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1、第二章 铝及其合金,第一节 工业纯铝、合金化及铝合金的分类、 牌号和状态符号 一、工业纯铝 1、物性 熔点 660.24;密度2.7103kg/m3; 弹性模量(E)72000MPa 面心立方晶格 a=0.4049nm;原子直径0.286 nm 相对电导率 62IACS (International Annealed Copper Standard) 电阻率 2.6610-8m (欧姆米) (99.9%Al); 顺磁性(磁化率215);,2、力性,纯铝进行6080冷变形,b 虽然能达到150180MPa, 但已降低到11.5%,变脆,3、化学性能,铝的化学活泼性极高,标准电极电位(1.67伏)
2、。 铝在空气中表面生成510nm厚的Al2O3保护膜,在大气中耐蚀。 在浓硝酸中有极高的稳定性,与有机酸及食品几乎不反应。 在硫酸、盐酸、碱、盐中不稳定。,4、特点,质量轻 优秀的导电、传热和塑性变形性能 在大气中有良好的耐蚀性 强度低不适于作结构材料,二、铝的合金化,合金化原理主要固溶强化和时效强化 固溶强化:元素溶解度大,与Al原子直径差大,例如Mg 和Mn 时效强化:所加元素或形成的中间相,高温时在Al中有较 大的溶解度,随温度降低溶解度急剧变小。 常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li。,各种元素在铝中的极限溶解度,铝合金中常见元素的原子直径(原子间最紧密距离),铝合金常加入的元素
3、为Zn、Mg、Cu、Si、Li。,在合金中可能形成: CuAl2 S Al2CuMg MgZn2 T Al2Mg3Zn3 Mg2Si AlLi Mg2Al3 铝中的主要杂质:Fe、Si 为了改善合金的塑性和抗蚀性,合金中常加入Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等微量元素。,三、分类、牌号和状态符号,(1) 我国铝及其合金过去的分类和牌号: 采用汉语拼音加阿拉伯数字表示 纯铝:LG工业高纯铝;L工业纯铝 变形铝合金分类及牌号: (L)(类)(序号)(状态),纯铝,国产变形铝合金分五大类,常见只有四大类,(2)美国变形铝合金牌号及状态,牌号: 用四位阿拉伯数字表示 第一位数表示合金系(即加入最多的那种元
4、素) 第二位数表示原始合金或改进合金,0为原始合金, 改进 合金依次为1、2、3等 最后两位数表示具体合金牌号,对于纯铝表示小数点后两位 铝含量(114599.45Al, 120099.00Al),目前我国变形铝合金牌号,表示方法基本与美国相同,不同之处在于第二位不用阿拉伯数字,而是用英文字母: 例如:7A04、7B04,状态:,F加工态(热轧、挤压),不控制应变硬化量 O退火再结晶状态,强度最低、塑性最高 W固溶处理正在自然时效过程(不稳定) H冷作硬化状态 T热处理状态,应变硬化状态:,H1应变硬化。 H2应变硬化加不完全退火。 H3应变硬化稳定处理。 H112加工过程的应变硬化(不控制应
5、变量)。 H321加工过程的应变硬化(控制应变量)。 H116特殊应变硬化。,热处理状态:,在T后附有一位或多位数。对于T状态,列出了在两次操作之间或操作之后的室温下可能发生自然时效时间。如果这段时间在冶金学上有重要意义的话,就应对这段时间加以控制。数字110表示处理的具体程序。,T1 从高温成形过程冷却和自然时效至基本稳定的状态 T2 从高温成形过程冷却,然后冷加工和自然时效至基本稳定的状态 T3 固溶处理、冷加工和自然时效至基本稳定的状态 T4 固溶处理,自然时效到基本稳定的状态 T5 从高温成形过程冷却,然后进行人工时效的状态 T6 固溶处理,人工时效到强度最高的状态 T7 固溶处理,人
