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1、第一章 铝及铝合金基础知识一、概述 铝是银白色的金属，色泽美观。它具有密度小、电导率高、导热性能良好、耐腐蚀性好、无低温脆性、塑性好、易于加工成型和对光的发射率高等优点。铝的化学性质很活泼。铝与空气接触时很容易被氧化，在铝的表面形成一层致密而坚实的氧化膜。此膜具有保护内部的铝不继续受氧化的作用，因而在大气中是耐腐蚀的。纯铝中的主要杂质是铁和硅。由于纯铝的机械强度较低，用铝制作承受较大载荷的结构材料是不适宜的。如果在铝中加入一些其他元素，如铜（Cu）、镁（Mg）、锌（Zn）、猛（Mn）等配制成铝合金，则其机械强度就比纯铝的机械强度大幅度提高。目前机械强度最高的铝合金其抗拉强度可达600N/mm2
2、以上，和低合金钢差不多。根据工业上的需要，在合金中加入不同的元素，可配制成特性不同的铝合金，如高强度铝合金、耐腐蚀铝合金、耐热铝合金、锻造铝合金等。因此，铝及铝合金在工业上得到了十分广泛的应用。二、铝合金的分类 根据铝合金的化学成分和生产工艺特点不同，可以将铝及铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。 1、铸造铝合金用于铸造各种成型零件，其主要特点是在化学成分中存在较多的共晶体，铸造时具有良好的流动性，能够良好地填充铸型，使铸件致密。但铸造铝合金的抗拉强度和塑性一般较低，不适用于压力加工。 2、变形铝合金的分类方法较多，目前常用的是以合金中所含主要元素的化学成分分为： 1xxx系工业纯铝 2x
3、xx系AlCu合金 3xxx系AlMn合金 4xxx系AlSi合金 5xxx系AlMg合金 6xxx系AlMgSi合金 7xxx系AlZn合金 8xxx系以其他合金元素为主要合金元素的铝合金 9xxx系备用合金组 3、表示方法3.1 对于1xxx系工业纯铝中，牌号的最后两位数字表示铝的百分含量，如1050合金即表示铝含量为99.50%。牌号的第二位表示纯铝的改型情况。如果第二位数字为A，则表示原始纯铝；如果是BY的其他字母，则表示原始纯铝的改型，与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。 3.2 对于2xxx系8xxx系，牌号的最后两位数字没有特殊意义，仅用来区分同一组中不同的铝合金。3.3改型的含
4、义： 改型合金与原始合金相比，化学成分的变化，仅限于以下一种或几种情况（1）一个合金元素或一组组合元素形式的合金元素，极限含量的算术平均值的变化量符合相应的规定。（2）增加或删除了极限含量算术平均值不超过0.30%的一个合金元素；增加或删除了极限含量算术平均值不超过0.40%的一组组合元素形式的合金元素。（3）为了同一目的，用一个合金元素代替了另一个合金元素。（4）改变了杂质的极限含量。（5）细化晶粒的元素含量有变化。三、铝合金状态代号及表示方法 1、基础状态代号分为5种，如表11所示。表11代号名称说明与应用F自由加工状态适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品，该状态的
5、力学性能不作规定。O退火状态适用于经完全退火获得最低强度的加工产品。H加工硬化状态适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过（也可不经过）使强度有所降低的附加热处理。H代号后面必须跟有两位或三位阿拉伯数字。W固溶热处理状态一种不稳定状态，仅适用于经固溶热处理后，室温下自然时效的合金，该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段。T热处理状态（不同于F、O、H状态）适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到稳定状态的产品。T代号后面必须跟有一位或多位阿拉伯数字。2、T的细分状态，即在字母T后面添加一位或多位阿拉伯数字表示T的细分状态。1）TX状态在T后面添加010的阿拉伯数字，表示的细分
