铝合金(非常经典)

1、第二章 铝及其合金,第一节 工业纯铝、合金化及铝合金的分类、 牌号和状态符号 一、工业纯铝 1、物性 熔点 660.24；密度2.7103kg/m3； 弹性模量（E）72000MPa 面心立方晶格 a=0.4049nm；原子直径0.286 nm 相对电导率 62IACS （International Annealed Copper Standard） 电阻率 2.6610-8m (欧姆米) (99.9%Al)； 顺磁性（磁化率215,2、力性,纯铝进行6080冷变形，b 虽然能达到150180MPa， 但已降低到11.5%，变脆,3、化学性能,铝的化学活泼性极高，标准电极电位（1.67伏）。

2、铝在空气中表面生成510nm厚的Al2O3保护膜，在大气中耐蚀。 在浓硝酸中有极高的稳定性，与有机酸及食品几乎不反应。 在硫酸、盐酸、碱、盐中不稳定,4、特点,质量轻 优秀的导电、传热和塑性变形性能 在大气中有良好的耐蚀性 强度低不适于作结构材料,二、铝的合金化,合金化原理主要固溶强化和时效强化 固溶强化：元素溶解度大，与Al原子直径差大，例如Mg 和Mn 时效强化：所加元素或形成的中间相，高温时在Al中有较 大的溶解度，随温度降低溶解度急剧变小。 常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li,各种元素在铝中的极限溶解度,铝合金中常见元素的原子直径（原子间最紧密距离,铝合金常加入的元素为Zn、M

3、g、Cu、Si、Li,在合金中可能形成： CuAl2 S Al2CuMg MgZn2 T Al2Mg3Zn3 Mg2Si AlLi Mg2Al3 铝中的主要杂质：Fe、Si 为了改善合金的塑性和抗蚀性，合金中常加入Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等微量元素,三、分类、牌号和状态符号,1) 我国铝及其合金过去的分类和牌号： 采用汉语拼音加阿拉伯数字表示 纯铝：LG工业高纯铝；L工业纯铝 变形铝合金分类及牌号: （L）（类）（序号）（状态,纯铝,国产变形铝合金分五大类，常见只有四大类,2)美国变形铝合金牌号及状态,牌号： 用四位阿拉伯数字表示 第一位数表示合金系（即加入最多的那种元素） 第二位数表示原

4、始合金或改进合金，0为原始合金， 改进 合金依次为1、2、3等 最后两位数表示具体合金牌号，对于纯铝表示小数点后两位 铝含量（114599.45Al， 120099.00Al,目前我国变形铝合金牌号,表示方法基本与美国相同,不同之处在于第二位不用阿拉伯数字,而是用英文字母： 例如：7A04、7B04,状态,F加工态（热轧、挤压）,不控制应变硬化量 O退火再结晶状态，强度最低、塑性最高 W固溶处理正在自然时效过程（不稳定） H冷作硬化状态 T热处理状态,应变硬化状态,H1应变硬化。 H2应变硬化加不完全退火。 H3应变硬化稳定处理。 H112加工过程的应变硬化（不控制应变量）。 H321加工过程

5、的应变硬化（控制应变量）。 H116特殊应变硬化,热处理状态,在T后附有一位或多位数。对于T状态，列出了在两次操作之间或操作之后的室温下可能发生自然时效时间。如果这段时间在冶金学上有重要意义的话，就应对这段时间加以控制。数字110表示处理的具体程序,T1 从高温成形过程冷却和自然时效至基本稳定的状态 T2 从高温成形过程冷却，然后冷加工和自然时效至基本稳定的状态 T3 固溶处理、冷加工和自然时效至基本稳定的状态 T4 固溶处理，自然时效到基本稳定的状态 T5 从高温成形过程冷却，然后进行人工时效的状态 T6 固溶处理，人工时效到强度最高的状态 T7 固溶处理，人工时效到过时效状态（稳定化处理的

