1、第二章 鋁及其合金,第一節(jié) 工業(yè)純鋁、合金化及鋁合金的分類、 牌號和狀態(tài)符號 一、工業(yè)純鋁 1、物性 熔點(diǎn) 660.24；密度2.7103kg/m3； 彈性模量（E）72000MPa 面心立方晶格 a=0.4049nm；原子直徑0.286 nm 相對電導(dǎo)率 62IACS （International Annealed Copper Standard） 電阻率 2.6610-8m (歐姆米) (99.9%Al)； 順磁性（磁化率215）；,2、力性,純鋁進(jìn)行6080冷變形，b 雖然能達(dá)到150180MPa， 但已降低到11.5%，變脆,3、化學(xué)性能,鋁的化學(xué)活潑性極高，標(biāo)準(zhǔn)電極電位（1.67伏）

2、。 鋁在空氣中表面生成510nm厚的Al2O3保護(hù)膜，在大氣中耐蝕。 在濃硝酸中有極高的穩(wěn)定性，與有機(jī)酸及食品幾乎不反應(yīng)。 在硫酸、鹽酸、堿、鹽中不穩(wěn)定。,4、特點(diǎn),質(zhì)量輕 優(yōu)秀的導(dǎo)電、傳熱和塑性變形性能 在大氣中有良好的耐蝕性 強(qiáng)度低不適于作結(jié)構(gòu)材料,二、鋁的合金化,合金化原理主要固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化：元素溶解度大，與Al原子直徑差大，例如Mg 和Mn 時(shí)效強(qiáng)化：所加元素或形成的中間相，高溫時(shí)在Al中有較 大的溶解度，隨溫度降低溶解度急劇變小。 常加入的元素為Zn、Mg、Cu、Si、Li。,各種元素在鋁中的極限溶解度,鋁合金中常見元素的原子直徑（原子間最緊密距離）,鋁合金常加入的元素

3、為Zn、Mg、Cu、Si、Li。,在合金中可能形成： CuAl2 S Al2CuMg MgZn2 T Al2Mg3Zn3 Mg2Si AlLi Mg2Al3 鋁中的主要雜質(zhì)：Fe、Si 為了改善合金的塑性和抗蝕性，合金中常加入Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等微量元素。,三、分類、牌號和狀態(tài)符號,(1) 我國鋁及其合金過去的分類和牌號： 采用漢語拼音加阿拉伯?dāng)?shù)字表示 純鋁：LG工業(yè)高純鋁；L工業(yè)純鋁 變形鋁合金分類及牌號: （L）（類）（序號）（狀態(tài)）,純鋁,國產(chǎn)變形鋁合金分五大類，常見只有四大類,(2)美國變形鋁合金牌號及狀態(tài),牌號： 用四位阿拉伯?dāng)?shù)字表示 第一位數(shù)表示合金系（即加入最多的那種元

4、素） 第二位數(shù)表示原始合金或改進(jìn)合金，0為原始合金， 改進(jìn) 合金依次為1、2、3等 最后兩位數(shù)表示具體合金牌號，對于純鋁表示小數(shù)點(diǎn)后兩位 鋁含量（114599.45Al， 120099.00Al）,目前我國變形鋁合金牌號,表示方法基本與美國相同,不同之處在于第二位不用阿拉伯?dāng)?shù)字,而是用英文字母： 例如：7A04、7B04,狀態(tài)：,F加工態(tài)（熱軋、擠壓）,不控制應(yīng)變硬化量 O退火再結(jié)晶狀態(tài)，強(qiáng)度最低、塑性最高 W固溶處理正在自然時(shí)效過程（不穩(wěn)定） H冷作硬化狀態(tài) T熱處理狀態(tài),應(yīng)變硬化狀態(tài)：,H1應(yīng)變硬化。 H2應(yīng)變硬化加不完全退火。 H3應(yīng)變硬化穩(wěn)定處理。 H112加工過程的應(yīng)變硬化（不控制應(yīng)

