金屬材料學(xué)：第8章 鋁合金

第8章鋁合金

鋁具有一系列比其他有色金屬、鋼鐵和塑料等更優(yōu)良的特性:

密度小，僅為2.7g/cm3，約為鋼的1/3；優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；良好的耐蝕性；優(yōu)良的塑性和加工性能等。8.1

鋁合金的熱處理及時(shí)效強(qiáng)化1、鋁合金的分類

變形鋁合金-1鑄造鋁合金-2防銹鋁-3

——不能HT強(qiáng)化

硬鋁/超硬鋁/鍛鋁-4

——能HT強(qiáng)化2、鋁合金熱處理強(qiáng)化特點(diǎn)

特點(diǎn)：淬火加熱時(shí)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(shí)效處理。固溶處理α+β→α′固溶度↑強(qiáng)度/硬度變化小塑性明顯↑時(shí)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(shí)效形式：人工時(shí)效，自然時(shí)效一般“回火”用于晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金，

“時(shí)效”用于非晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金以Al-Cu二元合金為例討論鋁合金的時(shí)效過程：

(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α同，但產(chǎn)生了共格應(yīng)變區(qū)

強(qiáng)度、硬度↑。G.P.呈盤狀，僅幾個(gè)原子層厚，室溫下直徑約5nm，超過200℃就不再出現(xiàn)G.P.區(qū)。(2)銅原子富集區(qū)有序化G.P.區(qū)急劇長大，G.P.區(qū)銅原子有序化，形成θ”相θ”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(shí)效強(qiáng)化作用更大

(3)形成過渡相θ＇θ”相轉(zhuǎn)變成過渡相θ＇θ＇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(shí)處于過時(shí)效階段。(4)形成穩(wěn)定的θ過渡相θ＇完全脫溶形成穩(wěn)定相CuAl2，(θ)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)、過渡相以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時(shí)效強(qiáng)化效果也不一樣合金系時(shí)效過程的過渡階段析出穩(wěn)定相Al-Cu①形成銅富集區(qū)—G.P.區(qū)②G.P.區(qū)有序化—θ"相③形成過渡相θ＇θ（CuAl2）Al-Mg-Si①形成銅、硅富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成有序的β＇相Β（Mg2Si）Al-Cu-Mg①形成銅、鎂富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成過渡相S＇SAl2CuMgAl-Mg-Zn①形成銅、鋅富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成過渡相M＇M（MgZn2）表常用鋁合金系的時(shí)效過程及其析出的穩(wěn)定相3、影響時(shí)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(shí)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20～80℃水冷卻時(shí)效工藝溫度：對(duì)一定合金，有最佳時(shí)效溫度.時(shí)間：在一定時(shí)效溫度下，有最佳時(shí)效時(shí)間。方式：單級(jí)和多級(jí)時(shí)效。高強(qiáng)合金常用分級(jí)時(shí)效4、合金化條件合金元素能有限固溶；固溶度隨溫度降低而大為減?。晃龀鱿嗟膹?qiáng)化作用大。時(shí)效溫度與硬度關(guān)系曲線

130℃時(shí)效時(shí)鋁銅合金的硬度與時(shí)間關(guān)系

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?8.2變形鋁合金

四位字符體系：牌號(hào)的第一位數(shù)字表示組別，2×××

～8×××表示。后兩位數(shù)字是區(qū)別同一組不同的鋁合金。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。如2A06表示主要合金元素為銅的6號(hào)原始鋁合金。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度3A21LF21Al-Mn190MPa5A02LF2Al-Mg230MPa5A06LF6Al-Mg320MPa1、防銹鋁合金

Al-Mn和Al-Mg兩個(gè)合金系。用“3A”或“5A”加一組順序號(hào)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。2、硬鋁合金

成分Al-Cu-Mg系合金。2A+順序號(hào)表示分類①低強(qiáng)度硬鋁，如2A01、2A10等合金；②中強(qiáng)度硬鋁，如2A11等合金；③高強(qiáng)度硬鋁，如2A12等合金,2A12是使用最廣的高強(qiáng)度硬鋁合金分類