6、状态） T8 固溶处理后冷加工，然后进行人工时效的状态 T9 固溶处理、人工时效、然后冷加工的状态 T10从高温成形工序冷却，然后冷加工并进行人工时效的状态 TX51通过拉伸消除应力的状态 TX52 通过压缩消除应力的状态 TX54 通过拉伸和压缩相结合的方法消除应力的状态,第二节 变形铝合金,简单地说： 硬铝 综合机械性能好（不耐蚀） 超硬铝 室温强度最高 锻铝 热塑性好 防锈铝 耐蚀性好，易成形，焊接性好（强度低,一、 硬铝,1、一般特点 较好的综合机械性能 b42060MPa，0.2280300MPa，1517。 耐蚀性低 有晶间腐蚀现象，应力腐蚀（SCC）倾向小。 焊接性不好 主要用于

7、以铆钉、螺栓、点焊为连接手段的结构中。 可热处理强化,AlZnMg合金相图,2、硬铝的组织,在AlCuMg三元系合金相图铝角附近，按Mg含量增加，依次可能出现以下四个相,CuAl2 正方晶格 S：Al2CuMg 斜方晶格 T：Mg32（CuAl）49 立方晶格 (也称CuMg4Al6) ：Mg2Al3 面心立方,随Mg含量增加，相减少，S相增加 Cu/Mg 8, 主要是相 Cu/Mg84， 主要是S相 Cu/Mg41.5， 主要是S相， S相中Cu/Mg2.61 相析出序列的GP区和是圆片状 S相析出序列的GP区和S是针状 强化效果： ST 耐热性： 随温度升高，S相比软化的慢， S相高温强化

8、 效果好,3、硬铝的合金化,成分范围： Cu：2.56.0，硬铝的主要成分 Mg：0.42.8，主要作用生成S相 Mn：0.41.0，消除Fe对抗蚀性的有害影响，抑 制再结晶产生挤压效应，超过1 产生（MnFe）Al结晶相 有时加：Ti细化铸态晶粒 Be提高氧化膜的致密性，防止Mg的烧损,典型合金的化学成分,LY12（相当2024）Al4.3Cu1.5Mg0.6Mn LY11（相当2017）Al4.3Cu0.6Mg0.6Mn LY2 Al2.9Cu2.2Mg0.6Mn,4、硬铝的热处理,除生产工序中的热处理外，硬铝的主要热处理是淬火时效 淬火：原则是在防止过烧、晶粒粗化、包铝层污染的前提下，尽

9、可能采用较高 的加热温度，以使强化相充分固溶，但硬铝的固溶温度范围窄，非常容 易过烧,时效,除耐热硬铝LY2合金进行人工时效，大多数硬铝都是在自然时效状态下应用。 硬铝自然时效状态下的抗蚀性（晶间腐蚀）优于人工时效状态,硬铝合金易产生晶间腐蚀的原因,含Cu的固溶体和Cu2Al相的电极电位都较高，当Cu2Al在晶界沉淀时，晶界附近出现含Cu较低的贫化带，该贫化带电极电位较低，在腐蚀介质中成为阳极，而含Cu较高的晶粒内部和析出相（Cu2Al）则为阴极。另外，晶界两侧的Cu贫化带很窄（面积小），阳极电流密度高，故遭到强烈腐蚀（即沿晶界腐蚀）。 为了改善硬铝的抗蚀性，除合金化、热处理及其它措施（阳极化

10、、涂漆）外，在板材表面包覆一层纯度大于99.5的纯铝。纯铝的电极电位低于基体，可起阳极保护作用。包铝层厚度一般占板材厚度的4，厚板可减至2,典型合金的热处理,LY12：495WQ自然时效6天 （b450 MPa） 或室温停3天19010h （b500 MPa） 不同合金自然时效硬化的能力和速度不同,5、硬铝的性能和用途,按强度和用途分为：铆钉、中强、高强和耐热硬铝四大类 铆钉硬铝： LY1、 LY4 、LY9 、LY10，以线材供应。 LY1（剪切强度196 MPa）和LY10（剪切强度265 MPa） 自然时效状态工艺塑性良好，铆接时间不受限制。 LY4（剪切强度286 MPa）和LY9属于

