铝及铝合金

第八章铝及铝合金第一节铝的合金化及铝合金的分类铝是地壳中蕴藏量最多的金属元素，铝的总储量约占地壳总量的7.45%。

铝及铝合金的产量在金属材料中仅次于钢铁材料而居于第二位，是有色金属材料中用量最多、应用范围最广的材料。

一、纯铝的特性铝是第三周期第ⅢA族元素，原子序数为13，常见化合价为+3，原子量为26.9815，原子直径为0.286nm。

固态铝是一种具有面心立方晶格的金属，无同素异构转变。

主要物理性能参数见表8-1。

纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属。

不仅密度低、导电性和导热性好，而且还具有塑性好、抗腐蚀性能高的特点。

铝的化学性质虽然很活泼，但在空气中易与氧结合，在金属的表面形成一层致密的稳定的氧化铝薄膜，可保护内层金属不再继续氧化，所以金属铝在大气中具有极好的稳定性。

固态纯铝的塑性极好，在室温下纯度为99.99%的纯铝的延伸率可达50%，但纯铝的强度相当低，只有45MPa。

纯铝的低温性能良好，在0℃~-253℃之间其塑性和冲击韧性均不降低。

纯铝除易于铸造和切削加工成形外，还可通过冷、热压力加工支撑不同规格的半成品。

此外，纯铝还具有很好的焊接性能，可采用气焊、氩弧焊等焊接方法进行焊接。

表8-1 纯铝的主要物理性能性能参数性能参数性能参数点阵结构fcc 热膨胀系数 2.3×10-5/K(20℃)熔点 660.4℃点阵常数 4.0496×10-10m(25℃) 导热系数 2.37W/(cm•K)(25℃)沸点 2477℃固态密度 2.72g/cm3电阻率 2.655×10-8Ω•m 熔化热10~147kJ/mol表8-2 重熔用铝锭、重熔用精铝锭的牌号及化学成分（GB/T8644-2000，GB/T1196-1993）化学成分牌号Al杂质不大于不小于Fe Si Cu Zn Ti Ca Mg 其他杂质每种总和Al99.996 99.996 0.0010 0.0010 0.0015 0.001 0.001 0.001 0.004Al99.993 99.993 0.0015 0.0013 0.0030 0.001 0.001 0.001 0.007Al99.99 99.99 0.0030 0.0030 0.0050 0.002 0.002 0.001 0.040.002 0.005 0.05 Al99.95 99.95 0.02 0.02 0.01 0.0050.080.0300.030 0.015 0.150.0050.12Al99.8599.85Al99.80 99.80 0.15 0.10 0.01 0.03 0.03 0.02 0.20 Al99.70 99.70 0.20 0.13 0.01 0.03 0.03 0.03 0.30 Al99.60 99.60 0.25 0.18 0.01 0.03 0.03 0.03 0.40 Al99.50 99.50 0.30 0.25 0.02 0.03 0.05 0.03 0.50 Al99.00 99.00 0.50 0.45 0.02 0.05 0.05 0.05 1.00 工业纯铝采用熔盐电解，即利用直流电以冰晶石为溶剂在950℃~970℃电解氧化铝的方法制取，所得到的工业电解纯铝经三层熔液电解法制得工业高纯铝。

如果再使用区域熔炼或有机溶液电解法冶炼工业高纯铝可制取纯度在99.999%以上的高纯铝，最高纯度可达99.99995%。

工业纯铝的主要用途是配制铝基合金，高纯铝则主要应用于科学试验、化学工业和其它特殊需求。

此外，纯铝还可以用来制造电线、铝箔、屏蔽壳体、反射器、包覆材料、化工容器和日用炊具等产品，是目前有色金属中应用最多的一种材料。

常用铝锭的牌号及化学成分如表8-2所示。

工业纯铝中含有少量杂质，主要为Fe 和Si ，它们在铝中的溶解度很小，形成富Fe 、Si 的脆性化合物，虽能提高铝的强度，但却严重损害铝的塑性、抗腐蚀性和导电性，除杂质元素外，纯铝的力学性能还与其加工状态有关。

