铝合金基础知识

工业生产用量仅次于钢铁，居有色金属首位。

特点：质轻，比强度和比刚度高，导电导热性好，耐腐蚀。

应用：宇航、航空等工业的主要原材料，建筑、运输、电力等各个领域。

1.纯铝
纯铝的特性:
纯铝呈银白色，密度2.7g·cm-3，熔点660℃，面心立方，无同素异构转变；●导电、导热性能好；
●化学性质活泼，大气中生成致密氧化膜，防止继续氧化，大气中耐蚀性好；
●碱、盐和大多数酸性溶液(如硫酸、盐酸等)中，易被腐蚀。

●易于加工制成各种制品。

●铝中常含许多杂质（主要是铁、硅，还有铜、锌、镁、锰、镍和钛等），随
杂质含量↑，纯铝强度↑，导电性、耐蚀性和塑性↓
纯铝的牌号及用途:
牌号: “铝” 拼音第1字母“L”加一顺序号
高纯Al：LG5－1，LG5纯度最高
工业纯Al：L1－6， L6纯度最低
纯铝不能热处理强化，唯一手段是冷加工硬化，强度低。

用途: 主要用作导电、导热材料，制备铝合金和用于化学工业。

2. 铝的合金化
纯铝强度、硬度都很低，难以用作工程结构材料。

铝中适量加入某些合金元素，再经冷变形或热处理，可大幅度↑其力学性能（主要是强度、硬度）。

固态铝无同素异构转变，不能像钢一样借助于热处理相变强化。

合金元素的强化作用主要为固溶强化、沉淀强化、过剩相强化和细化组织强化。

固溶强化：
合金元素加入纯Al中，形成铝基固溶体，使晶格发生畸变，↑位错运动阻力，↑强度。

合金元素的固溶强化能力与其本身性质及固溶度有关，总体讲固溶强化效果不高，因此铝的强化不能只依靠固溶强化。

用途: 主要用作导电、导热材料，制备铝合金和用于化学工业。

沉淀强化 : 主要强化手段，基体中造成较强烈应变场，↑位错运动阻力。

通过热处理（固溶时效）析出沉淀相实现强化，也称时效强化。

条件：①合金元素在铝中有较高的极限溶解度和明显的温度关系；
②沉淀过程中形成性能好、均匀、弥散的共格或半共格过渡强化相。

Cu、Mg、Zn、Si、Li等主加元素在铝中均有较高溶解度，并随温度↓而急剧↓，但除铜外，与铝形成的沉淀相或因共格界面错配度低使应变场较弱，或因预沉淀
阶段短，很快与基体丧失共格关系而形成非共格平衡相，难以充分满足上述沉淀强化条件。

因此通常在二元铝合金中加入第三或第四组元，如Al-Cu-Mg、A1-Mg-Si、A1-Zn-Mg、Al-Li-Cu、A1-Cu-Mg-Zn、A1-Cu-Mg-Si、A1-Li-Cu-Mg等，形成好的沉淀强化相。

过剩相强化:
过剩相：铝中合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时一部分不能溶入固溶体而形成的第二相。

过剩相多为硬而脆的金属间化合物，起阻碍位错滑移和运动的作用，合金强度、硬度↑，塑性、韧性↓。

过剩相在一定限度内，数量越多强化效果越好，但超过该限度时，合金由于过脆反而使强度急剧↓。

过剩相强化是二元铝硅合金的主要强化手段，过剩相为硅晶体。

随硅含量↑，硅晶体数量↑，合金强度、硬度相应↑；当硅含量超过共晶成分时，由于过剩相数量的过多以及多角形的板块初晶的出现，导致合金的强度和塑性急剧↓，因此二元铝硅合金中的含硅量一般不宜超过其共晶成分太多。

