材料前言 铝合金.ppt

1、logo 材料科学进展材料科学进展 铝及其合金铝及其合金 contents 简介简介 一、一、 工业纯铝工业纯铝 二、铝合金的分类二、铝合金的分类 三、铝合金的合金化原理三、铝合金的合金化原理 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 五、铝合金的应用与发展五、铝合金的应用与发展 简简 介介 世界上铝土矿资源总量约在世界上铝土矿资源总量约在400 500亿吨，储量在亿吨，储量在10亿吨以上的国家亿吨以上的国家 有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加 及印度等，这些国家的铝土矿占世界及印度等，这些国家的铝土矿占世界 铝土矿总储量的铝土矿总储量的73。 我国的铝土矿资源在世界

2、上属于比我国的铝土矿资源在世界上属于比 较丰富的国家之一，主要集中在储量较丰富的国家之一，主要集中在储量 丰富的河南、贵州、山西、青海等省丰富的河南、贵州、山西、青海等省 区。区。 铝是一种轻金属，其化合物在自然界中分布极广，地铝是一种轻金属，其化合物在自然界中分布极广，地 壳中铝的含量约为壳中铝的含量约为8（重量），仅次于氧和硅，居第（重量），仅次于氧和硅，居第 三位。铝被世人称为第二金属，其产量及消费仅次于三位。铝被世人称为第二金属，其产量及消费仅次于 钢铁。钢铁。 简简 介介 q 铝合金密度小、延性好、耐腐蚀、易加工、价格便宜。因此，铝合金密度小、延性好、耐腐蚀、易加工、价格便宜。因此，

3、 几乎从三十年代开始，人们就企图用铝合金建造飞机。几乎从三十年代开始，人们就企图用铝合金建造飞机。 q 长期以来，铝合金一直被大量用于制造飞机机体和运载火箭长期以来，铝合金一直被大量用于制造飞机机体和运载火箭 箭体结构。箭体结构。 简简 介介 q 近年来，纤维增强树脂基复合材料在飞机机体和运载火箭箭近年来，纤维增强树脂基复合材料在飞机机体和运载火箭箭 体结构的应用日益增多，但是铝合金至今仍是飞机机体和运体结构的应用日益增多，但是铝合金至今仍是飞机机体和运 载火箭箭体结构的主要结构材料。载火箭箭体结构的主要结构材料。 q 铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约为铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约

4、为7080，在军，在军 用飞机结构上的用量约为用飞机结构上的用量约为4060。在最新型的。在最新型的b777客机上，客机上， 铝合金占机体结构重量的铝合金占机体结构重量的70。 q 一些最新型的军用飞机（一些最新型的军用飞机（f22，b2）结构上大量应用纤维增结构上大量应用纤维增 强树脂基复合材料和钛合金，铝合金用量已降到强树脂基复合材料和钛合金，铝合金用量已降到20以下。以下。 一、工业纯铝一、工业纯铝 一、工业纯铝一、工业纯铝 q具有银白色金属光泽，具有银白色金属光泽，密度密度2.72g/cm3，熔点熔点660.4， 具有具有良好的导电和导热性良好的导电和导热性，其导电性仅次于银和铜。，其

5、导电性仅次于银和铜。 q纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金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，因此具有良好的属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大抗大 气腐蚀性气腐蚀性能。能。 纯铝具有纯铝具有面心立方面心立方结构，具有极好的塑性和较低的结构，具有极好的塑性和较低的 强度强度( (纯度纯度99.99%99.99%时，时，b b45mpa45mpa，50%)50%)，良好的低温性良好的低温性 能能(-235(-235塑性和冲击韧度也不降低塑性和冲击韧度也不降低) )，冷变形加工可提，冷变形加工可提 高其强度，但塑性降低。高其强度，但塑性降低

6、。 铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。 工业纯铝中含有少量铁、硅等工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素杂质元素，杂质含量增，杂质含量增 加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。 一、工业纯铝一、工业纯铝 按纯度：按纯度：高纯铝高纯铝、工业高纯铝工业高纯铝、工业纯铝工业纯铝 高级纯铝（铝的含量高级纯铝（铝的含量99.93%-99.999%）、工业高纯铝（铝的含量）、工业高纯铝（铝的含量 99.85%-99.90%）、工业纯铝（铝的含量）、工业纯铝（铝的含量98.0%-99.7%） 高纯铝：高纯铝：有有l05l05l01l01五种，数字

7、越大，纯度越高；五种，数字越大，纯度越高； 工业高纯铝：工业高纯铝：有有lg5lg5lg1lg1五种，数字越大，纯度越高；五种，数字越大，纯度越高； 工业纯铝：工业纯铝：有有l1l1l7l7七种，数字越小，纯度越高七种，数字越小，纯度越高 用途：用途：工业纯铝的主要用途是配制铝合金，高纯铝工业纯铝的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。纯铝还可用来制造主要用于科学试验和化学工业。纯铝还可用来制造 导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。 一、工业纯铝一、工业纯铝 二、铝合金的分类二、铝合金的分类 铝中加入适量铝中加入适量si、cu、mg、zn、m

8、n等主加元素等主加元素和和cr、 ti、zr、b、ni等辅加元素等辅加元素，组成铝合金，可提高强度，组成铝合金，可提高强度 并保持纯铝的特性。并保持纯铝的特性。 根据成分和生产工艺特点可将根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类铝合金分为两大类： 1) 变形铝合金变形铝合金 2) 铸造铝合金铸造铝合金 铝合金的分类铝合金的分类 铝合金的分类铝合金的分类 变形铝合金变形铝合金:成分在成分在d点以左点以左的的 合金，加热至固溶线合金，加热至固溶线df以上温以上温 度得到均匀的单相度得到均匀的单相固溶体，塑固溶体，塑 性好，适于进行锻造、轧制等。性好，适于进行锻造、轧制等。 铸造铝合金铸造铝合金:

