金属材料_铝及铝合金

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三、铝合金的分类(形变铝合金)
小于F点的合金，固溶体成分不随温 度而变化，不能通过热处理方法强 化，称为不可热处理强化的铝合金
成分在F-E之间的合金，固溶体成 分随温度变化，可通过热处理方法 强化，称为可热处理强化的铝合金
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四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)
1．退火 (1)再结晶退火：再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用于消除 变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进行 成形加工。 (2)低温退火： 消除内应力，适当增加塑性，通常在180～300℃ 保温后空冷。 (3)均匀化退火：消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性， 通常在高温长时间保温后空冷。
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组织

α+θ相（CuAl2）+ S相（Al2CuMg） 组织因Cu/Mg不同，组成相不同，性能也有差别 随Cu%提高，θ%提高，S%降低； Mg%提高，θ%降低，S%提高
当Mg%>2.5%, 出现T相（CuMg4Al6）和Mg2Al3相，时效强化作用 Cu/Mg>=8, 强化相以θ为主； Cu/Mg=4–8，强化相以θ+S为主； Cu/Mg=1.5–4, 强化相以S为主。
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五、形变铝合金(超硬铝合金)
Al-Zn-Mg-Cu系合金：强度最高，常用LC4、LC9等；
1. 具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也 不高 2. 表面通常包覆wZn=1%的铝锌合金，零构件也要进行阳极化 防腐蚀处理 3. 一般采用淬火加人工时效的热处理强化工艺 4. 用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机蒙皮、壁 板、大梁、起落架部件等
金属材料
方俊飞
fangfei@ahut.edu.cn 安徽工业大学材料科学与工程学院
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非铁金属
非铁金属：除铁之外的其它金属
轻金属： 重金属： 贵金属： ρ＜4.5g/cm3 如Al、Mg、K、Na、Ca等 ρ＞4.5g/cm3 如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等 Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等
Si：改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。
Mn：增加固溶强化，改善耐蚀性。
V或Ti：细化晶粒，提高强度和塑性。 稀土元素：减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高热塑性。
Fe、Cu和Zn等：对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。
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五、形变铝合金(硬铝合金LY)
硬铝包括：Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类 Cu, Mg Mn： 形成时效强化相：θ相（CuAl2） 、S相（Al2CuMg） 中和Fe的有害作用，改善耐蚀性。同时，起到固溶强化和 抑制再结晶的效果。 但W（Mn）＞1％，会产生粗大脆性相（Mn，Fe）Al6，降低合金塑性
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铝合金的主要合金元素及其作用
Cu： 固溶强化，沉淀强化，提高耐热性 Mg： 固溶强化，增加抗蚀性，与其它合金元素共同起到沉淀强化作用 Mn： 有一定的固溶强化作用，主要是提高抗蚀性 Si： Zn： 主要起过剩相强化作用，也可与Mg一起产生沉淀强化作用 固溶强化，与其它合金元素共同起到沉淀强化作用
2. 铝合金中的沉淀强化
沉淀强化相应满足以下的基本条件： 硬度高的质点； 在固溶体中高温下有较大的溶解度；能析出较大体积分数的沉淀相 在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相, 并且是弥散分布，与基 体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区
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例如： Al-Cu 合金中， θ-CuAl2， Al-Cu-Mg合金中， S相（Al2CuMg）； Al-Zn-Mg系合金中，η-MgZn2，T-Al2Mg3Zn3； Al-Si-Mg系中，出现 β（Mg2Si） Al-Li系中， δ（AlLi）

在军用飞机上，Al合金占飞机结构总重量的40~60%
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发展 1825年发现Al元素 1886年英国的Hall和法国的Heroult发明了电解法制备纯铝 1888年形成工业规模生产，但应用很有限 20世纪中叶，铝合金在飞机上的应用刺激了铝工业的飞速发展 20世纪80年代以后，Al-Li合金、Al-Sc合金等新型合金 纯铝的制备 原始矿石为Al2O33H2O和Al2O3H2O 矿石经高温熔炼得到纯的Al2O3 Al2O3用熔融的冰晶石溶解后通直流电电解得到纯铝
