铝及铝合金材料论文

湖南高速铁路职业技术学院
学生课程论文
题目：铝及铝合金材料论文
系部：铁道机电系
专业：铁道机车车辆
班级：车辆1001
学号：************
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指导老师：***
时间：2012年6月17日
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目录
铝的简介 (3)
铝材料的发展史 (3)
铝材料的特点 (4)
铝的化学性质 (4)
铝材料的应用 (5)
铝合金基本知识.................................................................................6. 铝合金的分类 (7)
铝合金性能 (8)
铝合金强化 (9)
铝合金的优越性 (9)
铝合金的发展方向 (10)
中国铝加工业的崭新发展时期 (10)
结束语 (11)
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铝的简介
铝是自然界中分布最广的金属元素，地壳中铝占地壳总量的8.8%（重量），仅次于氧和硅。

铝通常以复杂的硅酸盐形态存在，铝元素在地壳中的含量居金属首位。

据报道，地球上的某些石英矿脉中以及月球土壤中含有少量自然铝。

已知的含铝矿物有250多种，其中最常见的是铝硅酸盐类。

表2.1铝的总体特性
铝的总体特性
名称、符号、序号铝、Al、13 共价半径118 pm
周期、元素分区13族(IIIA), 3, p 范德华半径无数据
密度、硬度2700kg/m3、2.75 价电子排布[氖]3s23p1
颜色银白色电子在每能级的排布2，8，3
原子量26.9815386(8) 氧化价（氧化物）3（两性的）
原子半径125（118）pm 晶体结构面心立方晶格
铝材料的发展史
相对于其他金属，铝的发现比较晚。

铝的发展历史至今也不过200年。

1807年，英国H.达维发现铝，1808年汉弗里·戴维爵士首次使用了“Aluminum”这个词，并开始尝试生产铝。

1809年他在电弧炉中炼出一种铝铁合金，1825年丹麦化学家汉斯·奥斯特成功用钾从氯化铝中还原出铝：
1827年弗里德里希·维勒用金属钾还原熔融的无水氯化铝得到较纯的金属铝单质。

由于取之不易，当时铝的价格高于黄金。

德维尔（Henri Etienne Sainte-Claire Deville）在1846年纯化了维勒过程，并发表在1859年的一本书上。

自从电解炼铝法问世以来，铝的生产量和消费量大约以平均每10年增长1倍的规模发展，特别是近几十年来，由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展，铝工业的发展速度更是惊人。

从1940年世界原铝产量不到100万吨，到1980年达1650万吨，到2010年达4000万吨，预计到2020年其产量可能突破1亿吨大关。

中国的炼铝试验工作起始自1934年天津的黄海化学工业社，用800A预焙阳极电解槽炼出金属铝。

抚顺铝厂开始兴建于1937年，电解槽为自焙阳极式，电流强度为24000A 最高年产铝量达到8000t。

改革开放前发展速度十分缓慢，之后我国的铝工业进入了一个高速发展的时期，到2002年中国电解铝的产能达500万吨/a,超过美国而居榜首。

但是由于中国的加工技术相对落后，所以中国的平均产能（1.0以下）远远低于发达国家的平均产能（1.0~17.5）。

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铝材料的特点
1.铝是一种轻金属，具有银白色的金属光泽。

