轻合金课件---第一章 铝合金的组织与性能(1000)

一、分类
按结构或组成，材料可分为金属材料、无机非金属材 料、高分子材料、复合材料四大类。
按用途，材料可分为结构材料、功能材料两大类，前 者以要求力学性能指标为主，用于制造以受力为主的构 件，根据用途不同也要求一定的物理化学性能，如耐蚀、 耐温等；后者则利用材料特有的物理或化学性能完成特 定的功能，如能量转换、储存、输送等，同样，根据使 用场合不同也要求一定的力学性能，如强度、耐磨等。
根据具体应用领域，材料可分为机械工程材料、航空 航天材料、建筑材料、电子信息材料、生物医用材料、 化工材料、能源材料等（有一定的任意性）。 金属材料又分黑色金属材料、有色金属材料。
二、材料的组织与性能
材料的性能由材料的组织决定，而材料的组织又由材 料的化学成分、成形工艺、热处理工艺决定。
材料的化学成分是决定凝固组织，成分分布及相结构 形成倾向的首要因素，不同成分的材料具有不同的凝固 特性（可根据相图进行预测）。 材料的成分确定后，其组织由成形工艺和热处理工艺 决定。如
低温退火（去应力退火）：处于恢复阶段，大部分晶粒 保持原状，但晶格歪扭消除，亚晶界位错形成有序排列。 利用恢复可生产状态处于冷加工与再结晶退火之间的材 料。首先使材料发生超过需要的冷变形，然后加热使之发 生恢复，恢复期间的位错重新排列，使材料的塑性比同样 强度的材料好得多，进而可获得性能优于仅进行冷加工的 材料。 4）织构
5 工艺性能 1）铸造
Al结晶的宏观铸造组织符合常规：表面细晶区、中间柱 状晶区、中心粗大等轴区，连铸时，柱状晶往往弯曲。
由三个晶区的铸锭
连铸铸锭
铸造过程中的冷却会在铸锭中产生很大的内应力，轻 者引起铸锭变形，重者引起裂纹。Fe/Si含量比对铸造时 的裂纹倾向有很大影响。
曲线左上方（Fe/Si值大）， 裂纹倾向小
Si与Al不形成化合物，过 剩的Si呈游离态存在。
注：
1） Fe与Si总是同时存在，因此 Fe和Si在工业纯铝中基 本呈三元化合物存在，出现FeAl3或游离Si的机会很少；
2） 当Fe>Si时形成富Fe的化合物 （Al12Fe3Si），而 Si>Fe时形成富Si的化合物 （Al9Fe2Si2）。二者都是脆性 化合物，但 相呈骨架状或团块状，而 相呈粗大的针状， 故后者对塑性的危害更大。
4 腐蚀性能
Al虽是负电性很强的金属，但由于氧化膜致密，故耐蚀 性极高；
Al有多种腐蚀类型：均匀腐蚀，点腐蚀、晶间腐蚀与剥 落腐蚀、应力腐蚀；
均匀腐蚀：表面发生全面均匀的腐蚀，通常仅在能溶解 氧化膜的强腐蚀介质中发生，不常见； 点腐蚀：某一区域电位与基体的电位不同引起，在Al的 腐蚀中最常见；
晶间腐蚀与剥落腐蚀条件：晶界上存在一层薄薄的对其 余部分呈负电性的区域，铝合金易出现；
有吸音性（室内装饰材料，配制阻尼合金）；
无磁性、冲击不产生火花（仪表材料、屏蔽材料）； 强度低，不适于作结构材料（退火态
b＝80～100MPa；
硬化态 b＝150 ～ 180MPa，但 ＝1 ～ 1.5％，已变
脆）。
二、分类
纯铝按纯度可分为：高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝 高纯铝： L05 99.999％
三、性能 1 力学性能 纯铝的性能取决于杂质含量、形态、大小和分布，Al 中的主要杂质是Fe和Si，是冶炼时由矿石遗传来的。增 加Fe和Si量，Al的强度升高，塑性下降。（熔铸时使用 的铁制工具）
杂质的形态、大小和分布与杂质含量和工艺条件有关， 并可参照相图理解。
Fe在Al中形成硬而脆的 针状FeAl3化合物。
1XXX 2XXX
纯铝（铝含量不小于99.00％），L1、L2等 Al-Cu（以Cu为主要合金元素），LY 硬铝 LD锻铝
3XXX
4XXX 5XXX 6XXX 7XXX
Al-Mn（以Mn为主要合金元素），LF 防锈铝
Al-Si（以Si为主要合金元素）， ZL 铸铝 Al-Mg（以Mg为主要合金元素），LF 防锈铝 Al-Mg-Si（以Mg和Si为主要合金元素） Al-Zn（以Zn为主要合金元素）， LC 超硬铝
8XXX
9XXX
以其它元素为主要合金元素（如Al-Li）
备用合金组