11、高强铆钉硬铝， 在淬火后规定时间内铆接，LY4在26h内铆接， LY9在20min内铆接。 中强硬铝： LY11：塑性好，以板、棒、型材应用于各种工业， 在航空工业中主要用于模锻螺旋桨叶。 高强硬铝： LY12： 强度最高，应用最广，用于制造主要受力件。 板材：飞机蒙皮、壁板。 型材：飞机隔框、翼肋、长桁 耐热硬铝： LY2： 较好的高温性能，用于制造在较高温度（150250） 下工作的构件，如航空发动机内的压气机叶片,二、超硬铝 （Al-Zn-Mg-Cu系合金,超硬铝是在Al-Zn-Mg合金基础上加Cu发展起来的，它的强度超过硬铝，可达600700MPa，所以称超硬铝。第二次世界大战后，才开

12、始大批生产和应用。 调质的45钢：b780850 MPa 0.2450550 MPa,1、Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金,特点： 高的时效硬化能力； 中等强度（b300450 MPa）； 优良的可焊性； 好的热变形性和抗应力腐蚀性能； 宽的固溶处理温度范围； 低的淬火敏感性,相组成,工业上实际应用的Al-Zn-Mg合金成分范围处于： T和T相区 当Zn含量不变时， 随Mg含量增加合金中逐渐出现T相。 T相：Al2Mg3Zn3，立方晶格，a1.4291.471nm。 相：MgZn2， 六方晶格，a0.521nm ，c0.86nm。 Zn/Mg14 ， 主要是T相。 Zn/Mg 4， 出现相。

13、Zn/Mg67， 完全有相组成,时效序列,无论合金是落在T还是相区，实际上时效析出序列均如下： 球形GP区T 是部分共格的过渡相，六方晶格， a0.496nm ，c0.868nm。 110以下 主要是GP区 110140 主要是 160200 主要是 270以上 可出现T相,合金化,ZnMg的总量约4.57.6（wt），Zn/Mg 一般在23.8， （MgZn2中Zn/Mg5.38） 通常加入的微量元素： Mn 0.20.45，显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。 Cr 0.3， 显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。 Zr 0.150.3 细化晶粒，提高可焊性。 Ti 0.

14、2， 细化晶粒，提高可焊性。 Cu 0.25， 显著提高SCR，降低可焊性。 该合金不采用自然时效制度，其原因有二： Al-Zn-Mg系合金GP区长大速度缓慢，自然时效过程需数月才能达 到稳定阶段。 与人工时效比较，自然时效的抗应力腐蚀能力差,2、Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝,四十年代初，人们发现在Al-Zn-Mg系合金中加入2Cu能改善合金的塑性和抗蚀能力，再加入少量的Cr等微量元素可强烈提高抗应力腐蚀性能， 从此发展了Al-Zn-Mg-Cu合金，即超硬铝,超硬铝的相组成,在Al-Zn-Mg系合金中加入 Cu，主要强化仍然是析出序列，但还可能出现S相（Al2CuMg）析出序列， 当Cu含量

15、大于2时，还可能出现（CuAl2）析出序列。 通常认为在125150时效：Al-Zn-Mg-Cu系合金是 在Al-Zn-Mg合金时效序列（GPT）的基础上， 又出现了Al-Cu-Mg合金的沉淀过程（GPBSSS,合金化,Zn和Mg主要强化元素 Cu也起强化作用， 但主要还是提高SCR，极限溶解度2 ZnMgCu一般在9.7513.5 Mn、Cr、Zr、Ti的含量和作用与Al-Zn-Mg合金相似 Fe和Si为杂质,典型合金LC4,LC4合金：Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.2Cr-0.4Mn （Fe和Si分别小于0.5） 超硬铝的热处理： 人工状态下使用。 LC4合金： 470WQ 单