5、變量）。 H321加工過程的應(yīng)變硬化（控制應(yīng)變量）。 H116特殊應(yīng)變硬化。,熱處理狀態(tài)：,在T后附有一位或多位數(shù)。對于T狀態(tài)，列出了在兩次操作之間或操作之后的室溫下可能發(fā)生自然時(shí)效時(shí)間。如果這段時(shí)間在冶金學(xué)上有重要意義的話，就應(yīng)對這段時(shí)間加以控制。數(shù)字110表示處理的具體程序。,T1 從高溫成形過程冷卻和自然時(shí)效至基本穩(wěn)定的狀態(tài) T2 從高溫成形過程冷卻，然后冷加工和自然時(shí)效至基本穩(wěn)定的狀態(tài) T3 固溶處理、冷加工和自然時(shí)效至基本穩(wěn)定的狀態(tài) T4 固溶處理，自然時(shí)效到基本穩(wěn)定的狀態(tài) T5 從高溫成形過程冷卻，然后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài) T6 固溶處理，人工時(shí)效到強(qiáng)度最高的狀態(tài) T7 固溶處理，人

6、工時(shí)效到過時(shí)效狀態(tài)（穩(wěn)定化處理的狀態(tài)） T8 固溶處理后冷加工，然后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài) T9 固溶處理、人工時(shí)效、然后冷加工的狀態(tài) T10從高溫成形工序冷卻，然后冷加工并進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài) TX51通過拉伸消除應(yīng)力的狀態(tài) TX52 通過壓縮消除應(yīng)力的狀態(tài) TX54 通過拉伸和壓縮相結(jié)合的方法消除應(yīng)力的狀態(tài),第二節(jié) 變形鋁合金,簡單地說： 硬鋁 綜合機(jī)械性能好（不耐蝕） 超硬鋁 室溫強(qiáng)度最高 鍛鋁 熱塑性好 防銹鋁 耐蝕性好，易成形，焊接性好（強(qiáng)度低）,一、 硬鋁,1、一般特點(diǎn) 較好的綜合機(jī)械性能 b42060MPa，0.2280300MPa，1517。 耐蝕性低 有晶間腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)力腐蝕（SC

7、C）傾向小。 焊接性不好 主要用于以鉚釘、螺栓、點(diǎn)焊為連接手段的結(jié)構(gòu)中。 可熱處理強(qiáng)化,AlZnMg合金相圖,2、硬鋁的組織,在AlCuMg三元系合金相圖鋁角附近，按Mg含量增加，依次可能出現(xiàn)以下四個(gè)相：,：CuAl2 正方晶格 S：Al2CuMg 斜方晶格 T：Mg32（CuAl）49 立方晶格 (也稱CuMg4Al6) ：Mg2Al3 面心立方,隨Mg含量增加，相減少，S相增加 Cu/Mg 8, 主要是相 Cu/Mg84， 主要是S相 Cu/Mg41.5， 主要是S相， S相中Cu/Mg2.61 相析出序列的GP區(qū)和是圓片狀 S相析出序列的GP區(qū)和S是針狀 強(qiáng)化效果： ST 耐熱性： 隨溫

8、度升高，S相比軟化的慢， S相高溫強(qiáng)化 效果好。,3、硬鋁的合金化,成分范圍： Cu：2.56.0，硬鋁的主要成分 Mg：0.42.8，主要作用生成S相 Mn：0.41.0，消除Fe對抗蝕性的有害影響，抑 制再結(jié)晶產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，超過1 產(chǎn)生（MnFe）Al結(jié)晶相 有時(shí)加：Ti細(xì)化鑄態(tài)晶粒 Be提高氧化膜的致密性，防止Mg的燒損。,典型合金的化學(xué)成分：,LY12（相當(dāng)2024）Al4.3Cu1.5Mg0.6Mn LY11（相當(dāng)2017）Al4.3Cu0.6Mg0.6Mn LY2 Al2.9Cu2.2Mg0.6Mn,4、硬鋁的熱處理,除生產(chǎn)工序中的熱處理外，硬鋁的主要熱處理是淬火時(shí)效 淬火：原則是

9、在防止過燒、晶粒粗化、包鋁層污染的前提下，盡可能采用較高 的加熱溫度，以使強(qiáng)化相充分固溶，但硬鋁的固溶溫度范圍窄，非常容 易過燒。,時(shí)效：,除耐熱硬鋁LY2合金進(jìn)行人工時(shí)效，大多數(shù)硬鋁都是在自然時(shí)效狀態(tài)下應(yīng)用。 硬鋁自然時(shí)效狀態(tài)下的抗蝕性（晶間腐蝕）優(yōu)于人工時(shí)效狀態(tài)。,硬鋁合金易產(chǎn)生晶間腐蝕的原因：,含Cu的固溶體和Cu2Al相的電極電位都較高，當(dāng)Cu2Al在晶界沉淀時(shí)，晶界附近出現(xiàn)含Cu較低的貧化帶，該貧化帶電極電位較低，在腐蝕介質(zhì)中成為陽極，而含Cu較高的晶粒內(nèi)部和析出相（Cu2Al）則為陰極。另外，晶界兩側(cè)的Cu貧化帶很窄（面積小），陽極電流密度高，故遭到強(qiáng)烈腐蝕（即沿晶界腐蝕）。 為了

