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1、第八章 铝合金 铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀，为航空结构 件之优选材料。铜和铜合金有很好导电和导热性，为电 气和仪表元器件之优选。 金属分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包 括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属 以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对 于黑色金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域 尤其是高科技领域具有极为重要的地位。 例如：铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小 、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶 和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优 良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺 少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温
2、零件 和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业 的铀、镭、铍；用于石油化工领域的钛、铜、镍等。 本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛 、铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能 特点，合金化及热处理以及材料一般用途等。 1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）； 2、密度低（ 2.632.85g/cm3 ），比强度高； 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au 而位居第四位，约为纯铜导电率的60）； 4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性） 。 第一
3、节 铝合金中的合金元素 q 概述 q 工业纯铝 工业纯铝有银白色光泽，密度小（2.72g/cm3），熔点低（660） ，为非磁性材料。 固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好 的塑性和韧性，在0253之间塑性韧性不降低。 物理性能物理性能 工业纯铝强度低，室温下仅为(4550)MPa，故一般不宜用作结构 材料。工业纯铝主要用作配制铝基合金；高纯铝则主要用于科学试验， 化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还可用于制作电线、铝箱、屏蔽壳 体、反射器、包覆材料及化工容器等。 应应 用用 分分 类类 纯铝按其纯度分为高纯、工业高纯和工业纯，纯度依次降低。 为改善铝的机械性能，研究发现向
4、铝中加入适量的某 些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其 机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。 铝的合金化和强化方式铝的合金化和强化方式 q 铝合金的分类及强化 目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、 Mn、Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此得 到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许多 Al合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni、B、Zr、 Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金的综合性能。 无论加入哪种合金元素，各类Al合金的相图一般都具 有如下图的形式，相图靠Al端都具有共晶相图特点。 以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度D为界线将
5、 各种Al合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金变形铝合金 是指成分小于D点的合金可以得到单相固溶体组织， 塑性变形能力好，适合于冷热加工。 变形铝合金又可分为热处理强化和不可热处理强化铝 合金两种：成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而 变化，故不能用热处理强化； 反之则可以通过时效处理而 沉淀强化。 铸造铝合金：铸造铝合金： 是指成分比D点高的合金属铸造铝合金。这类合金有良 好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高， 可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至 薄壁的零件或毛坯。 铝合金的强化方式铝合金的强化方式 1 1、固溶强化：、固溶强化： 铝合金中常加入
6、的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn， Si，Li等都与Al形成有限固溶体，有较大的固溶度（见表10 -1），具有较好的固溶强化效果。 相图分析： 单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另 一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶（淬火）处理+ 时效热处理。 2 2、时效（沉淀）强化：、时效（沉淀）强化： 铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件： 沉淀强化相是硬度高的质点； 加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且 其随温度降低而显著减小； 淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出 均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中 能形成强烈的应变场。 1 1）定义：）定义： 当合金元素加入
7、量超过其极限溶解度时，合 金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体，这部分 第二相称作过剩相。 3 3、过剩相强化：、过剩相强化： 2 2）过剩相对合金性能的影响过剩相对合金性能的影响 ： ： 过剩相一般为强硬脆的 金属间化合物，当其数量一定且分布均匀，对铝合金有较 好的强化作用，但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会 脆化合金，其强度也会下降。 3 3）变质处理变质处理 ：以铝硅合金为例（如图所示），共晶组织中 的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低， 若使共晶硅细化成颗 粒，可以显著改善组 织的塑性。通常采用 变质处理，加入钠盐 变质剂，使共晶合金 变成固溶体和细小的 共晶组成的
