金属材料学第9章铝合金

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1、2019/4/21,9.1 概述,Al及其合金在工业生产中的应用量仅次于钢铁，居有色金属首位。 Al及其合金的特点: 密度小，比强度和比刚度高，导热导电性优良，耐腐蚀。 应用： 应用于宇航，飞机制造业，民用中主要用于建筑，运输，电力等行业,第9章 铝合金aluminium,我国和世界铝年产量,2019/4/21,现代飞机有70是铝和铝合金制造的，所以人们称铝是“会飞”的金属。,铝 -“会飞”的金属,我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的外壳就是用铝合金制成的。导弹的用铝量占总质量的1050。美国的阿波罗号宇宙飞船使用的金属材料中，铝和铝合金占75。,美F-117隐身战斗机 (所用材料大部分是铝

2、合金),2019/4/21,纯Al老牌号：工业纯Al的牌号以“L”加一顺序号数字表示（括号内为新牌号GB/164741996） 工业铝L1（1070A）、L2（1060）、L3 （1050A）、L4（1035）L6数字越大纯度越低 高纯铝LG5(1A99)、LG4(1A97)、LG3（1A93）、LG2（1A90）、LG1（1A85） 数字越大纯度越高。 国际牌号：1350，“1”-纯铝，第二位表示对杂质范围的控制要求，“3”表示有三种杂质应受到控制，即（V+Ti)0.02%， B0.05%，Ga0.03%； “50”表示小数点后两位。,2019/4/21,1.Al的合金化及强化 Al的强度硬

3、度都很低，难以作结构材料，必须添加合金元素，并通过冷变形或热处理来强化 Al无同素异构转变，不能象钢一样通过热处理相变强化 合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀强化，过剩相强化和细化组织强化,2019/4/21,2合金元素的作用,Cu 固溶强化，沉淀强化，提高铝合金的耐热性 Mg 固溶强化，降低密度，提高耐蚀性，不能单独加入，必须配合其他合金元素加入 Mn 提高耐蚀性 Si 过剩相强化，铸造合金。 Zn 固溶强化，沉淀强化，提高耐蚀性,2019/4/21,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金（以B点为界）两大类。 变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化（以D点为界）两类。,9.1.1.

4、铝合金的分类,图9.1,2019/4/21,根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。 1983年国际标准化组织将美国国家标准纳入ISO国际标准中。 在国家标准（GB/T164741996）中，变形铝用四位数字牌号： 第一位表示合金系列，按合金中主要元素分类。 第二位字母表示原始合金的改型情况， “A” 表示原始合金；“B”“Y”表示原始合金的改型合金。 最后两位表示不同牌号的铝合金。,2019/4/21,形变铝合金的牌号,2019/4/21,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序

5、号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号,2019/4/21,Al-Mn系： 3A21 3A02（ 代号LF21， LF2 Al-Mg：: 5A02, 5A03,5A12 代号LF2, LF3, LF12,非热处理型铝合金,（防锈铝合金）,2019/4/21,热处理型铝合金,Al-Cu系： 2A01,2A06, 2A12 （硬铝合金）：代号 LY1, LY6, LY12 Al-Zn-Mg-Cu系：7A03, 7A09 （超硬铝合金）： 代号LC3, LC9 Al-Mg-Si-Cu系：6063，2A50, 2A14; (锻铝合金）： 代号 LD31 , LD5, LD10,2019

6、/4/21,9.1.2铝合金热处理强化特点 特点：淬火加热时不发生同素异构转变。 热处理强化包括固溶处理与时效处理。,固溶 处理,+ss 固溶度,强度/硬度变化小 塑性明显,时效 处理,第二相从固 溶体中析出,力学性能等发生 显著变化,时效形式：人工时效，自然时效 一般“回火”用于晶型转变的淬火合金， “时效”用于非晶型转变的淬火合金。,2019/4/21,一、固溶处理 将合金加热到固溶线以上，并保温，快冷。得到过饱和不稳定的固溶体组织，为后续的时效处理作准备。 铝合金固溶处理后，获得了溶质原子和空位双重过饱和的固溶体，塑性和耐蚀性提高。,加热固溶,淬火过饱和,2019/4/21,二、时效处理

7、,时效：指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度下，随时间增长而分解，导致合金强度和硬度升高的现象。 时效实质是沉淀强化相从过饱和固溶体中析出和长大。 自然时效：在室温下自发强化的过程。 人工时效：在某一人工加热温度下进行的时效过程。共格或半共格亚稳过渡相（或）强化效果最佳，数量越多，弥散度越大，强化效果越佳。,2019/4/21,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的

8、时效过程： Al-Cu合金淬火+时效过程组织形成示意图,2019/4/21,图9.2 Al-Cu 合金各相析出温度和时间,2019/4/21,Al-Cu合金淬火过饱和固溶体形成第二相原子富集区（GP区）原子富集区有序化（ ）形成过渡相析出平衡相(CuAl2）。,G.P.区 过渡相 过渡相 平衡相,2019/4/21,(1) 形成铜原子富集区,铜富集区 称G.P.区,晶体结构与基体同， 但产生了共格应变区。,强度、硬度。G.P.呈盘状，仅几个原 子层厚，室温下直径约5nm，超过200 就不再出现G.P.区。,2019/4/21,G.P.区急剧长大， G.P.区铜原子有序 化，形成“相。,“相与基

