本科生培训铝合金型材加工及强化实用教案

1、铝呈银白色，密度铝呈银白色，密度2.702g/cm3，熔点，熔点660.37，沸，沸点点2467。高温下铝也与非金属反应，亦溶于酸或碱中。但与高温下铝也与非金属反应，亦溶于酸或碱中。但与水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及一切水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及一切有机酸类均无作用。有机酸类均无作用。纯铝大量用于电缆、日用器皿；其合金质轻而坚韧，纯铝大量用于电缆、日用器皿；其合金质轻而坚韧，是制造是制造(zhzo)飞机、火箭、汽车的结构材料。飞机、火箭、汽车的结构材料。第1页/共39页第一页，共40页。良好的低温性能、无低温脆性。良好的低温性能、无低温脆性(cuxng)：在摄氏零：在摄

2、氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。高的导电性：位于银、铜、金之后。高的导电性：位于银、铜、金之后。高的导热性：热交换器。高的导热性：热交换器。无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。低强度、高塑性：强度为低强度、高塑性：强度为 80MPa130MPa， 延伸率延伸率3050 % ，铝箔。，铝箔。第2页/共39页第二页，共40页。高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成

3、一层牢固致密的氧化膜，厚度约作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为为50100 ，可防止铝继续氧化；即使，可防止铝继续氧化；即使在熔融在熔融(rngrng)状态，仍然能维持氧化状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。抗蚀的。Al2O3膜具有酸、碱两重性，因膜具有酸、碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸此，纯铝除在氧化性的浓硝酸(8098)中有极高的稳定性外中有极高的稳定性外(优于优于NiCr系不锈系不锈钢钢)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。稳定。第3页/共39页第三页，共40页。按铝合金所处

4、相图按铝合金所处相图的位置分类的位置分类(fn (fn li)li)：铝合金铝合金: : 形变铝合形变铝合金、铸造铝合金金、铸造铝合金纯铝中加入适量其它纯铝中加入适量其它(qt)(qt)元素如元素如SiSi、CuCu、MgMg、ZnZn等即为铝合金等即为铝合金第4页/共39页第四页，共40页。形变铝合金：形变铝合金：相图中相图中D D点以左的部点以左的部分。该类铝合金加分。该类铝合金加热至固溶线热至固溶线FDFD以上以上时能形成单相时能形成单相(dn (dn xinxin)固溶体，固溶体，塑性好，适用于压塑性好，适用于压力加工成形。力加工成形。第5页/共39页第五页，共40页。不能热处理强化的

5、不能热处理强化的形变铝合金：形变铝合金：相图中相图中F F点以左的部点以左的部分，组织为单相固分，组织为单相固溶体，且其溶解度溶体，且其溶解度不随温度不随温度(wnd)(wnd)而变化，无法进行而变化，无法进行热处理强化；热处理强化；第6页/共39页第六页，共40页。可热处理强化的形可热处理强化的形变铝合金：变铝合金：相图相图(xin(xin t) t)中中F F和和D D之间的形变之间的形变铝合金，固溶体的铝合金，固溶体的溶解度随着温度而溶解度随着温度而显著变化，可进行显著变化，可进行热处理强化。热处理强化。铸造铝合金：铸造铝合金：相图相图(xin(xin t) t)中中D D点以右的部分，

6、点以右的部分，有共晶铝合金、亚有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共共晶铝合金和过共晶铝合金之分。晶铝合金之分。第7页/共39页第七页，共40页。变形(bin xng)铝合金结晶过程2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.第8页/共39页第八页，共40页。我们常见(chn jin)的热处理强化型铝合金后面的状态代号一般是字母T加添加一位或多位阿拉伯数字表示T的细分状态 在T后面添加010的阿拉伯数字，表示细分状态（称

7、作TX状态）。T后面的数字表示对产品的热处理程序。 T0 固溶热处理后，经自然时效再通过冷加工的状态。 适用于经冷加工提高强度的产品。 T1 由高温成型过程冷却，然后自然时效至基本稳定的状态。 适用于由高温成型过程冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。 T2 由高温成型过程冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成型过程冷却后，进行冷加工、或矫直、矫平以提高强度的产品。 T3 固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态。适用于在固溶热处理后，进行冷加工、或矫直、矫平以提高强度的产品。第9页/共39页第九页，共40页。T4 固溶热处理后自

8、然时效至基本稳定的状态。适用于固溶热处理后，不在进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。 T5 由高温成型过程冷却，然后进行人工时效的状态。 适用于由高温成型过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），予以(yy)人工时效的产品。 T6 由固溶热处理后进行人工时效的状态。 适用于由固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。 T7 由固溶热处理后进行人工时效的状态。 适用于由固溶热处理后，为获取某些重要特性，在人工时效时，强度在时效曲线上越过了最高峰点的产品。 T8 固溶热处理后经冷加工，然后进行人工时效的状态。 适