16、级时效（T6）：12024h, 强度高（ b 550MPa ）、SCC敏感 双级时效（T74）：1203h1603h， 稍过时效，强度降低10， SCC不敏感,外的几国种典型合金发展方向：提高Zn和Cu、降低Fe和Si、以Zr代替Mn和Cr,超硬铝的特点和应用,特点：强度最高； 抗蚀性低（有SCC倾向）； 焊接性不好；缺口敏感性强； 耐热性比硬铝差。 应用：可生产板材、型材及模锻件应用于飞机结 构，如：翼梁、蒙皮、起落架、大梁,三、锻铝 Al-Mg-Si及Al-Mg-Si-Cu系,1、Al-Mg-Si合金 特点： 突出的特点是有优良的热塑性，适于生产锻件。 另外： 中等强度，良好的耐蚀性和可焊

17、性（没有SCC） 易进行阳极氧化着色或上珐琅（Cu对阳极氧化不利） 第一个工业Al-Mg-Si合金是美国1923年的专利 （51S合金，0.6Mg，1Si） 6063合金：0.68Mg，0.4Si， Cu、Cr、Mn、Ti均0.1,Al-Mg-Si合金的组织,强化相是Mg2Si（相） Al-Mg-Si合金的组织 可用AlMg2Si伪二元相图来研究 在共晶温度， Mg2Si在Al中的极限溶解度为1.85,时效序列,针状GP区有序针状GP区（六方）（六方） Al-Mg-Si合金（Mg2Si1.2）的Tc温度很高（190），在150160时效组织是由针状GP区或棒状相组成，很少出现PFZ，也不在位错

18、形核或沉淀,Al-Mg-Si合金的成分,Mg2Si中 MgSi1.73，通常 MgSi 2 合金随Mg2Si相对量增大，强度升高。 Mg过剩会降低Mg2Si在固溶体中的溶解度 Si过剩无此作用，一般保持Si含量高于Mg 应考虑Si容易与Mn和Fe形成杂质相（FeMnSi）Al6，消耗Si。 因此，Si含量应适当提高。 Al-Mg-Si合金有明显的时效停放效应，添加Cu可减轻该效应。 （Mg2Si含量小于1时无停放效应）， 添加Cu使Al-Mg-Si合 金的室温强度和耐热性明显增加，但塑性和耐蚀性下降。 Mn提高Al-Mg-Si合金强度、韧性、耐蚀性，Cr有相同作用。 Ti可消除铸锭中的柱状晶，

19、并细化晶粒，改善工艺塑性,Al-Mg-Si合金的热处理,锻铝可进行自然时效或人工时效，但自然时效速率慢（需10天以上），而且强化效果比人工时效差（约差3050）。 锻铝一般在人工时效状态下使用 520530WQ 1501701012h,应用,特点 ：中等强度，b 300 MPa Mg2Si0.81.2， b300 MPa 如6061挤压后重新固溶处理水淬（T6），b316 MPa 飞机发动机零件、直升飞机螺旋桨叶、 形状复杂的锻件和模锻件,2、Al-Mg-Si-Cu合金,Al-Mg-Si-Cu系合金是在Al-Mg-Si系基础上发展出来的。 第一个工业Al-Mg-Si合金是美国1923年的专利（

20、51S合金，0.6Mg，1Si）， 6063：0.68Mg，0.4Si，Cu、Cr、Mn、Ti均0.1。 突出的特点是有优良的热塑性，适于生产锻件。 另外，中等强度， 良好的耐蚀性和可焊性（没有SCC） 易进行阳极氧化着色或上珐琅（Cu对阳极氧化不利） 我国的Al-Mg-Si-Cu合金都是Si过剩型合金。 一般特点：与Al-Mg-Si合金相同，加Cu后着色困难， 原因是在阳极氧化时有Cu从样品表面沉淀。 Cu，b，抗蚀,Al-Mg-Si-Cu合金的组织,主要强化相为Mg2Si（）序列 还可出现Cu4Mg5Si4AlX（W）序列 当Cu含量非常高时才能出现S和序列,合金化,Al-Mg-Si合金加

