常用金属材料的种类、性能特点及应用.ppt

1、2020/9/7,1,10.4 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

2、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

3、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

4、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50800 MPa，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

5、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（

6、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A

7、l-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

8、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（Al 99.93%）,工业纯铝（Al 98.8%）,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

9、: 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)49 Al-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

10、铝L0X L01(99.93%), L02, L03, L04(99.996%),工业 纯铝Lx L1(99.85%), L2, L3, L4, L5, L6(98.8%),硬 铝LYxx LY11(AA2017, 2A11), LY12(AA2024, 2A12),锻 铝LDxx LD30(AA6061, 6A30), LD7(AA2618, 2A07),超硬铝LCxx LC4, LC9(AA7075, 7A04),Al-Si系 ZL1xx ZL101-ZL111,防锈铝LFxx LF21(AA3004, 3A21), LF6(AA5083, 5A06),变形铝及铝合金,铸造铝合金,Al-Z

11、n系 ZL4xx ZL401- ZL402,Al-Mg系 ZL3xx ZL301- ZL302,Al-Cu系 ZL2xx ZL201- 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% 1XXX Al-Cu 2XXX Al-Si 4XXX Al-Mg 5XXX Al-Zn 7XXX Al-Sn 8XXX,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,T775

12、11,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(A

13、A2024, 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, 4A01 etc,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

14、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

15、，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

16、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

17、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）。

18、,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)