1XXX系纯铝中铝的质量分数不小于99.00%，最后两位数字 表示最低低铝百分含量。如1050合金就表示铝含量不 小于99.50%。 其他合金系列牌号的最后两位数字没有特殊的意义，仅用 来区分同一组中不同的铝合金。牌号中第2位的英文字 母表示原始合金的改型情况，如果第二位字母是A，则 表示为原始合金；如果是B-Y 中的一个字母，则表示 为原始合金的改型合金。如2A12 为原始铝铜合金， 2B12 为其改型合金。 铸造有色合金牌号由“Z”和基体金属的化学元素符号、主 要合金元素符号以及表明合金化元素名义百分含量的 数字组成。对杂质含量要求严、性能要求高的优质合 金，在牌号后面标注大写字母“A”表示“优质”。
注：
1 Zn、Cu、Mg和Si四种元素与Al形成二元（CuAl2、 Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合 物，在Al中的溶解度随温度的降低而剧烈地减少，能通 过热处理强化，称为热处理强化型Al合金 ； 2 Al－Mg、Al－Si、Al－Mn二元合金，加入的合金元 素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大， 只能以退火或冷作硬化态应用，称为热处理不强化型Al 合金 ； 3 Cr、Mn、Zr等元素的溶解度虽小，但对合金的耐热 和耐蚀性改善有明显作用，因为这些过渡族元素能明显 地抑制再结晶和细化晶粒 。
织构导致性能各向异性，进而导致深冲件出现制耳。
工业纯Al的织构除与成形和退火工艺有关外，还受Fe/Si 值的影响，当Fe/Si > 2～3时才有利于冲压。
1.2 铝合金的合金化与时效硬化
一、铝合金的合金化原理 Al合金的强化是以Al与合金元素形成的金属间化合物 在固溶体中的溶解度变化为基础的。 元 素 Zn Ag Mg Ge Cu Li Mn Si Ti 温 度 443 566 450 424 548 600 658 577 665 极限溶解度 70 56.6 17.4 7.2 5.65 4.2 1.82 1.65 1.3 Ag、Ge、Li、Ti 的极限溶解度虽 大，但由于是稀 贵金属，不易大 量加入（近年已 开发出Al－Li系 合金），因此形 成以下几大系列 合金：
铝合金的组织与性能
主 讲
东北大学
何立子
EPM重点实验室
绪言
材料是人类用以制造 用于生活和生产物品的物质，是 人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物 质基础与先导。因此，自20世纪70年代，人们就把信息、 能源和材料誉为人类文明的三大支柱，20世纪80年代， 又把新材料技术、信息技术和生物技术列为高新技术革 命的重要标志。事实上，新材料的研究、开发和应用反 映了一个国家的科学技术与工业化水平。如 以大规模集成电路为代表的微电子技术、以光纤通信 为代表的通信技术、以磁共振和磁悬浮技术为代表的超 导技术、以载人飞船和航天飞机为代表的航空航天技术 等等，几乎所有的高新技术的发展，都是以新材料和新 材料技术的发展和突破为前提。
凝固成形（铸造）工艺（冷却方式、施加外场、变质 处理） 塑性成形工艺（成形方法、温度、速度、变形程度等） 热处理工艺（处理方法、温度、时间等）
组织： 宏观组织（晶粒形态与尺寸）
控制手段：
化学成分 凝固工艺
微观组织（亚晶界、枝晶间距、 次生相） 强化相的形态、大小和分布 相结构 性能
塑性成形工艺
热处理工艺
工业高纯铝： L0（1A90）
L00（1A85）
99.9％ 99.85％
用途：主要用于高纯铝的生产制造。
工业纯铝： L1（1070）
99.7％
L2（1060）
L3（1050） L4 (1040) L5 (1100)
99.6％
99.5％ 99.3% 99%
用途：用于电线、电缆、日用器皿及铝合金的生产制造。
应力腐蚀：应力加速腐蚀，合金易出现。