8、亚共晶组 织，共晶中硅呈细粒 状。 通过向合金中加入微量合金元素，或改变加工工艺及 热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高 合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。 4 4、细晶强化：、细晶强化： 如：变形铝合金的形 变再结晶退火，铸造铝合 金通过改变铸造工艺（如 变质处理）及加入微量元 素（如0.10.3%Ti）的方 法（分析铝钛相图）都可 以达到细化组织的目的。 对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合 金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。 5 5、形变强化：、形变强化： 沉淀强化相的脱溶过程 1 1、概述：、概述： 1 1）定义：）定义： 淬火是指将合金通过加
9、热到固溶体溶解度曲 线以上温度保温，然后以大于临界冷却速度急速冷却，从 而得到过饱和固溶体的热处理方法。 时效是指将淬火状 态的合金在一定温度下保持适当时间，使淬火得到的过饱 和固溶体发生分解，从而大大提高合金的强度。 2 2）淬火及时效的作用：）淬火及时效的作用： 铝合金重要的综合热处理方式，提高铝合金强度的重 要手段。 对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不 同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：， 或；，或；，或；，或基本无 变化。 3 3）淬火后合金性能的变化）淬火后合金性能的变化 通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高， 其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬
10、火后强度 和塑性通常都有所提高。 合 金 b（MN/m2）（） 退火态 或铸态 淬火态退火态 或铸态 淬火态 LY12 200（退火 ） 30025（退火）23 ZL301 150（铸态 ） 3001（铸态）12 ZL101 160（铸态 ） 2002（铸态）6 表81 淬火前后不同合金的机械性能 固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡 的其他相）强化之间的差异造成的。 （注：淬火加热时，第二相会出现溶解） 4 4）淬火后性能出现差异的原因：淬火后性能出现差异的原因： 若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效果 ，则淬火后合金的强度； 若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效
11、果，则淬火后合金的强度。 大多数铝合金，淬火后强度有所提高，但幅度不大；要 想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。 5 5）淬火后进行时效处理的必要性：淬火后进行时效处理的必要性： 在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。 6 6）淬火及时效处理的优越性：淬火及时效处理的优越性： 2 2、脱溶过程中系统自由能的变化：、脱溶过程中系统自由能的变化： 1 1）定义：）定义： 脱溶（或沉淀）是指：从过饱和固溶体中析 出一个成分不同的新相或溶质原子富集的亚稳区过渡相的 过程，属于固态相变的范畴。 2 2）脱溶时的能量变化：脱溶时的能量变化： 若脱溶过程能够进行，则必有G0（其中G表示
12、新相和母相的自由能差）。 G GV VG G V V S S V VG G e e 式中：式中：V V为新相体积；为新相体积；S S为新、旧相的界面积；为新、旧相的界面积；GG V V 和和GG e e 分别分别 表示形成单位体积新相时自由能和应变能；表示形成单位体积新相时自由能和应变能； 表示新、旧相界单位面表示新、旧相界单位面 积的界面能。（液态形核只有前两项）积的界面能。（液态形核只有前两项） 脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界 面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不 但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。 表82 界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关
13、系 界面状态界面状态 新旧相晶新旧相晶 体结构，体结构， 点阵常数点阵常数 界面界面 能能 应变应变 能能 新相形状新相形状 （弹性应变（弹性应变 ）共格共格 接近接近低低高高薄片状或盘状薄片状或盘状 半共格半共格较接近较接近中中中中针状等针状等 非共格非共格差异大差异大高高低低球状或等轴状球状或等轴状 注：1）共格界面不可能完全共格，只有在产生高的弹 性应变的前提下，才形成共格界面。 2）非共格界面两侧原 子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。 凡是有固溶度变化的相图，从单相区进行两相区时都会 发生脱溶沉淀。 3 3、脱溶的一般序列：、脱溶的一般序列： 现以AlCu合金为例说明脱溶转
14、变的过程：从AlCu 合金相图可知，该合金室温组织由固溶体和相（CuAl2 ）构成，加热到550保温，使溶入，得单相固溶体， 如果淬火快冷，便得到过饱和固溶体，然后再加热到 130保温进行时效处理，随时间的延长，将发生下列析 出过程（析出序列）： GP区 / / 其中GP区、/、/为亚稳定相。 G.P区的发现： 1938年，A.Guinier和G.D.Prestor用X射线 结构分析方法各自独立发现，AlCu合金单晶体自然时效 时在基体的100面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜的碟 状薄片（约含铜90），其厚度为0.30.6nm，直径为0.4 0.8nm。 1 1）G.PG.P区：区： 为纪念这
15、两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名 为G.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.P区。 G.P区的形状与尺寸 ： 在电子显微镜下观察呈圆盘状，直 径约为8nm，厚度约为0.30.6nm。 G.P区形成的原因：G.P区的形核是均匀分布的，其形核率 与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保 留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。凡凡 是能增加空位浓度的因素均能促进是能增加空位浓度的因素均能促进G.PG.P区的形成区的形成。例如： 固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空 位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。 G.P区的晶体结构与界面：Wcu为0.90时，是溶质原子富集 区，它在母相的100晶面上形成，点阵与基体相相同（ fcc）并与相完全共格。 过渡相的形状与尺寸： Al-Cu合金中有和两种过渡 相。呈圆片状或碟形，直径为30nm，厚度为2nm。而 是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片状 或碟形，尺寸为100nm数量级。 2 2）过渡相过渡相 ： ： 过渡相的晶体结构与界面： 过渡相往往与基体共格或部 分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体 之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变 能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及 空位团等处不
