铝及其合金

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1、非铁金属材料概述,铁及其合金-黑色金属 除钢铁以外所有其它金属材料非铁金属材料 有色金属 种类很多: 轻金属 密度3.5 Cu, Pb, Zn, Sn, Ni 贵金属 Au, Ag, Pt 稀土金属 RE（Y，Sc + La系元素） 稀有金属 Li, Ti, Nb, V, Mo, W, Zr 放射金属 Ra, Th, U,使用量较少；但作用很大; 且极高价值 Al, Mg, Ti及其合金 比重小，航空、航天、航海； Cu, Al, Ag及其合金 导电性好，电力电工、电子、 半导体、超导; Ni, Mo, Nb, Co 耐高温， 火箭、发动机、高 温结构材料; Cu, Ti及其合金 优良的耐蚀性

2、，石油、化工、 航海、军舰; Ra, U, Th 原子能发电与核燃料。,新型工业的发展，生产技术朝着高温、低温、高压、高速、强腐蚀工作条件发展，有色金属材料的发展也很快; 我国有色金属资源丰富，但生产技术与国外有明显的差距; 主要内容 Al 及其合金 Mg 及其合金 Cu 及其合金 Ti 及其合金,第八章 铝及其合金,工业纯铝 铝合金概述 变形铝合金 铸造铝合金,8. 1 工业纯铝,一. 特性 轻，可作为各种轻质结构材料的基本组元； 导电、导热性能好（仅次于Ag, Cu）； 塑性好，可冷热加工； 抗大气腐蚀性好； 强度很低（b 80100MPa）, 冷变形后为150MPa 250MPa，但收缩

3、率明显下降。,二. 分类 其牌号是根据杂质的含量来编制的。 高纯铝 L04L01, Al=99.93%;用于科研化工及其它特殊用途 。 工业高纯铝 L0，L00, Al=99.85% ;用于高纯铝的生产。 工业纯铝 L1L7, Al=98% ; 用于铝合金、电线电缆和日常器皿生产。,三. 用途 制作电线电缆； 具有导热和抗大气腐蚀性而对强度要求不高的一些用品与器皿。,8.2 铝合金概述,一. 铝合金中的合金元素 对铝进行合金化，可大幅度提高其强度; 主要合金元素有Cu、Mg、Si、Zn、Mn、Li； 辅加的微量元素有Ti、V、B、Ni、Cr、Re等，杂质元素有Fe等。 不同的合金元素在铝合金中

4、形成不同的合金相，起着不同的作用。,1铝基固溶体 合金元素与铝均形成有限固溶体，主要合金元素在铝中的极限溶解度见表： 如Mn、Mg、Zn等二元系均不产生沉淀强化相，主要溶于铝基固溶体, 起固溶强化作用。,Al-Mg二元合金相图,Al-Mn二元合金相图,Al-Zn二元合金相图,2. 铝合金中的沉淀强化 沉淀强化相应满足以下的基本条件： 1）硬度高的质点； 2）在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度；能析出较大体积分数的沉淀相： 3）在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相, 并且是弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区 。,例如： Al-Cu 合金中， -CuAl2， Al-Cu-M

5、g合金中， S相（Al2CuMg）； Al-Zn-Mg系合金中，-MgZn2，T-Al2Mg3Zn3； Al-Si-Mg系中，出现 （Mg2Si） Al-Li系中， （AlLi）,Al-Cu二元合金相图,3. 铝合金共晶中的过剩相（强化 ） 共晶中的第二相不溶于铝基固溶体，又称为过剩相，其数量达到一定量时可提高合金的强度和硬度，过高会降低韧性。 4. 铝合金中的微量元素及微合金相 铝合金中添加微量元素Ti、Zr和Re，可形成难熔金属间化合物，在合金结晶过程中起非自发形核核心作用，细化晶粒，产生细晶强化。,二. 铝合金的组织特点与分类,一般相图类型,变形铝合金,铸造铝合金,组织类型 : 单相组织