2.铝是一种优良的导电材料。

铝的导电能力虽然只有铜的60%~70%，但是按重量计
算，铝能够更好地导电。

3.铝具有良好的导热性能。

铝的热导率大约是不锈钢的10倍。

因此铝是制造机器
活塞、热交换器、冷却翅板、饭锅和电熨斗的理想材料。

4.铝还具有良好的光和热的反射能力，所以铝用来制造反光镜，又可作绝热材料。

铝没有磁性它不会产生附加的磁场，在精密仪器中不会起干扰作用。

5.铝易于加工，可压成薄板或铝箔，或拉成铝线，挤压成各种异形的材料。

6.铝的物理和化学性质与其纯度有关。

铝愈纯，则其导电性和导热性愈好，化学
性能愈加稳定。

铝的化学性质
虽然铝是一种非常活泼的常用金属，它在一般的氧化环境中却是很稳定的。

这是因为暴露在氧气、水和其他氧化剂的新鲜铝表面上生成一薄层连续的氧化铝膜，它具有很大的稳定性。

此层氧化铝的分子体积大约是氧化反应中所消耗的铝的体积1.3倍。

所以此层氧化膜是处于压应力之下，一旦局部受到损伤，立即能够弥补。

在干燥的氧气中，此层表面膜的厚度达到极限值，它与温度有关。

在室温下，其厚度为2.5~3.0nm。

在室温以及100%相对湿度时，所生成的氧化铝膜大约是在干燥氧气中的两倍。

在潮湿的环境中，通常生成两层氧化铝膜；紧贴在金属表面上的连续膜，在固-气界面上转化为氢氧化合膜。

在较高的温度下以及在铝合金（特别是那些含镁和铜的铝合金）的表面上，生成结构上更加复杂的氧化膜。

氧化薄膜又使铝不易被腐蚀。

铝能够与稀的强酸（如稀盐酸，稀硫酸等）进行反应，生成氢气和相应的铝盐，但一般需要将其氧化膜去掉或快速摩擦后放入酸液中。

与一般的金属不同的是，它也可以和强碱进行反应，形成四羟基合铝酸盐（曾被认为是偏铝酸盐）和氢气。

因此认为铝是两性金属，铝的氧化物称为两性氧化物，而氢氧化铝则称为两性氢氧化物。

在常温下，铝在浓硝酸和浓硫酸中被钝化，不与它们反应，所以浓硝酸是用铝罐（可维持约180小时）运输的。

纯铝较软，在300℃左右失去抗张强度。

经处理过的铝合金，质轻而较坚韧。

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铝材料的应用
铝的应用概述
铝是第二大金属，产量和用量仅次于钢铁。

铝的密度小，导电、导热和反光性能良好，铝有良好的抗腐蚀性能，铝和多种铝合金有很好的延展性，可以进行各种塑性加工，铝有熔点低、铸造性能好等特性。

中国铝的消费市场简介如下：
（1）轻工业
目前轻工业是中国消费铝大户“，七五”和“八五”期间轻工业耗铝量约占全国铝消费量的32.8%和22.5%，以日用五金、家用电器、日用玻璃和日用化工用铝最多，分别占轻工业耗铝量的52%、31%、5%和3%。

西方工业发达国家轻工业用铝所占比例要小。

（2）电气行业
中国高压输电线路几乎都是钢芯铝绞线，另外变压器线圈、感应电动机转子、母线排等也多用铝，还有铝电力电缆、铝布电线、铝电磁线等。

电线电缆用铝量约占电气行业用铝量的75%~85%。

（3）机械制造业
机械制造业主要使用铝合金“，七五”及“八五”期间耗铝量约占全国铝消费量的8.1%和6.7%，也是一个重要的用铝行业。

（4）电子行业
电子行业用铝广泛，民用产品及基础器件收音机、扩大机、电视机及电容、电位器、扬声器等，军工产品雷达、雷达侦察干扰设备，战术导弹加套设备、卫星地面站加套设备等均大量用铝。

（6）冶金行业
铝主要用于炼钢脱氧、铁合金和特种钢生产的添加剂。

大体上炼万吨钢需消耗铝8.8t，一般普通钢耗铝量0.4~0.5kg/t。

不锈钢耗铝量高达30kg/t。

随着冶金行业产品结构调整，增加高效钢和锈钢产量比例，用铝量还会增多。

另外还有诸多行业就不一一列举了
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铝合金基本知识
以铝为基的合金总称。

对铝进行合金化，铝合金保持了纯铝的基本物化性能。

如相对密度小、导电、导热、耐蚀性好等，且强度有了大幅度上升。

纯铝的密度小
（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。

抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。

图2.5 铝合金二元相图
通过长期的生产实践和科学实验，人们常加入的主要合金元素有铜、镁、硅、锌、锰、锂，辅加的微量元素有钛、钒、硼、镍、铬、稀土金属等，杂质元素有铁等合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～
60kgf/mm2。

这样使得其“比强度”（强度与比重的比σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。

采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上.不同的合金元素在铝合金中形成不同的合金相，起着不同的作用。

