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1、工程材料及热处理第八章有色金属及合金 铝及铝合金8.18.1.1 铝及铝合金的性能特点金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要是指钢和铸铁，而把其余金属如铝、镁、铜、钴、锡、铅、锌等金属及其合金统称为有色金属。与黑色金属相比，有色金属具有比密度小、比强度高的特点。因此，在许多工业部门，尤其是在空间技术、原子能、计算机等新型工业部门中，有色金属应用非常广泛。有色金属品种繁多，本章重点介绍铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铜及铜合金、轴承合金及粉末材料等。（1）密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低纯铝的密度是2.72 g/cm3，仅为铁的1/3，熔点是660.4，导电性仅次于Cu
2、，Au，Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电性、导热性不如纯铝。铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。（2）抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易被破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。（3）加工性能好，比强度高纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性（A=30%50%，Z=80%），易于压力加工成形，并有良好的低温性能。纯铝的强度低，Rm=70 MPa，虽经冷变形强化强度可提高到150250MPa，但也不能直接用于制作受力的结构件。而铝合金通过冷成形和热处理，其
3、抗拉强度可达到500600MPa，相当于低合金钢的强度，比强度高，故铝合金成为了飞机的主要结构材料。工业铝合金的二元相图一般如图8-1所示。利用铝合金的二元相图可以对其进行分类。8.1.2 提高铝及铝合金强度的主要途径图8-1铝合金的二元相图根据合金的成分和生产工艺不同，可将铝合金分为两类：变形铝合金和铸造铝合金。在图8-1中，合金元素含量小于B点的合金称为变形铝合金；合金元素含量大于B点的合金，由于凝固时发生共晶反应，熔点低，流动性好，适于铸造，故称为铸造铝合金。在变形铝合金中，合金元素含量小于D点的合金因不能通过热处理得到强化，故称为不能热处理强化的铝合金；而合金元素含量位于D与B之间的合
4、金，其固溶体成分随温度而变化，可进行固溶强化和时效强化，因此称为能热处理强化的铝合金。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细晶强化，对不可热处理强化的铝合金可以进行冷变形强化。提 示固态铝无同素异构转变，因此铝合金不能像钢一样借助相变强化。1固溶强化合金元素加入纯铝中后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高了铝的强度。合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关。但由于在一些铝的简单二元合金中，如Al-Zn，Al-Ag合金系，组元间常常具有相似的物理化学性质和原子尺寸，固溶体晶格畸变程度低，导致固溶强化效果不高。因此，铝的强化不能单纯依靠合金元素
5、的固溶强化作用。2时效强化时效强化是铝合金强化的一种重要手段，时效强化又称沉淀强化。所谓时效，是指类似于图8-1中D，B之间成分的铝合金经固溶处理（铝合金加热到单相区保温后，快速冷却得到过饱和固溶体的热处理操作称为固溶处理，也称淬火）后在室温或较高的环境温度下，随着停留时间的延长，其强度和硬度升高、塑性和韧性下降的现象。一般把合金在室温放置过程中发生的时效称为自然时效；而把合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。读一读铝合金的时效强化与钢的淬火、回火本质上不同。钢淬火后得到含碳过饱和的马氏体组织，强度、硬度显著升高而塑性、韧性急剧降低，回火时马氏体发生分解，强度、硬度降低，塑性和韧性提高；而铝
