金屬材料學(xué)鋁合金課件

1、2022/7/179.1 概述Al及其合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用量僅次于鋼鐵，居有色金屬首位。Al及其合金的特點(diǎn): 密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性優(yōu)良，耐腐蝕。應(yīng)用：應(yīng)用于宇航，飛機(jī)制造業(yè)，民用中主要用于建筑，運(yùn)輸，電力等行業(yè)第9章 鋁合金aluminium我國和世界鋁年產(chǎn)量2022/7/17 現(xiàn)代飛機(jī)有70是鋁和鋁合金制造的，所以人們稱鋁是“會飛”的金屬。鋁 -“會飛”的金屬 我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”的外殼就是用鋁合金制成的。導(dǎo)彈的用鋁量占總質(zhì)量的1050。美國的阿波羅號宇宙飛船使用的金屬材料中，鋁和鋁合金占75。 美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)(所用材料大部分是鋁合金)2022/7/

2、17純Al老牌號：工業(yè)純Al的牌號以“L”加一順序號數(shù)字表示（括號內(nèi)為新牌號GB/164741996）工業(yè)鋁L1（1070A）、L2（1060）、L3 （1050A）、L4（1035）L6數(shù)字越大純度越低高純鋁LG5(1A99)、LG4(1A97)、LG3（1A93）、LG2（1A90）、LG1（1A85）數(shù)字越大純度越高。國際牌號：1350，“1”-純鋁，第二位表示對雜質(zhì)范圍的控制要求，“3”表示有三種雜質(zhì)應(yīng)受到控制，即（V+Ti)0.02%， B0.05%，Ga0.03%； “50”表示小數(shù)點(diǎn)后兩位。2022/7/171.Al的合金化及強(qiáng)化Al的強(qiáng)度硬度都很低，難以作結(jié)構(gòu)材料，必須添加合金

3、元素，并通過冷變形或熱處理來強(qiáng)化Al無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能象鋼一樣通過熱處理相變強(qiáng)化合金元素主要強(qiáng)化作用有：固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，過剩相強(qiáng)化和細(xì)化組織強(qiáng)化2022/7/172合金元素的作用Cu 固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，提高鋁合金的耐熱性Mg 固溶強(qiáng)化，降低密度，提高耐蝕性，不能單獨(dú)加入，必須配合其他合金元素加入Mn 提高耐蝕性Si 過剩相強(qiáng)化，鑄造合金。Zn 固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，提高耐蝕性2022/7/17可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金（以B點(diǎn)為界）兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化（以D點(diǎn)為界）兩類。9.1.1.鋁合金的分類圖9.12022/7/17根據(jù)國標(biāo)規(guī)定 ，變形鋁及鋁

4、合金可直接引用國際四位數(shù)字體系牌號或采用國標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將美國國家標(biāo)準(zhǔn)納入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)中。在國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T164741996）中，變形鋁用四位數(shù)字牌號：第一位表示合金系列，按合金中主要元素分類。第二位字母表示原始合金的改型情況， “A” 表示原始合金；“B”“Y”表示原始合金的改型合金。 最后兩位表示不同牌號的鋁合金。2022/7/17組別牌號系列組別牌號系列純鋁（鋁含量不小于99.00%）1以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金6以銅為主要合金元素的鋁合金2以鋅為主要合金元素的鋁合金7以錳為主要合金元素的鋁合金3以其他元素為主要合金元素的

5、鋁合金8以硅為主要合金元素的鋁合金4備用合金組9以鎂為主要合金元素的鋁合金5形變鋁合金的牌號2022/7/17GB 3190-82中的舊牌號仍可繼續(xù)使用，表示方法為: 防銹鋁合金：LF+序號 硬鋁合金： LY +序號 超硬鋁合金：LC +序號 鍛鋁合金： LD +序號鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬2022/7/17Al-Mn系： 3A21 3A02（ 代號LF21， LF2Al-Mg：: 5A02, 5A03,5A12 代號LF2, LF3, LF12非熱處理型鋁合金（防銹鋁合金）2022/7/17熱處理型鋁合金Al-Cu系： 2A01,2A06, 2A12（硬鋁合金）：代號 L