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主加元素Mg、Zn的作用： 超硬铝是在Al-Zn-Mg系合金基础上发展起来的。由于η-
MgZn2、T-Al2Mg3Zn3两种沉淀强化相在α固溶体中有较大
的溶解度，因此固溶强化效果十分显著。 当W(Zn+Mg)=9%时，强度最高；超过这一值后，因在晶界 析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。
Li：
沉淀强化，提高弹性模量，降低密度
Ti, Zr, Sc等：一般作为辅加元素，细化晶粒
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三、铝合金的分类
组织类型 : 单相组织α或α+第二相组织 根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类： 1) 形变铝合金 2) 铸造铝合金
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三、铝合金的分类
形变铝合金
成分在E点以左的合金，加热至固溶线
DF以上温度得到均匀的单相α固溶体， 塑性好，适于进行锻造、轧制等 铸造铝合金 成分在E点以右的合金，存在共晶组织 ，塑性较差，不宜压力加工，但流动性 好，适宜铸造
稀有金属： 相对稀少或产量较少Ti、W、V、Nb、Mo等 放射性金属：如镭（Ra）、铀（U）、钍（Th）等
百度文库半金属：
介于金属与非金属之间的元素，如硅、锗、硼
非铁金属具有许多黑色金属所不及的优良特性，是现代工业 中不可缺少的材料
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第八章 铝及铝合金
概述 Al是地壳中储量最多的一种金属元素，居四大金属元素之首 （Al: 8.2wt%, Fe: 5.1wt%, Mg: 2.1wt%, Ti: 0.6wt%) 在航空航天领域占有不可替代的位置 在民用飞机上，Al合金占飞机结构总重量的70~80%
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五、形变铝合金(防锈铝合金LF)
主要系列： Al-Mn系、Al-Mg系
主要性能：
具有很高的塑性、较低或中等的强度、优良的耐蚀性能 和良好的焊接性，利用冷加工硬化来提高强度
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Al-Mn系合金
1、Mn对合金力学性能的影响
Mn在Al中的最大溶解度仅为1.82％，形成的MnAl6沉淀相的强化
效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。 Al-Mn 合金典型的显微组织是含 Mn 的α固溶体和弥散分布的
MnAl6质点，有较高的强度和优良的塑性。
2、Mn对合金耐蚀性的影响
MnAl6 相与基体的电极电位相近，故产生的腐蚀电流较小。另
外Mn还可与有害杂质Fe形成（Mn，Fe）Al6相，避免FeAl3相的 腐蚀作用。
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Al-Mg系合金
1、Mg对合金力学性能的影响 Mg在Al中的固溶强化显著，其强度高于Al-Mn合金。 2、Mg对合金耐蚀性的影响
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铝合金的自然时效是可逆的。 “回归效应”：自然时效合金快速加热到230-250℃, 短时间保温 2-3 分钟，冷到室温后即变软，重新回到 淬火态（过饱和固溶态）
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五、形变铝合金
非热处理强化变形铝合金
主要有防锈铝合金
热处理强化变形铝合金
（过饱和）固溶处理和时效处理，主要有硬铝、锻铝、超硬铝合金
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二、铝的合金化
铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、Ti、Zr、B、Ni 等辅加元素，组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性
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
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1．铝基固溶体
合金元素与铝均形成有限固溶体，如Mn、Mg、Zn等二元系均不 产生沉淀强化相，主要溶于铝基固溶体, 起固溶强化作用
常用Al-Mn系：LF21，抗腐蚀性较好，常用来制造需弯曲、冷拉或冲压 的零件，如管道、容器、油箱等。
常用Al-Mg系：LF2、LF3、LF5、LF6等，有较高的疲劳性能和抗振性， 强度高于Al-Mn系合金，但耐热性较差，广泛用于航空 航天工业中，如制造油箱、管道、铆钉、飞机行李架等
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3、其他元素对合金性能的影响
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五、形变铝合金(硬铝合金LY)
分类
低强度硬铝(铆钉硬铝)，如LY1、LY3、LY10等， Mg, Cu%较低，强 度较低，但有很高的塑性，时效速度慢
中强度硬铝（标准硬铝），如LY11，可淬火（过饱和固溶）时效， 强度提高； 高强度硬铝，如LY12
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Al-Cu-Mn系硬铝： 1. 超耐热硬铝合金，具有较好的塑性和工艺性能，常制成板材和管材 2. 主要用于飞机构件、蒙皮、螺旋桨、叶片等 Al-Cu-Mg系硬铝： 1. 焊接性和耐蚀性较差， 2. 对于板材可包覆一层高纯铝，通常还要进行阳极氧化处理和表面 涂装，为提高其耐蚀性一般采用自然时效。 3. 部分Al-Cu-Mg系硬铝具有较高的耐热性，可在较高温度使用

