有色金属热处理第二章 铝及铝合金.ppt

1、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C919 Al-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

2、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

3、、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Si p(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)

4、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

5、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

6、,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%固溶度10% 如Al-Cu、 Al-Li、Al-Mn、Al-Si等，在工业上都有实际应用. Cu合金的常温强度，且合金的耐热性. Mn与Al形成的MnAl6与铝的电化学性质相近，故抗蚀性好. Al-

7、Si系合金共晶点浓度较低，铸造工艺性能. 固溶度1% 如Cr、Ti、Ni、Zr等在铝合金中一般起辅助作用. 改进合金的晶粒结构、沉淀过程和形成新相，合金的使用性能和工艺性能。,四、铝的合金化,2、沉淀硬化能力单纯的固溶强化总是有限的,较高的极限固溶度、明显的温度关系沉淀过程中形成均匀、弥散的共格或半共格过渡相能造成基体中较强烈的应变场对位错运动的抗力强度.,二元合金共晶相图,四、铝的合金化,3、耐热性 高温下工作的铝合金，须考虑与耐热性的关系. 过渡族元素一般能合金的高温性能和T再， 许多过渡族元素与铝形成包晶系，因此有较高的熔点，如Al-Ti（665），Al-Cr（661），Al-Zr（66

8、0.5）. 共晶系，如Al-Mn （658.5），Al-Fe （655） 等. 非过渡元素大多与铝形成共晶温度较低的共晶系，高温性能下降。如常用的Al-Mg系（450），Al-Zn系（382）. 合金熔点愈低，耐热性愈差.,四、铝的合金化,某些铸造铝合金的成分与耐热性的关系,四、铝的合金化,4、组织强化,通过细化晶粒（包括细化亚结构及增加位错密度）和使合金保持未再结晶组织强度10%30%，且纵向的断裂韧性和应力腐蚀抗力。 制品在热处理后仍保持再结晶的纤维状组织加入少量过渡族元素锰、铬、锆、钛再结晶温度，弥散第二相质点阻止再结晶过程晶粒长大。,四、铝的合金化,铸造铝合金：加入微量元素(变质剂)进

9、行变质处理来细化铸态组织. 如微量Na或Na盐或者锑等进行变质处理，细化组织，强度和塑性. 变形铝合金：微量Ti、Zr、Be、Re，形成难熔化合物，非自发晶核，细化晶粒，合金的强度和塑性. 如AlMn合金中添加0.020.3Ti细化组织.,4、组织强化,四、铝的合金化,第二节 铝合金的热处理原理,铝合金的基本热处理形式是退火及固溶时效。 退火属软化处理，目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性 固溶时效（淬火时效）为强化处理，借助时效硬化以提高合金的强度性能。 本节目的：着重阐明铝合金时效理论中的基本规律和特点，以及讨论确定相应热处理工艺参数的主要原则。,铝合金的固溶时效强化（固溶时效强化机制及步

10、骤）,固溶处理：加热到第二相最大限度的融入固溶体的T，保温后快冷，防止第二相析出，获得过饱和固溶体.,时效处理：过饱和固溶体室温或加热一定时间后，基体中析出新相的过程. 自然时效 人工时效,固溶时效处理的一般步骤,固溶处理：将合金加热到固溶线以 上、固相线以下温度保温，获得成分均 匀的固溶体组织。 淬火：将固溶处理后的工件快冷到 较低温度，得到过饱和单相固溶体。（与钢淬火组织不同） 时效：使过饱和固溶体中析出细小弥散沉淀相的过程。 自然时效：室温下时效； 人工时效：在高于室温（固溶温度与室温之差的15到25）进行时效。,一、Al-4Cu合金组织、性能的一般变化,1、共晶转变： L +（CuAl

11、2） Cu在中的极限固溶度：5.65%（548）. T固溶度,Al-Cu二元相图的富铝部分,Al-Cu二元合金相图,2、性能变化,热处理强化原因：淬火和时效后大量弥散分布的（CuAl2过渡相）使结晶点阵扭曲，并封闭了晶粒间的滑移面的缘故 强度,含Cu量对Al-Cu二元合金力学性能的影响,铸造铝合金的状态,含Cu量对Al-Cu二元合金铸造性能的影响,二、过饱和固溶体的性质,合金时效处理之前，先要通过固溶处理以获得过饱和固溶体。 固溶体不仅对溶质原子过饱和，且对空位也是过饱和，即处于双重过饱和状态。 沉淀过程是一种原子扩散过程，而空位的存在是原子扩散所必须具备的条件。,空位形成示意图,空位运动示意