6、Y1, LY6, LY12Al-Zn-Mg-Cu系：7A03, 7A09（超硬鋁合金）： 代號LC3, LC9 Al-Mg-Si-Cu系：6063，2A50, 2A14; (鍛鋁合金）： 代號 LD31 , LD5, LD10 2022/7/179.1.2鋁合金熱處理強(qiáng)化特點(diǎn) 特點(diǎn)：淬火加熱時不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 熱處理強(qiáng)化包括固溶處理與時效處理。固溶處理+ss固溶度強(qiáng)度/硬度變化小塑性明顯時效處理第二相從固溶體中析出力學(xué)性能等發(fā)生顯著變化 時效形式：人工時效，自然時效 一般“回火”用于晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金， “時效”用于非晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金。2022/7/17一、固溶處理 將合金加熱到固溶線以

7、上，并保溫，快冷。得到過飽和不穩(wěn)定的固溶體組織，為后續(xù)的時效處理作準(zhǔn)備。 鋁合金固溶處理后，獲得了溶質(zhì)原子和空位雙重過飽和的固溶體，塑性和耐蝕性提高。加熱固溶淬火過飽和2022/7/17二、時效處理時效：指淬火后得到的鋁合金過飽和固溶體在一定溫度下，隨時間增長而分解，導(dǎo)致合金強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象。時效實(shí)質(zhì)是沉淀強(qiáng)化相從過飽和固溶體中析出和長大。自然時效：在室溫下自發(fā)強(qiáng)化的過程。人工時效：在某一人工加熱溫度下進(jìn)行的時效過程。共格或半共格亞穩(wěn)過渡相（或）強(qiáng)化效果最佳，數(shù)量越多，彌散度越大，強(qiáng)化效果越佳。2022/7/172003 Brooks/Cole, a division of Thomson

8、 Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.以Al-Cu二元合金為例討論鋁合金的時效過程： Al-Cu合金淬火+時效過程組織形成示意圖2022/7/17圖9.2 Al-Cu 合金各相析出溫度和時間2022/7/17Al-Cu合金淬火過飽和固溶體形成第二相原子富集區(qū)（GP區(qū)）原子富集區(qū)有序化（ ）形成過渡相析出平衡相(CuAl2）。 G.P.區(qū) 過渡相 過渡相 平衡相 2022/7/17(1) 形成銅原子富集區(qū)銅富集區(qū)稱G.P.區(qū) 晶體結(jié)構(gòu)與基體同，但產(chǎn)生了共格應(yīng)變區(qū)。 強(qiáng)度、硬度。G.P.呈

9、盤狀，僅幾個原子層厚，室溫下直徑約5nm，超過200就不再出現(xiàn)G.P.區(qū)。2022/7/17 G.P.區(qū)急劇長大，G.P.區(qū)銅原子有序化，形成相。 相與基體仍然保持完全共格，具有正方點(diǎn)陣。 點(diǎn)陣常數(shù)a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.區(qū)周圍的畸變更大，因此時效強(qiáng)化作用更大。(2) 銅原子富集區(qū)有序化2022/7/17 (3)形成過渡相 相轉(zhuǎn)變成過渡相是正方點(diǎn)陣，成分接近CuAl2 完全共格 局部共格強(qiáng)度、硬度開始降低，合金此時處于過時效階段。2022/7/17過渡相完全脫溶形成穩(wěn)定相CuAl2，()與基體非共格合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步下降 合金的種類不同，形成的G.P.區(qū)、過