6、合金固溶处理（淬火）后虽然得到的也是过饱和固溶体，但强度、硬度并未得到明显提高，塑性韧性却较好，它是在随后的过饱和固溶体发生分解的过程中出现时效现象的。研究认为，铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有关。下面以Cu为4%的Al-Cu合金为例，说明组织变化与时效的关系。如图8-2所示为Al-Cu合金二元相图，由图可见，铜在铝中有较大的固溶度（548时为5.65%），且固溶度随温度下降而减小（室温时为0.64%）。图8-2Al-Cu合金二元相图该合金在室温时的平衡组织为（平衡相为CuAl2），加热到固溶线以上，第二相 完全溶入固溶体中，淬火后获得铜在铝中的过饱和固溶体。这种过饱和固溶体是不
7、稳定的，有自发分解的倾向，当给予一定的温度与时间条件时便要发生分解。时效过程基本上就是过饱和固溶体分解（沉淀）的过程，即组织转变过程，它包括以下四个阶段。（1）在时效初期，铜原子逐步自发地偏聚于固溶体的100晶面上，形成铜原子富集区，称为GP区。由于GP区中铜原子的浓度较高，引起点阵严重畸变，使位错的运动受阻，因此合金的强度、硬度提高。（2）随着时间的延长或温度的提高，在GP区的基础上铜原子进一步偏聚，使GP区扩大并有序化，即铝、铜原子按一定方式规则排列，称为GP区。GP区可视为中间过渡相，常用相表示，该相会使其周围基体产生更大的弹性畸变，使合金得到进一步强化。过渡相的数量越多，弥散度越大，强
8、化效果就越大。（3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP区继续偏聚，并形成过渡相。此时，晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。（4）时效后期，过渡相完全从母相中脱溶，形成平衡相，使合金的强度、硬度进一步降低，即所谓的“过时效”。综上所述，为4%的Al-Cu合金时效的基本过程可以概括为：合金淬火过饱和固溶体形成铜原子富集区（GP区） 铜原子富集区有序化（GP区）形成过渡相析出平衡相（CuAl2）+平衡的固溶体。除时效时间外，时效强化效果还受到时效温度、淬火温度、淬火冷却速度等的影响。一般说来，时效温度越高，原子的活动能力越强，沉淀相脱溶的速度越快，达到峰值时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低
9、，如图8-3所示。淬火温度越高、淬火冷却速度越快，所得到的固溶体过饱和度越大，时效后的强化效果越明显。图8-3Al-Cu合金130和190时效硬化曲线3细晶强化纯铝和铝合金在浇铸前应进行变质处理，即在浇铸前向合金熔液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提高合金强度，该过程称为细化晶粒强化（简称细晶强化）。对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂有Ti，B，Nb，Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核，从而细化铝的晶粒。对于铸造铝合金，比较典型的是铝硅系合金，这类合金具有优良的铸造性能（熔点低，流动性好，收缩性小）和焊接性能，尤其是Si含量为11%13%的二元铝硅合金铸造性能最好。如图8-4所示，
10、二元铝硅合金铸造后几乎全部得到的共晶体，其中Si呈粗大针叶状，铸造后合金变脆，强度和塑性都很低，不宜作为工业合金使用。若对其采用变质处理，在浇铸前向合金中加入合金重量2%3%的变质剂（2份NaF和1份NaCl），可将针状Si改变为细小粒状Si，得到细小均匀的共晶体和初生固溶体的亚共晶组织（见图8-5），显著提高了合金的强度和塑性。图8-4ZL102合金变质前的显微组织图8-5ZL102合金变质后的显微组织在铸造铝合金中，变质处理细化晶粒的原因一般认为是Na等元素能促进Si的形核，并吸附在Si晶体的表面，阻止Si的长大。同时Na的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核
11、率增加，细化了共晶组织，而且使合金组织中出现了初生固溶体。4冷变形强化对合金进行冷变形，能增加其内部的位错密度，阻碍位错运动，提高合金强度。这为不能热处理强化的铝合金提供了强化的途径和方法。8.1.3 铝及铝合金的分类及用途1 纯铝根据纯度不同，纯铝可分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类。高纯铝的铝含量为99.93%99.996%，用于科研，代号为L01L04；工业高纯铝的铝含量为99.85%99.9%，用于制作铝合金原料、铝箱材料，代号为L00，L0；工业纯铝的铝含量为98.0%99.0%，用于制作管、线、棒，代号为L6L1，数字越小，纯度越高。提 示工业纯铝的强度虽可经过加工硬化提高，但最