12、图,三、时效过程中的组织变化,时效过程：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或由溶质原子富集形成的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变. 具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会发生 脱溶沉淀. 以AlCu合金为例： 过饱和固溶体随着时效时间的延长，将发生下列析出过程： 过 G.P.区 其中 GP区、为亚稳定相 （ 也可称为G.P.2区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为： 过 G.P.区 ,以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程： (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

13、5nm，超过200 就不再出现G.P.区。,三、时效过程中的组织变化,G.P.区示意图,Al-Cu合金中G.P.区的共格应变图,三、时效过程中的组织变化,G.P.区：Al-Cu合金单晶体自然时效时在基体100面上发生铜原子偏聚，构成富铜的圆盘形片（90%Cu）. 晶体结构与界面：溶质原子富集区在母相100晶面上形成，点阵与基体相相同（fcc），与完全共格. 形成机理：完全依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）。 固溶温度，冷却速度，淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于G.P区的数量并使其尺寸。 凡是能空位浓度的因素均能促进G.P区的形成。,三、时效过程中的组织变化,

14、Al-4Cu合金的G.P.区组织（TEM）（540淬火，130 时效16h）500000,G.P.区是共格界面的弹性应变场引起的衬度效应造成的.,三、时效过程中的组织变化,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,三、时效过程中的组织变化,形状与尺寸：呈圆碟片状，直径为30nm，厚度为2nm. 晶体结构与界面：过渡相与基体共格，它与基体的位向关系为100/100基体。 常在位错、小角晶界、层错以及空位

15、团等处不均匀形核。 形核速率受材料中位错密度的影响。,(2) 铜原子富集区有序化,三、时效过程中的组织变化,”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。,(3)形成过渡相,三、时效过程中的组织变化,形状与尺寸：是光镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆碟片状，尺寸为100nm数量级。 相为正方点阵：ab0.404nm，c0.58nm，它与基体部分共格，与基体的位向关系为100 /100基体。 相的具体成分为Cu2Al3.6，很接近于平衡相（CuAl2）。,三、时效过程中的组织变化,(3)形成过渡相,过渡相 完全脱溶,形成

16、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,三、时效过程中的组织变化,表 常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相,三、时效过程中的组织变化,各合金时效过程,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

17、间. 方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效.,影响时效强化的主要因素,三、时效硬化原因 时效硬化铝合金主要强化手段，目前一般应用位错理论来解释. 合金沉淀硬化产物影响： 其一，新相质点本身的性能和结构与基体不同； 其二，质点周围产生了应力场. 根据位错阻力的来源，时效硬化可用以下几种强化机制来加以说明：,1、内应变强化 内应变强化：指沉淀物或者溶质原子与母体金属之间存在一定的错配度时产生应变场（应力场）阻碍滑移位错运动,位错通过高度弥散应力场,a、合金（新淬火或轻微时效） 溶质原子高度弥散应力场间距小位错线不弯曲位错线上应力代数和大致抵消位错运动阻力小硬度低,r=Gb/2 r弯曲半径 G

18、切变模量 b位错的柏氏矢量 相应的切应力,应力场间距较大时位错弯曲的情况,b、合金时效 溶质原子聚集应力场间距 位错线弯曲（绕应力场） 硬度,r=Gb/2 r弯曲半径 G切变模量 b位错的柏氏矢量 相应的切应力,2、位错切过沉淀物的硬化 沉淀相和基体共格，位错可以从中通过； 沉淀相与基体部分共格，晶体结构与基体相近时，位错也可以切过； 铝合金在预沉淀阶段或时效阶段前期，运动位错多以切过的方式通过沉淀相。,位错切过粒子示意图（阴影表示多出的表面） （a）侧视，（b）俯视,位错切过粒子时要消耗三种能量，运动阻力来自以下三方面: （1）粒子与基体的错配引起的应力场. （2）位错切过粒子后，粒子被滑移