6、工时效到过时效状态(稳定化处理的状态) T8 固溶处理后冷加工,然后进行人工时效的状态 T9 固溶处理、人工时效、然后冷加工的状态 T10从高温成形工序冷却,然后冷加工并进行人工时效的状态 TX51通过拉伸消除应力的状态 TX52 通过压缩消除应力的状态 TX54 通过拉伸和压缩相结合的方法消除应力的状态,第二节 变形铝合金,简单地说: 硬铝 综合机械性能好(不耐蚀) 超硬铝 室温强度最高 锻铝 热塑性好 防锈铝 耐蚀性好,易成形,焊接性好(强度低),一、 硬铝,1、一般特点 较好的综合机械性能 b42060MPa,0.2280300MPa,1517。 耐蚀性低 有晶间腐蚀现象,应力腐蚀(SC
7、C)倾向小。 焊接性不好 主要用于以铆钉、螺栓、点焊为连接手段的结构中。 可热处理强化,AlZnMg合金相图,2、硬铝的组织,在AlCuMg三元系合金相图铝角附近,按Mg含量增加,依次可能出现以下四个相:,:CuAl2 正方晶格 S:Al2CuMg 斜方晶格 T:Mg32(CuAl)49 立方晶格 (也称CuMg4Al6) :Mg2Al3 面心立方,随Mg含量增加,相减少,S相增加 Cu/Mg 8, 主要是相 Cu/Mg84, 主要是S相 Cu/Mg41.5, 主要是S相, S相中Cu/Mg2.61 相析出序列的GP区和是圆片状 S相析出序列的GP区和S是针状 强化效果: ST 耐热性: 随温
8、度升高,S相比软化的慢, S相高温强化 效果好。,3、硬铝的合金化,成分范围: Cu:2.56.0,硬铝的主要成分 Mg:0.42.8,主要作用生成S相 Mn:0.41.0,消除Fe对抗蚀性的有害影响,抑 制再结晶产生挤压效应,超过1 产生(MnFe)Al结晶相 有时加:Ti细化铸态晶粒 Be提高氧化膜的致密性,防止Mg的烧损。,典型合金的化学成分:,LY12(相当2024)Al4.3Cu1.5Mg0.6Mn LY11(相当2017)Al4.3Cu0.6Mg0.6Mn LY2 Al2.9Cu2.2Mg0.6Mn,4、硬铝的热处理,除生产工序中的热处理外,硬铝的主要热处理是淬火时效 淬火:原则是
9、在防止过烧、晶粒粗化、包铝层污染的前提下,尽可能采用较高 的加热温度,以使强化相充分固溶,但硬铝的固溶温度范围窄,非常容 易过烧。,时效:,除耐热硬铝LY2合金进行人工时效,大多数硬铝都是在自然时效状态下应用。 硬铝自然时效状态下的抗蚀性(晶间腐蚀)优于人工时效状态。,硬铝合金易产生晶间腐蚀的原因:,含Cu的固溶体和Cu2Al相的电极电位都较高,当Cu2Al在晶界沉淀时,晶界附近出现含Cu较低的贫化带,该贫化带电极电位较低,在腐蚀介质中成为阳极,而含Cu较高的晶粒内部和析出相(Cu2Al)则为阴极。另外,晶界两侧的Cu贫化带很窄(面积小),阳极电流密度高,故遭到强烈腐蚀(即沿晶界腐蚀)。 为了
10、改善硬铝的抗蚀性,除合金化、热处理及其它措施(阳极化、涂漆)外,在板材表面包覆一层纯度大于99.5的纯铝。纯铝的电极电位低于基体,可起阳极保护作用。包铝层厚度一般占板材厚度的4,厚板可减至2。,典型合金的热处理,LY12:495WQ自然时效6天 (b450 MPa) 或室温停3天19010h (b500 MPa) 不同合金自然时效硬化的能力和速度不同。,5、硬铝的性能和用途,按强度和用途分为:铆钉、中强、高强和耐热硬铝四大类 铆钉硬铝: LY1、 LY4 、LY9 、LY10,以线材供应。 LY1(剪切强度196 MPa)和LY10(剪切强度265 MPa) 自然时效状态工艺塑性良好,铆接时间
