1、第 3 章 有色金屬及其合金,概述,金屬材料習慣上可分為有色金屬和黑色金屬（鋼鐵）； 有色金屬及其合金種類很多，但產(chǎn)量小，總產(chǎn)量也遠遠小于鋼鐵的產(chǎn)量； 有色金屬及其合金有特殊的性質(zhì)，成為現(xiàn)代工業(yè)不可替代的材料（Al、Ti、Mg、Cu、Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Mo、W、Zr、Hf等等） 這里，主要介紹Al、 Cu、Ti、Ni、Co 、Mg。,1.1 鋁及鋁合金的主要特征 1.2 鋁的合金化與分類 1.3 鋁及鋁合金簡介 1.4 鋁及鋁合金的熱處理簡介 1.5 鋁及鋁合金牌號與狀態(tài)符號,第一節(jié) 鋁及鋁合金,1.1 鋁及鋁合金的主要特征,鋁及鋁合金是最重要的有色金屬材料之一，產(chǎn)量占有色金

2、屬的一半。,（1）密度小 純鋁密度約為2.7g/cm3, 常見鋁合金的密度處于2.63-2.85g/cm3 , 而Al-4Li, 2.4g/cm3 , Al-12Fe, 3.06/cm3 , 比Cu、Fe及其合金輕得多。 這樣，鋁及鋁合金的比強度（強度/密度的比值）高（LY12的比強度約為17.4，而40Cr的約為12.8 ）， 因此，鋁及鋁合金在航天航空工業(yè)，交通運輸，兵器軍工等領(lǐng)域有著廣泛的用途，對航天器、汽車、高速磁懸浮列車、火箭導彈等的輕量化起著積極的推動作用。 （鎂及鎂合金的沖擊）,（2）導電導熱性好 （電導率60-65%IACS（標準銅的為標準），熱導率2.27w/(mK)） 僅次

3、于Au、Ag（金融）、Cu，遠優(yōu)于Fe、Ti等，在工業(yè)金屬，僅次于Cu，可替代Cu，作電線、電纜或用于其他電器元件 （鎂及鎂合金的沖擊）,（3）加工工藝好 鑄造性好，強度低，塑性好，能通過鑄造或塑性加工制成各種形狀的產(chǎn)品（鑄件、擠壓件、鍛件、軋制產(chǎn)品等）,（4）耐蝕性好 表面可生成致密的Al2O3氧化膜，且耐高溫，可起保護作用，在Cl-或OH-中Al2O3氧化膜會破壞?？勺鞴艿溃ㄌ烊粴?、輸油）、容器、餐具等,1.2 鋁的合金化與分類,純鋁強度低，b=80-100MPa, 0.2=30-50MPa, =35-40%, HB=25-30, 即使是冷變形60-80%, b=150-180MPa,但

4、=1-1.5%，難以滿足需要，需合金化。,（1）提高強度的途徑 加工硬化 細晶強化 固溶強化 彌散強化,因此，從合金化的角度看，可選擇的元素應有如下特點：固溶度大（低溫） ，或高溫極限固溶度大，而低溫的小，或可形成作為結(jié)晶晶核的第二相顆粒或釘扎晶界的穩(wěn)定相顆粒。,主要的,共晶含量少或無，高溫和低溫塑性高，強度高,鑄造性好，流動性好，易填充，不易冷熱裂,（2）常見合金化元素,除Ag，Ge外，其他均是常見合金化元素 Zn、Mg 、Cu 、Li（正開發(fā)）、 Si （鑄鋁） ，有時也包括Mn ， 可作主加元素，起固溶強化、彌散強化作用； 作為起彌散強化作用的強化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、Mg

5、Zn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、（Al3Li）、Al2CuLi等,Zr、V、 Cr、Ti、 B、 Be，有時也包括Mn ，溶解度小，隨溫度變化大，可作輔加元素，起細晶、補充強化、提高再結(jié)晶溫度（以Mn最明顯）、提高耐熱性、產(chǎn)生組織強硬化效應、改善抗蝕性（Be影響表面）等作用； 微量地加Ag、加Sc、加RE等是目前鋁合金微合金化的研究方向； Fe 、 Si通常在鋁合金中為雜質(zhì)，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Si(IM) 中例外。 (相對而言的概念、不應有時，有了且有害，即為雜質(zhì)) 科技發(fā)展打破這個合金設計的框架，Rapid solidification，Mech

