輕合金的組織與性能輕合金概述

輕金屬是指密度小于3.50g/cm3的金屬材料。鋁和鎂的密度分別為2.70g/cm3和1.74g/cm3，故以鋁和鎂

為基的合金被稱為輕金屬合金或輕合金。鈦的密度為

4.50g/cm3，現(xiàn)在也將其歸類于輕金屬。一般地說，輕合金的強度和剛度都比結(jié)構(gòu)鋼小。但它們的密度小，比強度(強度/密度)和比剛度(彈性模量/密度)都比較大，與結(jié)構(gòu)鋼，甚至與超高強度鋼相

當(dāng)，所以與超高強度鋼一起在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，以減輕飛機結(jié)構(gòu)重量，提高運載能力和速度。輕合金的優(yōu)點高的比強度和比剛度

優(yōu)良的耐高低溫性能

耐腐蝕

適應(yīng)空間環(huán)境

壽命和安全鋁合金

強化元素：銅、鎂、鋅、錳、硅和稀土等按鋁合金所處相圖的位置分類：鋁合金:形變鋁合金、鑄造鋁合金形變鋁合金：相圖中D點以左的部分。該類鋁合金加熱至固溶線FD以上時能形成單相α固溶體，塑性好，適用于壓力加工成形。不能熱處理強化的形變鋁合金：相圖中F點以左的部分，組織為單相固溶體，且其溶解度不隨溫度而變化，無法進行熱處理強化；可熱處理強化的形變鋁合金：相圖中F和D之間的形變鋁合金，固溶體的溶解度隨著溫度而顯著變化，可進行熱處理強化。鑄造鋁合金：相圖中D點以右的部分，有共晶鋁合金、亞共晶鋁合金和過共晶鋁合金之分。1.Zn、Cu、Mg和Si四種元素與Al形成二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合物，在Al中的溶解度隨溫度的降低而劇烈地減少，能通過熱處理強化，稱為可熱處理強化型Al合金；

2.Al－Mg、Al－Si、Al－Mn二元合金，加入的合金元素雖然也有明顯的溶解度變化，但熱處理強化效果不大，只能以退火或冷作硬化態(tài)應(yīng)用，稱為不可熱處理強化型Al合金；

3.Cr、Mn、Zr等元素的溶解度雖小，但對合金的耐熱和耐蝕性改善有明顯作用，因為這些過渡族元素能明顯地抑制再結(jié)晶和細化晶粒。鋁合金的強化

1、固溶強化2、時效強化（析出強化、沉淀強化）

淬火后的鋁合金，在室溫停留或加熱保溫后，在析出第二相過程中造成性能（如強度、硬度等）變化的現(xiàn)象，稱為時效。鋁合金的時效過程及組織

現(xiàn)以Al-Cu合金為例分析，Al-Cu合金的分解過程為：

<2→GP區(qū)→（1）GP區(qū)

1938年，A.Guinier和G.D.Prestor各自獨立用X射線結(jié)構(gòu)分析方法發(fā)現(xiàn)：Al－Cu合金單晶體自然時效時在基體的{100}面上發(fā)生了銅原子偏聚，構(gòu)成了富銅的圓盤形片（約含銅90％）即G.P區(qū)。G.P區(qū)的形狀與尺寸：在電子顯微鏡下呈圓盤狀，直徑約5～10nm，厚約0.4～0.6nm，數(shù)量約1014～1016/cm3碟形GP區(qū)針狀GP區(qū)球形GP區(qū)（2）θ"相是Cu原子在GP區(qū)中有序化后形成（也有人認(rèn)為是GP區(qū)重排），是Cu和Al混合交替層，有獨立的晶體結(jié)構(gòu)（Cu2Al5，正方結(jié)構(gòu)），與基體共格。θ"相結(jié)構(gòu)與基體已有差別，因此與GP相產(chǎn)生更大的共格應(yīng)變（更大的強化）（3）θ'相的化學(xué)組成與CuAl2相當(dāng)（有人認(rèn)為Cu2Al3.6），也是正方結(jié)構(gòu)，與基體部分共格，是該系合金中第一種能在光學(xué)顯微鏡下觀察到的產(chǎn)物。θ'是高溫時效產(chǎn)物，對硬化有一定貢獻，但最大硬化發(fā)生在θ"數(shù)量處于最大值時，當(dāng)θ"質(zhì)點逐漸長大時，其數(shù)量逐漸減少，共格應(yīng)變逐漸降低，合金逐漸軟化（過時效）。（4）

平衡相θ（CuAl2）是退火產(chǎn)物，具有正方結(jié)構(gòu)，與Al的晶格結(jié)構(gòu)差別更大，與基體無共格關(guān)系。θ相與基體無共格關(guān)系，因此共格應(yīng)變消失，同時隨著其粗化，數(shù)量減少，相鄰顆粒間的平均距離增大，合金軟化而遠離其峰值強度狀態(tài)。（1）過飽和固溶體的分解雖可分幾個階段，但并不是截然分開的，只能說在一定溫度和時間內(nèi)以某一階段為主。如：Al-4Cu合金

