第6章 有色金属及其合金

1、形成铜原子富集区（GP[I]区） 经固溶处理获得的过饱和固溶体,在发生分解之前 有一段准备过程，这段时间称为孕育期。随后， 铜原子在铝基固溶体（面心立方晶格）的{100}晶 面上偏聚，形成铜原子富集区，称为GP[I]区。其 晶体结构类型仍与基体α相同，并与基体保持共格 关系。所不同之处是GP[I]区中铜原子的浓度较高， 引起点阵的严重畸变，阻碍位错运动，因而合金 的强度、硬度提高。

（四）细化组织强化������
在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝 合金机械性能的另一种重要手段。������ 铸造铝合 金中常加入微量元素（变质剂）进行变质处理来 细化合金组织，提高强度和韧性。������ 变质处理 对不能热处理或热处理强化效果不大的铸造铝合 金和变形铝合金具有特别重要的意义。变形铝合 金中添加微量钛、锆、铍以及稀土等元素，它们 能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶 核，起细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。

由铝-铜二元合金状态图。可知α是铜在铝中 的固溶体，在室温时的最大溶解度为 0.5%Cu，而加热到548℃时，极限溶解度为 5.6%Cu。以4％Cu-Al合金为例,该合金在室 温时的平衡组织为α＋CuAl2,加热到固溶线 FD以上，第二相CuAl2完全溶入α固溶体中， 淬火后获得铜在铝中的过饱和固溶体。时 效过程基本上就是过饱和固溶体分解（沉 淀）的过程，它包括以下四个阶段。




（三）过剩相强化 ������ 当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬 火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称之 为过剩相。 ������ 在铝合金中过剩相多数为硬而脆的金属间化合物。它 们在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用。使强度、硬度 提高，而塑性、韧性降低。 ������ 合金中过剩相的数量越多，其强化效果越好，但过剩 相过多时，由于合金变脆而导致强度急剧降低。 ������ 在二元铝硅合金中，其主要强化手段是通过过剩相强 化。在铝硅合金中随着硅含量增加，过剩相（硅晶体）的 数量增多，合金的强度、硬度相应提高。



以上讨论表明，4％Cu-Al合金时效的基本过 程可以概括为： ������ 过饱和固溶体→形成铜原子富集区 (GP[I]区)→铜原子富集区有序化(GP[II] 区)→形成过渡相θ'→析出稳定相θ(CuAl2)+ 平衡的α固溶体。 ������ 铝-铜二元合金的时效原理及其一般规 律，对于其它工业合金亦是适用的。

室温放置过程中使合金产生强化的效应称 为自然时效；
低温加热过程中使合金产生强化的效应称 为人工时效。

（一）铝合金热处理强化的特点
纯铝无同素异构转变，因此铝合金的热处理机理 与钢不同。铝合金淬火加热时由α固溶体加第二相 （金属间化合物）转变为单相的α固溶体，淬火时 转变成单相的过饱和α固溶体，但它不发生同素异 构转变，其晶体结构不发生转变。所以，铝合金 的淬火处理又称为固溶处理。由于硬脆的第二相 消失，塑性有所提高。然而，淬火后的过饱和固 溶体，在随后重新加热到一定温度并保温一定时 间后，强度、硬度显著提高，而塑性明显降低， 铝合金的这种处理称为时效处理。
（三）影响时效的因素

合金的化学成分与合金的时效强化有直接关系， 一种合金能否通过时效强化，首先取决于组成合 金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度稳定变化 的程度。例如铁、镍基本上不溶解于固态铝中， 故铝-铁，铝-镍系合金不能进行时效处理。如果 在铝中加入某些合金元素能形成结构与成分复杂 的化合物（第二相），如CuAl2(θ)、Mg2Si(β)、 Al2CuMg(S)、Mg2Zn(M)等等,则在时效析出过程 中形成的GP区的结构就比较复杂,

纯铝的机械性能不高，不适宜作承受较大 载荷的结构零件。为了提高铝的机械性能， 在纯铝中加入某些合金元素，制成铝合金。 纯铝中加入合金元素配制成铝合金，可改 变其组织结构与性能。经常加入的合金元 素有铜、锌、镁、硅、锰以及稀土元素等。

6.1.2.1 铝合金的分类


根据合金元素的含量和加工工艺性能特点， 铝合金可分为 加工变形铝合金和铸造铝合金两类。




（二）时效强化 ������ 合金元素对铝的另一强化作用是通过热处理实现的。 由于铝没有同素异构转变，故其热处理强化与钢不同 ������ 铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有 较大固溶度，且随着温度的降低而固溶度急剧减小。故铝 合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固 溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温 度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性 则降低，这个过程称作时效。 ������ 时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强 化或时效硬化。 ������ 淬火（又称固溶）+时效处理是铝合金强化的一种重 要手段。

6.1.1 纯铝



纯铝的物理性能： 白色的金属 熔点为660.24°C 面心立方体 无同素异构体转变


纯铝的纯度不同可分为： 1、高纯铝 纯度为99.93%~99.99%，牌号有L01、L02、 L03、L04四种，编号越大、纯度越高。 应用：用于科学研究及制作电容器等