9、成分在成分在d点以右点以右的的 合金，存在共晶组织，塑性较差，合金，存在共晶组织，塑性较差， 不宜压力加工，但流动性好，适不宜压力加工，但流动性好，适 宜铸造。宜铸造。 v变形铝合金中，变形铝合金中，小于小于f f点的合金，点的合金， 固溶体成分不随温度而变化，不固溶体成分不随温度而变化，不 能通过热处理方法强化，称为能通过热处理方法强化，称为不不 可热处理强化的铝合金可热处理强化的铝合金； v成分在成分在f-df-d之间的合金，固溶体之间的合金，固溶体 成分随温度变化，可通过热处理成分随温度变化，可通过热处理 方法强化，称为方法强化，称为可热处理强化的可热处理强化的 铝合金铝合金。 二、铝合

10、金的分类二、铝合金的分类 al z n m g c u mn si al-cu 形变强化合金形变强化合金 al-mn al-mg-si al-zn-mg al-zn-mg-cu al-si al-si-cu al-mg 时效强化合金时效强化合金 铸造合金铸造合金 al-cu-mg 工业用铝合金的基本体系工业用铝合金的基本体系 1系合金是未合金化系合金是未合金化 2系（系（al-cu） 3系（系（al-mn） 4系（系（al-si） 5系（系（al-mg） 6系（系（al-mg-si） 7系（系（al-zn-mg） （al99） 热处理时效硬化高强铝合金热处理时效硬化高强铝合金 冷加工硬化型铝合

11、金冷加工硬化型铝合金 铸造铝合金铸造铝合金 加工硬化型铝合金加工硬化型铝合金 热处理合金热处理合金 热处理高强度铝合金热处理高强度铝合金 国际合金标示系统命名国际合金标示系统命名变形铝合金变形铝合金（iads） q 不能热处理强化的铝合金也称为热处理不强化铝合金。不能热处理强化的铝合金也称为热处理不强化铝合金。 q 这类合金主要靠这类合金主要靠加工硬化加工硬化、固溶强化固溶强化（ al-mg ）、）、弥散强化弥散强化 （ al-mn ）或）或几种方式几种方式（ al-mg -mn ）共同起作用共同起作用。但是，。但是， 这类合金的强度相对较低，在航空航天上应用不是太多。主这类合金的强度相对较低

12、，在航空航天上应用不是太多。主 要有：要有： al-mn系合金（系合金（3000系列）。我国常用的有系列）。我国常用的有3a21等。等。 al-mg 系合金（系合金（5000系列）。我国常用的有系列）。我国常用的有5a02、5a03、 5a06等。等。 变形铝合金变形铝合金 不能热处理强化的铝合金：不能热处理强化的铝合金： q可以热处理强化的铝合金的强度高，是在航空航天可以热处理强化的铝合金的强度高，是在航空航天 上主要应用的铝合金。主要有：上主要应用的铝合金。主要有： al-cu-mg和和 al-cu- mn系合金（系合金（2000系列）系列）， al-mg -si系合金（系合金（6000

13、系列）系列）， al-zn-mg cu系（系（7000系列）。系列）。 q 航空航天应用最多的变形合金是航空航天应用最多的变形合金是2000系和系和7000系合系合 金。近年来，金。近年来，6000系和含系和含li的的8000系合金也有一定系合金也有一定 的应用。的应用。 可以热处理强化的铝合金：可以热处理强化的铝合金： 变形铝合金变形铝合金 可以热处理强化的铝合金：可以热处理强化的铝合金： al-cu q 航空航天用航空航天用2000系合金的代表是系合金的代表是2024，其名义成分是，其名义成分是al-4.4cu- 1.5mg-0.6mn。2024广泛用于各种航空航天结构，属广泛用于各种航空

14、航天结构，属中强度的中强度的 热处理强化合金热处理强化合金。它在。它在t3状态下断裂韧性高，裂纹扩展速度低。状态下断裂韧性高，裂纹扩展速度低。 q 但但2024合金的抗蚀性不够好，有时会产生晶间腐蚀，薄板一般合金的抗蚀性不够好，有时会产生晶间腐蚀，薄板一般 包铝后使用。包铝后使用。 q 2024系列中目前最新、性能最好的合金是系列中目前最新、性能最好的合金是2524。其韧性和抗疲。其韧性和抗疲 劳性能均较劳性能均较2024合金有重大改进。合金有重大改进。2524合金已成功地用于合金已成功地用于b777 飞机。飞机。 q 2000系中的系中的2219合金的耐热性较高，其低温性能和焊接性能也合金的

15、耐热性较高，其低温性能和焊接性能也 很好，常用于液体推进剂贮箱。很好，常用于液体推进剂贮箱。 可以热处理强化的铝合金：可以热处理强化的铝合金： 变形铝合金变形铝合金 q 航空航天用航空航天用7000系合金的代表是系合金的代表是7075，其名义成分是，其名义成分是al- 5.6zn-2.5mg-1.6cu-0.26cr。 q 7075在在t6状态强度最高，但合金的抗蚀性差，断裂韧性也不状态强度最高，但合金的抗蚀性差，断裂韧性也不 高。高。1960年发明了年发明了t73热处理热处理，解决了应力腐蚀问题，使合金，解决了应力腐蚀问题，使合金 得到广泛应用。得到广泛应用。 q 7475是是7075系列中

16、损伤容限性能最好的合金。系列中损伤容限性能最好的合金。7000系合金中系合金中 的的7050合金用合金用zr代代cr来控制合金再结晶，合金淬透性好，可来控制合金再结晶，合金淬透性好，可 用于大规格厚截面半成品。用于大规格厚截面半成品。 q 7055是目前铝合金中合金化程度最高、强度也最高的铝合金。是目前铝合金中合金化程度最高、强度也最高的铝合金。 近期研制成功的近期研制成功的t77热处理工艺，使此合金在高强度下仍能保热处理工艺，使此合金在高强度下仍能保 持较高的断裂韧性和良好的应力腐蚀抗力。持较高的断裂韧性和良好的应力腐蚀抗力。7075t77已成功已成功 地用于地用于b777客机的主结构客机的

17、主结构 可以热处理强化的铝合金：可以热处理强化的铝合金： 变形铝合金变形铝合金 变形铝合金变形铝合金 q一般来说，一般来说，7000系合金的强度较高，适合用于需要系合金的强度较高，适合用于需要 高强度的部位。高强度的部位。2000系合金的损伤容限性能好，适系合金的损伤容限性能好，适 合用于需要高损伤容限的部位。合用于需要高损伤容限的部位。 q除除2000系和系和7000系合金外，系合金外，6000系合金系合金(al-mg-si)也也 在飞机机体上使用。在飞机机体上使用。6000系合金的密度比系合金的密度比2000系合系合 金小，有很好的抗蚀性。近年来发展的金小，有很好的抗蚀性。近年来发展的60

18、13合金，合金， 其强度接近其强度接近2024薄板，不包铝使用。薄板，不包铝使用。 铸造铝合金铸造铝合金 q 我国铸造铝合金我国铸造铝合金牌号牌号由由zal 、主要合金化元素符号以及表明合主要合金化元素符号以及表明合 金化元素名义百分含量的数字组成。当合金元素多于两个时，金化元素名义百分含量的数字组成。当合金元素多于两个时， 合金牌号中应列出足以表明合金主要特性的元素符号及含量。合金牌号中应列出足以表明合金主要特性的元素符号及含量。 对那些杂质含量要求严、性能高的优质合金，在后面标注对那些杂质含量要求严、性能高的优质合金，在后面标注a表表 示优质，如示优质，如zalsi7mga等。等。 q 我

19、国铸造铝合金我国铸造铝合金代号代号由字母由字母zl及其后面的三个阿拉伯数字组及其后面的三个阿拉伯数字组 成。成。zl后面的第一个数字表示合金系列。其中后面的第一个数字表示合金系列。其中 1 表示表示铝硅铝硅系列合金系列合金 2 表示表示铝铜铝铜系列合金系列合金 3 表示表示铝镁铝镁系列合金系列合金 4 表示表示铝锌铝锌系列合金系列合金 zl后面第二、三两位数字表示顺序号。优质合金，在代号后后面第二、三两位数字表示顺序号。优质合金，在代号后 面标注面标注“a”。如如zalsi7mga牌号的优质铸造铝合金的代号是牌号的优质铸造铝合金的代号是 zl101a。 铸造铝合金铸造铝合金 铸造铝合金的合金化

20、特点：铸造铝合金的合金化特点： q 铸造铝合金中的主要合金元素为：铸造铝合金中的主要合金元素为：si、cu、mg、zn及稀土及稀土 q si是铸造铝合金中最常用的合金元素。在这类合金中由于存在是铸造铝合金中最常用的合金元素。在这类合金中由于存在 大量大量alsi共晶体而具有很好的流动性，共晶体而具有很好的流动性，铸造性能优异铸造性能优异。 q 这类合金一般为亚共晶或共晶成分，需经变质处理以细化组织。这类合金一般为亚共晶或共晶成分，需经变质处理以细化组织。 q 在在alsi系中加入系中加入mg和和cu而形成的合金可以通过沉淀强化提而形成的合金可以通过沉淀强化提 高强度。如高强度。如356合金（合

21、金（al7si0.3mg），），通过通过mg2si的沉淀强的沉淀强 化产生较大的强化效果，在航空和汽车工业中有广泛的应用。化产生较大的强化效果，在航空和汽车工业中有广泛的应用。 q 此外，这类合金的抗蚀性和焊接性均较好。在各工业部门应用此外，这类合金的抗蚀性和焊接性均较好。在各工业部门应用 的铸造铝合金中，的铸造铝合金中， alsi系合金占绝大部分。系合金占绝大部分。 铸造铝合金铸造铝合金 铸造铝合金的合金化特点：铸造铝合金的合金化特点： q alcu系铸造合金具有高的强度和耐热性系铸造合金具有高的强度和耐热性。 q 在在alcu系中加入过渡族元素可以进一步提高这类合金的耐热性。多年来系中加入

22、过渡族元素可以进一步提高这类合金的耐热性。多年来 用于柴油机活塞和飞机发动机气冷气缸头的用于柴油机活塞和飞机发动机气冷气缸头的242 （al-4cu-2ni-1.5mg）就是）就是 这类合金。这类合金。 q 在在al-cu系中加入少量系中加入少量ag可以明显提高沉淀强化效果，提高强度，如可以明显提高沉淀强化效果，提高强度，如201.0合合 金（金（al-4.7cu-0.7ag-0.35mg） 。 q 在这类合金中加入稀土元素可进一步提高合金的耐热性。在这类合金中加入稀土元素可进一步提高合金的耐热性。 q almg系铸造合金具有良好的抗蚀性和切削加工性，但其铸造性能较差。系铸造合金具有良好的抗蚀