细化组织强化:
包括细化基体(包括细化晶粒、亚结构及增加位错密度)和细化过剩相。

沉淀效果不大的铝合金，常采用加入微量合金元素进行变质处理细化组织。

如铝硅合金中加微量钠、钠盐或锑细化组织，可使塑性、强度显著↑。

可沉淀强化铝合金，加微量钛、锆、铍或稀土形成难熔化合物，作为非自发晶核细化基体晶粒；同时微量元素在沉淀强化处理时，溶入基体强烈↑铝合金再结晶温度，并呈弥散第二相析出，有效阻止再结晶过程及晶粒的长大。

此外，还可采用快速冷却的方法，增加合金的过冷度，来细化晶粒。

形变热处理:
变形强化与热处理强化相结合，即↑强度，又↑塑韧性，这种方法非常适合于沉淀强化相的析出强烈依赖于位错等晶体缺陷的铝合金。

Al合金中常用的合金元素Cu：通过固溶、沉淀强化强烈↑合金的室温强度；↑耐热性。

高强度铝合金及耐热铝合金的主要合金元素。

Mg：固溶强化效果较好，↓密度，具有良好的抗蚀性；
沉淀强化效果小，须与其它元素配合加入。

Mn：固溶度较低。

产生的MnAl6相与Al电位相近，抗蚀性好，防锈铝合金中常加Mn。

Si：固溶度较低，且沉淀强化效果不大，主要借助于过剩相强化。

二元Al-Si系合金共晶点较低，易于铸造，是铸造铝合金基础成分。

Si和Mg可形成强化效果好的Mg2Si沉淀相。

Zn：铝中溶解度很大，固溶强化能力强，少量锌即能↑铝合金强度及抗蚀性。

多元铝合金中锌易形成沉淀强化相，显著↑合金的沉淀强化效果。

Li：近年来引起普遍关注的重要铝合金添加元素。

↓↓铝合金密度，显著↑弹性模量。

固溶强化能力有限，但时效甚至淬火
中迅速形成的A13Li有序沉淀相，强化能力很强。

此外：铝合金中还常加入钛、锆、铬、钒等微量元素，以改善合金综合性能，稀土在铝合金中的应用正逐渐扩大，其作用为↑成分过冷度，细化
晶粒，球化杂质相，降低熔体表面张力，增加流动性，改善工艺性能等。

3. 铝合金的分类
铸造铝合金：成分接近共晶，铸造性能好，塑性差，直接铸造成各种形状复杂件变形铝合金：成分不超过极限溶解度，塑性好，铸造后塑性加工成材，可热处理合金，不可热处理铝合金
据合金元素不同变形铝合金分为如下系列，采用4位字符表示牌号：
1系合金，纯铝
2系合金：以铜为主要元素
3系合金：以锰为主要合金元素
4系合金：以镁为主要元素
6系合金：以镁、硅为主要元素
7系合金：以锌为主要元素
4．铝合金的热处理
退火：
再结晶退火
经变形的工件加热到再结晶温度以上，保温后空冷，消除加工硬化，改善合金塑性，以便继续成形加工。

