金属材料-铝及铝合金

1金属材料方俊飞[e-mail]安徽工业大学材料科学与工程学院2非铁金属非铁金属：除铁之外的其它金属轻金属：ρ＜4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca等重金属：ρ＞4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等贵金属：Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等稀有金属：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3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%在军用飞机上，Al合金占飞机结构总重量的40~60%4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Al2O33H2O和Al2O3H2O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5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”。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6一、工业纯铝（物理性能）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7一、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8一、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9二、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10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1．铝基固溶体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2.铝合金中的沉淀强化11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）12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3.铝合金共晶中的过剩相（强化）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13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：主要起过剩相强化作用，也可与Mg一起产生沉淀强化作用Zn：固溶强化，与其它合金元素共同起到沉淀强化作用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14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)铸造铝合金三、铝合金的分类组织类型:单相组织α或α+第二相组织15三、铝合金的分类铸造铝合金成分在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16三、铝合金的分类(形变铝合金)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17四、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。182．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。四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)193.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，称为时效四、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)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20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）21五、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22五、形变铝合金(防锈铝合金LF)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主要系列：Al-Mn系、Al-Mg系23Mn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。1、Mn对合金力学性能的影响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。Al-Mn系合金24Al-Mg系合金Mg在Al中的固溶强化显著，其强度高于Al-Mn合金。1、Mg对合金力学性能的影响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。2、Mg对合金耐蚀性的影响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）25五、形变铝合金(防锈铝合金LF)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。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263、其他元素对合金性能的影响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。27五、形变铝合金(硬铝合金LY)硬铝包括：Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类但W（Mn）＞1％，会产生粗大脆性相（Mn，Fe）Al6，降低合金塑性Mn：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。Cu,Mg形成时效强化相：θ相（CuAl2）、S相（Al2CuMg）28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。29五、形变铝合金(硬铝合金LY)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，时效速度慢分类中强度硬铝（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LY1230Al-Cu-Mn系硬铝：Al-Cu-Mg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311.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Al-Zn-Mg-Cu系合金：强度最高，常用LC4、LC9等；五、形变铝合金(超硬铝合金)32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。主加元素Mg、Zn的作用：33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，改善晶界腐蚀倾向主加元素Cu的作用：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，显著提高合金的再结晶温度，阻止晶粒长大。Mn：增加固溶强化，改善耐应力腐蚀性。34五、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。35Al-Cu-Mg-Fe-Ni系：Al-Cu-Mg-Si系：1.常用代号有LD7、LD8、LD9等，2.耐热性较好，主要用于250℃温度下工作的零件，如叶片、超音速飞机蒙皮等。1.热塑性好，可用锻压方法来制造形状较复杂的零件2.一般在淬火加人工时效后使用3.主要制造要求中等强度、高塑性和