11、不受限制。 LY4(剪切强度286 MPa)和LY9属于高强铆钉硬铝, 在淬火后规定时间内铆接,LY4在26h内铆接, LY9在20min内铆接。 中强硬铝: LY11:塑性好,以板、棒、型材应用于各种工业, 在航空工业中主要用于模锻螺旋桨叶。 高强硬铝: LY12: 强度最高,应用最广,用于制造主要受力件。 板材:飞机蒙皮、壁板。 型材:飞机隔框、翼肋、长桁 耐热硬铝: LY2: 较好的高温性能,用于制造在较高温度(150250) 下工作的构件,如航空发动机内的压气机叶片。,二、超硬铝 (Al-Zn-Mg-Cu系合金),超硬铝是在Al-Zn-Mg合金基础上加Cu发展起来的,它的强度超过硬铝,
12、可达600700MPa,所以称超硬铝。第二次世界大战后,才开始大批生产和应用。 调质的45钢:b780850 MPa 0.2450550 MPa,1、Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金,特点: 高的时效硬化能力; 中等强度(b300450 MPa); 优良的可焊性; 好的热变形性和抗应力腐蚀性能; 宽的固溶处理温度范围; 低的淬火敏感性。,相组成:,工业上实际应用的Al-Zn-Mg合金成分范围处于: T和T相区 当Zn含量不变时, 随Mg含量增加合金中逐渐出现T相。 T相:Al2Mg3Zn3,立方晶格,a1.4291.471nm。 相:MgZn2, 六方晶格,a0.521nm ,c0.86nm。
13、 Zn/Mg14 , 主要是T相。 Zn/Mg 4, 出现相。 Zn/Mg67, 完全有相组成。,时效序列:,无论合金是落在T还是相区,实际上时效析出序列均如下: 球形GP区T 是部分共格的过渡相,六方晶格, a0.496nm ,c0.868nm。 110以下 主要是GP区 110140 主要是 160200 主要是 270以上 可出现T相,合金化:,ZnMg的总量约4.57.6(wt),Zn/Mg 一般在23.8, (MgZn2中Zn/Mg5.38) 通常加入的微量元素: Mn 0.20.45,显著提高SCR,增加淬火敏感性,产生剥落腐蚀。 Cr 0.3, 显著提高SCR,增加淬火敏感性,产
14、生剥落腐蚀。 Zr 0.150.3 细化晶粒,提高可焊性。 Ti 0.2, 细化晶粒,提高可焊性。 Cu 0.25, 显著提高SCR,降低可焊性。 该合金不采用自然时效制度,其原因有二: Al-Zn-Mg系合金GP区长大速度缓慢,自然时效过程需数月才能达 到稳定阶段。 与人工时效比较,自然时效的抗应力腐蚀能力差。,2、Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝,四十年代初,人们发现在Al-Zn-Mg系合金中加入2Cu能改善合金的塑性和抗蚀能力,再加入少量的Cr等微量元素可强烈提高抗应力腐蚀性能, 从此发展了Al-Zn-Mg-Cu合金,即超硬铝。,超硬铝的相组成:,在Al-Zn-Mg系合金中加入 Cu,主要
15、强化仍然是析出序列,但还可能出现S相(Al2CuMg)析出序列, 当Cu含量大于2时,还可能出现(CuAl2)析出序列。 通常认为在125150时效:Al-Zn-Mg-Cu系合金是 在Al-Zn-Mg合金时效序列(GPT)的基础上, 又出现了Al-Cu-Mg合金的沉淀过程(GPBSSS),合金化:,Zn和Mg主要强化元素 Cu也起强化作用, 但主要还是提高SCR,极限溶解度2 ZnMgCu一般在9.7513.5 Mn、Cr、Zr、Ti的含量和作用与Al-Zn-Mg合金相似 Fe和Si为杂质,典型合金LC4,LC4合金:Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.2Cr-0.4Mn (Fe和Si分别小于0.5) 超硬铝的热处理: 人工状态下使用。 LC4合金: 470WQ 单级时效(T6):12024h, 强度高( b 550MPa )、SCC敏感 双级时效(T74):1203h1603h, 稍过时效,强度降低10, SCC不敏感,外的几国种典型合金 发展方向: