铝合金讲义

第1章铝及铝合金1.1概述1.2铝的制取1.3铝的物理冶金1.4工业纯铝1.5铝合金目的：本章介绍铝及其合金的制备方法、热处理方面的基本知识，以及铸造铝合金、变形铝合金的性能特点及典型应用；讨论成分、组织和热处理对铝合金的化学性能、力学性能的影响及其与应用的关系。地壳中含量近8.2%，列全部化学元素含量的第三位(仅次于氧和硅)，列全部金属元素含量的第一位（Fe:5.1%；Mg:2.1%；Ti:0.6%）。1.1概述铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。Bauxite铝土矿Bauxite-pebbly矾土卵石Kaoliniteclay高岭土霞石（Nepheline）：岩浆矿物，长石类矿物。氧化铝（Alumina）菱镁铀矿（Bayleyite）明矾（Alunite）资源•密度小•高的热导率、电导率•高的耐腐蚀性•优异的机加工性能•高的韧性、成形性性能ComparisonofAlandsteel年度产量19972171998243199925920002792001337200245120035542004668200578020069352007125520081317200912842010156520112000中国电解铝产量单位：万吨0200400600800100012001400160018001995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010年度全球产量中国产量200124433372002260745120032800554200429926682005318978020063321935200720083815393012551317200936241284201039941565201142842000世界电解铝产量单位：万吨0500100015002000250030003500400045002001200220032004200520062007200820092010应用AutomotivesAerospaceConstruction&EquipmentContainers&Packaging隔绝空气蒸发1807年：英国H·维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于1855年在巴黎世博会展出。1855年：法国圣·克莱尔·德维尔用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生产出1.9吨铝。1886年：霍尔[美]及埃鲁[法]用电解法生产金属铝（霍尔－埃鲁工艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝）1888年：澳大利亚卡尔·约瑟夫·拜耳发明了拜耳工艺Bayerprocess：用240℃的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿1910年：铝产量达45000吨1.2铝的制取制取方法的演化木炭和铝土（氧化铝）氯气氯化铝钾汞齐铝汞齐一种金属主要公司:（2007年）世界原铝产地：北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（12%）力拓公司（加铝）：【第二大铝公司】约400万吨美国铝业公司【Alcoa，第三大铝公司】约380万吨中国铝业公司：【第四大铝公司】288万吨雷诺兹金属公司[美]凯撒铝及化学公司[美]波施涅铝工业公司[法]德国联合工业公司日本轻金属公司澳大利亚科马尔科铝业公司APA公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司】氧化铝制取原理拜耳法：高品位铝土矿碱石灰烧结法和拜耳－烧结联合法：中低品位铝土矿拜耳法：氧化铝生产总量的95％碱石灰烧结法拜耳－烧结联合法霞石（Nepheline）铝土矿Bauxite高岭石kaolinite将粉碎的铝土矿放入240℃的强NaOH溶液中提取出Al2O3第一步：将含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，滤除Fe和Si氧化物组成的不溶解于水的残留物或红土。第三步：调整煅烧温度、压力，除去Al2O3·3H2O中的水。可获得不同形态的α、β或γAl2O3。400～600℃煅烧，得到γ－Al2O3。1200℃煅烧，得到α－Al2O3。拜耳法第二步：在50℃左右，NaAlO2分解得到Al2O3·3H2O。通过附加促结晶剂，促进(Al2O3·3H2O)沉淀。拜耳工艺流程图若直接采用拜耳法时，NaOH与硅反应生成Na2SiO3，Na2SiO3与NaAlO2反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。先用石灰石与铝土矿反应生成Ca2SiO4，滤除后得到高含量Al2O3。拜耳－烧结联合法用Na2CO3代替NaOH。在800-1200℃下，磨碎的铝土矿与Na2CO3反应，生成铝酸钠和CO2。铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95℃水中，Al(OH)3以沉淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3粉末。碱石灰烧结法制取原理：直流电通过由氧化铝、冰晶石组成的电解质溶剂，在950～970℃下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。阳极析出CO2，阴极还原出Al。霍尔－埃鲁工艺:Hall-Héroultprocess电解槽包括：碳消耗阳极、熔融冰晶石氧化铝电解质、铝液池。电解条件：温度950℃、电流250kA、电压4.5V。生产能力：日产1800Kg。Hall-Héroult电解槽阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体；铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。电解质：80-90%Na3AlF6,2-8%Al2O3。添加剂AlF3、CaF3。铝的制取原理阴极阴离子在阴极表面失去电荷形成NaF。电极反应机理阳极溶于电解液中的Al2O3在阳极区形成铝离子和AlO33-，铝离子得到电荷形成金属Al并放出氧，氧与C形成CO2。