23、性和切削加工性，但其铸造性能较差。 q alzn系铸造合金可以不进行热处理，但其抗蚀性差，密度高、铸造热裂系铸造合金可以不进行热处理，但其抗蚀性差，密度高、铸造热裂 倾向性大，故应用较少。倾向性大，故应用较少。 q 铸造合金的发展方向是：铸造合金的发展方向是：高强、耐高温以及耐磨性。高强、耐高温以及耐磨性。提高原材料纯度、复提高原材料纯度、复 杂合金化、改进热处理工艺、采用优质熔铸技术、应用热等静压技术杂合金化、改进热处理工艺、采用优质熔铸技术、应用热等静压技术 （hip）等均为提高铸造铝合金性能的重要手段。等均为提高铸造铝合金性能的重要手段。 航空航天常用铸造铝合金航空航天常用铸造铝合金 合

24、金牌号合金牌号代号代号合金牌号合金牌号代号代号合金牌号合金牌号代号代号 zalsi7mgzl101zalsi8mgbezl116zalcu5mncdvazl205a zalsi7mgazl101azalsi20cu2re1zl117zalre5cu3si2zl207 zalsi12zl102zalcu5mnzl201zalcu5ni2cozrzl208 zalsi9mgzl104zalcu5mnazl201azalmg10zl301 zalsi5cu1mgzl105zalcu4zl203zalmg5si1zl303 zalsi7mg1azl114azalcu5mncdazl204azalzn1

25、0si7zl401 含锂铝合金含锂铝合金-发展方向发展方向 q 锂是最轻的金属元素。它的密度是锂是最轻的金属元素。它的密度是0.53g/cm3. q 铝合金中加入锂，将使其密度降低。铝合金中加入锂，将使其密度降低。 q 含锂铝合金在淬火和时效时析出大量的含锂铝合金在淬火和时效时析出大量的/相，使合金的强度提相，使合金的强度提 高，其比强度超过传统铝合金的比强度。高，其比强度超过传统铝合金的比强度。 q 含锂铝合金的另一优点是其弹性模量高，其比刚度超过传统的含锂铝合金的另一优点是其弹性模量高，其比刚度超过传统的 铝合金的比刚度。铝合金的比刚度。 q 合金中每加入合金中每加入1的的li，约降低密度

26、约降低密度3，提高弹性模量，提高弹性模量5。 因此，航空航天工业对含锂铝合金的发展一直有极大的兴趣。因此，航空航天工业对含锂铝合金的发展一直有极大的兴趣。 q 高昂的价格限制了含锂铝合金的广泛应用。含锂铝合金的价格高昂的价格限制了含锂铝合金的广泛应用。含锂铝合金的价格 一般比常规铝合金高一般比常规铝合金高2到到4倍，应用部门还不能接受此价位。因倍，应用部门还不能接受此价位。因 此，含锂铝合金在航空航天工业应用还不多。在我国也只有少此，含锂铝合金在航空航天工业应用还不多。在我国也只有少 量应用。量应用。 含锂铝合金含锂铝合金 q 第一个含锂的工业铝合金是美国铝业公司第一个含锂的工业铝合金是美国铝

27、业公司(alcoa)在在1958年研制出的年研制出的 2020合金合金(al-4.5cu-1.1li-0.5mn-0.2cd)。2020合金具有高的比强度和合金具有高的比强度和 比刚度，优良的耐蚀性和疲劳性能，曾被用于一种军用飞机的主结构。比刚度，优良的耐蚀性和疲劳性能，曾被用于一种军用飞机的主结构。 但后来发现该合金的断裂韧性很低，不能满足飞机结构的损伤容限要但后来发现该合金的断裂韧性很低，不能满足飞机结构的损伤容限要 求，因此求，因此2020合金在合金在70年代就停产了。年代就停产了。 q 在在7080年代西方国家发展了年代西方国家发展了al-li-cu-mg-zr系的几个含锂的合金系的几

28、个含锂的合金 2090、2091、8090等。这些合金的技术现在已经相当成熟，已可生产等。这些合金的技术现在已经相当成熟，已可生产 各种类型和规格的半成品，并获得了一定的应用。但是这一代合金的各种类型和规格的半成品，并获得了一定的应用。但是这一代合金的 性能没有达到预期目标，还不能大量地代替性能没有达到预期目标，还不能大量地代替2000系和系和7000系合金作为系合金作为 航空航天的主体结构材料。航空航天的主体结构材料。 q 近年来在近年来在al-cu-li系基础上发展起来的系基础上发展起来的2195、2197等合金的性能有很等合金的性能有很 大的改进，已经基本克服了大的改进，已经基本克服了2

29、090、2091、8090等含锂的铝合金存在的等含锂的铝合金存在的 问，并已开始有重要的应用问，并已开始有重要的应用 。2197合金已用于合金已用于f16的改型，用于机身的改型，用于机身 尾部隔框。尾部隔框。2195合金已成功地用于航天飞机的外推进剂贮箱，据报道合金已成功地用于航天飞机的外推进剂贮箱，据报道 能减轻质量达能减轻质量达3400kg之多。之多。 含锂铝合金含锂铝合金 几种西方国家的工业含锂铝合金的名义成分几种西方国家的工业含锂铝合金的名义成分/% 合金licumgmnzr其它 20201.34.50.550.25cd 20902.22.70.1 20912.02.11.50.1 2