9、体仍然 保持完全共格，具 有正方点阵。,点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它 比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化 作用更大。,(2) 铜原子富集区有序化,2019/4/21,(3)形成过渡相,“相转变 成过渡相,是正方点阵， 成分接近CuAl2,完全共格 局部共格,强度、硬度开始降 低，合金此时处于 过时效阶段。,2019/4/21,过渡相 完全脱溶,形成稳定相CuAl2， ()与基体非共格,合金的强度、硬度进一步下降,合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相 以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化 效果也不一样,(4) 形成稳定的,2019/4/21,表9.1 常用铝

10、合金系的时效过程及其析出的稳定相19,2019/4/21,峰时效：合金获得很好的强化效果，时效组织中的强化相多为亚稳平衡相。 欠时效：过饱和溶质原子偏聚或亚稳相孕育析出。 过时效：亚稳相平衡相，与基体脱离平衡关系。,图9.4 130时效时铝铜合金的硬度与时间关系,图9.3时效温度与硬度关系曲线,2019/4/21,影响时效强化的主要因素,固溶 处理,规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越 短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大。,要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t 长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止 淬火变形开裂，一般采用2080水冷却。,时效 工艺,温度：对一定合金，有最

11、佳时效温度； 时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间； 方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效。,2019/4/21,思考题： 直接析出稳定相在热力学上是有利的，但为什么不是直接析出稳定相?,2019/4/21,Mn，Mg是防锈铝主要添加元素 镁提高电极电位， MnAl6与基体电极电位相近，耐蚀性高。,卫星天线（LF2）,用“3A” 或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。 不能进行热处理强化。适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其它冷变形零件。,9.2.1防锈铝,9.2形变铝合金wrought aluminium alloy,2019/4/21,9.2.2

12、硬铝,主要是Al-Cu-Mg系合金，2A + 顺序号表示 可进行时效强化，也可进行变形强化。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,分类,低强度硬铝，如2A01、2A10 等合金； 中强度硬铝，如2A11等合金； 高强度硬铝，如2A12等合金, 2A12是使用最广的高强度硬铝合金,2019/4/21,分类,时效处理后具有高硬度、强度， 优良的加工性和耐热性，但塑性、 韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低， 强度较低而塑性高；反之，强度高 而塑性低。,强化相,（CuAl2）、金属间化合物S （CuMgAl2）是强化相，S相最高。,2019/4/21,要严格控制淬火温度。 如： 牌号 正常淬火

13、温度 过烧温度 2A02 495505 510515 2A10 510520 540 2A12 495500 507 转移时间尽量短 30，航空件 15； 冷速要快，热水淬； 常用自然时效。,热 处 理 特 性,应用,飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等,2019/4/21,图9.5 铝铜镁三元合金垂直截面,2019/4/21,成分 性能,Al-Zn-Cu-Mg系。7A + 顺序号表示 室温强度最高，500700MPa，缺点 是耐蚀性差，疲劳强度低，120的 温度下使用。 强化相:MgZn2 Al2Mg3Zn3,特点 应用,T淬范围较宽，一般为450480， 人工分级时效：先在120时效3小时，

14、 第二次在160时效3小时，形成G.P.区 和少量的相，达到最大强化状态。 应用：飞机工业中重要的结构材料。,9.2.3超硬铝合金,2019/4/21,主要超硬铝合金LC4的强化相如下： (MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3) 、S，这些相在Al中有很高的溶解度并随温度的下降而显著减小，固溶体过饱和度大，故有强烈的时效强化效果。 缺点是应力腐蚀敏感沿晶界连续分布性大，其原因为：阳极区无沉淀带，导致应力腐蚀断裂。 人工时效后，沿晶界析出较粗大(MgZn2)相，产生腐蚀坑，裂纹源。,2019/4/21,成分 性能,Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加顺序 号表示。常用的合金有6A02、2

15、A14等 具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝 相近，但热塑性及耐蚀性较高。,特点 应用,主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然 时效倾向，淬火后应立即人工时效。 主要用做航空仪表中形状复杂、强度要 求高的锻件。,9.2.4锻铝,2019/4/21,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 耐热相为FeNiAl9相，它无时效强化作用，但在高温起弥散强化作用。 常用牌号有 2A70(LD7)、2A80(LD8)、 2A90 (LD9)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、鼓风机叶片等散热零件。,2A70锻造铝合金 处理：固溶处理加人工时效 浸蚀：2%氢氟酸+1%盐酸 显微组

16、织：晶粒+强化相粒子 放大倍数：500X,2019/4/21,9.3铸造铝合金Casting aluminum alloy（GB/T11731995 ）,优点 良好的铸造性能，抗腐蚀性能和切削加工性能，可制成各种形状的复杂零件，还可通过热处理改善铸件的力学性能，熔炼工艺简单，成本低。 缺点 力学性能水平不如锻铝合金。,铸造铝合金轮毂,2019/4/21,铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性等良好的铸造性。共晶合金应最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。 铸造铝合金的老牌号用ZL + 三位数字表示。 第一位数字是合金系别： 1是Al-Si、Al-Si-Mg系合金；2是 Al-Cu系合金；3是