金属材料及热处理---06-有色金属材料篇1

1、第 3 章 有色金属及其合金,概述,金属材料习惯上可分为有色金属和黑色金属（钢铁）； 有色金属及其合金种类很多，但产量小，总产量也远远小于钢铁的产量； 有色金属及其合金有特殊的性质，成为现代工业不可替代的材料（Al、Ti、Mg、Cu、Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Mo、W、Zr、Hf等等） 这里，主要介绍Al、 Cu、Ti、Ni、Co 、Mg。,1.1 铝及铝合金的主要特征 1.2 铝的合金化与分类 1.3 铝及铝合金简介 1.4 铝及铝合金的热处理简介 1.5 铝及铝合金牌号与状态符号,第一节 铝及铝合金,1.1 铝及铝合金的主要特征,铝及铝合金是最重要的有色金属材料之一，产量占有色金

2、属的一半。,（1）密度小 纯铝密度约为2.7g/cm3, 常见铝合金的密度处于2.63-2.85g/cm3 , 而Al-4Li, 2.4g/cm3 , Al-12Fe, 3.06/cm3 , 比Cu、Fe及其合金轻得多。 这样，铝及铝合金的比强度（强度/密度的比值）高（LY12的比强度约为17.4，而40Cr的约为12.8 ）， 因此，铝及铝合金在航天航空工业，交通运输，兵器军工等领域有着广泛的用途，对航天器、汽车、高速磁悬浮列车、火箭导弹等的轻量化起着积极的推动作用。 （镁及镁合金的冲击）,（2）导电导热性好 （电导率60-65%IACS（标准铜的为标准），热导率2.27w/(mK)） 仅次

3、于Au、Ag（金融）、Cu，远优于Fe、Ti等，在工业金属，仅次于Cu，可替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件 （镁及镁合金的冲击）,（3）加工工艺好 铸造性好，强度低，塑性好，能通过铸造或塑性加工制成各种形状的产品（铸件、挤压件、锻件、轧制产品等）,（4）耐蚀性好 表面可生成致密的Al2O3氧化膜，且耐高温，可起保护作用，在Cl-或OH-中Al2O3氧化膜会破坏。可作管道（天然气、输油）、容器、餐具等,1.2 铝的合金化与分类,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

4、=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 细晶强化 固溶强化 弥散强化,因此，从合金化的角度看，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。,主要的,共晶含量少或无，高温和低温塑性高，强度高,铸造性好，流动性好，易填充，不易冷热裂,（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； 作为起弥散强化作用的强化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、Mg

5、Zn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、（Al3Li）、Al2CuLi等,Zr、V、 Cr、Ti、 B、 Be，有时也包括Mn ，溶解度小，随温度变化大，可作辅加元素，起细晶、补充强化、提高再结晶温度（以Mn最明显）、提高耐热性、产生组织强硬化效应、改善抗蚀性（Be影响表面）等作用； 微量地加Ag、加Sc、加RE等是目前铝合金微合金化的研究方向； Fe 、 Si通常在铝合金中为杂质，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Si(IM) 中例外。 (相对而言的概念、不应有时，有了且有害，即为杂质) 科技发展打破这个合金设计的框架，Rapid solidification，Mech

6、anical alloying 等，出现了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Ce、Al-Cr-Zr-Mn、Al-Zr-V-Ti等合金。,（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,1.3 铝及铝合金简介,（一）纯铝 纯铝具有密度小、导电导热性好、加工工艺好、耐蚀性好等优

7、点，但强度低，故，它多用于电线电缆以及强度要求不高的用具或器皿。（工业纯的、高纯的亦用于科研配置合金） 纯铝中的主要杂质为Fe、Si（Fe+SiSi ） 、Al8Fe2Si（网状） 、Al9Fe2Si2（脆、针状，FeSi，包晶多有利于形核； Fe+Si0.6%时，FeSi，共晶多有利于铸造)。 纯铝可分为工业纯铝和高纯铝 工业纯铝（Al大于99.0%， L1(99.85%), L2, L3, L4, L5, L6(98.8%) ） 高纯铝（Al大于99.93%，L01(99.93%), L02, L03, L04(99.996%) ）,（二）防锈铝 （Al-Mn）（耐蚀铝合金）,Al-Mn系

8、属于防锈铝，热处理不可强化合金，是用量最大的铝合金之一。 合金与成分特点：牌号少，产量多 最典型的有LF21（AA3003,1.0-1.6%Mn）、AA3004(=AA3003+0.8-1.1%Mg) 等，加Ti、Fe，以细晶。 相 组 成：+（Al6Mn） 组织特点：Mn 易偏析，易粗晶 性 能：强度比铝的大（固溶） ，抗蚀性与纯铝相当（ Al6Mn的电 位与铝基体相当），可焊性好， 抛光性好（可做工艺品）。 用 途：承力不大且抗蚀性、 可焊性要求高的容器、结构件， 如油管、油箱等； 3004 合 金大量地用于易拉罐。 粗晶现象与防止 原因在于Mn偏析，Mn提高再结晶温度 ，导致不同区域再结

