最新金属材料学第八章铝合金

表8－1 淬火前后不同合金的机械性能
合金
σb（MN/m2）
退火态 或铸态
淬火态
δ（％）
退火态 或铸态
淬火态
LY12 200（退火） 300 25（退火） 23
ZL301 150（铸态） 300
1（铸态）
12
ZL101 160（铸态） 200
2（铸态）
6
4）淬火后性能出现差异的原因： 固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡
均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中 能形成强烈的应变场。
3、过剩相强化：
1）定义： 当合金元素加入量超过其极限溶解度时，合 金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体，这部分 第二相称作过剩相。
2）过剩相对合金性能的影响 ： 过剩相一般为强硬脆的 金属间化合物，当其数量一定且分布均匀，对铝合金有较 好的强化作用，但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会 脆化合金，其强度也会下降。
金属材料学第八章铝合金
课程特点和要求
课程特点：综合性、应用性、经验性。
课程要求：结合相图知识，掌握合金化基本理论，
了解材料成分设计的基本依据，熟悉生产中常用 的材料及其热处理工艺、组织、性能之间的关系， 根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工 艺。
➢分类
纯铝按其纯度分为高纯、工业高纯和工业纯，纯度依 次降低。
1、概述： 1）定义： 淬火是指将合金通过加热到固溶体溶解度曲 线以上温度保温，然后以大于临界冷却速度急速冷却，从 而得到过饱和固溶体的热处理方法。 时效是指将淬火状 态的合金在一定温度下保持适当时间，使淬火得到的过饱 和固溶体发生分解，从而大大提高合金的强度。
2）淬火及时效的作用：
铝合金重要的综合热处理方式，提高铝合金强度的重 要手段。
新相和母相的自由能差）。 △G＝－V△GV＋Sσ＋V△Ge
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相图分析：
2、时效（沉淀）强化：
单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另 一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶（淬火）处理+ 时效热处理。
铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件： ① 沉淀强化相是硬度高的质点； ② 加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且
其随温度降低而显著减小； ③ 淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出
3）变质处理 ：以铝硅合金为例（如图所示），共晶组织 中的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低， 若使共晶硅细化成颗 粒，可以显著改善组 织的塑性。通常采用 变质处理，加入钠盐 变质剂，使共晶合金 变成α固溶体和细小的 共晶组成的亚共晶组 织，共晶中硅呈细粒 状。
4、细晶强化：
通过向合金中加入微量合金元素，或改变加工工艺及 热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高 合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。
想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。 6）淬火及时效处理的优越性：
在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。
2、脱溶过程中系统自由能的变化：
1）定义： 脱溶（或沉淀）是指：从过饱和固溶体中析 出一个成分不同的新相或溶质原子富集的亚稳区过渡相的 过程，属于固态相变的范畴。
2）脱溶时的能量变化： 若脱溶过程能够进行，则必有△G＜0（其中△G表示
以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度D为界线将 各种Al合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
变形铝合金：
是指成分小于D点的合金可以得到单相固溶体组织， 塑性变形能力好，适合于冷热加工。
变形铝合金又可分为热处理强化和不可热处理强化铝 合金两种：成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而 变化，故不能用热处理强化； 反之则可以通过时效处理而 沉淀强化。
铸造铝合金：
是指成分比D点高的合金属铸造铝合金。这类合金有良 好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高， 可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至 薄壁的零件或毛坯。
➢ 铝合金的强化方式
1、固溶强化： 铝合金中常加入的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn，
Si，Li等都与Al形成有限固溶体，有较大的固溶度（见表 10-1），具有较好的固溶强化效果。
目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、 Mn、Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此 得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许 多Al合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni、B、 Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金的综合性能。
无论加入哪种合金元素，各类Al合金的相图一般都具 有如下图的形式，相图靠Al端都具有共晶相图特点。
➢应 用
工业纯铝强度低，室温下仅为(45～50)MPa，故一般 不宜用作结构材料。工业纯铝主要用作配制铝基合金；高 纯铝则主要用于科学试验，化学工业和其他特殊领域。此 外纯铝还可用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包 覆材料及化工容器等。
铝合金的分类及强化
➢ 铝的合金化和强化方式
为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某 些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其 机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。
如：变形铝合金的形 变再结晶退火，铸造铝合 金通过改变铸造工艺（如 变质处理）及加入微量元 素（如0.1～0.3%Ti）的方 法（分析铝钛相图）都可 以达到细化组织的目的。
5、形变强化： 对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合
金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。
➢ 沉淀强化相的脱溶过程
的其他相）强化之间的差异造成的。
（注：淬火加热时，第二相会出现溶解）
若淬火前第二相的强化效果 ＜ 淬火后固溶强化的效果， 则淬火后合金的强度↑；
若淬火前第二相的强化效果 ＞ 淬火后固溶强化的效 果，则淬火后合金的强度↓。
5）淬火后进行时效处理的必要性： 大多数铝合金，淬火后强度有所提高，但幅度不大；要
3）淬火后合金性能的变化 对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不
同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：①σ↑， δ或ψ↓；②σ↓，δ或ψ↑；③σ↑，δ或ψ↑；④σ，δ或ψ基本无 变化。
通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高， 其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度 和塑性通常都有所提高。