铝合金主要应用固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化等方式来提高其力学性能。

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表2.8 主要合金元素在铝中的极限溶解度w %
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，铝合金冷变形和热处理后，抗拉强度可达
500-600Mpa，相当于低合金钢，广泛应用于结构材料，使用量仅次于钢。

在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

铝合金的分类
铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类：
表2.9 铝合金的分类及性能特点
分类合金名称合金系性能特点示例
变形铝合金非热处理
强化铝合
金
防锈铝
Al-Mn 抗蚀性、压力加工性与
焊接性能好，但强度较
低
3A21
Al-Mg 5A05
热处理强
化铝合金
硬铝Al-Cu-Mg 力学性能高2A11,2A12
超硬铝Al-Cu-Mg-Zn 硬度强度最高7A04,7A09
锻铝
Al-Mg-Si-Cu 锻造性能好
耐热性能好
2A14,2A50
Al-Cu-Mg-Fe-Ni 2A70,2A80
铸造铝合金简单铝硅合
金
Al-Si
铸造性能好，不能热处
理化，力学性较低
ZL102
特殊铝硅合
金
Al-Si-Mg
铸造性能良好，可热处
理强化，力学性能较高
ZL101
Al-Si-Cu ZL107
Al-Si-Mg-Cu ZL105,ZL110
Al-Si-Mg-Cu-Ni ZL109
铝铜铸造合
金
Al-Cu
耐热性好，铸造性能与
抗蚀性差
ZL201
铝镁铸造合
金
Al-Mg 力学性能高，抗蚀性好ZL301
铝锌铸造合
金
Al-Zn 能自动淬火，宜于压铸ZL401
铝稀土铸造
合金
Al-Re 耐热性能好—
7
1 变形铝合金能承受压力加工。

可加工成各种形态、规格的铝合金材。

主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。

2 形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。

不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。

可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，根据合金的特性，形变铝合金分为：防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四类。

铝合金性能
（1) 流动性
流动性是指合金液体充填铸型的能力。

流动性的大小决定合金能否铸造复杂的铸件。

在铝合金中共晶合金的流动性最好。

（2) 收缩性
收缩性是铸造铝合金的主要特征之一。

一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷到室温，共分为三个阶段，分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。

合金的收缩性对铸件质量有决定性的影响，它影响着铸件的缩孔大小、应力的产生、裂纹的形成及尺寸的变化。

（3) 热裂性
铝铸件热裂纹的产生，主要是由于铸件收缩应力超过了金属晶粒间的结合力，大多沿晶界产生从裂纹断口观察可见裂纹处金属往往被氧化，失去金属光泽。

裂纹沿晶界延伸，形状呈锯齿形，表面较宽，内部较窄，有的则穿透整个铸件的端面。

（4) 气密性
铸铝合金气密性是指腔体型铝铸件在高压气体或液体的作用下不渗漏程度，气密性实际上表征了铸件内部组织致密与纯净的程度。

（5) 铸造应力
铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力三种。

各种应力产生的原因不尽相同。

铸铝合金件中的残留应力降低了合金的力学性能，影响铸件的加工精度。

铝铸件中的残留应力可通过退火处理消除。

合金因导热性好，冷却过程中无相变，只要铸件结构设计合理，铝铸件的残留应力一般较小。

（6) 吸气性
铝合金易吸收气体，是铸造铝合金的主要特性。

液态铝及铝合金的组分与炉料、有机物燃烧产物及铸型等所含水分发生反应而产生的氢气被铝液体吸收所致。

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铝合金强化
铝合金强化的主要方式有：
①变形强化（加工硬化）：对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷压力加工，产生加工硬化而强化。

②变质处理（细晶强化）：适合铸造铝合金
③固溶强化：铝合金都有，如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形成有限固溶体。