10、渡相以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時效強(qiáng)化效果也不一樣(4) 形成穩(wěn)定的2022/7/17合金系時效過程的過渡階段析出穩(wěn)定相Al-Cu形成銅富集區(qū)G.P.區(qū)G.P.區(qū)有序化相形成過渡相 （CuAl2）Al-Mg-Si形成銅、硅富集區(qū)G.P.區(qū)形成有序的相 （Mg2Si）Al-Cu-Mg形成銅、鎂富集區(qū)G.P.區(qū)形成過渡相S S Al2CuMgAl-Mg-Zn形成銅、鋅富集區(qū)G.P.區(qū)形成過渡相M M / （MgZn2）表9.1 常用鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相192022/7/17峰時效：合金獲得很好的強(qiáng)化效果，時效組織中的強(qiáng)化相多為亞穩(wěn)平衡相。欠時效：過飽和溶質(zhì)原子偏聚或亞穩(wěn)相孕育析出

11、。過時效：亞穩(wěn)相平衡相，與基體脫離平衡關(guān)系。圖9.4 130時效時鋁銅合金的硬度與時間關(guān)系 圖9.3時效溫度與硬度關(guān)系曲線 2022/7/17影響時效強(qiáng)化的主要因素固溶處理 規(guī)律：淬火T越高，淬火冷卻V越快，轉(zhuǎn)移t越短，過飽和程度越高，時效強(qiáng)化效果也越大。 要點(diǎn)：在不過熱過燒條件下，T淬高些，保溫t長些。淬火冷卻要保證不析出第二相。為了防止 淬火變形開裂，一般采用2080水冷卻。時效工藝溫度：對一定合金，有最佳時效溫度；時間：在一定時效溫度下，有最佳時效時間；方式：單級和多級時效。高強(qiáng)合金常用分級時效。2022/7/17思考題： 直接析出穩(wěn)定相在熱力學(xué)上是有利的，但為什么不是直接析出穩(wěn)定相?2

12、022/7/17Mn，Mg是防銹鋁主要添加元素鎂提高電極電位， MnAl6與基體電極電位相近，耐蝕性高。衛(wèi)星天線（LF2）用“3A” 或“5A”加一組順序號表示。具有優(yōu)良的抗蝕性、焊接性和塑性。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。適合于制作焊接管道、容器、鉚釘、各種生活用具以及其它冷變形零件。9.2.1防銹鋁9.2形變鋁合金wrought aluminium alloy2022/7/179.2.2硬鋁主要是Al-Cu-Mg系合金，2A + 順序號表示可進(jìn)行時效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。分類 低強(qiáng)度硬鋁，如2A01、2A10等合金； 中強(qiáng)度硬鋁，如2A11等合金； 高強(qiáng)

13、度硬鋁，如2A12等合金,2A12是使用最廣的高強(qiáng)度硬鋁合金2022/7/17分類 時效處理后具有高硬度、強(qiáng)度，優(yōu)良的加工性和耐熱性，但塑性、韌性低，耐蝕性差。含Cu、Mg低，強(qiáng)度較低而塑性高；反之，強(qiáng)度高而塑性低。強(qiáng)化相 （CuAl2）、金屬間化合物S（CuMgAl2）是強(qiáng)化相，S相最高。2022/7/17要嚴(yán)格控制淬火溫度。 如： 牌號 正常淬火溫度 過燒溫度 2A02 495505 510515 2A10 510520 540 2A12 495500 507轉(zhuǎn)移時間盡量短 30，航空件 15；冷速要快，熱水淬；常用自然時效。熱處理特性應(yīng)用飛機(jī)大梁、空氣螺旋槳、鉚釘及蒙皮等2022/7/1

14、7圖9.5 鋁銅鎂三元合金垂直截面 2022/7/17成分性能 Al-Zn-Cu-Mg系。7A + 順序號表示 室溫強(qiáng)度最高，500700MPa，缺點(diǎn)是耐蝕性差，疲勞強(qiáng)度低，120的溫度下使用。 強(qiáng)化相:MgZn2 Al2Mg3Zn3特點(diǎn)應(yīng)用 T淬范圍較寬，一般為450480，人工分級時效：先在120時效3小時，第二次在160時效3小時，形成G.P.區(qū)和少量的相，達(dá)到最大強(qiáng)化狀態(tài)。 應(yīng)用：飛機(jī)工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料。9.2.3超硬鋁合金2022/7/17主要超硬鋁合金LC4的強(qiáng)化相如下：(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3) 、S，這些相在Al中有很高的溶解度并隨溫度的下降而顯著減小，固溶體過

