第8章 有色金属及其合金

在室温下进行的时效称自然时效（ 在室温下进行的时效称自然时效（natural aging）； 自然时效 ） 在加热条件下进行的时效称人工时效 人工时效（ 在加热条件下进行的时效称人工时效（artificial aging ） 加热温度和 有关。 时效强化效果与加热温度 保温时间有关 时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时,随时效时间延长, 时效曲线上出现峰值, 温度一定时,随时效时间延长, 时效曲线上出现峰值,超 过峰值时间,析出相聚集长大, 强度下降, 过时效。 过峰值时间,析出相聚集长大, 强度下降,为过时效。 随时效温度提高，峰值强 随时效温度提高， 度下降， 度下降，出现峰值的时间 提前。 提前。
铸造铝合金，则是将熔融的合金液直接浇入铸型中 铸造铝合金， 获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能， 获得成型铸件 ， 要求合金应具有良好的铸造性能 ， 如流动性好、收缩小、抗热裂性高。 如流动性好、收缩小、抗热裂性高。
三、铝合金的热处理
可热处理强化变形铝合金的热 处理方法： 时效。 处理方法：固溶处理 + 时效。 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上， 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后 是指将合金加热到固溶线以上 获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保 温，以析出弥散强化相的热处理。 以析出弥散强化相的热处理。 固溶热处理 (solution treatment)→淬火 treatment) quench) 時效处理( treatment) (quench)→時效处理(aging treatment)
变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭， 变形铝合金 ， 是指合金经熔化后浇成铸锭 ， 再经压 力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带材、 力加工 （ 锻造 、 扎制 、 挤压等 ） 制成板材 、 带材 、 棒材、管材、线材以及其它各种型材， 棒材 、 管材 、 线材以及其它各种型材 ， 要求具有较 高的塑性和良好的工艺成型性能。 高的塑性和良好的工艺成型性能。
在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体， 组织几乎全部为共晶体 在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体， 由粗针状的硅晶体和α固溶体组成， 由粗针状的硅晶体和α固溶体组成，强度和塑性都较 差。生产上通常用钠盐(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl) 生产上通常用钠盐 常用钠盐混合物: 变质剂进行变质处理， 变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次 变质处理 α固溶体组织，以提高性能。 固溶体组织，以提高性能。
卫星天线 （LF2） ）
常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性 常用的Al-Mn系合金有 LF21（ Al 和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、 和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆 钉等需要弯曲、冲压加工的零件。 钉等需要弯曲、冲压加工的零件。 常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯 Al 铝小， 强度比Al-Mn合金高 ， 铝小 ， 强度比 Al-Mn 合金高， Al 合金高 在航空工业中得到广泛应用， 在航空工业中得到广泛应用， 如制造管道、容器、 如制造管道、容器、铆钉及承 受中等载荷的零件。 受中等载荷的零件。
铝铸件 铝合金丝
铝合金 型材
二、铝合金的分类
铝合金一般具有有限固溶型共晶相图 可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类 可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类 变形铝合金 变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类 变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类 又分为可热处理强化
铝合金分类示意图
纯度越低。用于制作铝箔、导线及配制合金。 纯度越低。用于制作铝箔、导线及配制合金。
铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等， Cu 此外还有Cr Ni、Ti、Zr、稀土等辅加元素 Cr、 等辅加元素。 此外还有Cr、Ni、Ti、Zr、稀土等辅加元素。
含4%Cu铝合 铝合 金的时效曲线
铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有 Al—4%Cu合金为例。 4%Cu合金为例 关。以Al 4%Cu合金为例。该合金在室温时的平衡组 织为α+CuAl 即为平衡相θ），加热到固相线 织为α+CuAl2（CuAl2即为平衡相θ），加热到固相线 以上，第二相CuAl 完全溶入α固溶体中， 以上，第二相CuAl2完全溶入α固溶体中，淬火后获得 在铝中的过饱和固溶体，有自发分解的倾向。 在铝中的过饱和固溶体，有自发分解的倾向。当给予 一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四个 一定温度与时间条件时便要发生分解。 阶段： 阶段：
四、铝合金的牌号、性能及用途 铝合金的牌号、
1、变形铝合金 ⑴ 变形铝及铝合金牌号表示方法
铝
防锈铝合金：LF+序号 防锈铝合金：LF+序号 铝合金： 铝合金： L +序号 +序号 +序号 +序号 +序号 +序号
铝合金
合 金 制 品
铝合金： 铝合金：L 铝合金： 铝合金： L
⑵ 常用变形铝合金 ① 防锈铝合金 主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 Al 系合金 Mn和Mg的主要作用是提高抗 Mn和Mg的主要作用是提高抗 的主要作用是提高 蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。 能力和塑性，并起固溶强化作用。 塑性 固溶强化作用 防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、 防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、 焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。 焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。 不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 加工硬化提高其强度