30、0951.34.20.40.250.100.4ag 21951.04.00.40.250.100.4ag 21971.52.80.250.30.12 80902.41.30.90.1 含锂铝合金在苏联和俄罗斯的发展含锂铝合金在苏联和俄罗斯的发展 q 在在5060年代，苏联发展了年代，苏联发展了al-mg-li系合金系合金1420。其名义成分。其名义成分 为为al-5mg-2li-0.1zr(或或0.4mn).此合金密度低，焊接性好，但此合金密度低，焊接性好，但 其强度较低。其强度较低。1420合金在苏联和俄罗斯的航空航天工业中得到合金在苏联和俄罗斯的航空航天工业中得到 了大量应用，但至今未在西

31、方国家获得应用。了大量应用，但至今未在西方国家获得应用。 q 近年来在近年来在1420中加入钪中加入钪sc（1421合金），强度明显提高，焊接合金），强度明显提高，焊接 性能进一步改善。苏联和俄罗斯发展了一系列的含锂铝合金。性能进一步改善。苏联和俄罗斯发展了一系列的含锂铝合金。 q 与西方不同，含锂铝合金在苏联和俄罗斯的航空航天工业中已与西方不同，含锂铝合金在苏联和俄罗斯的航空航天工业中已 有大量应用。有大量应用。 合金合金licumgsczr 14202.05.20.12 14212.05.20.150.12 14232.03.70.150.08 14301.71.62.70.11 1440

32、2.41.60.90.11 14502.13.00.12 q 用快速凝固技术(rs)和机械合金化技术(ma)可以获得远离平衡态的组分和 结构，可扩大元素的固溶度，大大细化晶粒和第二相，大大减轻甚至消除 偏析，以及形成非平衡的晶态和准晶态金属间化合物相，甚至形成金属玻 璃。 q rs法可以获得合金粉、箔、丝及薄带等，而ma法只能获得合金粉末。然 后采用粉末冶金技术(pm)制备块状材料。 q 用rs法生产的较成熟和合金有7090及7091等。 粉末铝合金粉末铝合金 合金znmgcucooal 70908.22.51.01.40.35余量 70916.52.51.50.40.35余量 q 7090和

33、7091合金强度很高，并具有较高的应力腐蚀抗力。其韧性也比传统 的铸锭法生产的合金为优。 q 用rs法生产的较成熟的高强铝合金还有mr61(al-8.5zn-2.5mg-1.5cu-0.6co- 0.2zr)，mr64(al-7.4zn-2.4mg-2.1cu-0.3co-0.2zr)，以及cw67(al-9.0zn- 2.5mg-1.5cu-0.14zr-0.1ni)等合金，性能均十分优异。 q 用ma法生产的铝合金较成熟的有in-9052及in-9021。 粉末铝合金粉末铝合金 合金cumgocal in-905240.81.1余量 in-902141.50.81.1余量 q in-905

34、2合金具有ma法生产的合金的特有的超细晶粒和亚结 构强化效应，它以mg固溶强化，用al203和al304弥散强化。 合金组织非常均匀，不需要热处理，具有极好的一般腐蚀和 应力腐蚀抗力。 q in-9021是用ma法生产的2000系铝合金，在t4状态使用，强 度更高，合金的弹性模量也有所提高。合金具有很好的一般 腐蚀和应力腐蚀抗力，疲劳裂纹扩展速率比7075合金还低。 三三 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 al与与zn、mg、cu、li、mn、ni、f在靠在靠al一边形成共晶反应，一边形成共晶反应， 和和fe、ti形成

35、包晶，在形成包晶，在al-pb系中出现偏晶反应。系中出现偏晶反应。 在在 al中，固溶度以中，固溶度以zn、mg、cu最大，最大，mn、si、ni、ti、cr 次之，以次之，以pb最小。最小。 合金中的合金中的cu、li、si等元素及合金中的化合物等元素及合金中的化合物mg2si、mgzn2、 s（cumgal2）相随温度变化固溶度有较大的变化，所以经淬火相随温度变化固溶度有较大的变化，所以经淬火 及时效后合金显著强化。及时效后合金显著强化。 cu： q高强及耐热铝合金的主要合金元素。高强及耐热铝合金的主要合金元素。 q固溶强化和沉淀强化。固溶强化和沉淀强化。cu与其它元素能产生与其它元素能产

36、生 强化相强化相s 而提高合金的强度。而提高合金的强度。 q同时，同时，cu能降低晶界与晶内电位差，还可以能降低晶界与晶内电位差，还可以 细化晶界沉淀相，细化晶界沉淀相，但对晶间无析出带的宽度影但对晶间无析出带的宽度影 响较小，它可抑制沿晶开裂的趋势，因而改善响较小，它可抑制沿晶开裂的趋势，因而改善 了合金的抗应力腐蚀性能。了合金的抗应力腐蚀性能。 qcu还可以提高周期应变疲劳抗力和断裂韧性还可以提高周期应变疲劳抗力和断裂韧性. 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 mg ： q 共晶温度下共晶温度下mg在在al中的最大溶解度为中的最大溶解度为17.4%。 q 虽然合金中虽然合金中mg的溶解度随温