12、终强度和硬度都很低，难以作为工程结构材料使用。1）铸造铝合金铸造有色金属的牌号由“Z”基体金属的化学元素符号+主要合金化学元素符号（其中混合稀土元素符号统一用RE表示）表明合金化元素名义百分含量的数字组成。铸造铝合金的牌号命名方式遵守该规则。铸造铝合金的代号用“ZL”三位数字表示，优质合金在数字后附加“A”。第一位数字是合金系列：1是Al-Si系合金；2是Al-Cu系合金；3是Al-Mg系合金；4是Al-Zn系合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。铸造铝合金要求具有良好的铸造性能，因此，合金组织中应有适当数量的共晶体。铸造铝合金的合金元素含量一般高于
13、变形铝合金。常用的铸造铝合金中，合金元素总量为8%25%。铸造铝合金有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系四种，其中铝硅系合金应用最广。2 铝合金（1）铝硅系铸造铝合金铝硅系铸造铝合金又称为硅铝明，其特点是铸造性能好，线收缩小，流动性好，热裂倾向小，具有较高的抗蚀性和足够的强度，在工业上应用十分广泛。这类合金最常见的是ZL102，硅含量为10%13%，铸造后几乎全部为共晶体组织。它最大的优点是铸造性能好，但强度低，铸件致密度不高，经过变质处理后可提高合金的力学性能。提 示ZL102不能进行热处理强化，主要在退火状态下使用。为了提高铝硅系合金的强度，满足较大负荷零件的要求，可在该合金成分基础上加入铜、
14、锰、镁、镍等元素，组成复杂硅铝明，这些元素通过固溶实现合金强化，并能使合金通过时效处理进行强化。例如，ZL108经过淬火和自然时效后，强度极限可提高到200260 MPa，适用于强度和硬度要求较高的零件，如铸造内燃机活塞，因此ZL108也称为活塞材料。（2）铝铜系铸造铝合金铝铜系铸造铝合金的铜含量不低于4%。由于铜在铝中有较大的溶解度，且随温度的改变而改变，因此这类合金可以通过时效强化提高强度，并且时效强化的效果能够保持到较高温度，使合金具有较高的热强性。由于合金中只含少量共晶体，故铸造性能不好，抗蚀性和比强度也较优质硅铝明差，此类合金主要用于制造在200300条件下工作、强度要求较高的零件，
15、如增压器的导风叶轮等。（3）铝镁系铸造铝合金铝镁系铸造铝合金有ZL301，ZL303两种，其中应用最广的是ZL301。该类合金的特点是密度小，强度高，比其他铸造铝合金耐蚀性好。但铸造性能不如铝硅合金好，流动性差，线收缩率大，铸造工艺复杂。这类合金一般用于制造承受冲击载荷、耐海水腐蚀、外形不太复杂、便于铸造的零件，如舰船零件等。（4）铝锌系铸造铝合金铝锌系铸造铝合金与ZL102类似，这类合金铸造性能很好，流动性好，易充满铸型，但密度较大，耐蚀性差。由于在铸造条件下锌原子很难从过饱和固溶体中析出，因此合金铸造冷却时能够自行淬火，经自然时效后就有较高的强度。该合金可以在不经热处理的铸态下直接使用，常
16、用于制作汽车、拖拉机发动机的零件。2）变形铝合金按GB/T 164742011规定，变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为字母“A”。牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu，Mn，Si，Mg，Mg2Si，Zn的顺序来表示变形铝合金的组别。例如，2A表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。最后两位数字用以标识同一组别中的不同铝合金。按其性能特点不同，变形铝合金可分为铝-锰系或铝-镁系、铝-铜-镁系、铝-铜-镁-锌系、铝-铜-镁-硅系等。这些合金常经冶金厂加工成各种规格的板、带、线、管等型材供应。（1）铝-锰系或铝-镁系合金铝-锰系或铝-镁系合金又称防锈铝，即LF。该类合金的时效强化效果较弱，一般只能用冷变形来提高强度。铝-锰系合金中3A21的为1%1.6%。退火组织为固溶体和在晶粒边界上少量的共晶体，所以它的强度高于纯铝。由于MnAl6相的电极电位与基体相近，所以有很高的耐蚀性。铝-镁系合金中镁在铝中溶解度较大（在451时可溶入），但为便于加工，避免形成脆性很大的化合物，所以一般防锈铝中1400MPa的钢），故称为超硬铝。由于MgZn2相的电极电位低，所以