第8章
有色金属及其合金
在工业生产中， 在工业生产中，通常 把铁、锰、铬及其合 把铁、 金称为黑色金属， 金称为黑色金属，把 黑色金属 其他金属及其合金称 为有色金属。 有色金属。
§8.1 铝及铝合金
一、铝及铝合金的性能特点
纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3 纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3 ）， (2.72 熔点低（660.4℃），导电、导热性能优良。 熔点低（660.4℃），导电、导热性能优良。 ），导电 抗大气腐蚀性能好，易于加工成形 。 抗大气腐蚀性能好， 具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 工业纯铝的牌号有L 工业纯铝的牌号有L1、L2、…L7等。1 L 7序号越大， 序号越大，
Al—4%Cu合金时效的基本过程可以概括为： Al 4%Cu合金时效的基本过程可以概括为： 4%Cu合金时效的基本过程可以概括为 合金淬火→过饱和α固溶体→ 合金淬火→过饱和α固溶体→形成铜原子富集区 （GP[Ⅰ]区）→铜原子富集区有序化（GP[Ⅱ]区） GP[Ⅰ]区 铜原子富集区有序化（GP[Ⅱ]区 析出平衡相θ →形成过渡相θ′→析出平衡相θ（CuAl2）+平衡的 形成过渡相θ 固溶体。 α固溶体。 时效温度越高，原子的活动能力越强， 时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时 越高 越强 效所需的时间越短 峰值硬度较低温时效的低 越短， 较低温时效的低。 效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低。
铜原子偏聚于α 1）时效初期 铜原子偏聚于α固溶体的 {100}晶面上 形成铜原子富集区，称为GP[Ⅰ] 晶面上， {100}晶面上，形成铜原子富集区，称为GP[Ⅰ] 区。 2）随着时间的延长或温度的提高，在GP[1] 随着时间的延长或温度的提高， 区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP[Ⅱ] GP[Ⅱ]。 区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP[Ⅱ]。 GP[Ⅱ]区可视为中间过渡相 常用θ 表示， 区可视为中间过渡相， GP[Ⅱ]区可视为中间过渡相，常用θ″表示，使 合金得到进一步强化。 合金得到进一步强化。 3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在 随着时效过程的进一步发展， [Ⅱ]区继续偏聚 形成过渡相θ 区继续偏聚， GP [Ⅱ]区继续偏聚，形成过渡相θ′，α晶格 畸变减轻，合金的硬度开始下降。 畸变减轻，合金的硬度开始下降。 4）时效后期，过渡相θ′完全从母相α中脱 时效后期，过渡相θ 完全从母相α 形成平衡相θ 使合金的强度、 溶，形成平衡相θ，使合金的强度、硬度进一步 降低，即所谓“过时效” 降低，即所谓“过时效”。
飞机翼梁(腹板 飞机翼梁 腹板 为硬铝合金) 为硬铝合金
③ 超硬铝合金 属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 系合金 Cr 时效强化效果超过硬铝合金 。 强度最高；耐热性、耐蚀性差。 强度最高；耐热性、耐蚀性差。 常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9
4%Cu的Al-Cu合金，加热到 的 合金， 合金 加热到550℃并保温一段 ℃ 时间后, 在水中快冷时, 来不及析出, 时间后 在水中快冷时 θ相(CuAl2)来不及析出 来不及析出 固溶体组织, 合金获得过饱和的 α 固溶体组织 其强度为 σb＝250MPa。 。 若在室温下放置, 随着时间的延续, 若在室温下放置 随着时间的延续 强度将逐渐 提高, 天后, 可达400MPa。 提高 经4～5天后 σb可达 ～ 天后 。
）、LD8 ）、LD9 （ 2A70 ）、LD8 （ 2A80 ）、LD9 （ 2A90 ）等 。 用于制造150~225℃下工作的零件，如压气机叶片、 用于制造150~225℃下工作的零件，如压气机叶片、 150~225℃下工作的零件 超音速飞机蒙皮等。 超音速飞机蒙皮等。
叶导轮
美F-117隐身战斗机 隐身战斗机
汽化器（热交换管为 汽化器（热交换管为LF21） ）
② 硬铝合金 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 Al 系合金 Mn 可进行时效强化，也可进行变形强化。 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。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。 常用硬铝合金如LY11 2A11) 常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 2A12) LY12 (2A12)等，用于制造冲压 件、模锻件和铆接件，如螺旋 模锻件和铆接件， 桨、梁、铆钉等。 铆钉等。
(7A09 )等，主要用于工作温度较 低、受力较大的结构件，如飞机 受力较大的结构件， 的大梁、起落架等。 的大梁、起落架等。
飞机主起落架
④ 锻铝合金 Al-Mg-Cu-Si系合金 Al-Mg-Cu-Si系合金 Nhomakorabea压气机叶片
可锻性好，力学性能高， 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模 锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。 锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。 Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 常用牌号有LD7
所用材料大部分是铝合金） （所用材料大部分是铝合金）
2、铸造铝合金 Al-Si系 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号 ZL1+ Al-Cu系 代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 ZL2+ Al-Mg系 代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号 ZL3+ Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号 代号为ZL4+ ZL4+两位数字顺序号 Al-Zn系 Al-Si系铸造铝合金 ⑴ Al-Si系铸造铝合金 又称硅铝明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si 又称硅铝明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si 硅铝明 ZL102 的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。 的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。 简单硅铝明