21、Cu后出现含Cu相，它参与时效强化，故锻铝的强度随Cu含量提高而增加。 Cu的作用：提高强度和耐热性， 降低塑性和抗蚀性， 降低自然时效速度， 抑制停放效应,热处理： 热处理特点与Al-Mg-Si合金相同， 但随Cu含量升高淬火温度降低， 540500,应用,LD2 工艺塑性好，b330 MPa 抗蚀性接近LF21，用于直升机旋翼、 形状复杂的锻件。 LD10 强度高（接近硬铝）共晶组织多， 铸锭热裂倾向小， 有好的热塑性。 生产承受重载荷的锻件和模锻件,几种典型的Al-Mg-Si-Cu合金,3、耐热锻铝 （Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金,在Al-Cu-Mg基础上加1Fe和1Ni， 形成Al

22、9FeNi相（为稳定化合物弥散质点）， 起弥散强化作用。 LD7（2618）：2.2Cu、1.6Mg、 1.25Ni、1.25Fe、0.05Ti 使用温度范围 150225 内燃机活塞，压气机鼓风机的涡轮叶片， 高温工作的锻件,四、防锈铝,包括ALMn系和AlMg系合金 共同特点： 强度比纯铝高， 优秀的抗蚀性和可焊性， 不能热处理强化,1、Al-Mn系合金,LF21（3003），1.01.6Mn， Mn再高出现MnAl6，对轧制不利。 由于MnAl6的电极电位与纯铝相近， 因此有少量MnAl6合金仍有好的抗蚀性。 退火态b130 MPa，0.250 MPa，23 抗蚀性好与纯铝相似，塑性好，

23、易于冲压成形。 这类合金退火时易产生不均匀的粗大晶粒组织，原因是Mn在铸造时产生晶内偏析，低Mn处再结晶温度低，晶粒易长大，造成退火材晶粒尺寸不均匀。加少量 Fe有好的作用。但一般要求Fe+Mn1.8,应用,退火、半硬、硬状态应用 以管、板、型材应用于焊接用品、炊事用品， 航空上广泛用于要求冲压、受力不大的零件。 Al-Mn合金中加1Mg损害表面质量，但有固溶强化作用，可提高强度10（如3004） 3004合金：1.2Mn，1.0Mg， 生产饮料罐,2、Al-Mg系合金,特点： 密度比纯铝轻，强度比纯铝和Al-Mn高。 退火态：LF3 b196 MPa LF5 b274 MPa 在大气和海水中

24、抗蚀性比纯铝好 在酸性和碱性介质中抗蚀性比LF21差 好的塑性、可焊性和抛光性能,Mg在Al中的溶解度极限17.4（450）， Al-Mg系合金中的相（Mg2Al3）也有沉淀过程： GP区（Mg2Al3） 但由于Mg原子尺寸大，GP区周围有密集的空位 云，GP区与母相不发生共格应变，无明显时效 硬化效应。 含Mg高时，相有强烈沿晶界沉淀现象，造成剥落腐蚀（exfoliation corrosing,通常使用的Al-Mg合金含Mg5， 该类合金冷作后如不进行120150稳定化处理， 在室温可发生时效软化。 LF2（2.4Mg）：内燃机、柴油机的油管， 焊接油箱，舰船上部。 LF3（3.5Mg）：

25、用于焊接结构， 相当于5154。 当Mg5时，相沿晶沉淀形成连续网（尤其Mg8）， 合金变脆，产生SCC和剥落腐蚀。采用形变热处理解决,高Mg合金的缺点,由MgO组成的氧化膜不致密，不起保护作用， 抗蚀性低、易SCC和剥落腐蚀， 产生钠脆（不能用钠盐作熔炼剂,几种常用变形铝合金的主加成分,五、Al-Li合金,目前的Al-Li合金是指添加23Li的各种铝合金，除理论研究外，都是三元或三元以上的铝合金。 优点： 密度小 （每加1wtLi合金密度降低3） 弹性模量高，刚度大（每加1wtLi合金弹性模量增加6） 淬火时效析出大量（Al3Li）使合金大大强化。 缺点： 材料生产困难， （Li与一般材料都