37、度降低而迅速减少，的溶解度随温度降低而迅速减少，但由于析出但由于析出 相形核困难，核心少，析出颗粒大，因而合金的时效强化效相形核困难，核心少，析出颗粒大，因而合金的时效强化效 果差。果差。 q mg在在al可形成可形成(mg2al3)相，起弥散强化作用。相，起弥散强化作用。 q 随着随着mg含量的提高，合金强度提高、塑性下降。含量的提高，合金强度提高、塑性下降。 q 当当mg含量大于含量大于3.5%时，第二相时，第二相(mg5al8、mg2al3)可能沿晶可能沿晶 界、亚晶界析出，第二相界、亚晶界析出，第二相相对基体相对基体(l)来说是阳极，优先来说是阳极，优先 发生腐蚀，使合金具有很大的晶间

38、腐蚀和应力腐蚀敏感性。发生腐蚀，使合金具有很大的晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性。 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 mn： q 固溶强化有限，不能沉淀强化固溶强化有限，不能沉淀强化 q （mn，fe）al6， q mnal6:抗蚀性，提高再结晶温度。抗蚀性，提高再结晶温度。 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 zn： q zn和和mg是主要强化元素，它们共同存在时会形成是主要强化元素，它们共同存在时会形成 （mgzn2）和和t（al2mg2zn3）相。相。 q 相和相和t相在相在al中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化，中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化， mgzn2在共晶温度下溶解度达在共晶温度下溶解

39、度达28，在室温下降低到，在室温下降低到4 5，有很强的时效强化效果。，有很强的时效强化效果。 q zn和和mg含量的提高可使强度、硬度大大提高，但会使抗应含量的提高可使强度、硬度大大提高，但会使抗应 力腐蚀性能和断裂韧性降低。力腐蚀性能和断裂韧性降低。 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 si： q 在铝中溶解度小，过剩相强化，可析出单质在铝中溶解度小，过剩相强化，可析出单质si也可与其也可与其 它元素形成含硅化合物。它元素形成含硅化合物。 q 铸造用基础合金，硅与镁可形成铸造用基础合金，硅与镁可形成mg2si沉淀相，强化效沉淀相，强化效 果好，含量不超过果好，含量不超过1.0-1.2 合金化

40、元素的介绍合金化元素的介绍 用工艺手段提高金属的强度有两条途径用工艺手段提高金属的强度有两条途径: q1.完全消除金属内部的位错和其它缺陷，完全消除金属内部的位错和其它缺陷， (完整晶完整晶 体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上)。 q2.在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 (金属的塑性变形是位错的运动造成的金属的塑性变形是位错的运动造成的)提高金属提高金属 的强度。的强度。 铝合金的强韧化方法铝合金的强韧化方法 固溶强化固溶强化 细晶强化细晶强化 第二相强化第二相强化( (沉淀强化、弥散强化沉淀强化、弥散强

41、化) ) 应变强化应变强化 q固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入金固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入金 属基体后使基体金属的位错密度增大，晶格发生畸变属基体后使基体金属的位错密度增大，晶格发生畸变. 畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作 用，构成位错滑移的障碍，使位错运动阻力增大，从用，构成位错滑移的障碍，使位错运动阻力增大，从 而使材料得到强化而使材料得到强化. 置换式固溶体置换式固溶体: : 强化量，强化量，ks ks 比例系数，比例系数，cs cs 置换式溶质原置换式溶质原 子的质量分数子的质量分数 间隙式固溶体

42、间隙式固溶体: : 强化量，强化量，kiki 比例系数，比例系数，cici 间隙式溶质原间隙式溶质原 子的百分浓度子的百分浓度 铝合金的强韧化方法固溶强化铝合金的强韧化方法固溶强化 但是受固溶度和过饱和度的限制，固溶强化对铝合金但是受固溶度和过饱和度的限制，固溶强化对铝合金 的强化作用有限的强化作用有限. . 铝合金的强韧化方法固溶强化铝合金的强韧化方法固溶强化 细晶强化的本质细晶强化的本质：晶界有效地阻碍了位错的运动。因为晶界有效地阻碍了位错的运动。因为 晶界上的原子排列错乱，杂质缺陷众多，且晶界两侧的晶界上的原子排列错乱，杂质缺陷众多，且晶界两侧的 晶粒位向不同。这就阻碍了位错从一个晶粒向

43、另一个晶晶粒位向不同。这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶 粒的运动。晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，粒的运动。晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大， 对位错的阻力也越大，材料的强度就就越高。对位错的阻力也越大，材料的强度就就越高。 铝合金的强化方法细晶强化铝合金的强化方法细晶强化 y 为屈服强度，i 和ky 是两个材料有关的常数(i 大 体相当于单晶体的屈服强度) ，d 为晶粒的平均直径 。 强化效果可以用强化效果可以用hall - petch 关系式表示关系式表示: 2/1 dk yiy 生产中细化晶粒的方法主要有两种生产中细化晶粒的方法主要有两种: : 熔炼浇注时细化，如采用变质处理

44、，电磁搅拌，增熔炼浇注时细化，如采用变质处理，电磁搅拌，增 加过冷度等加过冷度等. . 形变再结晶细化，即通过控制变形程度和再结晶温形变再结晶细化，即通过控制变形程度和再结晶温 度与时间来细化晶粒度与时间来细化晶粒. . 铝合金的强化方法细晶强化铝合金的强化方法细晶强化 由于细晶强化在提高材料强度的同时也改善了塑性由于细晶强化在提高材料强度的同时也改善了塑性 和韧性，所以，是实际生产中的一种重要的强化方和韧性，所以，是实际生产中的一种重要的强化方 法。法。 3m 1m 7050铝合金不同工艺处理（铝合金不同工艺处理（al-zn-mg-cu） u应变强化的本质是金属材料在冷变形过程中 位错密度提