低温退火
再结晶温度以下保温后空冷，目的是消除内应力，适当↑塑性，利于随后进行小变形量成形加工，同时保留一定的加工硬化效果。

是不可热处理强化铝合金通常采用的热处理方法。

低温退火的温度一般在180—300℃。

均匀化退火
即扩散退火，消除铝合金铸件成分偏析及内应力，↑塑性，↓加工及使用过程中变形开裂倾向，通常在高温长时间保温后炉冷或空冷。

要进行时效强化处理的铸件，均匀化退火可与固溶处理合并进行，因淬火加热时即可实现均匀成分和消除应力的目的。

固溶处理：
加热到固溶线以上保温后快冷，得溶质和空位双重过饱和固溶体，为后续时效作准备。

固溶后，塑性、耐蚀性显著↑，强度↑不大。

固溶应注意：
1) 温度范围很窄，加热温度必需超过固溶线，但过高又会引起过热或过烧。

2) 加热一般用盐炉或炉气循环电炉以精确控制炉温。

冷却介质最常用的是水。

3) 注意加热温度和保温时间，防止晶粒长大。

时效处理：
时效：淬火后的铝合金过饱和固溶体在一定温度下随时间增长而分解，沉淀强化相从过饱和固溶体中的析出和长大，合金强度和硬度升高的现象。

室温下合金自发时效称为自然时效，人工温度下进行的时效称人工时效。

最大时效强化效果对应于过饱和固溶体分解出共格或半共格亚稳平衡过渡相，亚稳相的数量越多，弥散度越大，强化效果就越大。

欠时效：合金强度不发生变化或变化很小，为过饱和溶质原子偏聚或亚稳
相孕育析出时期；
峰时效：合金获得增强效果最大的阶段，组织中强化相多为亚稳平衡相；
过时效：亚稳相转变为平衡相，与基体脱离共格关系，应力场显著↓，合
金明显软化。

时效沉淀序列：
过饱和固溶体→过饱和原子富集区→过渡沉淀相(亚稳平衡相) →平衡沉淀相
时效强化的影响因素：
化学成分：
铁、镍基本不溶于铝；硅、锰在铝中溶解度很小；镁、锌虽然溶解度较大，但与铝形成的化合物强化效果弱。

因此，A1-Fe、A1-Ni、Al-Si、Al-Mn、A1-Mg、
A1-Zn等一般不进行时效处理。

若合金元素可在时效过程中形成结构复杂的GP 区，并引起基体畸变，进而形成稳定的强化相，如CuAl2等，就可起到较大的强化效果。

化学成分：
铁、镍基本不溶于铝；硅、锰在铝中溶解度很小；镁、锌虽然溶解度较大，但与铝形成的化合物强化效果弱。

因此，A1-Fe、A1-Ni、Al-Si、Al-Mn、A1-Mg、A1-Zn等一般不进行时效处理。

若合金元素可在时效过程中形成结构复杂的GP 区，并引起基体畸变，进而形成稳定的强化相，如CuAl2等，就可起到较大的强化效果。

时效方式
单级时效：最简单、普遍采用，但组织均匀性差，难于获得良好综合性能。

包括自然时效和人工时效。

铝合金自然时效以GP区强化为主，塑性较高，强度较低；人工时效以过渡沉淀相强化为主，强度较高，塑性较差。

分级时效：不同温度下进行两次时效或多次时效处理，分为预时效和最终时效。

预时效温度一般较低，目的是形成高密度的GP区；最终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度达到预期性能要求。

因此分级时效可获得好的综合性能。

铝合金的回归现象：
自然时效后的铝合金，在200～250℃作短时间加热后快冷至室温，性能恢复到淬火状态，并能进行自然时效的现象称为回归。

回归原因：当加热到稍高于GP区固溶线的温度时，通过时效而形成的小尺寸GP区不稳定而迅速溶解，但由于保温时间短，过渡相与稳定相来不及形成，此时将合金快冷到室温，则又恢复到新淬火状态。

