金属材料学第9章铝合金

2020/6/7,9.1概述,Al及其合金在工业生产中的应用量仅次于钢铁，居有色金属首位。Al及其合金的特点:密度小，比强度和比刚度高，导热导电性优良，耐腐蚀。应用：应用于宇航，飞机制造业，民用中主要用于建筑，运输，电力等行业,第9章铝合金aluminium,我国和世界铝年产量,2020/6/7,现代飞机有70是铝和铝合金制造的，所以人们称铝是“会飞”的金属。,铝-“会飞”的金属,我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的外壳就是用铝合金制成的。导弹的用铝量占总质量的1050。美国的阿波罗号宇宙飞船使用的金属材料中，铝和铝合金占75。,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),2020/6/7,纯Al老牌号：工业纯Al的牌号以“L”加一顺序号数字表示（括号内为新牌号GB/164741996）工业铝L1（1070A）、L2（1060）、L3（1050A）、L4（1035）L6数字越大纯度越低高纯铝LG5(1A99)、LG4(1A97)、LG3（1A93）、LG2（1A90）、LG1（1A85）数字越大纯度越高。国际牌号：1350，“1”-纯铝，第二位表示对杂质范围的控制要求，“3”表示有三种杂质应受到控制，即（V+Ti)0.02%，B0.05%，Ga0.03%；“50”表示小数点后两位。,2020/6/7,1.Al的合金化及强化Al的强度硬度都很低，难以作结构材料，必须添加合金元素，并通过冷变形或热处理来强化Al无同素异构转变，不能象钢一样通过热处理相变强化合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀强化，过剩相强化和细化组织强化,2020/6/7,2合金元素的作用,Cu固溶强化，沉淀强化，提高铝合金的耐热性Mg固溶强化，降低密度，提高耐蚀性，不能单独加入，必须配合其他合金元素加入Mn提高耐蚀性Si过剩相强化，铸造合金。Zn固溶强化，沉淀强化，提高耐蚀性,2020/6/7,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金（以B点为界）两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化（以D点为界）两类。,9.1.1.铝合金的分类,图9.1,2020/6/7,根据国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。1983年国际标准化组织将美国国家标准纳入ISO国际标准中。在国家标准（GB/T164741996）中，变形铝用四位数字牌号：第一位表示合金系列，按合金中主要元素分类。第二位字母表示原始合金的改型情况，“A”表示原始合金；“B”“Y”表示原始合金的改型合金。最后两位表示不同牌号的铝合金。,2020/6/7,形变铝合金的牌号,2020/6/7,GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号,2020/6/7,Al-Mn系：3A213A02（代号LF21，LF2Al-Mg：:5A02,5A03,5A12代号LF2,LF3,LF12,非热处理型铝合金,（防锈铝合金）,2020/6/7,热处理型铝合金,Al-Cu系：2A01,2A06,2A12（硬铝合金）：代号LY1,LY6,LY12Al-Zn-Mg-Cu系：7A03,7A09（超硬铝合金）：代号LC3,LC9Al-Mg-Si-Cu系：6063，2A50,2A14;(锻铝合金）：代号LD31,LD5,LD10,2020/6/7,9.1.2铝合金热处理强化特点特点：淬火加热时不发生同素异构转变。热处理强化包括固溶处理与时效处理。,固溶处理,+ss固溶度,强度/硬度变化小塑性明显,时效处理,第二相从固溶体中析出,力学性能等发生显著变化,时效形式：人工时效，自然时效一般“回火”用于晶型转变的淬火合金，“时效”用于非晶型转变的淬火合金。,2020/6/7,一、固溶处理将合金加热到固溶线以上，并保温，快冷。得到过饱和不稳定的固溶体组织，为后续的时效处理作准备。铝合金固溶处理后，获得了溶质原子和空位双重过饱和的固溶体，塑性和耐蚀性提高。,加热固溶,淬火过饱和,2020/6/7,二、时效处理,时效：指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度下，随时间增长而分解，导致合金强度和硬度升高的现象。时效实质是沉淀强化相从过饱和固溶体中析出和长大。自然时效：在室温下自发强化的过程。人工时效：在某一人工加热温度下进行的时效过程。共格或半共格亚稳过渡相（或）强化效果最佳，数量越多，弥散度越大，强化效果越佳。,2020/6/7,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程：Al-Cu合金淬火+时效过程组织形成示意图,2020/6/7,图9.2Al-Cu合金各相析出温度和时间,2020/6/7,Al-Cu合金淬火过饱和固溶体形成第二相原子富集区（GP区）原子富集区有序化（）形成过渡相析出平衡相(CuAl2）。,G.P.区过渡相过渡相平衡相,2020/6/7,(1)形成铜原子富集区,铜富集区称G.P.区,晶体结构与基体同，但产生了共格应变区。,强度、硬度。G.P.呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200就不再出现G.P.区。,2020/6/7,G.P.区急剧长大，G.P.区铜原子有序化，形成相。,相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵。,点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大。