金属材料学第9章铝合金

强化相
θ（CuAl2）、金属间化合物S （CuMgAl2）是强化相，S相最高。
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热 处 理 特 性
①要严格控制淬火温度。 如： 牌号 正常淬火温度 过烧温度 2A02 495~505 510~515 2A10 510~520 540 2A12 495~500 507 ②转移时间尽量短< 30″，航空件< 15″； ③冷速要快，热水淬； ④常用自然时效。 飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等
点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它 比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化 作用更大。
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(3)形成过渡相θ＇
θ"相转变 成过渡相θ＇ 强度、硬度开始降
θ′是正方点阵， 成分接近CuAl2
低，合金此时处于
过时效阶段。
完全共格 → 局部共格
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(4) 形成稳定的θ
G.P.区
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过渡相
过渡相
平衡相
(1)
形成铜原子富集区
铜富集区 称G.P.区
晶体结构与基体α同， 但产生了共格应变区。
强度、硬度↑。G.P.呈盘状，仅几个原
子层厚，室温下直径约5nm，超过200℃
就不再出现G.P.区。
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(2) 铜原子富集区有序化
G.P.区急剧长大， G.P.区铜原子有序 化，形成θ"相。 θ"相与基体仍然 保持完全共格，具 有正方点阵。
析出稳定相 θ （CuAl2） β （Mg2Si） S Al2CuMg M /η （MgZn2）
Al-Cu
Al-Mg-Si Al-Cu-Mg Al-Mg-Zn
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图9.3时效温度与硬度关系曲线 图9.4 130℃时效时铝铜合金的硬度与时间关系
峰时效：合金获得很好的强化效果，时效组织中的强化 相多为亚稳平衡相。 欠时效：过饱和溶质原子偏聚或亚稳相孕育析出。 过时效：亚稳相→平衡相，与基体脱离平衡关系。
自然时效：在室温下自发强化的过程。 人工时效：在某一人工加热温度下进行的时效过程。共 格或半共格亚稳过渡相（θ″或θ′）强化效果最佳，数 量越多，弥散度越大，强化效果越佳。
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以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程：
Al-Cu合金淬火+时效过程组织形成示意图
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工业铝L1（1070A）、L2（1060）、L3 （1050A）、L4（1035）…L6数字越大纯度越低 高纯铝LG5(1A99)、LG4(1A97)、LG3（1A93）、 LG2（1A90）、LG1（1A85） 数字越大纯度越高。 国际牌号：1350，“1”-纯铝，第二位表示对杂质 范围的控制要求，“3”表示有三种杂质应受到控制， 即（V+Ti)<0.02%， B<0.05%， Ga<0.03%； “50”表示小数点后两位。
(所用材料大部分是铝合金)
现代飞机有70％是铝和铝合金制造 的，所以人们称铝是“会飞”的金属。
我国第一颗人造地球卫星“东方红一号” 的外壳就是用铝合金制成的。导弹的用铝量 占总质量的10％～50％。美国的阿波罗Ⅱ号 宇宙飞船使用的金属材料中，铝和铝合金占 75％。
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纯Al老牌号：工业纯Al的牌号以“L”加一顺序号数 字表示（括号内为新牌号GB/16474—1996）
T淬范围较宽，一般为450~480℃， 人工分级时效：先在120℃时效3小时， 第二次在160℃时效3小时，形成G.P.区 和少量的η´相，达到最大强化状态。 应用：飞机工业中重要的结构材料。
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主要超硬铝合金LC4的强化相如下： η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3) 、θ 、 S，这些相在Al中有很高的溶解度 并随温度的下降而显著减小，固溶 体过饱和度大，故有强烈的时效强 化效果。 缺点是应力腐蚀敏感沿晶界连续分 布性大，其原因为：阳极区－无沉 淀带，导致应力腐蚀断裂。 人工时效后，沿晶界析出较粗大 (MgZn2)相，产生腐蚀坑，裂纹 源。
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1.Al的合金化及强化 Al的强度硬度都很低，难以作结构材料，必 须添加合金元素，并通过冷变形或热处理来 强化 Al无同素异构转变，不能象钢一样通过热处 理相变强化 合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀 强化，过剩相强化和细化组织强化
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2合金元素的作用
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一、固溶处理 将合金加热到固溶线以上， 并保温，快冷。得到过饱 和不稳定的固溶体组织， 为后续的时效处理作准备。 铝合金固溶处理后，获得 了溶质原子和空位双重过 饱和的固溶体，塑性和耐 蚀性提高。
加热固溶
淬火过饱和
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二、时效处理 时效：指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度 下，随时间增长而分解，导致合金强度和硬度升高的现 象。 时效实质是沉淀强化相从过饱和固溶体中析出和长大。
（硬铝合金）：代号 LY1, LY6, LY12 热 处 理 型 铝 合 金 •Al-Zn-Mg-Cu系：7A03, 7A09 （超硬铝合金）： 代号LC3, LC9
•Al-Mg-Si-Cu系：6063，2A50, 2A14; (锻铝合金）： 代号 LD31 , LD5, LD10
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9.1.2铝合金热处理强化特点
特点：淬火加热时不发生同素异构转变。 热处理强化包括固溶处理与时效处理。
固溶 处理
α+β→αss 固溶度↑
强度/硬度变化小 塑性明显↑
时效 处理
第二相从固 溶体中析出
力学性能等发生 显著变化
时效形式：人工时效，自然时效 一般“回火”用于晶型转变的淬火合金， “时效”用于非晶型转变的淬火合金。
图9.1
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根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际 四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。 1983年国际标准化组织将美国国家标准纳入ISO
国际标准中。
在国家标准（GB/T16474—1996）中，变形铝 用四位数字牌号： 第一位表示合金系列，按合金中主要元素分类。
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1×××
以镁和硅为主要合金元 素并以Mg2Si相为强 化相的铝合金
以锌为主要合金元素的 铝合金 以其他元素为主要合金 元素的铝合金 备用合金组