Al的纯度影响其腐蚀，总的来看，纯度越高越耐蚀。 Fe降低Al的耐蚀性，Al越纯，这种影响越显著（因为 FeAl3的电位（-0.4V）与Al的（-0.85V）不同）； Si对大部分盐和酸有良好的抗蚀性，Si粒子被包入氧化 膜中能提高氧化膜的耐蚀性。 杂质的存在形态对腐蚀有影响，杂质固溶时的影响比以 独立的相存在时的影响小（尤其当相是阳极且细小弥散分 布时）。 Fe、Si比对耐蚀性有影响，高Fe/Si降低耐蚀性。 例外：有些元素增加氧化膜的抗蚀性，加入Al后能提高 耐蚀性，如Al-Mg合金对碱液的抗蚀性更高，因其氧化膜 中含Mg，溶解速度减小；有些元素能与杂质化合，降低 它们与Al的电位差，如Mn加入Al中，可使Fe以（MnFe） Al6 形式存在，使 FeAl3与Al之间的电位差减小。
2）塑性变形
纯Al的塑性很高，无需加热便能很好地成形。室温时变 形量达70 ～ 80％时，硬化也很小，变形量再增大，硬化 程度急剧升高。
加ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工 硬 化 曲 线
3）热处理
纯Al的热处理是指不同温度（低温和高温）的退火。 高温退火（完全退火）：处于再结晶阶段，又称再 结晶退火。工业纯铝的再结晶与纯度有关，大部分元 素都提高再结晶温度，但Mn、Cr、Fe、Zr最明显。 元素对再结晶过程的影响体现在： 溶入时提高基体的再结晶温度； 以第二相弥散析出时阻碍晶粒长大。
产量在有色金属中占首位，仅次于钢铁；
面心立方结构；熔点660℃； 密度小（2.7，仅次于Li、Mg、Be）；
可强化（合金化及热处理）；
易加工（铸造、塑性变形、机加工）； 导电、导热性好（仅次于Ag、Cu、Au）； 耐腐蚀（易生成致密、牢固的Al2O3保护膜）； 美观（银白色，阳极氧化和着色后，五颜六色）；
组织成分均匀性
组织致密性 夹杂、气孔等 晶体结构缺陷（点缺陷、位错） 结晶形态（非晶、纳米晶、准 晶等）
第一章 1XXX（纯铝）及铝合金化原理
1.1 1XXX系（纯铝） 一、基本特性 1825年由丹麦厄尔斯泰德（Oersted）发现；
1886年工业化熔盐电解法（Hall-Heroult法）问世； 蕴藏量占地壳质量的8.2％，为分布最广的金属元素；
2 电性能
Al的导电性取决于杂质含量和存在形态，随杂质含量增 加，导电性下降，杂质固溶时的影响比以第二相存在时的 影响大约一个量级。如 高纯Al（99.995％）的电导率为65 ～ 66％IACS（国际 退火Cu标准）；
导体Al（EC）的电导率为62％IACS；
工业纯Al（99 ～ 99.5％）的电导率为60～ 61％IACS； 经固溶与淬火处理的工业纯Al的电导率比退火、固溶相 沉淀材料的要低百分之几IACS。 在导体Al中，Ti、V是常见杂质并使电导率大大降低， 加入B可使它们以硼化物形式从固溶体中析出，改善导电 性。此外，加入RE也能改善导电性。
连铸锭中心裂纹
对Al铸造组织有显著细化作用的元素是Ti、B（Ai-TiB）;Ti、C（Al-Ti-C）和Sc；在工业生产中获得广泛应 用的是Al-Ti-B 。
在Al的DC（直接水冷）铸锭中有时出现反偏析现象， 即低熔点组分富集表层，如在纯度为99.7％或更纯的工业 纯铝铸锭中，偏析表层的Fe＋Si含量可大于2％。 反偏析机理较复杂，一般认为，当熔体与模壁接触时 形成凝壳，凝壳收缩形成气隙后散热下降，进而被内部 熔体重新加热，强度下降，内部熔体在压力作用下可冲 破凝壳的薄弱处，在铸锭表面形成珠状或连续层（偏析 瘤）。枝晶间熔体凝固收缩时产生的空吸对反偏析也有 一定的影响。
3 光学性能 Al对光有很高的反射能力；
Al的反射能力随表面粗糙度的增加而降低。汽相沉积Al 膜的表面最光滑，反射能力最高；电解抛光表面的反射能 力比机加工表面的高；
大部分合金元素与杂质降低Al的反射能力，如99.99％Al 的反射能力约比99～ 99.5％的高2 ～5％，唯一例外的是 Mg，它提高Al反射能力； 阳极氧化膜使Al的反射能力下降5 ～10％， 但这种氧化 膜的反射能力不随时间而变，因此，在一段时间之后，阳 极氧化材料的反射能力比裸Al的高。
L04
L03（1A99） L02（1A97） L01（1A93）
99.996％
99.99％ 99.97％ 99.93％
用途：主要用于科研、化学工业及其它特殊用途。 工艺性能：与工业纯铝截然不同，主要体现在再结晶 温度降低到16℃左右（纯度达99.999 ～ 99.9992％时，再 结晶温度已降到-35 ～ -60℃，这会引起晶粒的极端粗 大，给铸锭、加工带来许多困难。