸造铝合金的特点铸造性能好（高流动性），可铸造形状复杂零件，线收缩小，切削性能好.比强度高.抗蚀性好（含铜铝合金除外）.导热和导电性高.,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,（2）铸造有色金属的牌号：有色纯金属Z+该金属元素符号+纯度百分含量数字(或用一短横加顺序号)。如ZAl99.5和ZTi-1。,铝锭,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,（2）铸造有色金属的牌号：有色合金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。如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等。混合稀土元素符号用RE表示。优质合金在牌号后标注字母“A”。,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,一、铸造铝合金的特点、分类和编号,铸造铝合金的代号表示方法,（3）铸造铝合金的代号表示方法,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,（4）铸造铝合金的新旧牌号表示方法对比,（5）铸造铝合金的状态,（6）铸造铝合金分类：Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号，优良铸造性，气密性好。Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号，较高的热强性，铸造工艺性和抗蚀性较低。Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号，高强和高抗蚀性，良好的切削加工。Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号，有自淬火效应，内应大为减少，比重较大，耐热性也很低。,一、铸造铝合金的特点、分类和牌号,二、Al-Si系铸造合金又称铝硅明，是航空工业应用最广泛的一类铸造合金，具有良好的工艺性和抗蚀性。共晶点Si量较低、既可保证合金组织形成大量共晶体，又不至于第二相数量过多而使材料塑性严重降低。,Al-Si系合金的牌号及主要成分,Al-Si二元合金,简单铝硅明ZL102（1013%）具有优良的铸造性能（熔点低、流动性好、收缩小），相当好的抗蚀性和耐热性。焊接性能好，比重小，不能时效强化，强度较低。塑性太低，须经过变质处理，使共晶硅由粗片状细化成粒状.,硅沉淀聚集速度很快，不能形成共格或半共格的过渡相,二、Al-Si系铸造合金,二、Al-Si系铸造合金,不同含硅量的合金变质处理前后性能对比,简单铝硅明ZL102（1013%）,在普通铸造条件下，ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。获得亚共晶组织是由于加入钠盐后，铸造冷却较快的共晶点左移的缘故。,二、Al-Si系铸造合金,ZL-102合金稳定化热处理规范,简单铝硅明ZL102（1013%）ZL102应用于精密仪器，其元件的尺寸和形状使用期间需保持高度稳定性.,应用：制造飞机，仪表电动机壳体，气缸体，风机叶片，发动机活塞等。主要用于金属性铸造，压力铸造，生产形状复杂受力小的仪表壳体。,活塞(裙部为铝硅合金),复杂（特殊）铝硅明铝硅明的强度，Cu、Mg等元素，形成CuAl2或Mg2Si，获得能进行时效硬化的特殊铝硅明，可变质处理.ZL101（6.0-8.0%Si，0.2-0.4%Mg，余为Al)Mg形成Mg2Si，合金的时效强化能力和机械性能.含Si量较高，保证合金的铸造工艺性.Mg（0.5-0.6%）ZL101。Mn消除Fe的有害作用，且具有一定强化效果.热处理制度：530-540加热，保温五小时，在热水中淬火，然后在170-180时效6-7小时。经热处理后，强度可达200300MPa。时效温度影响：小于150，以G.P.区为主；150-225，为G.P.区+相，强化效应最好。大于225淬火，为Mg2Si相。对ZL104进行分级时效处理，可提高其综合性能。,二、Al-Si系铸造合金,ZL104在铝硅明中，强度最高，铸造性能好，有很好的充型能力，较小的线收缩率，无热裂、疏松倾向，抗腐蚀性能、切削加工性能和焊接性能都较好，可以铸造很复杂的零件.易产生气孔和集中缩孔（加冒口），应进行细心的精炼除气操作.含Si量较高，须进行变质处理.用作承受较大载荷且形状复杂的大型零部件，如汽缸体、汽缸盖、曲轴箱、增压器壳体以及航空发动机压缩机匣、承力框架等用途十分广泛.,二、Al-Si系铸造合金,复杂（特殊）铝硅明ZL105：（含硅4.5-5.5%，镁0.35-0.6%，铜1.0-1.5%）降低硅含量，提高铜含量，目的是提高耐热性.