9、用于经冷加工、或矫直、矫平以提高产品强度的产品。第10页/共39页第十页，共40页。T9 固溶热处理后人工时效，然后进行冷加工的状态。 适用于经冷加工提高产品(chnpn)强度的产品(chnpn)。 T10 由高温成型过程冷却后，进行冷加工，然后进行人工时效的状态。 适用于经冷加工、或矫直、矫平以提高产品(chnpn)强度的产品(chnpn)。第11页/共39页第十一页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)铝合金的强化方式有固溶强化、时效强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化结合爱康实际，我们仅对固溶和时效两个(lin )强化方式做探讨 第12页/共39页第十二页，共40页。2.3

10、铝合金的强化(qinghu)固溶强化 ： 无限互溶合金系的组元间具有(jyu)相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用差，因此，Al-Zn、Al-Ag简单二元合金没有实用价值。 固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显，采用溶解度超过1的其他几个元素，如Al-Mg，Al-Cu、A1-Mn、A1-Si，Al-Mg-Si合金系有实用价值。第13页/共39页第十三页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化定义 ： 将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二(d

11、 r)相来不及析出，得到过饱和、不稳定的单一固溶体。淬火后铝合金具有很好的塑性，强度和硬度不高。 LL+第14页/共39页第十四页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化(qinghu)机理 ： 合金元素加入纯铝之后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。但是组元之间常常具有相似的物理化学性能和原子尺寸，晶格畸变程度低，固溶强化(qinghu)效果不高。因此，铝的强化(qinghu)不能单纯依靠合金元素的固溶强化(qinghu)作用。 第15页/共39页第十五页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化机方法：在线淬火 主要是为

12、了得到过饱和固溶体，为时效处理做好组织上的准备(zhnbi)。淬火工艺三要素1.淬火加热温度2.淬火加热保温时间 3.淬火冷却速度 第16页/共39页第十六页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化(qinghu)机方法：在线淬火 1.淬火加热温度 上限为开始熔化温度 下限为固溶度曲线(qxin)（ab线)2.淬火加热保温时间 在保证强化相全部溶解的前提下，尽量采用快速加热及短的保温时间第17页/共39页第十七页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化机方法：在线(zi xin)淬火 3.淬火冷却C曲线淬火冷却速度 取决于过饱和固溶体的稳定性 Vc -临界冷却速

13、度：即可防止固溶体在冷却过程中发生(fshng)分解的最小冷却速度。 Vc与合金系、合金元素含量和淬火前合金组织有关。第18页/共39页第十八页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)固溶强化机总结： 通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相在冷却过程中重新(chngxn)析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程。 第19页/共39页第十九页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)时效强化时效强化(qinghu) (qinghu) ： 铝合金固溶强化铝合金固溶强化(qinghu)(qinghu)效果有限，要想获得效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化高强度，必

14、须配以时效强化(qinghu)(qinghu)处理。合金元素在处理。合金元素在铝中要有较大的极限溶解度，其溶解度随温度的降低而急铝中要有较大的极限溶解度，其溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格剧减小，时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。位错运动的阻力，从而提高合金的强度。 可热处理强化可热处理强化(qinghu)(qinghu)铝合金：铝合金：A1-Cu-MgA1-Cu-Mg、Al-Mg-Al-Mg-SiSi和和Al-

15、Zn-MgAl-Zn-Mg系。系。第20页/共39页第二十页，共40页。2.3 铝合金的强化(qinghu)时效强化时效强化 ： 过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间后，基体中析出定温度保温一定时间后，基体中析出(xch)(xch)新相的过程。新相的过程。 自然时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间自然时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的时效的时效 人工时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一人工时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定时间的时效定时间的时效第21页/共39页第二十一页，共40页。2.3 铝合金的强化(qing

16、hu)时效强化时效强化 实质：实质：时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一(dny)(dny)固溶体中析出和长大，由于第二相与母相的共固溶体中析出和长大，由于第二相与母相的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。第22页/共39页第二十二页，共40页。脱溶（或沉淀）：从过饱和固溶体中析出一个脱溶（或沉淀）：从过饱和固溶体中析出一个(y )成分不同的新相或由溶质成分不同的新相或由溶质 原子富集形成的亚稳区过原子富集形成的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变。渡相的过程，属于固态相变。铝合金的固溶时效(shxio)强化

17、2.3 铝合金的强化第23页/共39页第二十三页，共40页。具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会发生脱溶沉淀脱溶过程极为复杂，不是所有的合金均按同一顺序(shnx)进行。（1）不同合金脱溶序列不同： 合金系 脱溶序列及平衡脱溶相 Al-Cu GP区（片状） ” （CuAl2) Al-Zn-Mg GP区（球状）（MgZn2), GP区（球状） T T（Al2Mg3Zn3） Al-Mg-Si GP区（杆状） （Mg2Si） Al-Cu-Mg GP区（杆或球状） S S（Al2CuMg） 铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)第24页/共39页第二十四页，