3、形成过渡性θ'
随着时效过程的进一步发展，铜原子在 GP[II]区继续偏聚，当铜与铝原子之比为1： 2时，形成过渡相θ'。由于θ'相的点阵常数发 生较大的变化，故当其形成时与基体共格 关系开始破坏，即由完全共格变为局部共 格.对位错运动的阻碍作用亦就减小，故合 金的硬度开始降低。

4、形成稳定θ相 时效后期，过渡相θ'从铝基固溶体中完全脱 溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳 定相CuAl2，称为θ相，此时θ相与基体的共 格关系完全破坏，共格畸变也随之消失。 并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的 质点聚集长大合金的强度、硬度进一步降 低。

不能热处理强化铝合金是合金元素含量小 于状态图中(如图)F点成分的合金，这类合 金由于具备好的抗蚀性，故称为防锈铝。 可热处理强化铝合金的合金元素含量比防 锈铝要高一些，成分相应于状态图(如图)中 F与D之间的合金，通过热处理能显著提高 机械性能，这类铝合金包括硬铝、超硬铝 和锻铝。

铝合金的强化手段

冷变形（加工硬化） 变质处理（细化晶粒强化） 固溶+时效处理（时效强化）
合金元素对铝的强化作用

合金元素对铝的强化作用，主要是通过以下几方 面： ������ （一）固溶强化 ������ 纯铝通过加入合金元素形成铝基固溶体，起 固溶强化作用，使其强度提高。 ������ 根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或 高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度， 而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。 铝的合金化一般都形成有限固溶体，如铝-铜、铝镁、铝-锌、铝-硅、铝-锰等二元合金均形成有限 固溶体，并且都有较大的极限溶解度，能起较大 的固溶强化效果。

2、优良的物理和化学性能
铝的导电、导热性好。纯铝的导电性仅次 子银、铜而居第三位。所以，纯铝常被用 来代替昂贵的铜制作输电线及其它电器元 件。 铝及铝合金有很好的抗大气腐蚀能力，其 磁化率极低，接近于非铁磁性材料。


3、加工性能良好
铝及铝合金（退火状态）的塑性好，可以 冷成形，切削性能也很好。 铸造铝合金的铸造性能极好。
6.1.2.3 变形铝合金


变形铝合金按性能特点可分为
不可热处理强化铝合金--防锈铝 可热处理强化铝合金--硬铝,超硬铝和锻铝。


变形铝合金的表示方法
防锈铝用“铝”和“防”二字的汉语拼音第一个 字母“L”和“F”加顺序号表示，如五号防锈铝用 LF5表示。 硬铝用“铝”和“硬”二字的汉语拼音第一个字 母“L”和“Y”加顺序号表示，如十二号硬铝用 LY12表示。
第六章 有色金属及其合金

有色金属：我们通常把铁基合金（钢铁） 称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为 有色金属。 有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的 许多特殊的机械、物理和化学性能，是现 代工业中不可缺少的金属材料。

6.1 铝及其合金

1、比重小、强度高 铝的比重为2.72（g/cm3），约为铁的三分 之一，其比强度与合金钢相比。因此，航 空工业的发展是与铝合金密切相关的。可 以说，没有现代的铝合金加工工业，也就 没有今天的航空工业。至于，在民用工业 部门，如机械、造船、运输、电器、建筑 等部门，铝合金的使用更为人们所皆知。
6.1.2.2 铝合金的热处理特点


合金元素对铝的强化作用是通过热处理实现的。由于铝没 有同素异构转变，故其热处理强化与钢不同 铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大 固溶度，且随着温度的降低而固溶度急剧减小。故铝合金 经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。 这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时， 其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低， 这个过程称作时效。 时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或 时效硬化。 淬火（又称固溶）+时效处理是铝合金强化的一种重要手 段。

2、铜原子富集区有序化（GP[II]区） 在GP[I]区的基础上铜原子进一步偏聚，GP区进一 步扩大，并有序化，即形成有序的富铜区，称为 GP[II]区.常用θ"表示。由于GP[II]区与基体仍保持 共格关系，因此其周围基体产生弹性畸变，它比 GP[I]区周围的畸变更大,由于形成的GP[II]区的密 度很大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时 效强化作用更大。GP[II]区--θ"相析出阶段为合金 达到最大强化的阶段。






合金的时效过程亦是一种固态相变过程，析出 相的生核与长大伴随着溶质原子的扩散过程，在不同 温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、分布以 及聚集长大的速度不同，因而表现出不同的时效强化 曲线。各种不同合金都有最适宜的时效温度。若温度 过低，由于扩散困难，GP区不易形成，时效后强度、 硬度低，当时效温度过高时，扩散易于进行，则过饱 和固溶体中析出相临界晶核尺寸大、数量少，化学成 分更接近平衡相，结果在时效强化曲线上达到最大强 度值所需的时间短，强度峰值低。