時(shí)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θ（CuAl2）、金屬間化合物S（CuMgAl2）是強(qiáng)化相，S相最高①要嚴(yán)格控制淬火溫度。如：牌號(hào)正常淬火溫度過燒溫度

2A02495~505510~5152A10510~5205402A12495~500507②轉(zhuǎn)移時(shí)間盡量短<30″，航空件<15″；③冷速要快，熱水淬；④常用自然時(shí)效。熱處理特性應(yīng)用飛機(jī)大梁、空氣螺旋槳、鉚釘及蒙皮等圖鋁銅鎂三元合金垂直截面GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度2A01LY1Al-Cu-Mg2A11LY11420MPa2A12LY12475MPa3、超硬鋁合金成分性能

Al-Zn-Cu-Mg系。7A+順序號(hào)表示室溫強(qiáng)度最高，500~700MPa，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450~480℃，人工分級(jí)時(shí)效：先在120℃時(shí)效3小時(shí)，第二次在160℃時(shí)效3小時(shí)，形成G.P.區(qū)和少量的η′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。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度7A04LC4Al-Cu-Mg-Zn600MPa7A09LC9660MPa4、鍛鋁合金成分性能

Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加順序號(hào)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(shí)效傾向，淬火后應(yīng)立即人工時(shí)效。主要用做航空儀表中形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鍛件。

GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度2A50LD5Al-Cu-Mg-Si420MPa2B50LD6340MPa2A14LD14480MPa8.3

鑄造鋁合金

鑄造鋁合金應(yīng)具有高的流動(dòng)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。鑄造鋁合金的牌號(hào)用ZL+三位數(shù)字表示。第一位數(shù)字是合金系別：1是Al-Si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(hào)。例如

ZL102表示2號(hào)Al-Si系鑄造合金。

1、鋁硅系鑄造合金特點(diǎn)

流動(dòng)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、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。.（a）未變質(zhì)處理250×（b）變質(zhì)處理100×圖ZL102變質(zhì)處理前后的組織形貌2、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(hào)：ZL201、ZL202、ZL203。Cu↑熱強(qiáng)性↑脆性↑<14%CuZL203,4~5%Cu

常用,鑄造性較差ZL202,9~11%Cu鑄造性好,耐蝕性↓

3、鋁鎂鑄造合金

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T<200℃

結(jié)晶溫度范圍較寬，故流動(dòng)性差，形成疏松傾向大，其鑄造性較差。應(yīng)用

ZL301、ZL302二種牌號(hào)。制造承受沖擊振動(dòng)載荷和耐海水或大氣腐蝕、外形簡單的重要零件4、鋁鋅鑄造合金

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(shí)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。5、鑄造鋁合金的熱處理

除ZL102外，其它合金均能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。熱處理特點(diǎn)①為↓變形或過熱，最好在350℃以下低溫入爐，隨爐緩慢加熱。②T淬高一些，t保長一些，15~20小時(shí)③淬火介質(zhì)一般用60~100℃的水。④如需時(shí)效，一般采用人工時(shí)效。

小結(jié)鋁合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋁合金熱處理為固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化。鋁合金時(shí)效基本過程是強(qiáng)化相的析出過程。各個(gè)階段的強(qiáng)化效果也不同。正確制定合金的固溶處理工藝，是保證獲得良好時(shí)效強(qiáng)化效果的前提。

α

Cu、Mg、

Zn、Si、MnLL+α

α+βAl

Me

工業(yè)純鋁：密度2.72。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗蝕性好，塑性高防銹鋁合金只能變形強(qiáng)化。Al-Mg、Al-Mn系。LF5合金化

固溶強(qiáng)化細(xì)化組織強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化第二相強(qiáng)化基本過程：GP→θ″→θˊ→θ。條件：Me能溶入α；隨T↓而固溶度↓↓；析出相強(qiáng)化作用大。鑄造鋁合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，