6、状态，如表12所示。T后面的数字表示对产品的基本处理程序。表12 TX细分状态代号说明与应用状态代号说明与应用T0固溶热处理后，经自然时效再通过冷加工的状态，适用于经冷加工提高强度的产品T2由高温成型过程冷却，然后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成型冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品T3固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定状态；适用于在固溶热处理后，进行冷加工、或矫直、矫平以提高强度的产品T4固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态；适用于在固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品T5由高温成型过程冷却，然后进
7、行人工时效的状态；适用于由高温成型冷却后，不经冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），予以人工时效的产品T6固溶热处理后进行人工时效的状态；适用于在固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品T7固溶热处理后进行过时效的状态；适用于在固溶热处理后，为获取某些重要特征，在人工时效时，强度在时效曲线上超过了最高峰点的产品T8固溶热处理后经过冷加工，然后进行人工时效的状态，适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品T9固溶热处理后进行人工时效，然后进行冷加工的状态，适用于经冷加工提高强度的产品T10由高温成型过程冷却后，进行冷加工，然后人工时效的状态，适用于
8、经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品2）TXX状态及TXXX状态（消除应力状态除外）在TX状态代号后面再添加以为阿拉伯数字（称作TXX状态），或添加两位阿拉伯数字（称作TXXX状态），表示经过了明显改变产品特性（如力学性能、抗腐蚀性能等）的特定工艺处理的状态。3）消除应力状态在上述TX或TXX或TXXX状态代号后面再添加“51”、或“510”、或“511”、或“54”表示经历了消除应力处理的产品状态代号。第二章 铝合金的热处理一、热处理的概念如果把金属及合金材料在固态下加热到某一温度，并在此温度保持一定时间，然后再以某种冷却速度冷却到室温，这样就能是金属及合金材料的内部组织和机械性能发生变化，
9、达到人们使用的要求，我们把这种处理方法叫做热处理。任何热处理过程都包括加热、保温、冷却三个阶段。二、热处理的目的金属在冷变形过程中，除了外形尺寸发生变化外，其内部组织也随着变化。在外力作用下，迫使变形金属内部的晶粒发生了滑移、转动和破碎。晶粒的形状也发生了改变，晶界延变形方向伸长，晶粒被破碎并拉成纤维状。这样就使原来方位不同的等轴晶粒逐步向一致方向发展，形成了变形结构。其结果使金属产生了各向异性，同时由于加工硬化而是金属的强度升高，塑性降低，逐渐失去了继续承受冷塑性变形的能力。如果将这种冷变形后的金属加热时，随着加热温度的升高，金属内部的原子活动能力急剧增大。通过原子的热运动，使金属内部组织发
10、生变化，消除了内应力，降低了强度，提高了塑性，使其能够再承受冷的加工变形。三、热处理加热过程中金属组织和性能的变化通过冷变形而产生了加工硬化的金属，根据加热温度高低不同，其组织和性能变化过程可分为回复、再结晶及晶粒长大三个阶段。1、回复阶段回复是退火的第一阶段。当加热温度不高时，也就是说加热温度低于变形金属开始发生再结晶，由于原子活动能力不大，只能做短距离的扩散运动，此时只能消除晶格的歪扭和畸变，但不能形成新的再结晶晶粒。当用光学显微镜观察时，看不到金属的内部组织有任何变化。此时，金属的强度和硬度稍有降低，塑性略有提高。但是在回复过程中金属的某些物理性能却有明显变化，例如金属的电阻和内应力发生