10、改善硬鋁的抗蝕性，除合金化、熱處理及其它措施（陽極化、涂漆）外，在板材表面包覆一層純度大于99.5的純鋁。純鋁的電極電位低于基體，可起陽極保護(hù)作用。包鋁層厚度一般占板材厚度的4，厚板可減至2。,典型合金的熱處理,LY12：495WQ自然時(shí)效6天 （b450 MPa） 或室溫停3天19010h （b500 MPa） 不同合金自然時(shí)效硬化的能力和速度不同。,5、硬鋁的性能和用途,按強(qiáng)度和用途分為：鉚釘、中強(qiáng)、高強(qiáng)和耐熱硬鋁四大類 鉚釘硬鋁： LY1、 LY4 、LY9 、LY10，以線材供應(yīng)。 LY1（剪切強(qiáng)度196 MPa）和LY10（剪切強(qiáng)度265 MPa） 自然時(shí)效狀態(tài)工藝塑性良好，鉚接時(shí)間

11、不受限制。 LY4（剪切強(qiáng)度286 MPa）和LY9屬于高強(qiáng)鉚釘硬鋁， 在淬火后規(guī)定時(shí)間內(nèi)鉚接，LY4在26h內(nèi)鉚接， LY9在20min內(nèi)鉚接。 中強(qiáng)硬鋁： LY11：塑性好，以板、棒、型材應(yīng)用于各種工業(yè)， 在航空工業(yè)中主要用于模鍛螺旋槳葉。 高強(qiáng)硬鋁： LY12： 強(qiáng)度最高，應(yīng)用最廣，用于制造主要受力件。 板材：飛機(jī)蒙皮、壁板。 型材：飛機(jī)隔框、翼肋、長桁 耐熱硬鋁： LY2： 較好的高溫性能，用于制造在較高溫度（150250） 下工作的構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓氣機(jī)葉片。,二、超硬鋁 （Al-Zn-Mg-Cu系合金）,超硬鋁是在Al-Zn-Mg合金基礎(chǔ)上加Cu發(fā)展起來的，它的強(qiáng)度超過硬鋁，

12、可達(dá)600700MPa，所以稱超硬鋁。第二次世界大戰(zhàn)后，才開始大批生產(chǎn)和應(yīng)用。 調(diào)質(zhì)的45鋼：b780850 MPa 0.2450550 MPa,1、Al-Zn-Mg系中強(qiáng)可焊鋁合金,特點(diǎn)： 高的時(shí)效硬化能力； 中等強(qiáng)度（b300450 MPa）； 優(yōu)良的可焊性； 好的熱變形性和抗應(yīng)力腐蝕性能； 寬的固溶處理溫度范圍； 低的淬火敏感性。,相組成：,工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的Al-Zn-Mg合金成分范圍處于： T和T相區(qū) 當(dāng)Zn含量不變時(shí)， 隨Mg含量增加合金中逐漸出現(xiàn)T相。 T相：Al2Mg3Zn3，立方晶格，a1.4291.471nm。 相：MgZn2， 六方晶格，a0.521nm ，c0.86nm。

13、 Zn/Mg14 ， 主要是T相。 Zn/Mg 4， 出現(xiàn)相。 Zn/Mg67， 完全有相組成。,時(shí)效序列：,無論合金是落在T還是相區(qū)，實(shí)際上時(shí)效析出序列均如下： 球形GP區(qū)T 是部分共格的過渡相，六方晶格， a0.496nm ，c0.868nm。 110以下 主要是GP區(qū) 110140 主要是 160200 主要是 270以上 可出現(xiàn)T相,合金化：,ZnMg的總量約4.57.6（wt），Zn/Mg 一般在23.8， （MgZn2中Zn/Mg5.38） 通常加入的微量元素： Mn 0.20.45，顯著提高SCR，增加淬火敏感性，產(chǎn)生剝落腐蝕。 Cr 0.3， 顯著提高SCR，增加淬火敏感性，產(chǎn)