回归现象在生产中具有重要意义，如时效后的铝合金工件，可在回归后的塑性状态进行各种冷变形操作。

一切能时效强化的铝合金，大都有回归现象，且同一合金可进行多次回归，但每次回归后强度有所下降，抗蚀性↓。

铝合金的晶界无沉淀带现象：
人工时效后在晶界附近存在没有沉淀相的区域，称无沉淀带或无析出带。

沿晶界两侧形成无沉淀带，析出粗大的第二相质点，在合金基体上生成极细的GP区或过渡相，无沉淀带的宽度随合金成分和热处理工艺不同而变化。

原因：①淬火加热使空位浓度↑，快冷后溶质原子和空位过饱和。

晶界是空位的理想陷阱，过饱和固溶体在放置及加热中空位进入晶界，使晶界两侧出现空位贫乏带，此处溶质原子扩散速度小，时效时不能形成GP区或沉淀相。

②淬火速度较慢时，晶界两侧的溶质原子扩散至晶界，直接在晶界形成过渡相，使晶界附近
出现溶质贫乏带，时效时带内不再发生沉淀，形成溶质贫乏无沉淀带。

无沉淀带对合金性能的影响，至今尚未取得完全一致的意见。

消除无沉淀带现象措施：①添加微量元素，如Cr0.2％-0.3％；②利用分级时效，改善脱溶沉淀的分布；③进行形变热处理，改善亚稳相析出时的均匀性和弥散度。

变形铝合金：
防锈铝：
耐蚀性好，强度低（130－280MPa）
Al-Mn系：常用来制造需要弯曲、冷拉或冲压零件。

A1-Mg系：随Mg含量↑，强度↑，当Mg>5％时，其抗应力腐蚀能力下降，
多用来制造管道、容器铆钉及承受中等载荷零件。

硬铝: A1-Cu-Mg系 2.2-7.0% Cu，0.2-2.4% Mg，0.3-1.0% Mn
通过固溶、沉淀强化强烈↑合金强度，Cu还↑耐热性。

强度（300-520MPa）、硬度高，塑韧性和耐蚀性差。

分为低 (LYl、LYl0)、中 (LYll)、高强度硬铝(LYl2、LY6)、耐热硬铝(LY2)。

强化相：CuAl2、Mg5Al8、CuMgAl2、A16Mg4Cu)。

注意严格控制淬火加热温度。

温度过高零件易过烧、熔化；温度过低固溶体过饱和程度不足。

应用：航空工业和仪表制造业，如常用来制造飞机蒙皮、框架、螺旋浆等。

超硬铝: A1-Zn-Mg-Cu系 LC2、LC2
合金元素：锌(5-8.6%)、镁(1-3%) 、铜(1-3%) 及少量锰、铬、钛等。

强化：固溶、沉淀强化显著。

强化相：CuAl2、CuMgAl2、MgZn2和A12Mg3Zn3 性能特点：●变形铝合金中强度最高(600-700MPa)、热塑性好、易加工成形。

●应力腐蚀敏感性大：
原因：人工时效后出现无沉淀带，并沿晶界析出较粗大MgZn2相，在腐蚀介质与应力共同作用下产生腐蚀坑。

防止措施：加与空位结合能大的铬、锆等↓空位向晶界逸出，↓无沉淀带；淬火后塑性变形↑晶界层位错密度；分级时效、包覆纯铝、喷镀、阳极氧化。

应用：航空、宇航业中受力较大、较复杂而要求密度小的结构件如蒙皮、大梁、桁架、加强框、起落架部件等。

锻铝: LD××合金含量低，热塑性好，强度中等300-400MPa，适于生产锻件。

A1-Mg-Si系普通锻铝：
目前唯一对应力腐蚀不敏感的铝合金，强化相是Mg2Si。

应用最广的是LD31主要用于建筑型材等方面。

Al-Mg-Si-Cu系普通锻铝LD2、LD5、LD6、LDl0 ：
强化相Mg2Si、A12CuMg、CuAl2等。

铜↓耐蚀性、工艺性能，故加少量锰、铬↑耐蚀性。

制造叶轮、框架、支杆等中等强度、较高塑性及抗蚀性零件。

A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝LD7、LD8、LD9
主要耐热相为FeNiAl9。

主要制作压气机和鼓风机的涡轮叶片等耐热零件。

6. 铸造铝合金
具有良好的铸造性能、抗腐蚀性能和切削加工性能，可制成形状复杂的零件，并可通过热处理改善铸件力学性能，成本较低。

铝－硅系 ZL101-1011 Si4.5-13%，含少量Cu、Mg、Mn
俗称“硅铝明”，工业应用最广。

铸造性能优良、气密性高、耐蚀性良好，中等强度，密度低，线收缩率较小，适于铸造常温下工作形状复杂的零件。

组织：铝基固溶体＋粗大针状硅共晶＋少量板块状初晶硅
改善性能：●变质处理：细化组织。

●添加铜、镁、锰形成时效强化相。

铝－铜系 ZL201-203 Cu4.5-11%
最大特点是耐热性高；同时强度较高。

缺点是铸造性能、耐蚀性较差。

多用来制造200-300℃工作的要求较高强度的零件。

铝-镁系 ZL301、302, Mg4.5-11.5%， ZL302还含少量Mn
又称耐蚀铸造铝合金。

优点：密度小，强度高，耐蚀性好，切削性能良好；
缺点：铸造性能和耐热性能差。

多用于制造腐蚀介质条件下承受较大载荷的零件。

铝-锌系 ZL401（Zn9-13% ,Si 6-8% )、402 (Zn5-7% )
优点：铸造性能良好、时效强化能力强，强度高；铸态下即具较高强度，可在不经热处理的铸态下直接使用，多用于制造压力铸造零件。