,(2)铜原子富集区有序化,2020/6/7,(3)形成过渡相,相转变成过渡相,是正方点阵，成分接近CuAl2,完全共格局部共格,强度、硬度开始降低，合金此时处于过时效阶段。,2020/6/7,过渡相完全脱溶,形成稳定相CuAl2，()与基体非共格,合金的强度、硬度进一步下降,合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样,(4)形成稳定的,2020/6/7,表9.1常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相19,2020/6/7,峰时效：合金获得很好的强化效果，时效组织中的强化相多为亚稳平衡相。欠时效：过饱和溶质原子偏聚或亚稳相孕育析出。过时效：亚稳相平衡相，与基体脱离平衡关系。,图9.4130时效时铝铜合金的硬度与时间关系,图9.3时效温度与硬度关系曲线,2020/6/7,影响时效强化的主要因素,固溶处理,规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大。,要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止淬火变形开裂，一般采用2080水冷却。,时效工艺,温度：对一定合金，有最佳时效温度；时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间；方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效。,2020/6/7,思考题：直接析出稳定相在热力学上是有利的，但为什么不是直接析出稳定相?,2020/6/7,Mn，Mg是防锈铝主要添加元素镁提高电极电位，MnAl6与基体电极电位相近，耐蚀性高。,卫星天线（LF2）,用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能进行热处理强化。适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其它冷变形零件。,9.2.1防锈铝,9.2形变铝合金wroughtaluminiumalloy,2020/6/7,9.2.2硬铝,主要是Al-Cu-Mg系合金，2A+顺序号表示可进行时效强化，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。,分类,低强度硬铝，如2A01、2A10等合金；中强度硬铝，如2A11等合金；高强度硬铝，如2A12等合金,2A12是使用最广的高强度硬铝合金,2020/6/7,分类,时效处理后具有高硬度、强度，优良的加工性和耐热性，但塑性、韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低，强度较低而塑性高；反之，强度高而塑性低。,强化相,（CuAl2）、金属间化合物S（CuMgAl2）是强化相，S相最高。,2020/6/7,要严格控制淬火温度。如：牌号正常淬火温度过烧温度2A024955055105152A105105205402A12495500507转移时间尽量短30，航空件15；冷速要快，热水淬；常用自然时效。,热处理特性,应用,飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等,2020/6/7,图9.5铝铜镁三元合金垂直截面,2020/6/7,成分性能,Al-Zn-Cu-Mg系。7A+顺序号表示室温强度最高，500700MPa，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，120的温度下使用。强化相:MgZn2Al2Mg3Zn3,特点应用,T淬范围较宽，一般为450480，人工分级时效：先在120时效3小时，第二次在160时效3小时，形成G.P.区和少量的相，达到最大强化状态。应用：飞机工业中重要的结构材料。,9.2.3超硬铝合金,2020/6/7,主要超硬铝合金LC4的强化相如下：(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S，这些相在Al中有很高的溶解度并随温度的下降而显著减小，固溶体过饱和度大，故有强烈的时效强化效果。缺点是应力腐蚀敏感沿晶界连续分布性大，其原因为：阳极区无沉淀带，导致应力腐蚀断裂。人工时效后，沿晶界析出较粗大(MgZn2)相，产生腐蚀坑，裂纹源。,2020/6/7,成分性能,Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加顺序号表示。常用的合金有6A02、2A14等具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高。,特点应用,主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然时效倾向，淬火后应立即人工时效。主要用做航空仪表中形状复杂、强度要求高的锻件。,9.2.4锻铝,2020/6/7,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金耐热相为FeNiAl9相，它无时效强化作用，但在高温起弥散强化作用。常用牌号有2A70(LD7)、2A80(LD8)、2A90(LD9)等。用于制造150225下工作的零件，如压气机叶片、鼓风机叶片等散热零件。,2A70锻造铝合金处理：固溶处理加人工时效浸蚀：2%氢氟酸+1%盐酸显微组织：晶粒+强化相粒子放大倍数：500X,2020/6/7,9.3铸造铝合金Castingaluminumalloy（GB/T11731995）,优点良好的铸造性能，抗腐蚀性能和切削加工性能，可制成各种形状的复杂零件，还可通过热处理改善铸件的力学性能，熔炼工艺简单，成本低。