6、anical alloying 等，出現(xiàn)了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Ce、Al-Cr-Zr-Mn、Al-Zr-V-Ti等合金。,（3）鋁及鋁合金分類,鋁及鋁合金,純 鋁,鋁合金,高純鋁（Al 99.93%）,工業(yè)純鋁（Al 98.8%）,硬 鋁 Al-Cu-(Mg)系,鍛 鋁 Al-Mg-Si-(Cu)系, Al-Cu-Mg-Fe-Ni系,超硬鋁 Al-Zn-Mg-(Cu)系,Al-Si系,防銹鋁 Al-Mn系, Al-Mg系,變形鋁及鋁合金,鑄造鋁合金,Al-Zn系,Al-Mg系,Al-Cu系,1.3 鋁及鋁合金簡介,（一）純鋁 純鋁具有密度小、導電導熱性好、加工工藝好、耐蝕性好等優(yōu)

7、點，但強度低，故，它多用于電線電纜以及強度要求不高的用具或器皿。（工業(yè)純的、高純的亦用于科研配置合金） 純鋁中的主要雜質(zhì)為Fe、Si（Fe+SiSi ） 、Al8Fe2Si（網(wǎng)狀） 、Al9Fe2Si2（脆、針狀，F(xiàn)eSi，包晶多有利于形核； Fe+Si0.6%時，F(xiàn)eSi，共晶多有利于鑄造)。 純鋁可分為工業(yè)純鋁和高純鋁 工業(yè)純鋁（Al大于99.0%， L1(99.85%), L2, L3, L4, L5, L6(98.8%) ） 高純鋁（Al大于99.93%，L01(99.93%), L02, L03, L04(99.996%) ）,（二）防銹鋁 （Al-Mn）（耐蝕鋁合金）,Al-Mn系

8、屬于防銹鋁，熱處理不可強化合金，是用量最大的鋁合金之一。 合金與成分特點：牌號少，產(chǎn)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，以細晶。 相 組 成：+（Al6Mn） 組織特點：Mn 易偏析，易粗晶 性 能：強度比鋁的大（固溶） ，抗蝕性與純鋁相當（ Al6Mn的電 位與鋁基體相當），可焊性好， 拋光性好（可做工藝品）。 用 途：承力不大且抗蝕性、 可焊性要求高的容器、結(jié)構(gòu)件， 如油管、油箱等； 3004 合 金大量地用于易拉罐。 粗晶現(xiàn)象與防止 原因在于Mn偏析，Mn提高再結(jié)晶溫度 ，導致不同區(qū)域再結(jié)

9、晶先后不同，最終 再結(jié)晶晶粒大小不一，粗者特粗。 防止方法有i、均勻化退火；ii、快速加熱退火；iii、加Fe（0.1%Fe，降低Mn溶解度，減小偏析）、Ti（細晶，防止出現(xiàn)大面積貧Mn區(qū)和富Mn區(qū)）以細晶,（二）防銹鋁 （Al-Mg）,與Al-Mn系同屬于防銹鋁，熱處理不可強化合金 合 金：與Al-Mn系相比，產(chǎn)量少，牌號多 除課本表2-4中所列出的外，還有LF12、LF13、F14、LF33、LF43等，其中最典型的有LF2（AA5052）、LF3（AA5054）、LF6 （AA5083）、LF11（AA5456）等。 成分特點：通常，Mg大于5%，需加Ti、V，以細晶；大于6%，需加Be

10、，以提高氧化膜致密度，或防止Na脆。 相 組 成：+（Al3Mg2或Al8Mg5 ）；另外，還有Mg2Si、Al6(Mn,Fe) 性 能：比鋁輕，抗蝕性、可焊性好，強度高于Al-Mn系，拋光性好（可做工藝品）。 用 途：承力不大的容器、抗蝕可焊的結(jié)構(gòu)件，如油管、油箱和筆帽等；高Mg的可以用作承力件。,問題有三： （1）Al3Mg2的偏聚問題 從相圖來看，可以強化，但Al3Mg2 易于晶界處析出，呈網(wǎng)狀，尤其是Mg大于3.5%（大多數(shù)Al-Mg合金Mg量都大于3.5%），故不可強化。Al3Mg2 晶界處析出，導致晶界腐蝕抗力下降，應力腐蝕能力增大，對于高Mg者尤其如此，需防止。熱處理時增加一道冷