14、生剝落腐蝕。 Zr 0.150.3 細(xì)化晶粒，提高可焊性。 Ti 0.2， 細(xì)化晶粒，提高可焊性。 Cu 0.25， 顯著提高SCR，降低可焊性。 該合金不采用自然時(shí)效制度，其原因有二： Al-Zn-Mg系合金GP區(qū)長大速度緩慢，自然時(shí)效過程需數(shù)月才能達(dá) 到穩(wěn)定階段。 與人工時(shí)效比較，自然時(shí)效的抗應(yīng)力腐蝕能力差。,2、Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁,四十年代初，人們發(fā)現(xiàn)在Al-Zn-Mg系合金中加入2Cu能改善合金的塑性和抗蝕能力，再加入少量的Cr等微量元素可強(qiáng)烈提高抗應(yīng)力腐蝕性能， 從此發(fā)展了Al-Zn-Mg-Cu合金，即超硬鋁。,超硬鋁的相組成：,在Al-Zn-Mg系合金中加入 Cu，主要

15、強(qiáng)化仍然是析出序列，但還可能出現(xiàn)S相（Al2CuMg）析出序列， 當(dāng)Cu含量大于2時(shí)，還可能出現(xiàn)（CuAl2）析出序列。 通常認(rèn)為在125150時(shí)效：Al-Zn-Mg-Cu系合金是 在Al-Zn-Mg合金時(shí)效序列（GPT）的基礎(chǔ)上， 又出現(xiàn)了Al-Cu-Mg合金的沉淀過程（GPBSSS）,合金化：,Zn和Mg主要強(qiáng)化元素 Cu也起強(qiáng)化作用， 但主要還是提高SCR，極限溶解度2 ZnMgCu一般在9.7513.5 Mn、Cr、Zr、Ti的含量和作用與Al-Zn-Mg合金相似 Fe和Si為雜質(zhì),典型合金LC4,LC4合金：Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.2Cr-0.4Mn （Fe和Si分

16、別小于0.5） 超硬鋁的熱處理： 人工狀態(tài)下使用。 LC4合金： 470WQ 單級時(shí)效（T6）：12024h, 強(qiáng)度高（ b 550MPa ）、SCC敏感 雙級時(shí)效（T74）：1203h1603h， 稍過時(shí)效，強(qiáng)度降低10， SCC不敏感,外的幾國種典型合金發(fā)展方向：提高Zn和Cu、降低Fe和Si、以Zr代替Mn和Cr,超硬鋁的特點(diǎn)和應(yīng)用：,特點(diǎn)：強(qiáng)度最高； 抗蝕性低（有SCC傾向）； 焊接性不好；缺口敏感性強(qiáng)； 耐熱性比硬鋁差。 應(yīng)用：可生產(chǎn)板材、型材及模鍛件應(yīng)用于飛機(jī)結(jié) 構(gòu)，如：翼梁、蒙皮、起落架、大梁。,三、鍛鋁 Al-Mg-Si及Al-Mg-Si-Cu系）,1、Al-Mg-Si合金 特

17、點(diǎn)： 突出的特點(diǎn)是有優(yōu)良的熱塑性，適于生產(chǎn)鍛件。 另外： 中等強(qiáng)度，良好的耐蝕性和可焊性（沒有SCC） 易進(jìn)行陽極氧化著色或上琺瑯（Cu對陽極氧化不利） 第一個(gè)工業(yè)Al-Mg-Si合金是美國1923年的專利 （51S合金，0.6Mg，1Si） 6063合金：0.68Mg，0.4Si， Cu、Cr、Mn、Ti均0.1,Al-Mg-Si合金的組織,強(qiáng)化相是Mg2Si（相） Al-Mg-Si合金的組織 可用AlMg2Si偽二元相圖來研究 在共晶溫度， Mg2Si在Al中的極限溶解度為1.85,時(shí)效序列：,針狀GP區(qū)有序針狀GP區(qū)（六方）（六方） Al-Mg-Si合金（Mg2Si1.2）的Tc溫度很高（190），在150160時(shí)效組織是由針狀GP區(qū)或棒狀相組成，很少出現(xiàn)PFZ，也不在位錯(cuò)形核或沉淀。,Al-Mg-Si合金的成分：,Mg2Si中 MgSi1.73，通常 MgSi 2 合金隨Mg2Si相對量增大，強(qiáng)度升高。 Mg過剩會降低Mg2Si在固溶體中的溶解度 Si過剩無此作用，一般保持Si含量高于Mg 應(yīng)考慮Si容易與Mn和