缺点：耐蚀性差。

7. 铝合金的发展方向
（1）快速凝固新技术的应用
自80年代中期，已用此技术生产出高强和高温铝合金，用于航空、航天业。

机理：
①↑合金元素在基体中的溶解度，并使时效过程中析出尺寸均匀弥散、细小的
亚稳过渡相，且体积分数↑↑，合金强度、耐蚀性↑。

②促使杂质元素固溶于基体，形成细小、弥散、均匀分布的质点，即可消除
杂质元素的有害作用，又可产生一定的强化效果。

③减小沉淀相的长大速率，形成稳定的弥散强化相，↑高温力学性能。

普通硬
铝合金工作温度大于200℃时，亚稳定沉淀相迅速粗化，性能↓
★快速凝固高温合金适于制造高速飞机的某些结构件及火箭和宇宙飞船上的构件，其成本只是钛合金的30％-50％，飞机自重↓15％左右。

（2）新一代铝合金——A1-Li系合金新型超轻结构材料
Li极活泼且很轻(0.533g·cm-3)，储量丰富。

铝合金中加Li可↓密度，↑性能。

如加2％-3％Li，密度↓10％，比刚度↑20％-30％，强度可与LY12媲美。

Li含量大于3％时，韧性明显↓。

因此，其合金中Li含量仅为2％—3％。

用A1-Li合金制作飞机结构件，可使飞机减重10％-20％，是在航空、航天领域中很有竞争力的一种新型超轻结构材料。

A1-Li系合金性能特点：
密度小，比强度、比刚度大，疲劳性能良好，耐蚀性及耐热性好。

但塑韧性差，缺口敏感性大，加工及产品生产困难。

价格是硬铝的2-3倍，若海水中萃Li技术获成功则可得价格便宜的Li材料。

已开发三个系列：A1-Cu-Li系、A1-Mg-Li系和AI-Li-Cu-Mg-Zr系。

A1-Li合金强韧化机制
强化机制：析出相强化、固溶强化和细化晶粒强化，有明显的时效强化效应，属可热处理强化型铝合金。

时效析出的弥散亚稳球形相A13Li与基体完全共格，强烈阻碍位错运动，是主要强化相。

A1-Li合金塑韧性低，主要与以下因素有关：
1) 强化相的析出导致位错在晶界或夹杂物处塞积，产生应力集中，随Li量
↑，合金强度↑，塑韧性↓。

2) 晶界附近常形成强度比晶内强度低的无析出带，受力时首先在无析出带
内屈服，发生局部应力集中，产生沿晶断裂。

3) 加入Mg能产生固溶强化并强化无析出带；同时加入Cu、Mg并经形变热
处理，可析出大量Al2CuMg，使位错分散滑移，↑韧性。

4) 0.1-0.2％Zr可在晶界或亚晶界处析出A13Zr弥散质点，对晶界有钉扎作
用，能抑制合金发生再结晶和细化晶粒，↑韧性。

5) 铁、硅、锰等杂质存在易形成粗大脆性杂质相，↓塑韧性。

还要严格控
制合金中钠、钾、氢等杂质元素的含量，防止氢脆的产生。

为扩大A1-Li合金的应用范围，应解决下列问题：
1) 改善现有A1-Li合金的力学性能，特别是脆性大及各向异性；
2) 发展高强韧性的A1-Li合金；
3) 降低成本；
4）发展精密成形方法，减少切削；
5) 多组元合金化，在Al-Li基础上加入铟、锗、硼和稀土等元素。