在130℃以下時效以形成GP區(qū)為主；

在150－175℃間時效以θ"為主；

在225－250℃間時效以θ'為主；

高于300℃時效以θ為主。

同一溫度，時效不同時間也可得到不同組織。如在130℃時效，不超過5天以GP區(qū)為主；10天以θ"為主，還能生成一部分θ'相；超過100天則完全由θ'相組成。（2）同系不同成分的合金，可能有不同的分解序列，過飽和大的合金更易出現(xiàn)GP區(qū)或過渡相。（3）由于多晶體各部分的能量條件不同，在同一時期可能出現(xiàn)不同的分解產(chǎn)物，一般在晶內(nèi)廣泛出現(xiàn)GP區(qū)或過渡相，而在晶界可能出現(xiàn)平衡相。（4）各個合金系的分解序列不一定相同，如Al-Cu合金可能出現(xiàn)兩種過渡相，而大部分合金系只存在一種過渡相。（5）改變合金的分解條件，第二相析出的情況可能發(fā)生改變。（6）添加元素會對合金的析出條件和組織產(chǎn)生影響。1曲線隨時間呈峰值特征；

2初期硬度升高很慢或不升高（有蘊育期）；3提高溫度能提高硬化速率、縮短時效時間降低硬度峰值；降低溫度能阻礙或抑制硬化效應(yīng)；

4α固溶體的濃度越高，強化效果越大。鋁合金的時效規(guī)律強化機制時效溫度較低時，GP區(qū)析出，隨時效時間的增加，強度增加；θ"相充分析出時，硬度達到最大；θ'相和θ平衡相析出，硬度下降。時效溫度升高，可能沒有GP區(qū)析出，時效硬化的峰值時間縮短。

Al-Cu合金時效硬化規(guī)律與析出相的關(guān)系

對于不同時效階段，合金的強化機理是不相同的，但都和位錯與第二相的交互作用有關(guān)。對鋁合金而言，小于臨界尺寸的可變形粒子，位錯切過產(chǎn)生的強化由五部分構(gòu)成。1.共格強化；2.模量強化；3.化學(xué)強化；4.有序強化；5.層錯強化。粒子長大超過某一臨界尺寸，位錯不能切割粒子滑移，其強化作用按繞過機制進行。鎂合金合金化元素Al、Zn、Li、Ce、Zr、Th、Ag等，起到固溶強化作用。

（1）比強度高，高于鋁合金

（2）減振性好

（3）切削加工性好

（4）抗蝕性差鎂合金的組織特點

鎂合金組織與合金種類和熱加工條件有關(guān)。α-Mg：Al的Mg固溶體基體β-Mg：Mg17Al12（大塊）α+β：共晶組織，層狀，非連續(xù)析出，沿晶界形成網(wǎng)狀組織形態(tài)鑄態(tài)AZ91（Mg-9%Al-1%Zn-0.2%Mn）合金的組織鎂合金的蠕變性能蠕變：應(yīng)力不變時，應(yīng)變隨時間的延長而增加的現(xiàn)象，是一種緩慢變形。注意與塑變的區(qū)別。在合金中加入Si，Sb以后形成Mg2Si和Mg3Sb2，分布在晶界和晶內(nèi)，這兩種金屬間化合物在較高溫度下比Mg17Al12更穩(wěn)定，提高了蠕變性能。鎂合金的蠕變性能鈦合金的組織

鈦的合金化主要取決于加入的合金元素是穩(wěn)定α相的，還是穩(wěn)定β相的。根據(jù)加入的合金元素種類和含量的不同，按組織類型分，將鈦合金分為三類：α型鈦合金，β型鈦合金和α+β型鈦合金。α：全α、近α和α+化合物合金。以鋁、錫、鋯為

主要合金元素，在近α型鈦合金中還添加少量β穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等

β：熱力學(xué)穩(wěn)定型β合金、亞穩(wěn)定β型合金和近β型合金

α＋β：以Ti-Al為基再加適量β穩(wěn)定元素α＋β鈦合金

兼有α、β兩類鈦合金的優(yōu)點：從化學(xué)成分看，即有α穩(wěn)定元素，又β有穩(wěn)定元素；

從組織結(jié)構(gòu)看，包含α和β兩種固溶體；

從熱處理方法看，即可以在退火狀態(tài)下使用，又可在淬火、時效狀態(tài)下使用；

從力學(xué)性能看，即有較高的室溫強度，又有較高的高溫強度，塑性也好。α＋β鈦合金(a)Ti-6Al-4V(b)Β-CEZα+β層狀組織α＋β鈦合金雙態(tài)組織β相冷卻時的轉(zhuǎn)變根據(jù)合金成分和冷卻條件，加熱到β相區(qū)的鈦合金可能發(fā)生下列轉(zhuǎn)變：β→α+ββ→α+TixMyβ→α?或α??α?：密排六方晶格，為六方馬氏體α??：斜方晶格，為斜方馬氏體

β→ωω：亞穩(wěn)定六方晶格亞穩(wěn)β合金1000℃固溶處理，300℃等溫析出的ω相組織形貌，TEM（暗場）β相冷卻時的轉(zhuǎn)變β相在慢冷時的轉(zhuǎn)變：合金加熱到β相區(qū)后緩冷：將從β相中析出α。隨著溫度降低，α相不斷增多，β相不斷減少，β穩(wěn)定化組元濃度連續(xù)增高。當(dāng)達到室溫時，兩相分別達到各自平衡濃度，室溫得到α+β平衡組織。緩冷時，先在原β晶界開始形核長大，形成晶界α，然后從晶界向晶內(nèi)呈集束狀擴展，直至互相接觸為止。相互平行位向一致的一組片狀α構(gòu)成一個群體，稱為α集束，β相處于片狀α相之間，呈連續(xù)的或間斷的層片狀，冷卻后形成(α+β)。加熱溫度愈高、冷卻愈緩慢，則α片愈厚，α集束尺寸也愈大，形成位向比較單一的集束，這種組織稱并列式魏氏結(jié)構(gòu)。β相在快冷時的轉(zhuǎn)變

⑴不同成分鈦合金從β相區(qū)淬