具有银白色金属光泽 密度2.72g/cm3，熔点660.4℃ 具有良好的导电和导热性 其导电性仅次于银和铜 纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧 化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能
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一、工业纯铝（工艺性能）
面心立方结构，极好的塑性和较低的强度(纯度99.99%时， σb45MPa，δ50%) 良好的低温性能(-235℃塑性和冲击韧度也不降低)，冷变形 加工可提高其强度，但塑性降低 铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。 含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗 蚀性及塑性都降低 强化方式：一般用固溶强化或冷变形强化提高其强度
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一、工业纯铝（分类）
按纯度：高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝
高纯铝：
L05～L01五种，数字越大，纯度越高；
工业高纯铝：LG5～LG1五种，数字越大，纯度越高； 工业纯铝： L1～L7七种，数字越小，纯度越高。
用途：
主要用途是配制铝合金
高纯铝主要用于科学试验和化学工业 纯铝还可用来制造电线电缆、包覆材料、耐蚀和生活器皿 等
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主加元素Cu的作用： 改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。 这是因为Cu除了加强固溶强化外，还出现S-CuMgAl2沉淀强化相。 Cu还提高沉淀相弥散度，消除晶界网状脆性相，改善晶界腐蚀倾向 其他元素对合金性能的影响： Cr或Ti：形成弥散的金属间化合物Al2Mg2Cr、Al3Ti，显著提 合金的再结晶温度，阻止晶粒长大。 Mn： 增加固溶强化，改善耐应力腐蚀性。 高
W(Mg）＜5％时：获得单相合金，热处理后组织成分均匀，耐
蚀性能良好。 W(Mg ）＞ 5 ％时：晶界上连续析出 Mg5Al8 相，有晶界腐蚀和应 力腐蚀的倾向。（可在退火前施加 2 ％的变形，促进退火时 Mg5Al8相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾向）
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五、形变铝合金(防锈铝合金LF)
使用： 防锈铝只能用冷变形来强化，一般在退火态或冷作硬化态使用
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四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)
2．淬火（固溶处理） 将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二相来不及 析出，得到过饱和、不稳定的单一α固溶体。淬火后铝合 金的强度和硬度不高，具有很好的塑性。
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四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)
3. 时效 将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，随时间 延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效 室温下进行的时效称为自然时效 低温加热下进行的时效称为人工时效 时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一α固溶体中析出和 长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶 格畸变而强化
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五、形变铝合金(锻造铝合金LD)
合金系 Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu（普通锻铝合金） Al-Cu-Mg-Ni-Fe （耐热锻铝合金） 牌号：LD2，LD5，LD6，LD10；LD7，LD8，LD9 性能：良好的热塑性，较高的机械性能； 强化相： Mg2Si; S；θ等； 用途：制作形状复杂的大型锻件铝合金。
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3. 铝合金共晶中的过剩相（强化 ）
共晶中的第二相不溶于铝基固溶体，又称为过剩相，其数量达 到一定量时可提高合金的强度和硬度，过高会降低韧性
4. 铝合金中的微量元素及微合金相
铝合金中添加微量元素Ti、Zr和Re，可形成难熔金属间化合物 ，在合金结晶过程中起非自发形核核心作用，细化晶粒，产生 细晶强化
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1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝 1854年法国化学家德维尔以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝 由于钾和钠均极难制得,所以,当时其价格比黄金还要昂贵
法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了 一顶头盔,以显示自己的富有。所以, 铝曾被列为“稀有金属”。
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一、工业纯铝（物理性能）