19、成两部分，因而增加了表面能. （3）位错通过粒子时，改变了溶质-溶剂原子的近邻关系，引起了所谓化学强化.,2、位错切过沉淀物的硬化,3、位错绕过沉淀物的硬化（弥散硬化）,位错滑移面上的沉淀相很硬或沉淀相凝集相间距加大位错可以从粒子间凸进去，即绕过粒子（比切过粒子更容易一些）,位错每次通过粒子后，在粒子四周留下一圈位错环，故位错密度不断提高，粒子的有效间距不断，造成硬化率。,表示位错从粒子间通过的示意图,四、时效动力学,过饱和固溶体的沉淀过程是一个扩散过程。 与钢类似，其沉淀速度与温度的关系具有C-曲线的特点，过冷度与原子扩散速度相互制约在某一温度达到最大值。 Al-4Cu合金过饱和固溶体的起始

20、转变曲线如图所示:,Al-4Cu合金过冷固溶体的起始分解曲线,钢中测定C-曲线常用金相法和物理性能方法（如磁性法和膨胀法），这些方法不适合铝合金.,下图为LY12合金等温分解曲线，第一条是根据晶间腐蚀倾向确定的起始转变曲线，其他各条是按照抗拉强度（实线）和屈服强度（虚线）变化所确定的条件转变曲线。,LY12（4.64%Cu，1.48%Mg，0.82%Mn）的C-曲线,四、时效动力学,98,铝合金时效动力学曲线主要受合金成分的控制，同时淬火温度、应力状态和生产工艺对其也有影响.,例如：对同一合金系，随着合金元素含量的增加，过饱和固溶度提高，分解速度加快，C-曲线左移。如图所示：,Al-Cu系按9

21、5%抗拉强度的条件起始转变曲线. 1 Al-4.08%Cu； 2 Al-4.30%Cu； 3 Al-4.60%Cu-0.89%Mg；,四、时效动力学,在工业铝合金中大多含有少量锰、锆、铬等过渡族元素，尽管量不高，但对合金的时效动力学特性却有强烈的影响.,1,3,4,2,Cr、Zr、Mn等元素对Al-4.2%Zn-1.9%Mg合金93%条件起始转变曲线的影响 1-加0.24%Cr； 2-加0.23%Zr； 3-加0.2%Mn； 4-未加,五、时效理论的应用,实际生产中广泛利用时效硬化现象来铝合金的硬度，根据合金性质和使用要求，可采用不同的时效工艺，主要包括单级时效、分级时效、形变时效和回归处理与

22、回归再时效处理等。 1、单级时效 在淬火（或称固溶处理）后只进行一次时效处理，可以是自然时效，也可以是人工时效，大多时效到最大硬化状态。,、固溶处理 目的：保证强化相充分固溶，加热T固溶度线. 温度越高，固溶越快，也越完全，时效强化效果更好。但不应高于固相线，否则合金将发生局部溶化，即造成过烧，严重降低合金的性能. 铝合金的淬火加热T范围很窄，温度控制要求很严. 例如：LY12硬铝淬火加热温度为4983，低于490，为淬火不足，高于507，三元共晶体溶化.,五、时效理论的应用,、淬火加热时间：取决于合金性质和状态。铸件加热时间较长，需几十分钟到几小时；变形产品，组织细密，加热时间较短，例如板材

23、，只需几分钟到几十分钟。 、铝合金淬火介质：一般用水，以保证快速冷却，变形产品的淬火温度一般低于40。对于铸件和大型铸件，为减小内应力和变形开裂倾向，可用热水淬火。其他淬火介质还有油、液氮、有机合成溶液等。 、淬火处理后接着进行自然时效或人工时效。前者以G.P.区强化为主，后者以过渡沉淀相强化为主。,五、时效理论的应用,、铝合金时效后的性能特点： 自然时效：塑性高（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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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， b 60MPa， 0.2 100MPa. 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，0.2 130MPa.,五、时效理论的应用,五、时效理论的应

30、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）

31、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

32、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

33、，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-

34、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

35、。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%）0.3-0.4%，过量Si和Mg形成粗大Mg2Si相，合金塑性.,二、Al-Si系铸造合金,Al-Si-Mg三元合金相图 （a）液相面投影图；（b）含8%Si的垂直截面,ZL101合金变质前后的显微组织