11、了明显下降。这个阶段还保持着冷作硬化状态金属的主要特征。2、再结晶阶段凡是在冷变形金属和合金的基体上，经过退火加热而形成了由新的晶粒所构成的显微组织者称为再结晶。再结晶是退火过程的第二个阶段。当金属加热到开始再结晶的温度时，则在冷变形金属或合金的基体上开始形成新的晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，新晶粒的数量不断增加，直至全部形成新的再结晶晶粒为止。在此阶段中，金属内部的原子活动能力很高，原子通过扩散进行重新排列。通过再结晶退火可使金属组织被拉长的晶粒所形成的纤维组织转变成为由等轴的再结晶晶粒所组成的再结晶组织，金属的加工硬化现象被完全消除。此时金属的强度和硬度急剧下降，塑性明显上升，
12、金属的性能基本上恢复到了冷变形之前的情况。我们把冷变形金属加热到再结晶温度之上，使其发生再结晶的热处理过程称为再结晶退火。3、晶粒长大冷变形金属在经过完全再结晶之后，一般都可以得到均匀细小的等轴晶粒。但是如果加热温度过高或加热时间过长时，则再结晶后的新晶粒又会发生合并和长大，使晶粒变得粗大，金属的机械性能也相应变坏，我们把这种晶粒长大的过程又称为聚集再结晶。在生产中，一定要防止产生这种聚集再结晶。四、铝合金铸锭的均匀化退火铸锭的组织均匀化，其目的是使铸锭的成分、组织和性能均匀，以便消除铸锭中的内应力，改善和提高铸锭的加工性能。因为当熔融的金属液体凝固成铸锭时，其化学成分和内部组织是不均匀的。用
13、半连续铸造方法所铸的铸锭，由于冷却速度很高，铸锭内部存在很大的残余应力和晶内偏析，并在晶粒边界和枝晶网络间存在着低熔点共晶组织和金属间化合物，这不仅使铸锭的化学成分和组织不均匀，而且使其塑性降低，不利于压力加工。如果把这种铸锭在高温下经过较长时间加热后，再缓慢地冷却下来，就能减少或消除其成分和组织的不均匀性，借以改善铸锭的压力加工性能和制品的最终性能。均匀化退火时，原子的扩散主要是在晶内进行的，使晶内化学成分均匀。它只能消除晶内偏析，对区域偏析影响很小。由于均匀化退火是在不平衡固相线或共晶线以下温度中进行的，分布在铸锭各晶粒间的不溶物和非金属夹杂缺陷，不能通过溶解和扩散过程消除，所以，均匀化退
14、火不能使合金中基体晶粒的形状发生明显的改变。在铸锭均匀化退火过程中，除原子的扩散外，还伴着组织上的变化，即富集在晶粒和枝晶边界上可溶解的金属间化合物和强化相的溶解和扩散，从而使铸锭组织均匀，加工性能得到提高。五、淬火及时效1、固溶及脱溶 固溶及脱溶是热处理可强化铝合金进行强化热处理（淬火和时效）的基础。热处理可强化铝合金含有较高的能溶入铝中的金属元素，如铜、镁、锌及硅等，它们的含量超过室温及在中等温度下的平衡固溶度极限，甚至可超过共晶温度的最大溶解度。某种成分的铝合金，室温平衡组织为+。为基体固溶体，为第二相。合金加热到一定温度时（T0），相将溶入基体而得到单相的固溶体，这种处理称之为固溶处理
15、。若温度降低至T0以下，固溶体成为过饱和状态，超过平衡溶入量的溶质就有析出的倾向，在一定的条件下，多余的溶质就以相的形式析出，这种现象称为脱溶或沉淀。若该合金自T0温度以足够大的速度冷却，溶质原子的扩散和重新分配来不及进行，相就不可能形核和长大，固溶体就不可能沉淀出相，合金的室温组织即为单相过饱和固溶体，这种处理就成为淬火。淬火获得的过饱和固溶体有自发分解即脱溶的倾向。大多数铝合金在室温下就可以产生脱溶过程，这种现象称为自然时效。自然时效可在淬火后立即开始，也可以经过一定的孕育期才开始。不同的合金自然时效的速度有很大区别，有的合金仅需数天，而有的合金则需数月甚至数年才能趋于稳定状态（用性能的变化来衡量）。若将淬火得到的基体为过饱和固溶体的合金在高于室温的温度下加热，则脱溶过程可能加速，这种操作称为人工时效。淬火和时效均会导致合金性能明显变化。一些合金淬火后，强度提高，塑性降低，而另一些合金则相反，经处理后强度降低，塑性提高。还有一些合金强度与塑性均提高。此外有很多合金在淬火后性能变化不明显。淬火及时效是一种综合热处理工艺，用来提高铝合金强度性能。因此是一般合金最终处理，