6×××
2××× 3××× 4××× 5×××
7××× 8××× 9×××
GB 3190-82中的旧牌号仍可 继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号
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9.2.4锻铝
Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加顺序 号表示。常用的合金有6A02、2A14等 具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝 相近，但热塑性及耐蚀性较高。
成分 性能
特点 应用
主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然 时效倾向，淬火后应立即人工时效。 主要用做航空仪表中形状复杂、强度要 求高的锻件。
Cu 固溶强化，沉淀强化，提 高铝合金的耐热性 Mg 固溶强化，降低密度，提 高耐蚀性，不能单独加入， 必须配合其他合金元素加入 Mn 提高耐蚀性 Si 过剩相强化，铸造合金。 Zn 固溶强化，沉淀强化，提 高耐蚀性
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9.1.1.铝合金的分类
可将铝合金分为变 形铝合金和铸造铝 合金（以B点为界） 两大类。 变形铝合金又分为 可热处理强化和不 可热处理强化（以D 点为界）两类。
过渡相θ＇ 完全脱溶
形成稳定相CuAl2， (θ)与基体非共格 合金的强度、硬度进一步下降
合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相 以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化 效果也不一样
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表9.1 常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相19
合金系
时效过程的过渡阶段 ①形成铜富集区—G.P.区 ②G.P.区有序化—θ"相 ③形成过渡相θ＇ ①形成铜、硅富集区—G.P.区 ②形成有序的β＇相 ①形成铜、镁富集区—G.P.区 ②形成过渡相S＇ ①形成铜、锌富集区—G.P.区 ②形成过渡相M＇
应用
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图9.5 铝铜镁三元合金垂直截面
9.2.3超硬铝合金
成分 性能 Al-Zn-Cu-Mg系。7A + 顺序号表示 室温强度最高，500~700MPa，缺点 是耐蚀性差，疲劳强度低，<120℃的 温度下使用。 强化相:MgZn2 \ Al2Mg3Zn3
特点 应用
铝 合 金 制 品
铝合金波纹管
铝是可以回收利用的金属
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Al-Mn系：
非 热 处 理 型 铝 合 金
（ 防 锈 铝 合 金 ）
3A21
3A02（
代号LF21， LF2
Al-Mg：: 5A02, 5A03,5A12 代号LF2, LF3, LF12
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•Al-Cu系：
2A01,2A06, 2A12
第二位字母表示原始合金的改型情况， “A” 表示原始 合金；“B”～“Y”表示原始合金的改型合金。 最后
两位表示不同牌号的铝合金。
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形变铝合金的牌号
组别 牌号系列 组别 牌号系列
纯铝（铝含量不小于 99.00%）
以铜为主要合金元素的 铝合金 以锰为主要合金元素的 铝合金 以硅为主要合金元素的 铝合金 以镁为主要合金元素的 铝合金
第9章 铝合金aluminium 9.1 概述
Al及其合金在工业生产中的应用量仅次于钢铁，居有色金属首位。 Al及其合金的特点: 密度小，比强度和比刚度高，导热导电性优良，耐腐蚀。 应用： 应用于宇航，飞机制造业，民用中主要用于建筑，运输，电力等行业
我国和世界铝年产量
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美F-117隐身战斗机
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Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻
铝合金 耐热相为FeNiAl9相，它无 时效强化作用，但在高温起弥 散强化作用。 常用牌号有 2A70(LD7)、 2A80(LD8)、 2A90 (LD9)等 。用于制造150 ~225℃下工作的零件，如压 气机叶片、鼓风机叶片等散热 零件。
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影响时效强化的主要因素
规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越 短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大。 要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t 长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止 淬火变形开裂，一般采用20～80℃水冷却。 温度：对一定合金，有最佳时效温度； 时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间； 方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效。
固溶 处理
时效 工艺
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思考题： 直接析出稳定相在热力 学上是有利的，但为什么不 是直接析出稳定相?
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9.2形变铝合金wrought aluminium alloy
9.2.1防锈铝
Mn，Mg是防锈铝主要添加元素 镁提高电极电位， MnAl6与基 体电极电位相近，耐蚀性高。
卫星天线 （LF2）
用“3A” 或“5A”加一组顺序号表示。 具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。 不能进行热处理强化。适合于制作焊接 管道、容器、铆钉、各种生活用具以及 其它冷变形零件。
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9.2.2硬铝
主要是Al-Cu-Mg系合金，2A + 顺序号表示 可进行时效强化，也可进行变形强化。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。
分类
①低强度硬铝，如2A01、2A10 等合金； ②中强度硬铝，如2A11等合金； ③高强度硬铝，如2A12等合金, 2A12是使用最广的高强度硬铝合金
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分类
时效处理后具有高硬度、强度， 优良的加工性和耐热性，但塑性、 韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低， 强度较低而塑性高；反之，强度高 而塑性低。
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图9.2 Al-Cu 合金各相Leabharlann Baidu出温度和时间
2016/6/13
Al-Cu合金淬火→过饱和α固溶体→形成第二相原子 富集区（GP区）→原子富集区有序化（ θ″）→ 形成过渡相θ′→析出平衡相θ(CuAl2）。