常用金属材料的种类、性能特点及应用.ppt

2020/5/10,1,10.4铝及铝合金,第十章常用金属材料的种类、性能特点及应用（3）,10.4.1铝及铝合金的主要特点,（1）密度小、比强度高纯铝密度约为2.699g/cm3,铝合金密度在2.632.85g/cm3,约为钢铁的1/3，如Al-4Li,2.4g/cm3,Al-12Fe,3.06/cm3,比Cu、Fe及其合金轻得多。Ly12的比强度达到17.4，常用合金结构钢40Cr的为12.8。航空、航天器、汽车、高速磁悬浮列车、坦克装甲、建筑、交通运输等轻量化。,重要的有色金属材料，产量占所有有色金属产量的近一半，在金属材料中仅次于铁。资源丰富，性能优良。,美国轿车每使用0.45kg铝合金零件，车重可减少1.021kg。美国汽车工业的用铝量已占其全部用铝量的8%以上。,（2）导电、导热性好仅次于Ag、Au（金融）、Cu，远优于Fe、Ti等，在工业金属，仅次于Cu，可部分替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件。民用铝锅、电冰箱的导热部件、家庭采暖、发动机散热片等，还有电子元件的导电导热基座等。,（3）工艺性能好铸造性能好：多数铝合金为共晶系，如Al-Si铸件（活塞、气缸等）。加工：强度低，塑性好，能通过塑性加工制成各种形状的产品（挤、拉、轧、缎、冲，获得管、带、型、棒、线、板、箔等制品）。,（4）耐蚀性好表面可生成致密的氧化膜，可起保护作用。但卤族离子和碱离子会破坏氧化膜。液态天热气输运管道、输油管道、冷冻装置。,（5）热膨胀系数大为不锈钢、铜、黄铜的约1.5倍，与其它金属联接、铆接、复合时，热膨胀系数差值较大，产生大的内应力，以变形。但Al-Si系合金与显微强化的铝材的膨胀系数较低。,（6）低温性能好铝和铝合金无低温脆性，强度与塑性军虽温度的下降而升高，即使在超低温范围内也不出现类似普通钢的低温脆性。适合于天然液化气装置、液氧储存容器。另外，高纯铝在极低温度下导电率比铜的高，可作超导体的稳定材料。,（7）无磁性、冲击无火花几乎不受电磁场影响，且无磁性，用于罗盘、抛物面天线、电子计算机存储磁盘等。电气屏蔽、易燃易爆物生产器材或容器。,（8）核性能热中子吸收面积小，在放射线作用下，性能变化不敏感。用于反应堆的工艺管、元件包壳材料、以及浓缩铀的离心分离筒、机械手、加速器、热核反应超真空装置等。,（9）力学性能常规力学性能随合金种类与状态不同，变化范围宽，抗拉强度为50800MPa，屈服强度为10700MPa，延伸率为250%。主要结构材料的刚性大至于其密度成正比，与合金成分和状态没多大关系。弹性模量变化不大，大致为78x104MPa。疲劳强度较低，但低温下，相对于其它金属，其疲劳强度较高。日本超级铝抗拉强度指标为1000MPa。,（10）表面性能铝及铝合金有良好的表面处理性能。如6063、6064锻铝通过阳极氧化处理可在表面形成一层透明的氧化膜，并可着上各种颜色。可作装饰用材（门窗等）。特殊处理后可选择性的吸收太阳光，提高吸收太阳能的效率，作太阳能装置。还可由硬质氧化处理提高耐磨性。阳极氧化还可以赋予合金电绝缘性、亲水性、润滑性等。,(11)反射能力强白光、红外、紫外线、电磁波、热辐射。导弹干扰铝箔,10.4.2铝合金的合金化原理,纯铝强度低，b=80-100MPa，0.2=30-50MPa，=35-40%，HB=25-30，即使是冷变形60-80%，b=150-180MPa，但=1-1.5%，难以满足需要，需合金化。,（1）提高强度的途径加工硬化固溶强化相变强化（钢）弥散强化（第二相强化）细晶强化,因此，从合金化的角度看，强化铝合金可选择的元素应有如下特点：固溶度大（低温），或高温极限固溶度大，而低温的小，或可形成作为结晶晶核的第二相颗粒或钉扎晶界的稳定相颗粒。,合金化的考虑：以所需的性能要求和成本要求为中心,（2）常见合金化元素,除Ag、Ge外，其他均是常见合金化元素Zn、Mg、Cu、Li（正开发）、Si（铸铝），有时也包括Mn，可作主加元素，起固溶强化、弥散强化作用；（加入量1at%）Zr、V、Cr、Ti，有时也包括Mn，可作辅加元素，起细晶、补充强化、提高再结晶温度、改善抗蚀性（Be）等作用；与铝形成包晶系。Fe、Si通常在变形铝合金中为杂质，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Fe-V-Si等中例外。,新技术的发展，如快速凝固、机械合金化等有可能改变元素的固溶量和作用。