6、或+第二相组织 根据Al合金的成分与生产工艺特点:分两类 ： 1）变形铝合金 合金元素含量5%，在A点的左边； 2）铸造铝合金 具有共晶组织，合金元素含量在 825%。,Al合金的常用合金系,三. 铝合金的强化 固溶强化 时效强化（沉淀强化） 过剩相强化 细晶强化,四. 铝合金的时效,1时效过程与性能变化 铝合金的强化机理与钢不同，主要是依靠时效过程中时效相的析出（沉淀强化）来进行的。而钢主要是由于钢的同素异型转变来强化。 时效：过饱和固溶体在室温或一定温度下保温，其性能发生变化的过程。 时效强化：过饱和固溶体在室温或一定温度下保温，其硬度或强度升高的现象。,以Al-4Cu合金为例：可分为四阶

7、段： 1）形成溶质原子（Cu）的富集区GPI 与母相（Al为基的固溶体）保持共格关系，引起的严重畸变，使位错运动受阻碍，从而提高强度； 2）GPI区有序化GPII区（） 化学成分接近CuAl2，具有正方晶格，引起更严重的畸变，使位错运动更大阻碍，显著提高强度；,3）溶质原子的继续富集，以及形成 已达到CuAl2，且部分地与母相晶格脱离关系，晶格畸变将减轻，对位错阻碍能力减小，合金趋于软化，强度开始降低。 4）稳定相的形成与长大 与母相完全脱离晶格关系，强度进一步降低。这种现象称为过时效。,图示: 时效时间与硬度的关系,图示: 时效时间与强度的关系,注意： 1）时效并不一定包括这4阶段。如自然时

8、效往往只有第1，2阶段； 2）其原理适用于其它合金系，如S相，T相，相等的时效过程; 3）铝合金的自然时效是可逆的。 “回归效应”：自然时效合金快速加热到230-250度, 短时间保温 2-3 分钟，冷到室温后即变软，重新回到淬火态（过饱和固溶态）。,8.3 变形铝合金,变形铝合金分为两大类 非热处理强化变形铝合金 主要有防锈铝合金 热处理强化变形铝合金 （过饱和）固溶处理和时效处理， 主要有硬铝、锻铝、超硬铝合金。,一. 防锈铝合金,成分：Al + Mn ; Al + Mg (+Mn) Mn，Mg作用：固溶强化; 提高抗蚀性 组织：单相组织 性能：耐蚀性好；塑性好（易加工成形）；焊接性好；

9、可利用冷加工硬化来提高强度 牌号： Al-Mn系 LF21 Al-Mg-（Mn） LF2, 3, 5, 6, 7, 10,11,12等 用途： 在航空工业中应用广泛，宜制造承受焊接的零件、管道、容器以及铆钉。,二. 硬铝,1. 成分： 基本是Al-Cu-Mg合金，有的加入少量Mn Cu, Mg 形成时效强化相 相（CuAl2） S相（Al2CuMg） Mn 固溶强化，并提高抗蚀性。,表 硬铝合金的成分,2. 组织 +相（CuAl2）+ S相（Al2CuMg） 组织因Cu/Mg不同，组成相不同，性能也有差别. 随Cu%提高，%提高，S%降低； Mg%提高，%降低，S%提高 当Mg%2.5%, 出

10、现T相（CuMg4Al6）和Mg2Al3相，时效强化作用小 ； Cu/Mg=8, 强化相以为主； Cu/Mg=4 8，强化相以+S为主； Cu/Mg=1.5 4, 强化相以S为主。,3. 分类 低合金硬铝（铆钉硬铝） LY1，LY3，LY10合金 Mg, Cu%较低，有较高塑性，但强度较低，时效速度慢。 标准硬铝 可淬火（过饱和固溶）时效，强度提高； LY11 生产半成品，叶片，大型铆钉。,高合金硬铝 较多的Cu, Mg%，具有良好的耐热性，强度高，但塑性及承受冷热加工能力差。LY12 可用作航空模锻件（蒙皮、骨架、肋）和重要的销轴。（T150 ）。 耐热硬铝 较多的Mn, Mg，强化相S，外