二、铝的合金化工业纯铝的强度和硬度都很低，虽然可以通过冷作硬化的方式强化，但是也不能直接用于制作结构材料。

因此必须进行合金化，目前制造铝合金的常用合金元素大致可分为主加元素和辅加元素。

主加合金元素有Si 、Cu 、Mg 、Mn 、Zn 和Li 等，这些元素的单独加入或配合加入，可以获得性能各异的铝合金以满足各种工程应用的需求。

辅加元素有Cr 、Ti 、Zr 、Ni 、Ca 、B 和RE 等，其目的是进一步提高铝合金的综合性能，并改善铝合金的某些工艺性能。

由于固态铝没有同素异构转变，因此不能象钢那样借助于热处理相变强化。

合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、沉淀强化、过剩相强化及细化晶粒强化。

1．固溶强化合金元素加入铝中首先可以溶入铝中形成铝基置换固溶体。

这将导致铝的晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高了铝的强度。

合金元素对铝的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关。

表8-3给出了一些合金元素在铝中的极限溶解度和室温溶解度数据。

其中，Zn 、Ag 、Mg 的溶解度较高，可以超过10%；其次是Cu 、Li 、Mn 、Si 等，它们的溶解度大于1%；其余各元素在铝中的溶解度则不超过1%。

表8-3一些合金元素在铝中的极限溶解度和室温溶解度由此可见，合金元素加入到铝中一般都形成有限固溶体，如Al-Cu 、Al-Mg 、Al-Si 、Al-Mn 、Al-Li 二元合金均为有限固溶体。

通常，对于同一元素而言，在铝中的固溶度越高，那么获得的固溶强化效果就越高。

但在实际应用中，也并非固溶度越高越好，因为在一些简单的二元铝合金中，如Al-Zn 、Al-Ag 系合金，由于组元间具有非常相似的物理化学和原子尺寸，因而固溶体的晶格畸变程度较低，所以提高固溶度导致固溶强化的效果并不十分显著。

这也是铝合金的强化不能单纯依靠合金元素的固溶强化的原因。

2．沉淀强化加入的合金元素除固溶在铝基体中外，就是以第二相的形式存在。

由于某些合金元素在铝中具有较大的固溶度，且固溶度随温度降低而急剧减小的特点，因此可以通过将溶有一定合金元素的铝合金加热到某一温度后快冷，得到过饱和固溶体，通常把这种工艺称为固溶处理（也称淬火）。

必须注意的是，这种过饱和固溶体和碳溶于铁中的过饱和固溶体（马氏体）不同。

因为合金元素溶于铝中形成的过饱和固溶体是置换型的过饱和固溶体，引起的晶格畸变不大，因此这种过饱和固溶体的强度不是很高，而塑性仍然很好。

碳溶于铁形成的过饱和固溶体即马氏体是间隙型过饱和固溶体，不仅引起的晶格畸变较大，而且还和位错形成柯垂耳气团；同时包含了新的强化机制（如前指出的细晶强化、位错强化等）。

溶解度（%） 溶解度（%）溶解度（%）合金元素 极限 室温 合金元素极限 室温合金元素 极限室温Zn 82.2 4.0 Cu 5.60.1Si 1.650.17Ag 55.5 0.7 Li 4.20.85Cr 0.40.002Mg 17.4 1.9 Mn 1.80.3Ca 0.60.3对于过饱和的铝基固溶体，如果将其放置在室温或加热到某一温度，则基体中过饱和的溶质原子可与基体金属铝或其它合金元素以沉淀相呈弥散状析出。

显然这个第二相的析出会合金的强度、硬度增加，塑性和韧性将下降。

这个过程通常称为时效。

铝合金的时效强化的强化效果不仅与第二相的形状、尺寸大小、数量和分布有关，而且最重要的取决于第二相的结构和特性。

因此，对铝合金进行合金化的合金元素，不仅要求能在铝中有较高的极限溶解度和明显的温度关系，而且还要求在沉淀过程中能形成均匀、弥散的共格或半共格过渡强化相，因为这类强化相在铝基体中可造成较强烈的应变场，增加对位错运动的阻力。