铝合金的优越性
1.重量轻。

铝的密度为
2.7 kg/dm3,与铜（密度为8.9 kg/dm3）或铁（密度为7.8
kg/dm3）比较，约为它们的1/3。

在相同条件下，铝合金车身与含铜耐磨钢车身相比，重量可减轻35%以上。

由于重量减轻，在同样牵引力的条件下，铝合金车体可增加运量10%，节能9.6%—12.5%［2］。

所以铝及铝合金材料是航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。

2.强度好。

虽然纯铝的力学性能不如钢铁，但其比强度高，可以添加铜、镁、锰、铬等合金元素，制成铝合金并经热处理后而得到较高的强度。

3.加工容易。

铝及铝合金不仅可以切削加工，还可以进行塑性加工。

铝的延展性优良，易于挤出形状复杂的中空型材，适于拉伸加工及其他各种冷热塑性成形。

4.美观，适于各种表面处理。

铝及铝合金表面有氧化膜，呈银白色，相当美观。

如果经过氧化处理，其表面的氧化膜更牢固。

而且还可以用染色和涂刷等方法，制造出各种颜色和光泽的表面。

此外，铝及铝合金还具有耐腐蚀性、良好的导热性和导电性、良好的耐药性等优点。

9
铝合金的发展方向
随着技术的进步和新型铝合金材料的开发利用，锻造铝产品将会有更大的提升空间，铝合金锻件必将得到更广泛的应用。

随着铝加工工艺技术不断创新，并向节能降耗、安全环保、精简连续、高速高效方发展，必将促使铝加工设备加速更新换代，并向大型化、集约化、精密化、自动化和标方向发展。

特别是新的技术、新的工艺和新材料的研发过程，一定将伴随着新装备的发。

新技术的开发成功都是由新装备为基础来实现的。

近年来我国铝加工装备有了很大的发展，但与世界先进水平相比仍有很大差距，需要加速发展，并更多应着力于自主新和开发，或是在引进、消化、吸收基础上以创建我国相对完整的铝合金材料及加工技术、工艺、装备的自主知识产权体系。

目前，我国已掀起了铝加工发展的第三次高潮，拟建大批具有一定规模和高装备水平的挤压生产线、精密模锻生产线、深加工生产线，同时大力开发新产品和新技术，不断提高质量，提高生产效率和经济效益。

可以预料，铝及铝合金工业将成为我国的支柱产业之一，我国将成为世界铝及铝工业大国、强国。

中国铝加工业的崭新发展时期
从全球层面看，近年来，年均铝需求增长3～5％，而可以看到的是：中国则是以年均15～25％的速度在增长，这表明在中国铝工业进入到了一个新的发展时期。

经济发展的新时期对节能、环保、安全，高效提出了新要求，铝在新经济时期愈来愈发挥着重要作用。

1、铝的冶炼(电解)过程是极大的赋能过程，其所耗电能是钢的倍，远高于其它材料，从这个角度说，它更适合于水电丰富的国度或区域，以储自然之能。

2、主要体现在交通运输及建筑结构上，灵活性、轻量化、节能性、高速度这些是现代交通对应用材料的现实要求，铝正是这些综合性选择的最佳材料之一。

3、铝的表面亲合性，加工的相对简易，以及比刚度、比强度的优势(以及对能量的吸附能力)使人们对铝的安全性及它的时尚特性赋以更多的内涵。

不仅如此，铝及其合金在提高国防装备性能、精确度、快速反应能力及远程作战等方面都起到不可替代的作用。

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结束语
中国铝加工进入了新一轮高速发展时期，铝材的应用在全球范围越来越广泛，并且已经看到全球以交通运输成为了铝材第一大使用行业，在中国现阶段仍是以建筑材料为第一消费行业，这符合中国国情，但随着经济的不断发展，产业结构的调整和消费的取向必将转移，为迎接未来的需求，中国铝加工业尚需不断努力。

中国铝加工业目前正面临新一场深刻的变革，且将进入一个空前的剧烈分化、调整、重组和大发展的时期。

企业的优胜劣汰将会大大加速，大型化、集团化、规模化、现代化和国际化已成为当今铝加工的重要标志，产业和产品的不断调整，企业体制和机制将不断创新，管理将向科学化、信息化、高效化方向发展，以资本多元化的集约式组合，这都是铝加工企业发展的趋势。

这里需要特别提出的是，如何在国家层面，以企业集团的技术中心、学院及研究院所共同构建铝加工的技术研发核心体系，形成具有自主创新并涵盖材料、工艺、技术、装备各要素的集约式研发基地，并同时构建基础理论、应用研究、产品开发综合体系，是值得我们共同关注和努力的。

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