26、反应，价格是一般铝合金的23倍）， 断裂韧性低， 废料回收难于管理,淬火时效析出大量（Al3Li）使合金大大强化,高强 相当于2000系和7000系 高的抗疲劳性 比其它铝合金高 高的耐热性 比铝铜合金好 抗蚀性 比7000系好 较好的超塑性,Al-Li合金二元相图虚线代表亚稳溶解度曲线,立方结构，LI2有序结构（Cu3Au型）点阵常数a=0.4047nm,含2.5wtLi的Al-Li-Cu-Mg合金在190时效对应不同的Cu、Mg含量时合金得到的沉淀产物,几种典型的Al-Li合金,第三节 铸造铝合金,特点： 比重小，比强度高。 有良好的抗蚀性和铸造工艺性 (可进行各种成型铸造) 熔点低、熔炼

27、工艺和设备简单,一、分类和牌号,按GB 117374 铸铝分四大类。 AlSi （ZL1XX） Al-Cu （ZL2XX） Al-Mg （ZL3XX） Al-Zn （ZL4XX,美国铸造铝合金的分类和牌号,用四位数字表示，但第三位数字后有小数点， 第一位数表示合金系， 第二和第三位数表示牌号， 小数点后0表示铸件，1表示铸锭， 当对原始合金或杂质中限修改时，在数字前按字母顺序加A、B、C、D等（但不包括I、O、Q和X）， X表示实验合金,1xx.x 纯度99.00的纯铝 2xx.x 以加Cu为主 3xx.x 以加Si为主，还加Cu和或Mg 4xx.x Si 5xx.x Mg 7xx.x Zn

28、8xx.x Sn 9xx.x 其他 6xx.x 未使用系列,例如,二、Al-Si系铸造铝合金,俗称“硅铝明”，应用最广的一类铸造铝合金。 特点： 最好的铸造性能。 （线收缩小，流动性好，热裂倾向小） 中等强度、较好的抗蚀性 AlSi系合金的共晶点靠近Al端。 共晶成分 Al11.7Si （577,ZL102 （共晶合金,Si易呈粗大的针状形态分布， 强度低（160Mpa）机械性能差，热处理强化效果不大， 一般只进行退火，退火制度（3003h，空冷或随炉冷） 共晶组织： 随过冷度增大，组织变细，强度高，机械性能变好。 ZL102： 用铁模生产薄壁件，可得满意的机械性能。如果用砂 模或厚壁件，组织

29、粗大，机械性能不好,为了提高Al-Si合金的机械性能，可采用如下手段,变质处理： 目的：细化Si相，改变Si相形态 变质剂：NaSb（锑）RE（Sr锶） (效果越来越好) Sr对改善共晶Si的形态最有效,Al-12Si合金变质处理前 400,Na变质处理后， 400强度提高30,时效强化： 加入合金元素： Cu、Mg 除起变质作用外，还能时效强化。 加入形成（CuAl2），S（Al2CuMg），（Mg2Si）的元素。 在Al-Si中加Mg形成，同时加入Mg和Cu形成和S,固溶强化： 加入合金元素 例如： 加少量Mn，除起固溶处理强化作用外，还能使粗针状的 （Fe2Si2Al9）转化为骨骼状的（

30、AlMnFeSi），减轻杂 质对合金的有害影响,退火态使用 ：ZL102 Al-Si 200以下使用 人工时效： ZL101 Al-7Si-0.3Mg，200以下使用 ZL104 Al-9.25Si-0.22Mg0.35Mn 200以下使用 ZL105 Al-5Si-0.45Mg-1.25Cu 250以下使用 ZL103 在ZL105的基础上提高Cu，增添Mn ZL108（活塞合金） 相当于在102基础上加入1.5Cu 0.7Mg 0.6Mn （ZL108需作变质处理），5506h淬火，2058h时效 ZL109 12Si 1.0Cu 1.2Mg 1.0Ni 相当于102上加1.0Cu 1.2Mg 1.0Ni可热处理强化,ZL102铸