18、共40页。以Al-Mg-Si合金为例： 过饱和固溶体随着(su zhe)时效时间的延长，将发生下列析出过程： 过 GP区 其中 GP区、为亚稳定相 （ 也可称为GP2区） 随着(su zhe)时效时间的延长，组织变化过程为：过 GP区 铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)第25页/共39页第二十五页，共40页。铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)G.P区：区： 1938年，年，A.Guinier和和G.D.Prestor各自独立用各自独立用X射线结构分析方法发现：射线结构分析方法发现：AlCu合金单晶体自然时效时在基体合金单晶

19、体自然时效时在基体的的100面上发生面上发生(fshng)了铜原子偏了铜原子偏聚，构成了富铜的圆盘形片（约含铜聚，构成了富铜的圆盘形片（约含铜90）即）即G.P区。区。G.P区的形状与尺寸：区的形状与尺寸： 在电子显微镜下呈圆盘状，直径在电子显微镜下呈圆盘状，直径约约510nm，厚约，厚约0.40.6nm，数量，数量约约10141016/cm3第26页/共39页第二十六页，共40页。铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)G.P区形成的原因：区形成的原因： G.P区的形核呈均匀分布，其形区的形核呈均匀分布，其形核率与晶体中非均匀分布的位错无核率与晶体中非均匀分布的

20、位错无关，而完全依赖于淬火所保留下来关，而完全依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为溶质原子可借助的空位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）。凡是于空位进行迁移）。凡是(fnsh)能能增加空位浓度的因素均能促进增加空位浓度的因素均能促进G.P区区的形成。的形成。 第27页/共39页第二十七页，共40页。铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)对于6063铝合金,其脱溶序列为过饱和固溶体G. P区”相相相。时效初期Mg、Si原子在铝基体的晶面上聚集,形成溶质原子富集区即G. P区,与基体保持(boch)共格关系,边界上的原子为母相和G. P区所共有。为了同时适应两

21、种不同原子排列形式,共格边界附近产生弹性应变,正是这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动,从而提高了合金的强度。随着时效时间的延长, Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化,迅速长大成针状或棒状即为”相,其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大,它的弹性应力也最高。当”相长大到一定尺寸,它的应力场遍布整个基体,应变区几乎相连,此时合金的强度较高,随着时效过程的进一步发展。第28页/共39页第二十八页，共40页。铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)在”相的基础上, Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的过渡相,其周围基体的弹性应变有所减轻,对位错运动的阻碍减少,此时强度

22、达到最大值,强度已有所下降。时效(shxio)后期在相与基体界面上形成稳定的相,失去了与基体之间的共格联系,完全从基体中脱离出来,共格应变消失,强度下降。从上述脱溶过程来看, G . P区、”相和相都能有效地提高6063铝合金的强度,但强化效果有所不同,以”相的强化效果最大,而一旦出现了相,合金强度将下降,因而如何提高G. P区和”相的密度就成为提高6063铝合金强度的关键第29页/共39页第二十九页，共40页。铝合金的固溶时效(shxio)强化2.3 铝合金的强化(qinghu)如何提高(t go)GP区密度和”相的密度？提高固溶温度，加强冷却速度第30页/共39页第三十页，共40页。第31

23、页/共39页第三十一页，共40页。共析钢淬火与铝合金固溶的共析钢淬火与铝合金固溶的区别区别(qbi)工艺操作相同，即加热、保工艺操作相同，即加热、保温和快冷。温和快冷。共析钢退火态组织为珠光体，共析钢退火态组织为珠光体，淬火加热时转变为单相奥氏淬火加热时转变为单相奥氏体，淬火过程中奥氏体转变体，淬火过程中奥氏体转变为马氏体。为马氏体。共析钢淬火后形成的马氏体共析钢淬火后形成的马氏体硬而脆，硬而脆，共析钢的共析钢的淬火淬火(cu hu)铝合金的固溶铝合金的固溶处理处理第32页/共39页第三十二页，共40页。共析钢淬火与铝合金固溶的区别共析钢淬火与铝合金固溶的区别铝合金退火态组织铝合金退火态组织(

24、zzh)为固溶体为固溶体及分布其上的强化相，固溶加热时及分布其上的强化相，固溶加热时固溶体基体因强化相的溶入而引起固溶体基体因强化相的溶入而引起成分变化，其晶体结构并未改变，成分变化，其晶体结构并未改变，固溶冷却过程中，晶体结构也完全固溶冷却过程中，晶体结构也完全不发生变化，仅是将高温固溶体强不发生变化，仅是将高温固溶体强制冻结到室温。制冻结到室温。铝合金固溶后的基体仍保持了铝合铝合金固溶后的基体仍保持了铝合金原有的良好塑性，并原有的强化金原有的良好塑性，并原有的强化相溶入基体使塑性进一步提高，强相溶入基体使塑性进一步提高，强度因基体合金元素浓度的提高而提度因基体合金元素浓度的提高而提高高共析钢的共析钢的淬火淬火(cu hu)铝合金的固溶铝合金的固溶处理处理第33页/共39页第三十三页，共40页。第34页/共39页第三十四页，共40页。影响时效影响时效(shxio)的因素的因素 组成合金的元素能否溶于固溶