11、變形，Al3Mg2可于位錯、亞晶界處析出，可均勻化。 （2）高Mg者的氧化膜致密度下降問題 表面不再為致密的Al2O3膜，含有MgO， 致密度下降， 需加Be（微量，PPM量級），以提高表面氧化膜的致密性。 （3）Na脆的問題 鋁合金熔煉常采用Na鹽（NaAlF6+NaCl+KCl的混合熔劑），NaAlF6 和NaCl會和Mg反應，產(chǎn)生游離Na，這將導致材料嚴重脆性。防治方法：i、選擇不含Na的熔劑；ii、加0.0002%Be（鈹）或 0.004%Sb （銻）或0.02%Bi（鉍）,（三）硬 鋁,Al-Cu-Mg(-X)系鋁合金，熱處理可強化合金；大多可自然時效，如要高溫使用，可人工時效。 合

12、 金： 牌號多，其中最典型的有LY11（AA2017）、LY12（AA2024）、LY16 （AA2219）等。 成 分 特 點： 除了Cu、Mg外，F(xiàn)e小于0.5-0.7%，Si小于0.5%，還需加0.5-1.0Mn，以中和Fe的不利影響，提高耐蝕性。 相 組 成： +（Al2Cu）和/或S（Al2CuMg ）；在非平衡條件下，還有Al3Mg2、Al20Mn3Cu、Al6(Mn,Fe)等； 和S共存時時效強化效果最好， S相的耐熱性能高于相的。,性能與用途： 強度高、塑性差、耐蝕性差。 LY11以相為主，強度中等（420MPa），不能用于較高的溫度， 主要用于（飛機等的）骨架、緊固件、支柱等

13、； LY12 以S相為主，強度較高（47 0MPa），能用于較高的溫度， 主要用于（飛機等的）骨架、蒙皮等需要耐較高溫度的構(gòu)件。 問 題： i、要求塑性好 提高塑性，需均勻化退火； ii、要求強度高 提高強度，需保留擠壓效應，不能均勻化處理； iii、抗蝕性差，需包鋁 。,（四）超硬鋁,Al-Zn-Mg(-Cu-X)系鋁合金，熱處理可強化合金；一般需人工時效。 分兩類： Al-Zn-Mg系中強可焊鋁合金和Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金。 （1）Al-Zn-Mg系中強可焊鋁合金（s約400MPa，人工時效） 合 金：無國標牌號，美國AA牌號有7004 、7005、7039等。 成 分 特 點

14、：Zn+Mg小于7.0%，另外還需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高韌性和耐蝕性。 相 組 成：+T（Al2Mg3Zn3）+（Mg2Zn ） 性能與問題：通常，隨Zn+Mg含量提高，強度增加，但抗應力腐蝕能力嚴重下降（需加Cu來解決）；焊接性優(yōu)良，淬火性好（易淬上火），空冷、擠壓后空冷即可。 用 途：航空、汽車、建筑的焊接件，例如，7005可以用作高速列車的橫梁和飛機用變斷面擠壓橫梁,（2）Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金（s在500MPa以上，人工（過）時效） 合 金：國標中典型牌號有LC3、LC4、LC9、LC10，其中 LC4和LC9大致相當于美國AA牌號的7075合金。 成 分 特 點

15、：Zn+Mg小于8.9%，另外，加0.5-2.5%Cu，提高塑性、提高抗應力腐蝕能力、還需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高淬透性、細晶、提高再結(jié)晶溫度、提高韌性和耐蝕性。 相 組 成：很復雜， +T（Al2Mg3Zn） +T（Al6CuMg4） +（Mg2Zn ）+ S（Al2CuMg ） + （Al3Mg2或Al8Mg5 ） 性能與問題：隨Zn+Mg含量提高，強度增加，但抗應力腐蝕能力嚴重下降（降Fe、Si）；強度高、塑性差，須均勻化處理；耐蝕性差，須包鋁（Al-1.0%Zn）。 用 途：大型承力結(jié)構(gòu)件，如飛機橫梁等,（五）鍛 鋁,多指Al-Mg-Si (-X)系鋁合金（也有部分是Al-Cu

16、-Mg-Fe-Ni系合金（耐熱）；鍛鋁意味著熱塑性好，適合鍛造。屬于熱處理可強化合金；大多可自然時效，但多人工時效。 合 金： 牌號多，其中最典型的有LD2、 LD3、 LD4、 LD5、 LD6、 LD11、 LD30（AA6061）、LD31（AA6063）等。LD7、 LD8 （AA2618） 、 LD9屬于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金（Al9FeNi，F(xiàn)e/Ni=1，耐熱，這里不做介紹了） 成 分 特 點： 根據(jù)Al-Mg2Si偽二元相圖，以Mg2Si原子配比，制備合金，通常需Si過量（會影響Mg2Si的溶解度） ，除此之外，還加Cu（提高強度、耐蝕性）、Mn（提高淬透性）

