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1、第四章 2XXX（Al-Cu-Mg）合金（硬铝）,一、组织,2XXX系合金是最古老、最重要的合金系，可热处理强化，特点是强度高、耐热，但焊接和耐腐蚀性差，其组织可用Al-Cu-Mg三元相图讨论。,除和（ Mg2Al3 ）相外，还出现两个三元相S（ MgCuAl2）和T（ Mg32（CuAl）49 ），S相是斜方晶系，Cu、Mg含量比为2.61；T相是立方晶格。,Cu、Mg含量比不同，相组成物也不同。Cu含量越多，相越多，S相越少；Mg含量越多，相越少，S相越多，当Cu/Mg 2.61时（45Cu，1.52.0Mg），合金的强化相几乎全是S相。Mg量再高，即出现T和相，硬化效应小，因此Mg量一般
2、不超过2。,在这些相中，S相强化效应最大，相次之，和T相较弱，故2XXX系合金的主要强化相是 S和相。,4.5Cu截面,工业用2系的 Cu/Mg8时，强化相主要是； Cu/Mg8 4时，主要是S； Cu/Mg4 1.5时，主要是S相； 相在时效过程中的结构变化已讨论，当Cu/Mg2时，S相的沉淀过程为：,GP区,（ MgCuAl2）,GP区是 Cu、Mg原子偏聚区，为针状（也有人认为是球状）； 是有序化的GP区，与母相共格，圆柱状； 是斜方晶格，与母相部分共格； 当 相长大到与母相失去共格关系时，即被平衡相S所取代。,二、合金化,Cu是主成分， 有一定的固溶强化作用，相有明显的时效强化效果，由
3、图可看出，Cu含量为4.0 4.8时强化效果最大（大部分2系合金的含Cu量处于这个范围）。 Cu提高强度，降低塑性。,为获得高强度： Mg含量2； 研究表明：位于极限溶解度附近的固溶体合金具有最大的时效效果，固溶时有过剩的Cu、Mg时，时效效果下降。,Mg的主要作用是生成S相，进一步提高合金的强度，但延伸率下降较大；此外，Mg能改善相、固溶体和晶界间的电极电位关系，因此能改善合金的耐蚀性。,自然时效态屈服强度的变化,Mn也是2系合金的主要成分，所以有时用Al-Cu-Mg-Mn系代表2系合金，其主要作用是消除Fe对抗蚀性的有害影响，同时提高强度尤其是高温强度，但其加入量应1，否则形成粗大的脆性化
4、合物（MnFe）Al6，降低合金的压力加工性能。,Mn对Al-4Cu-0.5Mg力学性能影响,微量Be能提高氧化膜的致密性，防止Mg在熔炼时的烧损； Ti能细化晶粒，显著降低热裂倾向，在可焊合金及焊丝合金中广泛应用； Zr与Ti一样也是有效的晶粒细化剂，故能减轻铸造和焊接裂纹，提高铸锭和焊缝的塑性，此外还有与Mn相似的作用，即提高合金的再结晶温度； Si增加合金的铸造和焊接裂纹倾向，降低合金的塑性，但当Mg0.5时有好影响，表现在提高合金的人工时效速度和强度，但不影响自然时效能力（Mg2Si）； Fe能与Cu、Mn、Si等形成不溶解的脆性相，降低合金的塑性和韧性，损害时效能力； 近年来开发出了
5、高纯硬铝（2124、2048），合金的断裂韧性明显提高。,三、微量元素和杂质对组织性能的影响,常用2系合金的成分,超纯Al合金与工业Al合金断裂韧性比较,2024主要夹杂相是含Fe相和淬火残留相S和，对塑性和韧性不利；2124含Fe相减少，但仍有相当的淬火残留相；2048进一步减少了脆性相数量。,四、2系合金的耐蚀性,2系合金的耐蚀性差，且Cu量越高耐蚀性越差，耐蚀性差的原因是：含Cu的固溶体及晶界上第二相的电极电位比晶界高，易引起局部腐蚀，因此耐蚀性差，不能满足使用要求（尤其在海洋或潮湿大气中），需进行人工保护。 主要方法： 1、包Al，即用热轧法将纯Al板包覆在板材表面上，因纯Al的电极电