15、飽和度大，故有強(qiáng)烈的時效強(qiáng)化效果。缺點(diǎn)是應(yīng)力腐蝕敏感沿晶界連續(xù)分布性大，其原因?yàn)椋宏枠O區(qū)無沉淀帶，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。人工時效后，沿晶界析出較粗大(MgZn2)相，產(chǎn)生腐蝕坑，裂紋源。2022/7/17成分性能 Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加順序號表示。常用的合金有6A02、2A14等 具有優(yōu)良的鍛造性能，力學(xué)性能與硬鋁相近，但熱塑性及耐蝕性較高。特點(diǎn)應(yīng)用 主要強(qiáng)化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然時效傾向，淬火后應(yīng)立即人工時效。 主要用做航空儀表中形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鍛件。 9.2.4鍛鋁2022/7/17Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金 耐熱相為FeNiAl9相，它

16、無時效強(qiáng)化作用，但在高溫起彌散強(qiáng)化作用。常用牌號有 2A70(LD7)、2A80(LD8)、 2A90 (LD9)等 。用于制造150 225下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、鼓風(fēng)機(jī)葉片等散熱零件。2A70鍛造鋁合金 處理：固溶處理加人工時效 浸蝕：2%氫氟酸+1%鹽酸 顯微組織：晶粒+強(qiáng)化相粒子 放大倍數(shù)：500X2022/7/179.3鑄造鋁合金Casting aluminum alloy（GB/T11731995 ）優(yōu)點(diǎn) 良好的鑄造性能，抗腐蝕性能和切削加工性能，可制成各種形狀的復(fù)雜零件，還可通過熱處理改善鑄件的力學(xué)性能，熔煉工藝簡單，成本低。缺點(diǎn) 力學(xué)性能水平不如鍛鋁合金。鑄造鋁合金輪轂20

17、22/7/17鑄造鋁合金應(yīng)具有高的流動性，較小的收縮性等良好的鑄造性。共晶合金應(yīng)最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，實(shí)際使用的鑄造合金并非都是共晶合金。鑄造鋁合金的老牌號用ZL + 三位數(shù)字表示。 第一位數(shù)字是合金系別：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、三位數(shù)字是合金的順序號。例如 ZL102表示2號Al-Si系鑄造合金。 2022/7/17鑄造鋁合金包括：Al- Si系： （ZAlSi7Mg等）代號為ZL1011011Al-Cu系：（ZAlCu5Mn等）代號為ZL201203Al-Mg系：（ZAlM

18、g10等）代號為ZL301，ZL302Al-Zn系： （ZAlZn11Si7等）代號為ZL401，4022022/7/179.3.1.Al-Si系鑄造鋁合金又稱硅鋁明。其中 ZAlSi12 (ZL102)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金稱復(fù)雜(或特殊)硅鋁明。57711.7%圖9.6鋁硅合金相圖2022/7/17鋁硅系鑄造合金特點(diǎn) 流動性最好，比重輕，鑄造收縮率小;焊接性、耐蝕性優(yōu)良,致密度較小。 共晶組織中硅晶體呈粗針狀或片狀，有少量塊狀初生硅。常經(jīng)變質(zhì)處理。 塑性較低，需要細(xì)化組織。應(yīng)用 常用合金：ZL102 和ZL104等 。 制造致密度要求不高

19、、形狀復(fù)雜鑄件。如ZL105工作在250的耐熱零件， ZL111形狀復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)汽缸等。2022/7/17鑄造鋁 硅合金 ( ZL101)活塞(裙部為鋁硅合金) ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ) 552022/7/17Al-Si合金變質(zhì)處理在一般認(rèn)為Na離子等變質(zhì)元素能促進(jìn)硅的形核，并吸附在硅晶體的表面，阻止硅的長大，最終生長為球狀或多面體狀。同時鈉的存在使液態(tài)合金產(chǎn)生510的過冷度，并使共晶點(diǎn)向右移動，這樣不僅形核率增加，細(xì)化共晶組織，而且使合金組織由共晶成分變?yōu)閬喒簿С煞帧?-3%Na鹽（2/3NaF+1/3NaCl）或者（25%NaF+62%NaCl+13%KCl）2022/7/17

