工程材料学(第8章 铝合金)

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。
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。 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
3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au 而位居第四位，约为纯铜导电率的60％）； 4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。

工业纯铝

物理性能
工业纯铝有银白色光泽，密度小（ 2.72g/cm3 ），熔点低（660℃），
原子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。
3、脱溶的一般序列：
凡是有固溶度变化的相图，从单相区进行两相区时都会 发生脱溶沉淀。 现以Al－Cu合金为例说明脱溶转变的过程：从Al－Cu 合金相图可知，该合金室温组织由 α固溶体和 θ相（ CuAl2）
构成，加热到550℃保温，使θ溶入α，得单相α固溶体，如
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 新相和母相的自由能差）。 △G＝－V△GV＋Sσ＋V△Ge
式中：V为新相体积；S为新、旧相的界面积；△GV和△Ge分别 表示形成单位体积新相时自由能和应变能；σ表示新、旧相界单位面 积的界面能。（液态形核只有前两项）
脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界 面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不 但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。
结构分析方法各自独立发现， Al － Cu 合金单晶体自然时
效时在基体的 {100} 面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜 的碟状薄片（约含铜90％），其厚度为0.3～0.6nm，直径 为0.4～0.8nm。 为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名
为G.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.P区。
为非磁性材料。
固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好 的塑性和韧性，在0～253℃之间塑性韧性不降低。

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。

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。
提示：从能量与相的稳定性方面考虑。
解 答： 这是因为平衡相与基体相之间往往是非共格界面，
而过渡相和基体相之间是共格或半共格。由于共格相界的
界面能最低，且相变初期界面能是抑制相变的主要因素，
所以形核功小，这就意味着时效过程中容易先析出过渡相， 只有在一定的条件下才由亚稳定的过渡相转变为稳定的平 衡相。另外，过渡相在成分上更接近于基体相，形核时所 需的成分起伏小，这也是过渡相容易形成的原因之一。 4、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：
与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保 留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。凡 是能增加空位浓度的因素均能促进 G.P区的形成。例如： 固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空
位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。
2）过渡相 ：
过渡相的形状与尺寸： Al-Cu合金中有θ ’’和θ ’两种过渡 相。θ ’’呈圆片状或碟形，直径为30nm，厚度为2nm。而 θ ’ 是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片 状或碟形，尺寸为100nm数量级。 过渡相的晶体结构与界面： 过渡相往往与基体共格或部

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。
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：
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。
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
ZL301 ZL101
200（退火）
150（铸态） 160（铸态）
铀、镭、铍；用于石油化工领域的钛、铜、镍等。
本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、 铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特 点，合金化及热处理以及材料一般用途等。
第一节

铝合金中的合金元素
概述
1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）；
2、密度低（ 2.63～2.85g/cm3 ），比强度高；
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
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
分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体
之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变
能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及 空位团等处不均匀形核。因此，其形核速率将受材料中位
错密度的影响。此外，过渡相还可能在G.P区中形核。
θ’’相为正方点阵：a＝b＝0.404nm，c＝0.768nm，θ’’相
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
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电子显微镜下观察呈圆盘状，直
径约为8nm，厚度约为0.3～0.6nm。 G.P区的晶体结构与界面：Wcu为0.90时，是溶质原子富集 区，它在母相的 {100} 晶面上形成，点阵与基体 α 相相同 （fcc）并与α 相完全共格。
G.P区形成的原因：G.P区的形核是均匀分布的，其形核率
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。
①
② ③
沉淀强化相是硬度高的质点；
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； 淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出 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
尤其是高科技领域具有极为重要的地位。
例如：铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、
比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和
军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优良 导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少 的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和 电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的
第八章 铝合金
铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀，为航空结 构件之优选材料。铜和铜合金有很好导电和导热性，
为电气和仪表元器件之优选。
金属分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包 括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属 以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对
于黑色金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域
表8－2 界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关系
界面状态
（弹性应变）
新旧相晶 体结构， 点阵常数
界面 能 低
应变 能 高
新相形状 薄片状或盘状
共格
接近
半共格
非共格
较接近
差异大
中
高
中
低
针状等
球状或等轴状
注：1）共格界面不可能完全共格，只有在产生高的弹 性应变的前提下，才形成共格界面。 2 ）非共格界面两侧


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。 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