室温性能与ZL104接近，高温性能大于ZL104。铸造性能良好，吸气性较小，铸造工艺较ZL104简单，无需变质和在压力釜中结晶.耐蚀性能差，ZL105ZL101ZL104ZL102。,二、Al-Si系铸造合金,三、Al-Cu系铸造铝合金,Al-Cu合金密度较大、抗蚀性和铸造性能差，耐热性好，常温和高温力学性能均很好，适合制造大负荷或高温下工作的零件.航空常用的有ZL203、ZL201及ZL202.ZL203（4.0-5.0%Cu）存在不平衡共晶体+CuAl2，经淬火时效后，强度较高，可作结构材料，铸造200以下承受中等载荷和形状较简单的零件。,Si金属型铸造加入3%，形成三元共晶体（+CuAl2+Si），从而提高铸造性能.对室温及高温性能不利.Fe允许达到1.0%，耐热性，形成Al7Cu2Fe相，分布在共晶界上，合金.Mg（5%）为两相组织.,二、防锈铝合金,2、Al-Mg系合金,二、防锈铝合金,Al-Mg系防锈铝的牌号和化学成分,2、Al-Mg系合金除主要合金元素，尚含有少量其他组元：添加硅合金的铸造性能（流动性）。锰、铬有一定的强化作用，合金的抗蚀性能.钛和钒细化晶粒，其机械性能.铍合金在熔炼、焊接及其他热加工中的氧化倾向.应用：航空工业应用广泛，如制造管道，容器，油箱，铆钉等需承受中等载荷的零件.,二、防锈铝合金,属于Al-Cu-Mg-Mn系合金（2.5-6.0%Cu，0.4-2.8%Mg，0.4-1.0%Mn）.可进行时效强化，也可进行变形强化.强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。常用硬铝合金：LY11（2A11）、LY12（2A12）等.应用：制造冲压件，模锻件和铆接件，如螺旋桨，深铆钉等，飞机翼梁.,三、硬铝合金,三、硬铝合金,硬铝的性能:（1）铆钉硬铝，又称低强硬铝（如LY1、LY10）合金元素含量较低，Cu/Mg比值高，(CuAl2)为主，强度较低，但具有较高的塑性，适应于铆钉材料.（2）中强硬铝，又称标准硬铝（如LY11）Cu/Mg比值较高，(CuAl2)为主，其次为S（CuMgAl2）相.合金强度较高，塑性较好，可作为航空螺旋桨桨叶及中等强度的紧固件.（3）高强硬铝（如LY12）Cu/Mg比值低，S为主，其次为相.（4）耐热硬铝（如LY2）Cu/Mg比值在硬铝中最低，S为主.具有较高的耐热性，适宜制作高温下工作的零件，如航空发动机的压气机叶片等.,三、硬铝合金,Cu+Mg=5%的Al-Cu-Mg合金淬火时效后的强度,Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Mn、Cr（5-8%Zn，1.7-3.6%Mg，0.8-3.0%Cu，0.1-0.5%Cr，0.2-0.8%Mn及少量Ti等）.时效强化效果超过硬铝合金.热态塑性好，但耐蚀性差，低于硬铝，抗疲劳性较差，对应力集中敏感，有明显的应力腐蚀倾向.常用合金：LC4（7A04），LC9（7A09）应用：主要应用工作温度较低，受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架等。,三、超硬铝合金,Al-Cu-Mg-Si系合金，可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机，压气机叶轮，导风轮等。主要有LD2、LD5、LD6、LD10，提高铜含量，室温强度，耐热性升高，抗蚀性，有所Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金，常用牌号有LD7（2A70）、LD8（2A80）、LD9（2A90）等，用于制造150-225下工作的零件，如压气机叶片，超音速飞机蒙皮等。,四、锻铝合金,四、锻铝合金,（1）Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金常用合金有LD7、LD8和LD9，一般用作锻件，也可归入锻铝。最广泛应用的是LD7，可在150225范围内使用.（2）Al-Cu-Mn系耐热铝合金常用的有LY16、LY17，可加工成板材、棒材、型材和模锻件等半成品。挤压和模锻制品可在200300下工作；板材用作常温和高温使用的焊接件.,五、耐热铝合金,低密度、高屈服强度、高弹性模量和良好的高低温性能特点.良好的腐蚀性、超塑性和优良的加工性能，疲劳裂纹扩展速率低，断裂韧性高，力学性能各向异性较低.用其取代常规铝合金，可使可使构件质量减轻10%15%，刚度提高15%20%。,六、铝锂合金,不同铝合金性能对比示意图,六、铝锂合金,随着第三代铝锂合金的不断出现和性能的不断提高，在现代飞机制造中，铝锂合金的用量,正在逐渐提高，并部分取代了传统的2XXX和7XXX系铝合金，从而达到减轻