9、晶先后不同，最终 再结晶晶粒大小不一，粗者特粗。 防止方法有i、均匀化退火；ii、快速加热退火；iii、加Fe（0.1%Fe，降低Mn溶解度，减小偏析）、Ti（细晶，防止出现大面积贫Mn区和富Mn区）以细晶,（二）防锈铝 （Al-Mg）,与Al-Mn系同属于防锈铝，热处理不可强化合金 合 金：与Al-Mn系相比，产量少，牌号多 除课本表2-4中所列出的外，还有LF12、LF13、F14、LF33、LF43等，其中最典型的有LF2（AA5052）、LF3（AA5054）、LF6 （AA5083）、LF11（AA5456）等。 成分特点：通常，Mg大于5%，需加Ti、V，以细晶；大于6%，需加Be

10、，以提高氧化膜致密度，或防止Na脆。 相 组 成：+（Al3Mg2或Al8Mg5 ）；另外，还有Mg2Si、Al6(Mn,Fe) 性 能：比铝轻，抗蚀性、可焊性好，强度高于Al-Mn系，抛光性好（可做工艺品）。 用 途：承力不大的容器、抗蚀可焊的结构件，如油管、油箱和笔帽等；高Mg的可以用作承力件。,问题有三： （1）Al3Mg2的偏聚问题 从相图来看，可以强化，但Al3Mg2 易于晶界处析出，呈网状，尤其是Mg大于3.5%（大多数Al-Mg合金Mg量都大于3.5%），故不可强化。Al3Mg2 晶界处析出，导致晶界腐蚀抗力下降，应力腐蚀能力增大，对于高Mg者尤其如此，需防止。热处理时增加一道冷

11、变形，Al3Mg2可于位错、亚晶界处析出，可均匀化。 （2）高Mg者的氧化膜致密度下降问题 表面不再为致密的Al2O3膜，含有MgO， 致密度下降， 需加Be（微量，PPM量级），以提高表面氧化膜的致密性。 （3）Na脆的问题 铝合金熔炼常采用Na盐（NaAlF6+NaCl+KCl的混合熔剂），NaAlF6 和NaCl会和Mg反应，产生游离Na，这将导致材料严重脆性。防治方法：i、选择不含Na的熔剂；ii、加0.0002%Be（铍）或 0.004%Sb （锑）或0.02%Bi（铋）,（三）硬 铝,Al-Cu-Mg(-X)系铝合金，热处理可强化合金；大多可自然时效，如要高温使用，可人工时效。 合

12、 金： 牌号多，其中最典型的有LY11（AA2017）、LY12（AA2024）、LY16 （AA2219）等。 成 分 特 点： 除了Cu、Mg外，Fe小于0.5-0.7%，Si小于0.5%，还需加0.5-1.0Mn，以中和Fe的不利影响，提高耐蚀性。 相 组 成： +（Al2Cu）和/或S（Al2CuMg ）；在非平衡条件下，还有Al3Mg2、Al20Mn3Cu、Al6(Mn,Fe)等； 和S共存时时效强化效果最好， S相的耐热性能高于相的。,性能与用途： 强度高、塑性差、耐蚀性差。 LY11以相为主，强度中等（420MPa），不能用于较高的温度， 主要用于（飞机等的）骨架、紧固件、支柱等

13、； LY12 以S相为主，强度较高（47 0MPa），能用于较高的温度， 主要用于（飞机等的）骨架、蒙皮等需要耐较高温度的构件。 问 题： i、要求塑性好 提高塑性，需均匀化退火； ii、要求强度高 提高强度，需保留挤压效应，不能均匀化处理； iii、抗蚀性差，需包铝 。,（四）超硬铝,Al-Zn-Mg(-Cu-X)系铝合金，热处理可强化合金；一般需人工时效。 分两类： Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金和Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金。 （1）Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金（s约400MPa，人工时效） 合 金：无国标牌号，美国AA牌号有7004 、7005、7039等。 成 分 特 点

14、：Zn+Mg小于7.0%，另外还需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高韧性和耐蚀性。 相 组 成：+T（Al2Mg3Zn3）+（Mg2Zn ） 性能与问题：通常，随Zn+Mg含量提高，强度增加，但抗应力腐蚀能力严重下降（需加Cu来解决）；焊接性优良，淬火性好（易淬上火），空冷、挤压后空冷即可。 用 途：航空、汽车、建筑的焊接件，例如，7005可以用作高速列车的横梁和飞机用变断面挤压横梁,（2）Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金（s在500MPa以上，人工（过）时效） 合 金：国标中典型牌号有LC3、LC4、LC9、LC10，其中 LC4和LC9大致相当于美国AA牌号的7075合金。 成 分 特 点