17、、Cr、Zr、Ti（細晶、提高再結(jié)晶溫度）。 相 組 成： +（Mg 2Si）； （Mgl2Si）的脫溶序列為：GP有序GP（可以在亞穩(wěn)相的基礎上直接生成穩(wěn)定相，屬直接轉(zhuǎn)變的情況）。,性 能： 熱塑性差好，而且隨著Cu含量增加，強度增加。例如， LD2、 LD5、 LD6、 LD10，Cu含量增加，有W相（Al4CuMg5Si）、 （Al2Cu）、S（Al2CuMg ）產(chǎn)生，強度增加，其中LD10具有良好的硬度、強度、耐磨性，可做鑰匙片。 用 途： 可以用作形狀復雜的鍛件、模鍛件和擠壓型材。 問 題： i、Mg2Si含量增加，淬火敏感性提高，即冷卻速率需要更加大一些 LD306061，Mg2S

18、i 含量1.0-1.4%，冷卻速率要求大，擠壓后需水環(huán)冷卻，甚至需重新水冷淬火； LD316063， Mg2Si 含量0.8-1.1%，冷卻速率要求小，擠壓后直接風冷淬火。 ii、 Mg2Si含量高 1.0% ，存在停放效應的問題 AL-Mg-Si合金淬火后在室溫停放一段時間再人工時效的強化效果低于淬火后立即直接人工時效的強化效果。 原因：與回歸現(xiàn)象有關(guān)，自然時效形成大小不一的GP區(qū)，再加熱人工時效時，則小者消失，大者長大，轉(zhuǎn)化成相，并發(fā)生Ostwald粗化，這樣導致相粗化、大小不一、分布不均，強度下降；而直接人工時效，則相細小均勻，強度較高。 防止：i、加Cu，穩(wěn)定空位，或與Mg、Si、空位

19、形成遷移能力低的復雜原子團，穩(wěn)定GP區(qū)；ii、淬后立即進行一次短時預人工時效，使GP區(qū)長到穩(wěn)定尺寸或轉(zhuǎn)成相。,（六）其它變形鋁合金,（1） Al-Li合金（包括含Li鋁合金） 是目前國內(nèi)外大力開發(fā)研制的新合金，01420、2195、8090等，我國自七五以來一直積極開展這方面的工作（112引進俄羅斯技術(shù)，進展長足）; 加Li的優(yōu)點在于：i、合金密度低；ii、比模度高，每增加1%Li，彈性模量增加6%，iii、高強度、高比強，（Al3Li），尤其是（Al3Li）/Al3Zr復合粒子有強烈的時效強化效應; 過飽和固溶體（Al3Li）（AlLi），其中（Al3Li）過渡相，球形，共格，屬于Ll2型超

20、點陣結(jié)構(gòu)（有序），時效強化效應強; 裂紋擴展速率低，塑性、韌性好，但須防共面滑移（ 顆粒易切割）導致韌性、抗SCC能力下降； 問題在于：i、Li難加，易氧化，并與爐襯反應；ii、鑄錠易出現(xiàn)氣孔、夾雜；iii、Li易偏析；iv、不易回收、再生； 因此，目前除了采用常規(guī)鑄造法來生產(chǎn)外，也采用粉末冶金法（霧化制粉、噴射沉積等）來生產(chǎn)（621所，采用超聲霧化制粉預成型（包套、脫氣、真空熱壓等）擠壓成材）。,附（2）快速凝固高溫鋁合金,快速凝固耐熱鋁合金是上世紀70年代中葉由美國率先倡導研制的，由美國軍方提出，希望將鋁合金穩(wěn)定服役溫度提高到350以上，開發(fā)一種可在150-350（甚至更高的）范圍內(nèi)替代鈦合金使用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以減輕飛行器重量，降低成本，提高性能。 在相當一段時間里，快凝耐熱鋁合金研究目的明確，主要針對航天航空用飛行器的耐熱零部件，如飛機輪轂、火箭殼體、導彈尾翼、航空發(fā)動機葉片等?？傮w上，要求材料具有良好的室溫、高溫強度與塑性，然而，對于飛機、航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)件，要求在315，保留10000小時，室溫、高溫性能幾乎無損失，而火箭、導彈飛行時間短，速度快，表面駐點溫度達225425，對高溫短時