缺点力学性能水平不如锻铝合金。,铸造铝合金轮毂,2020/6/7,铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性等良好的铸造性。共晶合金应最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。铸造铝合金的老牌号用ZL+三位数字表示。第一位数字是合金系别：1是Al-Si、Al-Si-Mg系合金；2是Al-Cu系合金；3是Al-Mg系合金；4是Al-Zn系合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。,2020/6/7,铸造铝合金包括：Al-Si系：（ZAlSi7Mg等）代号为ZL1011011Al-Cu系：（ZAlCu5Mn等）代号为ZL201203Al-Mg系：（ZAlMg10等）代号为ZL301，ZL302Al-Zn系：（ZAlZn11Si7等）代号为ZL401，402,2020/6/7,9.3.1.Al-Si系铸造铝合金,又称硅铝明。其中ZAlSi12(ZL102)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。,图9.6铝硅合金相图,2020/6/7,铝硅系铸造合金,特点,流动性最好，比重轻，铸造收缩率小;焊接性、耐蚀性优良,致密度较小。共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，有少量块状初生硅。常经变质处理。塑性较低，需要细化组织。,应用,常用合金：ZL102和ZL104等。制造致密度要求不高、形状复杂铸件。如ZL105工作在250的耐热零件，ZL111形状复杂的内燃机汽缸等。,2020/6/7,铸造铝硅合金(ZL101),活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金铸造组织(化染)55,2020/6/7,Al-Si合金变质处理,在一般认为Na离子等变质元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大，最终生长为球状或多面体状。同时钠的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织，而且使合金组织由共晶成分变为亚共晶成分。,1-3%Na盐（2/3NaF+1/3NaCl）或者（25%NaF+62%NaCl+13%KCl）,2020/6/7,在普通铸造条件下，ZAlSi12(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后，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，可提高性能。变质前：s140MPa，3后：s180MPa，8,2020/6/7,9.3.2.Al-Cu系铸造铝合金,这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,常用牌号有ZAlCu5Mn(ZL201)、ZAlCu4(ZL203)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,汽缸头,2020/6/7,铝铜铸造合金,铝铜铸造合金的主要强化相是CuAl2。最大特点就是耐热性高，但耐蚀性差。共有三种牌号：ZL201、ZL202、ZL203。,Cu热强性脆性,14%Cu,ZL203，45%Cu常用,铸造性较差,ZL202,911%Cu铸造性好，耐蚀性,2020/6/7,Cu=4.55.5%时，综合性能好。Cu5.5%，产生（CuAl2）脆性相，力学性能下降。,铝铜合金铸造组织(化染)210,图9.7,2020/6/7,这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。,常用代号为ZAlMg10(ZL301)、ZAlMg5Si1(ZL303)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,9.3.3.Al-Mg系铸造铝合金,2020/6/7,铝镁铸造合金特点及应用,特点,比重轻，强度和韧性较高，优良的耐蚀性、切削性和抛光性。熔点低热强度较低，工作T200结晶温度范围较宽，故流动性差，形成疏松倾向大，其铸造性较差。,应用,ZL301、ZL303二种牌号。制造承受冲击振动载荷和耐海水或大气腐蚀、外形简单的重要零件。,2020/6/7,图9.7ZL301合金固溶处理后组织200,图9.6铝镁合金成分与性能关系,2020/6/7,这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,常用代号为ZAlZn11Si7(ZL401)、ZAlZn6Mg(ZL402)等。主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,9.3.4.Al-Zn系铸造铝合金,图9.8铝锌合金相图,2020/6/7,特点,锌固溶强化，极限溶解度为31.6%，不形成金属间化合物。固溶13%Zn，在冷却时不发生分解，固溶强化。强度较高，是最便宜的铸造铝合金。其主要缺点是耐蚀性差。,应用,常用ZL401。制作工作温度在200以下，形状复杂的汽车及飞机零件、医疗机械和仪器零件。,2020/6/7,热处理特点,为变形或过热，最好在350以下低温入炉，随炉缓慢加热。T淬高一些，t保长一些，1520小时淬火介质一般用60100的水。如需时效，一般采用人工时效。,2020/6/7,铸造铝合金热处理状态及代码（GB117386）,2020/6/7,小结铝合金没有同素异构转变。铝合金热处理为固溶处理和时效强化。铝合金时效基本过程是强化相