45、高造成强化。 u这种强化方法特别适用于工业纯材及热处理特别适用于工业纯材及热处理 不能强化的材料不能强化的材料，在超高强铝合金中很难应用。 铝合金的强化方法应变强化铝合金的强化方法应变强化 引入第二相的常用方法有两种： j 利用过饱和固溶体的脱溶沉淀，进行时效热处理的沉 淀强化； j 通过机械或化学的方法(如添加第二相粉末的烧结， 内氧化等) 从体系外引入第二相物质的弥散强化。 铝合金的强化方法第二相强化铝合金的强化方法第二相强化 本质本质：基体金属中细小坚硬而弥散分布的第二相粒子 对位错运动构成障碍，且其障碍作用比单个溶质原子 要强，位错要运动必须绕过或切过这些障碍(粒子) ， 这样就使材料

46、的屈服强度提高了。 1沉淀强化是超高强铝合金的一个最重要的强化 手段。 沉淀强化的效果取决于合金的成分，淬火 后固溶体的过饱和度，沉淀相(强化相的特性，分 布及热处理制度等因素。 1一般讲来，沉淀相一般讲来，沉淀相( (强化相强化相) ) 的体积含量越大，的体积含量越大， 弥散度越大，强度越高，其强化效果就越好。弥散度越大，强度越高，其强化效果就越好。 铝合金的强化方法第二相强化铝合金的强化方法第二相强化 1. 沉淀强化相是硬度高的质点；沉淀强化相是硬度高的质点； 2. 沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度，沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度， 随温度降低，其固溶度急剧减小，能析出较

47、大体随温度降低，其固溶度急剧减小，能析出较大体 积分数的沉淀相；积分数的沉淀相； 3. 在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且 弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生 较大的共格应变区。较大的共格应变区。 铝合金中的时效硬化基本条件铝合金中的时效硬化基本条件 铝合金中的时效硬化机理铝合金中的时效硬化机理 k复合强化(如纤维增强复合强化，金属基复合强化 等) 是近年来发展的新方法。 k强化机理：不是靠阻碍位错的运动，而是靠增强体 材料和基体材料间良好的浸润性紧密粘结，获得良 好的结合强度，充分发挥各组元材

48、料的优势，使整 个复合材料具有较高的强度和韧性。 铝合金的强化方法复合强化铝合金的强化方法复合强化 u复合强化方法有力学复合法(如爆破复合， 压力加工复合)，冶金法(如铸造，喷射沉积， 自蔓延高温合成) 和化学法(如胶粘，表面 涂层) 等三种。 u复合强化综合了各组元的优点，弥补了各 自的不足，具有很好的发展前景。 u相（相（cual2） us 相（相（al2cumg） u相（相（mgzn2） u 相（相（mg2si） u 相（相（alli） 铝合金中的沉淀强化相铝合金中的沉淀强化相 al-cu 体心正方体心正方cual2 a=0.607毫微米毫微米 c=0.487毫微米毫微米 在在100上上

49、gp薄片薄片 (原为原为gp2区区) 正方正方cual2 a=0.404毫微米毫微米 c=0.580毫微米毫微米 在在al100形成铜原子单形成铜原子单 层，共格，可能是由三层层，共格，可能是由三层 铝原子所分开的两层铜原铝原子所分开的两层铜原 子。子。 不共格的平衡相不共格的平衡相 可能在可能在的表面上形核的表面上形核 在位错上形核的半共格片在位错上形核的半共格片 在在100上形成上形成 al-cu-mg s正交正交al2cumg a=0.400毫微米毫微米 b=0.923毫微米毫微米 c=0.714毫微米毫微米 gp(cu，mg)区，沿区，沿 的杆状的杆状 s正交正交al2cumg a=0

50、.404毫微米毫微米 b=0.925毫微米毫微米 c=0.718毫微米毫微米 大多数成分在高温时效时大多数成分在高温时效时 gp区形成极快区形成极快 不共格平衡相，可能由不共格平衡相，可能由s 转变而得转变而得 注意在高注意在高cu:mg成分时成分时 al-cu系中的沉淀相也能系中的沉淀相也能 形成形成 半共格并在位错上形核，半共格并在位错上形核， 在在210面上沿面上沿以以 板条形式形成板条形式形成 al-zn-mg 六方六方mgzn2 a=0.521毫微米毫微米 c=0.860毫微米毫微米 球状球状gp区区 六方六方mgzn2 a=0.496毫微米毫微米 c=0.868毫微米毫微米 可能有

51、两类区可能有两类区 在在处或由处或由形成，和基体形成，和基体 可有几种位向关系之一最可有几种位向关系之一最 普通的是（普通的是（100）（001） ， ， （0001）（110）， （0001）（111）， （100）（110） 在在zn:mg3:1的合金中可能的合金中可能 由由gp区形成，区形成， （0001） （111） 110 112 ， al-mg-si 面心立方面心立方mg2si a=0.639毫微米毫微米 gp区，沿区，沿针针 状状 六方六方mg2si a=0.705毫微米毫微米 c=0.405毫微米毫微米 gp区固溶线正常情区固溶线正常情 况下高于时效温度况下高于时效温度 在在1

52、00上的小片，可能上的小片，可能 直接由直接由 转变而成转变而成 （100） （100） ， ， 110100 半共格杆，可能直接由半共格杆，可能直接由 gp区形成，沿区形成，沿 （ 001） （100） ， ， 100 011 al-mg-li al2mgli al3li 亚稳有序沉淀物，主要亚稳有序沉淀物，主要 起强化作用起强化作用 不共格平衡相，可能由不共格平衡相，可能由 形成形成 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 1退火退火 (1) 再结晶退火再结晶退火再结晶温度以上保温一段时间后空冷，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