11、，还有Al19Mg2Mn，可制做250-300 工作的飞机零件。,三. 超硬铝合金,成分：Al-Zn-Mg-Cu系合金，强度最高； 牌号：LC3，LC4，LC5，LC6，LC9 。 强化相：除S，外，还存在强化效果很大的MgZn2相及Al2Mg3Zn3相 性能：强度高（淬火+120时效），但抗蚀性差（包铝），组织稳定性不好，工作温度小于120 用途：可作结构中的主要受力件，如飞机大梁，桁架，加强框等 。,超硬铝合金牌号与成分,四. 锻铝合金,合金系 Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu（普通锻铝合金） Al-Cu-Mg-Ni-Fe （耐热锻铝合金） 牌号：LD2，LD5，LD6，LD10

12、；LD7，LD8，LD9 性能：良好的热塑性，较高的机械性能； 强化相： Mg2Si; S；等； 用途：制作形状复杂的大型锻件铝合金。,8. 4 铸造铝合金,应具有高流动性，较小收缩率,热裂、缩孔和疏松倾向小-良好的铸造性能。 共晶合金或合金中有一定量共晶组织 常用合金系 Al-Si ZL101, 102, 104, Al-Cu ZL201, 202, 203 Al-Mg ZL301, 302 Al-Zn ZL401, 402,铸造铝合金性能,Al-Si系 ZL1xx 最好的铸造性能、中等强度和抗蚀性，应用最广泛。 Al-Cu系 ZL20x 最高的高温和室温性能，适于制造大负荷或耐热铸件，但铸

13、造性能和抗蚀性较差。 Al-Mg系 ZL30x 有最好的抗蚀性和较高的强度，但铸造、耐热性能差，适于抗蚀、耐冲击和表面装饰性高的铸件。 Al-Zn系 ZL40x 铸态下的高强度铝合金，在强度、抗蚀性和铸造性能，均中等。,一. Al-Si及Al-Si-Mg合金,Al-Si系铸造合金用途很广; ZLl02二元铸造合金，具有共晶组织。（Si10-13%）,ZL102的显微组织,未变质,变质处理,共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，过共晶合金中还有少量初生硅，呈块状-塑性较低，不实用，需要细化组织； 一般需要采用变质处理，以改变共晶硅的形态，使硅晶体细化和颗粒化； 常用的变质剂为钠盐； 加入1%-3%(质

14、量分数)的钠盐混合物（2/3NaF + 1/3NaCl）或三元钠盐 （ 25% NaF + 62% NaCl + 13KCl）。,变质机理 1）钠原子在结晶硅的表面有强烈偏聚，降低硅的生长速度并促使其发生分枝或细化; 2）使铝硅合金变为亚共晶组织； 加入变质剂后, 共晶温度由577降为564 , 共晶成分由11.7% Si变为14.0% Si ZL102的强度不算高，但流动性好，可生产形状复杂、薄壁、受力不大的精密铸件。,加钠盐对Al-Si合金凝固过程的影响示意图,ZL102二元合金中加入合金元素，如Cu, Mg, Mn等，在铸态或在热处理过程中形成不同形式的强化相 如Mg2Si, CuAl2

15、 , Al2CuMg, 以提高强度。 常用来制造形状复杂性能要求较高的零件 。如 ZL104 发动机气缸、机匣 ZL108、ZL109 铸造铝合金活塞。 （轻，抗蚀性好，线膨胀系数小，强度硬度较高，耐磨性较好）,二. 铝铜系铸造铝合金,合金中只有少量的共晶体，故铸造性能不好，抗蚀性也较差; Cu太高，韧性不好 主要强化相为CuAl2 具有较高的强度和热稳定性，适于制作大负荷的铸造耐热件 ZL201 ZL202 ZL203,三. 铝镁铸造合金,优点：比重轻，强度和韧性较高，并具有优良的耐蚀性、切削性和抛光性； 缺点：铸造性能较差；耐热性较差。 ZL301，ZL302 ZL301应用广泛，其综合性能最好。 组织：Al固溶体+少量Al8Mg5 制作承受冲击载荷、耐海水腐蚀、外形不太复杂、便于铸造的零件，如舰船和动力机械零件。,四. 铝锌铸造合金,铸态下的高强度铝合金 常用牌号为ZL401, ZL402,加入硅的主要目的是提高铸造性能。,自然时效后具有较高强度； 铸造性能好，切削性能好； 抗蚀性较差（比Al-Si, Al-Mg铸造合金）； 热裂倾向大； 常用于汽车、拖拉机的发动机零件（T200 ）。,主要性能,