36、（砂型，200）,由于合金含Si量不高，组织为多量的树枝状固溶体+（+Si）共晶体组成。Mg2Si很细小，低倍光学显微镜难分辨.,ZL101铸造性能与ZL102相近，可以铸造薄壁的形状复杂的铸件，具有较高的力学性能； Mg量取下限值，塑性较高，中等强度。常用来制造如泵壳体、齿轮箱等承受冲击载荷的零件.,汽缸头,Mg量取上限值， 且采用淬火和完全时效时，较高的强度，一定的塑性。可用作承受较大的动载荷和静载荷的汽缸体等零部件.,复杂（特殊）铝硅明,二、Al-Si系铸造合金,复杂（特殊）铝硅明 ZL104（8.0-10.5%Si，0.17-0.3%Mg，0.2-0.5%Mn） Si含量及加Mn，力学

37、性能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

38、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

39、-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 （0.03%)有害元素，合金的可焊性和.,三、Al-Cu系铸造铝合金,三、Al-Cu系

40、铸造铝合金,ZL201及ZL201A（均添加了少量钛的Al-Cu-Mn系合金） 微量钛细化晶粒，过量的钛或出现钛偏析时，会出现粗大的片状Ti3Al. 室温强度超过其他常用铸造铝合金，耐热性也很好，属高强耐热合金，铸造工艺性能较差，气密性较低. 应用广泛，可制作在250以下工作的零件，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件.,四、Al-Mg系铸造合金,优良的抗蚀性，密度较低，强度和韧性较高，切削加工和抛光性能很好。 但铸造性能差，耐热性低，易氧化和形成热裂纹。 常用的代号有： ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)、ZL302等,主要用于制造外形简单，承受冲击载荷，在腐蚀性

41、介质下工作的零件，比如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301),ZL301合金 （属Al-Mg合金，含镁9.5%11.5%） 451 共晶温度下，极限固溶度可达14.9%Mg，温度下降，将析出相. 合金在T4淬火状态为单相固溶体，b可达300-400MPa，为12-15%. 热处理制度 4305，加热12-20h，40-50摄氏度油淬，或80-100水淬. 析出相易连续网状分布，避免采用人工时效处理，使用温度限制在80以下.,四、Al-Mg系铸造合金,Al-Mg二元合金相图,含Mg量对Al-Mg合金力学性能的影响,四、Al-Mg系铸造合金,ZL302 （10.5%-13%M

42、g，0.8-1.2%Si，少量铍、钛） Si铸造性能，Be降低合金在熔炼铸造及热处理时的氧化倾向，Ti细化晶粒. 热处理制度：4255，15-20h，在油或100摄氏度水中淬火。 性能：b=240MPa，0.2=180MPa，HB=95，=3%. ZL303 （4.5-5.5%Mg，0.8-1.3%Si，0.1-0.4%Mn） 强度较低，抗蚀性能好，优良的切削加工和表面加工性能，生产工艺简单. 应用：制作抗腐性和要求美观的装饰性零件。,四、Al-Mg系铸造合金,主要镁铝铸造合金的成分、性能及作用,四、Al-Mg系铸造合金,五、Al-Zn系铸造合金,良好的铸造工艺性、切削加工性、焊接性及尺寸稳定

43、性，铸态时有明显的时效硬化能力，可免除淬火工序引起的变形和尺寸变化。但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等. 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,典型锌铝合金成分、性能及应用,五、Al-Zn系铸造合金,总结： Al-Si合金：铸造性能最好，中等强度，良好的抗蚀性，应用最广. Al-Cu合金：铸造性能、抗蚀性较差，有最高室温机械性能，适合铸造大负荷或耐热铸件. Al-Mg合金：最好的抗蚀性和较高强度，但铸造性能和耐热性差，适用于铸造抗蚀、耐冲击和表面装饰性能高的铸件. Al-Zn合金：

44、强度、抗蚀性及铸造工艺性好，但应用有限.,一、变形铝合金的分类、牌号及状态 （1）根据合金的特性分类： 防锈铝 合金牌号以LF+合金顺序号，如LF3、LF21. 抗蚀、易加工成形和焊接、并具有良好的光制和低温性能；因不能热处理强化，强度较低. 适于制作要求抗腐蚀及受力不大的零部件，如油管、油箱。在民用可加工成生活器皿及装饰品.,第四节 变形镁合金及其热处理,（1）根据合金的特性分类： 硬铝 硬铝牌号由LY+合金顺序号组成，如LY11、LY12. 具有强烈的时效硬化能力，热处理后强度最高可达500MPa. 较高的室温强度，耐热性较好，但抗蚀性及焊接性较差. 目前航空工业中应用最广泛的变形铝合金.