必须指出的是，铝合金中常用的主加元素Cu、Mg、Zn、Si、Mn等在铝中虽然都有较高的极限溶解度，并且溶解度的大小随温度的下降而急剧减小，但是除铜以外，就它们与铝的二元合金而言，沉淀相的强化作用不够明显。

这是因为它们与铝形成的沉淀相或因共格界面错配度低而使相应的应变场减弱，或因预沉淀阶段短，很快与基体丧失共格关系而形成非共格的平衡相。

如MnAl6相和Mg5Al8相就不具有沉淀强化效果。

因此为了充分发挥沉淀强化的效能，铝合金中的通常还加入第三或第四合金组元，以形成多种沉淀强化相。

如表8-4所示。

表8-4 铝合金中几种沉淀相的沉淀顺序合金系脱溶沉淀的顺序平衡沉淀相Al-Cu G.P.区（圆盘）→θ′′（圆盘）→θ′θ（CuAl2）Al-Ag G.P.区（球形）→γ′（片状）γ（Ag2Al）Al-Li G.P.区（球形）→δ′δ（AlLi）Al-Mg-Si G.P.区（棒状）→β′′→β′（杆状）β（Mg2Si）Al-Cu-Mg G.P.区（棒或球）→S′S（Al2CuMg）Al-Zn-Mg G.P.区（球）→η′（片状）η（MgZn2）3．过剩相强化当铝合金中加入的合金元素超过其溶解度极限时，合金在淬火加热时便有一部分不能溶入铝基固溶体中而以第二相的形式出现，称为过剩相。

这些过剩相多为硬而脆的金属间化合物，它们在铝合金中能够起阻碍位错滑移和运动的作用，从而提高铝合金的强度和硬度。

铝合金中的过剩相在一定限度内，数量愈多，其强化效果愈好，但合金的塑性和韧性却下降。

铸造铝合金为获得良好的铸造性能，一般希望合金成分接近共晶成分，共晶成分的铸造合金就是利用共晶中的第二相作为过剩相来强化铝合金的。

如二元铝硅合金中的过剩相即为共晶中的硅晶体。

在该合金中随着硅含量的增加，硅晶体的数量增多，合金的强度及硬度相应提高。

当合金中的硅含量超过共晶成分时，由于过剩相数量过多以及多角形的板块初晶的出现，导致合金的强度和塑性急剧下降。

因此对于二元铝硅合金，一方面要限制硅含量，一般不超过共晶成分太多；另一方面，通过采用变质处理，加入钠盐变质剂，使共晶合金中的硅晶体细化呈细粒状，获得最佳的强度、硬度和良好的塑性、韧性的配合。

此外，在铝铈合金中，也是利用过剩相Al4Ce起强化作用的，所以铝铈合金具有较高的高温强度和良好的铸造性能。

4．细晶强化细晶强化除了上述细化过剩相外，还可在铝合金中加入微量合金元素Ti、Zr、稀土等，形成难熔的金属间化合物，在合金结晶过程中起非自发形核核心的作用，细化铝基固溶体的晶粒，产生细晶强化。

如铝合金中加入加入微量的Ti 、Zr 可形成高熔点的TiAl 3、Al 3Zr 等即可作为铝基固溶体α相结晶的非自发核心而细化α相晶粒。

锰和铬加入铝合金中形成MnAl 6和Al 12Mg 2Cr ，稀土金属加入铝合金中形成金属间化合物Al 4RE 均可作为细化晶粒的第二相。

需要指出的是，稀土元素加入铝合金中，还能起到脱氧和脱硫的作用，降低铝合金中的夹杂物含量起净化作用；稀土元素与硅、铁等杂质元素形成化合物，降低这些杂质的固溶量，从而降低了铝的电阻率，对提高铝导线的质量有重要作用。