20、在普通鑄造條件下， ZAlSi12(ZL102)組織幾乎全部為共晶體，由粗針狀的硅晶體和固溶體組成，強(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理后，得到細(xì)小均勻的共晶體加一次固溶體組織，可提高性能。 變質(zhì)前： s 140MPa， 3 后： s 180MPa， 8未變質(zhì)處理 經(jīng)變質(zhì)處理 ZL102的鑄態(tài)組織2022/7/179.3.2.Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。常用牌號有ZAlCu5Mn (ZL201)、ZAlCu4(ZL203)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。汽缸頭2

21、022/7/17鋁銅鑄造合金 鋁銅鑄造合金的主要強(qiáng)化相是CuAl2。 最大特點(diǎn)就是耐熱性高，但耐蝕性差。 共有三種牌號：ZL201、ZL202、ZL203。Cu 熱強(qiáng)性脆性 14%Cu ZL203，45%Cu 常用, 鑄造性較差 ZL202 ,911%Cu 鑄造性好，耐蝕性 2022/7/17Cu=4.55.5%時，綜合性能好。Cu 5.5%，產(chǎn)生（CuAl2）脆性相，力學(xué)性能下降。 鋁銅合金鑄造組織 ( 化染 ) 210圖9.72022/7/17這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度?。坏T造性能差，耐熱性低。常用代號為ZAlMg10 (ZL301)、 ZAlMg5Si1 (ZL303)等。主要用

22、于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。9.3.3.Al-Mg系鑄造鋁合金2022/7/17鋁鎂鑄造合金特點(diǎn)及應(yīng)用 特點(diǎn) 比重輕，強(qiáng)度和韌性較高，優(yōu)良的耐蝕性、切削性和拋光性。 熔點(diǎn)低熱強(qiáng)度較低，工作T200 結(jié)晶溫度范圍較寬，故流動性差，形成疏松傾向大，其鑄造性較差。應(yīng)用 ZL301、ZL303二種牌號。 制造承受沖擊振動載荷和耐海水或大氣腐蝕、外形簡單的重要零件。2022/7/17圖9.7 ZL301合金固溶處理后組織200圖9.6鋁鎂合金成分與性能關(guān)系2022/7/17這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。常用代號為

23、 ZAlZn11Si7 (ZL401)、 ZAlZn6Mg (ZL402)等。主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)、儀器零件。9.3.4.Al-Zn系鑄造鋁合金圖9.8鋁鋅合金相圖2022/7/17特點(diǎn) 鋅固溶強(qiáng)化，極限溶解度為31.6%，不形成金屬間化合物。固溶13%Zn，在冷卻時不發(fā)生分解，固溶強(qiáng)化。 強(qiáng)度較高，是最便宜的鑄造鋁合金。其主要缺點(diǎn)是耐蝕性差。應(yīng)用 常用ZL401。制作工作溫度在200以下，形狀復(fù)雜的汽車及飛機(jī)零件、醫(yī)療機(jī)械和儀器零件。2022/7/17熱處理特點(diǎn) 為變形或過熱，最好在350以下 低溫入爐，隨爐緩慢加熱。 T淬高一些，t保長一些，1520小時 淬火介質(zhì)一般用60100的水。 如需時效，一般采用人工時效。2022/7/17鑄造鋁合金熱處理狀態(tài)及代碼（GB117386）類別代號國際標(biāo)準(zhǔn)鑄態(tài)FF人工時效T1T5退火T2 O 固溶處理自然時效T4T4固溶處理不完全人工時效T5T6固溶處理完全人工時效T6固溶處理穩(wěn)定化處理T7T7固溶處理軟化處理T8冷熱循環(huán)處理T