15、：Zn+Mg小于8.9%，另外，加0.5-2.5%Cu，提高塑性、提高抗应力腐蚀能力、还需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高淬透性、细晶、提高再结晶温度、提高韧性和耐蚀性。 相 组 成：很复杂， +T（Al2Mg3Zn） +T（Al6CuMg4） +（Mg2Zn ）+ S（Al2CuMg ） + （Al3Mg2或Al8Mg5 ） 性能与问题：随Zn+Mg含量提高，强度增加，但抗应力腐蚀能力严重下降（降Fe、Si）；强度高、塑性差，须均匀化处理；耐蚀性差，须包铝（Al-1.0%Zn）。 用 途：大型承力结构件，如飞机横梁等,（五）锻 铝,多指Al-Mg-Si (-X)系铝合金（也有部分是Al-Cu

16、-Mg-Fe-Ni系合金（耐热）；锻铝意味着热塑性好，适合锻造。属于热处理可强化合金；大多可自然时效，但多人工时效。 合 金： 牌号多，其中最典型的有LD2、 LD3、 LD4、 LD5、 LD6、 LD11、 LD30（AA6061）、LD31（AA6063）等。LD7、 LD8 （AA2618） 、 LD9属于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金（Al9FeNi，Fe/Ni=1，耐热，这里不做介绍了） 成 分 特 点： 根据Al-Mg2Si伪二元相图，以Mg2Si原子配比，制备合金，通常需Si过量（会影响Mg2Si的溶解度） ，除此之外，还加Cu（提高强度、耐蚀性）、Mn（提高淬透性）

17、、Cr、Zr、Ti（细晶、提高再结晶温度）。 相 组 成： +（Mg 2Si）； （Mgl2Si）的脱溶序列为：GP有序GP（可以在亚稳相的基础上直接生成稳定相，属直接转变的情况）。,性 能： 热塑性差好，而且随着Cu含量增加，强度增加。例如， LD2、 LD5、 LD6、 LD10，Cu含量增加，有W相（Al4CuMg5Si）、 （Al2Cu）、S（Al2CuMg ）产生，强度增加，其中LD10具有良好的硬度、强度、耐磨性，可做钥匙片。 用 途： 可以用作形状复杂的锻件、模锻件和挤压型材。 问 题： i、Mg2Si含量增加，淬火敏感性提高，即冷却速率需要更加大一些 LD306061，Mg2S

18、i 含量1.0-1.4%，冷却速率要求大，挤压后需水环冷却，甚至需重新水冷淬火； LD316063， Mg2Si 含量0.8-1.1%，冷却速率要求小，挤压后直接风冷淬火。 ii、 Mg2Si含量高 1.0% ，存在停放效应的问题 AL-Mg-Si合金淬火后在室温停放一段时间再人工时效的强化效果低于淬火后立即直接人工时效的强化效果。 原因：与回归现象有关，自然时效形成大小不一的GP区，再加热人工时效时，则小者消失，大者长大，转化成相，并发生Ostwald粗化，这样导致相粗化、大小不一、分布不均，强度下降；而直接人工时效，则相细小均匀，强度较高。 防止：i、加Cu，稳定空位，或与Mg、Si、空位

19、形成迁移能力低的复杂原子团，稳定GP区；ii、淬后立即进行一次短时预人工时效，使GP区长到稳定尺寸或转成相。,（六）其它变形铝合金,（1） Al-Li合金（包括含Li铝合金） 是目前国内外大力开发研制的新合金，01420、2195、8090等，我国自七五以来一直积极开展这方面的工作（112引进俄罗斯技术，进展长足）; 加Li的优点在于：i、合金密度低；ii、比模度高，每增加1%Li，弹性模量增加6%，iii、高强度、高比强，（Al3Li），尤其是（Al3Li）/Al3Zr复合粒子有强烈的时效强化效应; 过饱和固溶体（Al3Li）（AlLi），其中（Al3Li）过渡相，球形，共格，属于Ll2型超

20、点阵结构（有序），时效强化效应强; 裂纹扩展速率低，塑性、韧性好，但须防共面滑移（ 颗粒易切割）导致韧性、抗SCC能力下降； 问题在于：i、Li难加，易氧化，并与炉衬反应；ii、铸锭易出现气孔、夹杂；iii、Li易偏析；iv、不易回收、再生； 因此，目前除了采用常规铸造法来生产外，也采用粉末冶金法（雾化制粉、喷射沉积等）来生产（621所，采用超声雾化制粉预成型（包套、脱气、真空热压等）挤压成材）。,附（2）快速凝固高温铝合金,快速凝固耐热铝合金是上世纪70年代中叶由美国率先倡导研制的，由美国军方提出，希望将铝合金稳定服役温度提高到350以上，开发一种可在150-350（甚至更高的）范围内替代钛合金使用的轻质结构材料，以减轻飞行器重量，降低成本，提高性能。 在相当一段时间里，快凝耐热铝合金研究目的明确，主要针对航天航空用飞行器的耐热零部件，如飞机轮毂、火箭壳体、导弹尾翼、航空发动机叶片等。总体上，要求材料具有良好的室温、高温强度与塑性，然而，对于飞机、航空发动机的结构件，要求在315，保留10000小时，室温、高温性能几乎无损失，而火箭、导弹飞行时间短，速度快，表面驻点温度达225425，对高温短时