53、硬化，提高塑性，以便继续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。进行成形加工。 (2) 低温退火低温退火消除内应力，适当增加塑性，通常在消除内应力，适当增加塑性，通常在 180300保温后空冷。保温后空冷。 (3) 均匀化退火均匀化退火消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，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。提高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 2 2淬火（固溶处理）淬火（固溶处理） 将铝合金将铝合金加热到固溶线以上加热到固溶线以上保温后快冷，保温后快冷， 使第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的使

54、第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的 单一单一固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不 高，具有很好的塑性。高，具有很好的塑性。 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 3. 时效时效 u将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，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，称随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称 为为时效时效。 u室温下进行的时效称为室温下进行的时效称为自然时效自然时效；低温加热下进行的时效；低温加热下进行的时效 称为称为人工时效人工时效。 u时效的实质，是第二相从过饱和、

55、不稳定的单一时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一固溶体固溶体 中析出和长大，由于第二相与母相（中析出和长大，由于第二相与母相（相）的共格程度不同，相）的共格程度不同， 使使母相产生晶格畸变而强化母相产生晶格畸变而强化。 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 过饱和固溶体过饱和固溶体 饱和原子富集区饱和原子富集区 过渡沉淀相（亚稳平衡相）过渡沉淀相（亚稳平衡相） 平衡沉淀相平衡沉淀相 时效时效 四、铝合金的热处理四、铝合金的热处理 时效曲线时效曲线 al-4%cual-4%cu合金合金 自然时效自然时效 人工时效人工时效 铝合金的热处理铝合金的热处理变形合金变形合金状态的表示方法状态的表示

56、方法 f自由加工状态自由加工状态 o退火状态退火状态 h加工硬化状态加工硬化状态 w固溶热处理状态固溶热处理状态 t热处理状态热处理状态 (不同于不同于f、o、h状态状态) t1: 部分固溶加自然时效部分固溶加自然时效 t2: 只用于退火的铸造产品只用于退火的铸造产品 t3: 固溶加冷作固溶加冷作 t4: 固溶加自然时效固溶加自然时效 t5: 只进行人工时效只进行人工时效 t6: 固溶加人工时效固溶加人工时效 t7: 固溶加稳定化固溶加稳定化 t8: 固溶加冷作加人工时效固溶加冷作加人工时效 t9: 固溶加人工时效加冷作固溶加人工时效加冷作 铝合金的热处理铝合金的热处理铸造合金铸造合金状态的表

57、示方法状态的表示方法 f铸态铸态 t热处理状态热处理状态 t1: 人工时效人工时效 t2: 退火退火 t4: 固溶处理加自然时效固溶处理加自然时效 t5: 固溶处理加不完全人工时效固溶处理加不完全人工时效 t6: 固溶处理加完全人工时效固溶处理加完全人工时效 t7: 固溶处理加稳定化处理固溶处理加稳定化处理 t8: 固溶处理加软化处理固溶处理加软化处理 五五 铝合金的应用与发展铝合金的应用与发展 铝合金的应用铝合金的应用 q 铝合金是一种较年轻的金属材料，在铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业世纪初才开始工业 应用。应用。 1906年时效强化现象在柏林被年时效强化现象在柏林被a

58、lfred wilm偶然发现，偶然发现， 硬铝硬铝duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上。随之研制成功并用于飞机结构件上。 q 第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。由于第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。由于 军用航空材料的需要，抗拉强度超过军用航空材料的需要，抗拉强度超过500a的的al-znmg cu合金发展起来，其中最著名的合金是合金发展起来，其中最著名的合金是7075。 q 战后，铝工业界便着手开发民用铝合金。系列新合金战后，铝工业界便着手开发民用铝合金。系列新合金 （尤其是（尤其是7000系），如系），如7050、7010、7475和和7055等研制成

59、功。等研制成功。 q 用量仅次于钢铁，成为第二大金属材料。目前，高强、高用量仅次于钢铁，成为第二大金属材料。目前，高强、高 韧是铝合金发展的主要方向。韧是铝合金发展的主要方向。 铝合金的应用铝合金的应用 苏苏-27“侧卫侧卫”重型战斗机重型战斗机 大量采用铝合金大量采用铝合金 f-111“疣猪疣猪”战斗轰炸机战斗轰炸机 基本结构材料为铝合金基本结构材料为铝合金 铝合金在航空航天领域的应用铝合金在航空航天领域的应用 变形铝合金在飞机各部位的典型应用情况变形铝合金在飞机各部位的典型应用情况 应用部位应用的铝合金 机身蒙皮2024-t3， 7075-t6， 7475-t6 机身桁条7075-t6，

60、7075-t73， 7475-t76， 7150-t77 机身框架/隔框2024-t3， 7075-t6， 7050-t6 机翼上蒙皮7075-t6， 7150-t6， 7055-t77 机翼上桁条7075-t6， 7150-t6， 7055-t77， 7150-t7 机翼下蒙皮2024-t3， 7475-t73 机翼下桁条2024-t3， 7075-t6， 2224-t39 机翼下壁板2024-t3， 7075-t6， 7175-t73 翼肋和翼梁2024-t3， 7010-t76， 7150-t77 尾翼2024-t3，7050-t76， 7050-t76 先进铝合金在先进铝合金在a380