45、,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,（1）根据合金的特性分类： 锻铝 牌号以LD+合金顺序号，如LD5、LD6等. 以Al-Mg-Si系为主，有良好的冷、热加工、焊接、抗蚀、低温、疲劳、光制、等性能. 适宜制作航空用各类锻件. 超硬铝 牌号为LC+合金顺序号，如LC4. 热处理后室温强度可超过600MPa.,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,（2）变形铝合金新牌号表示方法：,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,采用四位字符体系牌号，XAXX. 第一、三、四位为数字，第二位为英文大写字母. 第一位代表材料的合金系（合金组别）. 第二位大写字母表示是原始材料（A），或改型材料（B-Y），注意第二位A

46、不是代表Al. 第三、四位数字是材料的标识（对纯铝是材料的纯度）. 5A06LF6，2A12LY12.,（2）变形铝合金新牌号表示方法：,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,变形铝合金的新旧牌号表示方法对比,变形铝合金新旧牌号对照,变形铝合金新旧牌号对照,变形铝合金新旧牌号对照,（3）变形铝合金的状态 铝及铝合金的基础状态共五种.,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,（3）变形铝合金的状态 H（Y）状态主要反应材料的硬化程度. HX、HXX、HXXX. 第一位数字：加工硬化状态的初始基本处理程度. 第二位数字：HX状态下材料冷变形加工后所保留的加工硬化程度. 第三位数字：一些特殊处理状态.,一、变

47、形铝合金的分类、牌号及状态,（3）变形铝合金的状态,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,材料不同的基本处理状态第一次细分,（3）变形铝合金的状态,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,材料不同的基本处理状态第二次细分,（3）变形铝合金的状态 T状态主要表示材料的热处理（固溶、时效）状态，已经热处理和冷、热加工的组合状态. TX状态：基本工艺状态. TXX、TXXX状态：特殊工艺处理状态.,一、变形铝合金的分类、牌号及状态,T状态的新、旧状态代号对比,T状态的新、旧状态代号对比,二、防锈铝合金 Al-Mg系、Al-Mn系合金，不可热处理强化，加工硬化提高其强度. 锻造退火后为抗蚀性、焊接性能、塑性好，

48、切削性能差. Mn、Mg主要作用：提高抗蚀能力与塑性，并起固溶强化作用. MnAl6电极电位与Al基体接近，能提高抗蚀性，细化晶粒.,1、Al-Mn系合金 高塑性、高抗腐蚀稳定性、焊接性能好. 常用牌号：LF21（1.0-1.6%Mn，3A21）. 广泛用于油罐、油箱、管道、铆钉等零件. LF21合金制品在退火过程中极易出现晶粒不均匀现象. 与锰偏析有直接关系，晶粒四周和晶内锰浓度的差异，再结晶T区间，容易产生粗晶.,二、防锈铝合金,1、Al-Mn系合金 为防止这种现象，生产中常采用如下措施： （1）铸锭均匀化 将铸锭在600620进行高温均匀化退火，使MnAl6相均匀析出，消除晶内偏析. （

49、2）高温压延 将铸锭热压延温度由390440到480520，过饱和的分解，促使成分均匀. （3）适当控制铁含量. （4）快速加热 再结晶区间，使晶界附近和晶内同时生核，容易获得细晶组织.,二、防锈铝合金,1、Al-Mn系合金 Al-Mn合金，Mn固溶度有明显T关系（1.820.3%）. 时效过程中形成中间过渡相，但沉淀硬化作用弱，时效和退火状态性能接近.,二、防锈铝合金,LF21合金退火规范,1、Al-Mn系合金,二、防锈铝合金,LF21合金典型机械性能,M,Y2,Y,1、Al-Mn系合金,二、防锈铝合金,Al-Mn合金热处理状态、成分与性能的关系 1-退火；2-淬火；3-自然时效；4-人工时

50、效,2、Al-Mg系合金 Al-Mg系合金含Mg量2-10%，保证良好加工塑性. Mg含量，强度，塑性，抗蚀性. 固溶度有明显的温度关系，时效强化效果差. 一般在 M （O）或H（Y）状态下使用. 低Mg合金在O状态处理后为单相组织. 高Mg合金（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

51、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