,铝合金添加合金元素的溶解元素在铝合金中的溶解受其固态结构结合力破坏和原子在铝中扩散速度的控制。可用铝合金相图大致确定，通常与铝形成易溶共晶的元素溶解较快，形成包晶的元素溶解慢。如Al-Mg,Al-Zn,Al-Cu,Al-Li等为共晶系，易熔炼，元素直接添加；Al-Si,Al-Fe,Al-Be等虽存在共晶反应，由于熔点差别大，溶解慢，需较大过热才能完全溶解；Al-Ti,Al-Zr,Al-W,Al-Nb等为包晶体系，熔点相差大，组元应以中间合金形式添加。,（3）铝及铝合金分类,铝及铝合金,纯铝,铝合金,高纯铝（Al99.93%）,工业纯铝（Al98.8%）,硬铝Al-Cu-(Mg)系,锻铝Al-Mg-Si-(Cu)系,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系,超硬铝Al-Zn-Mg-(Cu)系,Al-Si系,防锈铝Al-Mn系，Al-Mg系,变形铝及铝合金,铸造铝合金,Al-Zn系,Al-Mg系,Al-Cu系,流动性好、填充性好、抗冷热裂共晶体较多,合金元素加入到铝中后可能产生的强化相,Al-Cu:CuAl2()Al-Mg:Al3Mg2()该相沉淀强化作用不大，易在晶界析出Al-Mn:MnAl6()有一定弥散强化作用Al-Si:Si一般要变质处理是针状Si变粒状。合金流动性好Al-Cu-Mg:,CuMgAl2(S),Mg32(Al,Cu)49(T).Mg增加,S增多Al-Mg-Si:Mg2Si()Al-Zn-Mg-Cu:MgZn2(),Al2Mg3Zn3(T),Mg32(Zn,Al)49Al-Li:AlLi(),Al2CuLi(T),Al2MgLi,另外，美国空军70年代发展的合金0812和1212耐热铝合金中的Al12(Fe,V)3Si。,10.4.3中国铝及铝合金牌号与状态符号（旧),铝及铝合金牌号,纯铝,铝合金,高纯铝L0XL01(99.93%),L02,L03,L04(99.996%),工业纯铝LxL1(99.85%),L2,L3,L4,L5,L6(98.8%),硬铝LYxxLY11(AA2017,2A11),LY12(AA2024,2A12),锻铝LDxxLD30(AA6061,6A30),LD7(AA2618,2A07),超硬铝LCxxLC4,LC9(AA7075,7A04),Al-Si系ZL1xxZL101-ZL111,防锈铝LFxxLF21(AA3004,3A21),LF6(AA5083,5A06),变形铝及铝合金,铸造铝合金,Al-Zn系ZL4xxZL401-ZL402,Al-Mg系ZL3xxZL301-ZL302,Al-Cu系ZL2xxZL201-ZL203,稀土元素：高熔点化合物、固溶强化、弥散、变质、细化晶粒、改善铸造性能、净化熔体、提高耐蚀性,问题:合金发展快，加工状态繁多，体系僵硬，已跟不上形势,10.4.4美国AAA标准合金牌号,变形铝合金牌号,铸造铝合金牌号,Al99.00%1XXXAl-Cu2XXXAl-Si4XXXAl-Mg5XXXAl-Zn7XXXAl-Sn8XXX,美国铝及铝合金状态符号,状态符号解释,W:固溶处理状态,H195,H284,T77511,美国AAA标准状态符号,热加工(T1),冷加工,时效(T5),退火(O),中间退火,冷加工,固溶处理,冷加工(T3),时效(T8),自然时效(T4),时效(T6),稳定化处理（过时效）(T7),人工时效(T10),自然时效(T2),冷加工(T9),状态分得细致，往往在状态符号后加一些数值，如T31,T36等表示T3中的冷变形量为1%，6%。,热处理可强化铝合金,10.4.5中国铝及铝合金牌号与状态符号（新）,在我们国家1,XXXX,主加元素,数字美国,LF21(AA3004,3A21)LF6(AA5083,5A06)LY11(AA2017,2A11)LY12(AA2024,2A12)LD30(AA6061,6A30)LD31(AA6063,6A31)LD7(AA2618,2A07)LC9(AA7075,7A04),A原有合金B、C、D改进型,E.g.2214,2017A,2B70,4A01etc,对于铸造铝合金，有铸造方法标志：ZL前加S、J、R、K、Y，分别表示砂型、金属型、熔模、壳型、压力,10.4.6几种铝合金简介,Al-Cu-Mg系合金：硬度、强度高，故称硬铝。可热处理强化。和S相同时出现时强化效果最好，但用于高温结构时，由于S相更稳定，因而采用人工时效获得主要以S相强化的合金；室温使用时采用自然时效。硬铝耐蚀性差，因为两强化相均为阴极。