6、位低，在大气中起阳极作用，且能形成保护膜，故产品能得到电化学和机械保护（包Al层厚应大于 板厚的4，对高强度Al合金厚板，为减少强度损失，可减少到2）； 2、型材、管材等不能包Al产品，可进行阳极氧化或涂漆等保护措施。,五 应用,2 系合金按用途和强度可分铆钉、中强、高强和耐热硬Al四类，主要应用于航空工业，除耐热硬Al（2A02）进行人工时效外，其余均在自然时效状态下使用。 铆钉硬Al（2A01、2A10）又称低合金化硬Al，特点是Cu、Mg含量低且限制了杂质含量，有较高的塑性； 2A11也称标准硬Al（与Wilm在1906年发现时效现象是使用的成分基本相同，故得名），有中等强度，塑性较好，
7、多以板、棒、型材应用，在航空工业主要用于模锻螺旋浆片； 2A12属高强度硬Al，以S为主要强化相，多以包Al板材状态使用，是航空工业中应用最广的合金，制造飞机蒙皮；,2A02的Mg、Mn含量高，位于S相区，多余的Mg能形成耐热相Al10Mg2Mn，故有高的耐热性，多以模锻制造在250 300工作的零件。为保证高温性能的稳定性，多以人工时效（ 165 17516h ）状态使用； 2036合金的Cu、Mg含量低，综合性能好，主要用于制造汽车车身（汽车车身板既要求一定的强度，又要有良好的冲压性能、焊接性能、抗蚀性，以及冲压后无吕德线（Luder Lines）， 在涂漆后的烘烤期间能发生完全的沉淀硬化
8、）。,六 耐热合金,随着超音速喷气客机的发展，需求能在120 以上长期工作的飞机蒙皮材料，早期的Al合金已不能满足这一要求，因此开发了耐热Al合金。,1、Al-Cu-MgFe-Ni系,与前述合金不同的是： 以Fe、Ni、Si代替Mn作合金元素。,（2A70含0.020.1Ti）,1）组织 除S相外，加入的Fe和Ni主要与Al形成FeNiAl9化合物；若Fe和Ni的含量比不为1:1，则存在过剩的Fe或过剩的Ni，此时可相应地形成AlCuNi（或 Cu3Al6Ni ）化合物（过剩Ni）或AlCuFe（或Cu3Al6Fe）化合物（Fe过剩） ； Si与Mg形成Mg2Si相。 2A90应用最早，是在2
9、A11的基础上发展起来的，加入Fe、Ni、Si除形成Mg2Si外，Fe和Ni形成FeNiAl9化合物，多余的Ni与Cu形成AlCuNi化合物。这些化合物在固溶体中不溶解，故无时效硬化作用，但在高温能起弥散硬化作用，有利于耐热性提高（主要是前者）。该合金的特点是含Ni量高，导热性好，热膨胀系数小，适于生产内燃机活塞，缺点是脆性相多，塑性差。,2A70和2A80合金降低了Cu、Ni含量，提高了Mg、Fe含量，合金化的特点是：Ni、Fe含量恰好形成FeNiAl9，既无多余的Ni形成AlCuNi化合物，也无多余的Fe形成AlCuFe化合物，减少了合金中脆性化合物的数量。此外，没有多余的Ni、Fe消耗C
10、u，有更多的Cu溶入固溶体，同时由于增加了形成S相的Mg，合金的耐热性进一步提高。二者的力学性能接近，差别是前者的工艺性能好（目前2A70用量最大）。 合金中加Ti主要是为了细化晶粒，提高塑性，耐热性主要靠S相的时效硬化和FeNiAl9相的弥散硬化。 两种合金没有自然时效能力，只能人工时效。 主要用于生产鼓风机和压气机涡轮叶片以及发动机活塞等。,2）性能变化规律 单独添加Fe或Ni时，由于形成不溶解的AlCuFe相或AlCuNi相，降低了固溶体中的Cu含量，因此合金的时效效果下降（淬火和时效态的性能急剧下降）； 同时添加Fe或Ni时，由于Fe、Ni优先形成FeNiAl9，减小了形成AlCuFe