铝的净化：电解铝中通常含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用石墨管将Cl2吹入铝的熔池中形成AlCl3，AlCl3与杂质一起浮出去除。1.3铝的物理冶金密度(20℃)：2.70g.cm-3熔点：660℃100℃时的热容：0.2241cal.g-1K-1（938Jkg-1K-1）熔化潜热：94.7cal.g-1（397.0kJ.kg-1）20℃时的电导率：64.94(相当标准退火铜的百分数)热导率：0.5cal.sec-1cm-1K-11.3.1合金元素与铝的作用CaCoCuCrGeFeLiMgMnNiSiAgSnTiVZnZr最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr发生在包晶温度；其余元素在共晶温度。室温溶解度：Mg、Zn约为2%；Ge、Li、Ag为0.1～0.25%；其余小于0.1%Zn（31.6→2）Mg（17.4→1）Cu（5.65→0.5）Li（4.2）Mn（1.82）Si（1.65）Ag（56.5）Ge（7.2）Ti（1.3）⑴元素在铝中的溶解度⑵二元铝合金相图Al-Cu共晶相图Al-Ti包晶相图⑶合金元素在铝合金中的固溶强化效果Mn和Cu含量为0.5%时，强化效果最好，超过后将形成Al6Mn相或不溶的Al-Cu-Fe化合物相。Mg的强化效果最显著；锌的强化效果最差。退火态高纯铝的屈服强度很低，为7～15MPa。⑷铝合金的合金化Si：提高铸造与焊接性能，减少线收缩率，降低铸件开裂倾向；与Mg形成化合物，形成热处理强化；形态与分布影响合金的力学性能。Mg：铝硅合金中的主要强化元素，热处理加热时Si与Mg的化合物分解，时效时析出产生强化。Mn：可提高铝铜合金的强度，降低塑性和冲击值。其强化由两部分组成：溶入固溶体、形成MeMn（热处理后MeMn质点弥散分布产生弥散强化）。Zr：ZrAl3起外来晶核作用，细化晶粒；Zr溶入固溶体中，产生固溶强化。Ti：变质作用，细化固溶体；TiAl3也起外来晶核作用。Cr：与铝形成金属化合物，细化晶粒，阻止再结晶的形核和长大；改善韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。Sc：细化固溶体晶粒的最有效元素，与Zr同时加入，显著细化铸态晶粒；可阻止再结晶；改善腐蚀和焊接性能。典型合金元素作用：固溶强化：Cu、Mg、Mn异相强化：Cd、Mn、Se合金化作用形成外来晶核细化晶粒：Ti、B、Zr、V简单二元系铝合金，如Al—Mg、Al—Si和Al—Mn等，加入的合金元素虽有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不显著，只能以退火或冷加工状态使用（即非热处理强化型铝合金）。由Zn、Mg、Cu、Si、Li等构成的多元系铝合金，如Al—Zn—Mg—Cu系，加入的合金元素既可溶解于铝中形成固溶体，又可与铝形成二元或三元化合物，并且这些元素在Al中的溶解度随温度降低而剧烈减小，具有显著的热处理强化效果，故含有这些元素的铝合金可通过热处理强化（即热处理强化型铝合金）。Cr、Ti、Zr等在铝中的溶解度很小，但明显改善合金强度和抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。但铝合金的细晶强化效果不显著。Reh=Reh0+k/d0.5式中k=68MPa·μm0.5固溶时效处理的一般步骤①固溶：将铝合金加热到单相固溶体区（固溶线以上、固相线以下），使合金元素溶入，获得成分均匀的固溶体。②淬火：快冷到室温获得单相过饱和固溶体。③时效：加热到室温以上某一温度，使过饱和固溶体分解，形成细小沉淀相分散于基体上。1.3.2铝合金的时效强化机制自然时效：室温下时效人工时效：在高于室温进行时效Al－4%Cu铸态组织及淬火态组织时效分解【析出，脱溶（或沉淀）】：过饱和固溶体中析出一个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚稳过渡相的过程。属于固态相变。⑴时效分解（析出）过程和产物过饱和固溶体分解产物GP区过渡相（中间沉淀相）平衡相Al－Cu合金：过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解：α过→GP区→θ″→θ′→θ其中G·P区、θ″、θ′为亚稳定相（θ″又称为GPⅡ区）随着时效时间的延长，组织变化过程为：α过→α＋GP区→α＋θ″→α＋θ′→α＋θ①GP区：溶质原子在基体{100}面上偏聚构成的圆盘形片A.Guinier和G.D.Prestor于1938年研究AlCu合金自然时效时发现圆盘形片尺寸：Φ5～10nm×0.4～0.6nm，数量1014～1016/cm3晶体结构：与基体α相结构相同（fcc）界面：与α相完全共格。GP区是溶质原子富集的、排列有序的、与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进GP区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利于获得尺寸细小、数量多的GP区。GP区附近基体晶格变化α基体上析出GP区750000×GP区尺寸分布随时效时间的变化t1＜t2＜t3屈服强度随时效时间的变化具有临界尺寸且弥散分布的GP区或过渡相（中间相）才能使铝合金达到最大时效强化。平衡相图中，GP区脱溶线决定了GP区稳定存在的最高极限温度。只有细小弥散分布于基体中的GP区才强化基体。θ″相：圆碟片状，Φ30nm×2nm；正方点阵，a＝b＝0.404nm，c＝0.768nm。为均匀形核、分布均匀，与基体完全共格，位向关系为{100}θ″//{100}基体；θ″相周围比GP区存在更大的共格应变，故其强化效果大于GP区。θ′相：圆碟片状，Φ100nm×几十nm；正方点阵，a＝b＝0.404nm，c＝0.58nm。与基体部分共格，位向关系为{100}θ′//{100}基体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相θ（CuAl2）。②过渡相：时效时间增加，基体中依次析出θ″、θ′过渡相α基体上析出θ”相300000×过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核。为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、层错、空位团以及GP区等处不均匀形核。