代表Ly11(2014),Ly12(2024)前者以强化为主；后者以S相为主，易过烧。这类合金存在的问题是凝固时易出现非平衡组织，须均匀化；有挤压效应；抗蚀性差，型材、管材等采用阳极氧化或涂漆以提高抗蚀性。美国80年代开发装甲用2519合金，抗应力腐蚀。我国只是近来才开始研究用于装甲的铝合金。2124合金厚板用于制造飞机结构件，2419用于高温结构和高强焊件；2224挤压件、2324厚板与薄板用于波音767部分结构件；2219合金用于火箭燃料箱（美国雷神和土星II号火箭上用）。,Al-Zn-Mg-(Cu)系：含铜小于0.3%时，中强可焊铝合金，抗拉强度约400MPa，国内无牌号，基本仿制。一般情况下，Zn+Mg量小于7%，还可加微量Mn,Cr,Zr等元素，抗应力腐蚀，焊接性好；若Zn+Mg高于7%，强度虽可提高，但焊接性差。人工时效，淬火性好，可空冷淬火。如：7004，7039等。含铜量高于0.3%时，硬度特别高，故称超硬铝。铜的加入可显剧提高塑性和抗应力腐蚀性能，抵消了由于Zn+Mg的高含量带来的塑性与抗蚀性损失。挤压效应。铜的作用为：SSS、强化相S的生成、降低晶内与晶界电位差。其中7049锻件、挤压件、板，7149和7479锻件用于飞机结构件，7475薄、厚板用于机身、翼皮、梁、子弹壳；7050用于起落架等。7039装甲。欧共体的阿娜亚火箭的燃料箱用Al-Zn-Mg合金制造。航母上有时7055-T74511，7150-T77511，7249-T76511代替7075-T6。特点：主强化相为，GP；塑性低，高温稳定性差；分级时效（GP区形成慢），过时效（抗疲劳、应力腐蚀）；为进一步提高抗蚀性，包Al-Zn合金，或阳极氧化着色；有挤压效应，用于大型骨架承力件。,Al-Mg-Si系合金：如6013：Al-(0.6-1.1)Cu-(0.6-1.0)Si-(0.8-1.2)Mg-(0.2-0.8)Mn，由美国铝业公司1983年研制成功，广泛用于飞机、汽车结构件，如美国海军反潜战斗机、巡逻机P-7A用6013-T6薄板取代包铝的2024-T3作蒙皮。我国仿制。该类合金锻造性好，对应力腐蚀不敏感，时效过程缓慢因而采用人工时效。强度中等、耐蚀性、焊接性、加工性良好。如果Mg含量过剩（对于生成Mg2Si而言）会降低Mg2Si在铝中的溶解度导致时效效果降低。Mg2Si含量高增加淬火敏感性。常见合金6063，作建筑及装饰材料，工艺简单，淬火敏感性地，可空气中淬火。在6063中加少量Cu和Cr获得6061合金，时效后强度更高，但淬火敏感性增加，挤压后须重新固溶水中淬火。该类合金有停放效应（淬火后室温停留会降低随后的人工时效强化效果）。,Al-Li合金：由于其轻质，是航空航天工业大力发展的一类合金。20世纪20年代初，德国首先研制成功含Li的Al合金Scleron，典型成分为Al-12Zn-3Cu-0.1Li，强度性能比硬铝高，屈服强度达520MPa。1957年美国铝业公司开发出Al-Cu-Li系2020合金，用于制造侦察机主翼的上下蒙皮。苏联随后60年代也发展了类似的合金O1420（Al-Mg-Li系列)。我国60年代初研制成功Al-Cu-Li系合金S141，80年代研制出中强可焊的Al-1.5Li-4.4Mg-0.2Ag-0.12Zr和高强Al-(1.9-2.4)Li-2.0-24)Cu-(1.0-1.5)Mg-(0.1-0.13)Zr合金。问题：韧性低（在室温长时或较高温短时停留）、缺口敏感、晶间脆性、生产困难。一度中断。70年代中期以后，由于石油危机，又受重视，注重高强、低密度、高弹性模量。1971年英国Fulmer研究所研制成功Al-Mg-Li-Zr合金。Li添加入Al中，每增加1%Li，合金密度降低约3%，比刚度提高9%左右。该合金裂纹扩展慢。,Al-Li合金时效的基本过程：S.S(Al3Li)(AlLi),Al-Mg-Li:S.S(Al3Li)(AlLi),Al2MgLi,Al-Cu-Li:S.S(Al3Li)(AlLi),T1-Al2CuLi,GP,与基体共格，呈球状，为L12结构；属NaCl结构，以粗大粒子在晶内与晶界不均匀沉淀，是强度下降。可独立形核，也可由相转变而成。,生产中，传统的熔铸工艺不易控制，由于Li容易氧化烧损、熔体吸氢、与炉衬反应，形成气孔和夹杂降低合金的塑性与韧性。目前采用快凝+粉末冶金方法。,Mg不溶于,T1-Al2CuLi,Al-Li合金韧性低的原因及防止方法,沉淀相与母相共格强化。一旦被位错切割，共格部分截面积减小，以后的位错便容易沿此面滑移并堆积，引起应