11、相和AlCuNi相的机会，因此提高了Cu在固溶体中的浓度（尤其当Fe:Ni1:1时），使合金的强度急剧升高； 加入0.4以下的Si可提高合金的强度，改善耐热性，但当Si量较多时，由于Mg2Si量增多，而S相数量减少，合金的耐热性降低。,175 时的持久强度（应力为260MPa） 1最大值 2最小值,时效,淬火,Si对持久强度的影响 1200 、 180MPa 2270 、80 MPa,2、Al-Cu-Mn系,该系合金含较高的Cu，不含Mg或少量Mg，特点是： 合金的Cu量超过极限溶解度（5.7），过剩的相弥散质点提高耐热性。此外，合金的共晶量较多，因此流动性好，可焊性好；塑性和工艺性能好，室温
12、强度比2A70低，但在250 300间高温强度比后者高。,（Fe、Si含量0.3）,1） 组织,合金中除相和MnAl6外，还出现一三元相T（ CuMn2 Al12 ）,合金的相组成物是T，只有当Cu量很低时才出现MnAl6。,2）合金元素和杂质对组织性能的影响 Cu在接近极限溶解度5 6时，合金具有最高的强度。,力学性能 300 持久强度（ 40MPa）,最大值,最小值,当Cu在最佳含量6时，Mn对室温性能影响不大，但当含量为0.4 0.8时可显著提高300 时的持久强度。,力学性能 300 持久强度（70MPa）,Mn,%,1-退火,2-自然时效,3-淬火,4-200 人工时效,1-0.7M
13、n 2-0.9Mn 3 -0.4Mn 4-1.3Mn 5 -0.2Mn,原因： 1）Mn在Al中扩散系数低，降低主要组元Cu（2个数量级）的扩散系数，因此能大大减缓固溶体的分解速度，提高合金的耐热性； 2）Mn在铸造时易偏析（在枝晶外围部分强烈过饱和），靠近晶界的这种富Mn区使相不易沿晶界析出和集聚，因而促使相在基体中均匀分解，提高合金的耐热性； 3）形成的T相在均匀化和固溶处理时以弥散质点形式析出，该相在时效过程中形核和长大缓慢且在高温时具有高的硬度，因此在高温长时间加热过程中组织稳定，对耐热性有利（该相仅极弥散析出时才能提高耐热性）。,过渡族元素Ti、Zr、V等同Mn一样，也能提高再结晶温
14、度、增加固溶体的稳定性、降低Cu原子的扩散系数，对合金耐热性同样有利，其中Zr最明显。 2219、2021在稍微降低Cu 、Mn含量的条件下，同时加入上三种微量元素，充分发挥微量元素的作用，不仅有较高的室温性能和良好抗蠕变性能，还有优秀的可焊性。 Mg提高合金的强度，但使焊接性能急剧下降，在可焊合金中应严格限制； Fe、Si是耐热性有害的杂质，Si降低再结晶温度，加速固溶体的分解，Fe形成不溶解的（FeMn）Al6，降低Mn对耐热性的影响，因此含量0.3。 该系合金多在人工时效状态下使用。 合金的缺点是Cu含量高，耐蚀性差，用于焊接结构，焊缝需阳极氧化或涂漆。,3、Al-Cu-Li系,该系合金是新发展的合金，Cu、Mn保持不变，以Li代替Mg，加入的Li形成与S相近似的LiCuAl2化合物，起强化和耐热作用。但Li的作用必须有Cd存在才能发挥出来。 合金的主要特点是室温强度高、耐热，密度小，是生产飞机蒙皮的良好材料，但生产工艺复杂且Cd有毒，因此应用上受限制。,
