工程材料学(第8章 铝合金)

1、第八章第八章 铝合金铝合金 铝合金、镁合金和钛合金铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀，为航空结质轻又耐蚀，为航空结构件之优选材料。构件之优选材料。铜和铜合金铜和铜合金有很好导电和导热性，有很好导电和导热性，为电气和仪表元器件之优选。为电气和仪表元器件之优选。 金属分为金属分为黑色金属黑色金属和和有色金属有色金属两大类，两大类，黑色金属包黑色金属包括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属。而黑色金属以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对于黑色金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域于黑色金属，有

2、色金属有许多优良的特性，在工业领域尤其是高科技领域具有极为重要的地位。尤其是高科技领域具有极为重要的地位。 例如：例如：铝、镁、钛、铍等轻金属铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度具有相对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属银、铜、金（包括铝）等贵金属具有具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；缺少的材料；镍、钨镍、钨、钼、钽及其合金钼、钽及其合金是制造高温零是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工

3、件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的业的铀、镭、铍铀、镭、铍；用于石油化工领域的；用于石油化工领域的钛、铜、镍钛、铜、镍等。等。 本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特点，合金化及热处理以及材料一般用途等。点，合金化及热处理以及材料一般用途等。 1 1、产量占有色金属首位；成本低廉产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量（地壳含量8.2%8.2%）；）；2 2、密度低密度低（ 2.632.632.85g/cm2.85g/cm3 3 ），），比

4、强度高比强度高；3 3、导电，导热性好导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于（纯铝的导电性仅次于AgAg、CuCu、AuAu 而位居第四位，约为纯铜导电率的而位居第四位，约为纯铜导电率的6060）；）；4 4、耐蚀性好耐蚀性好（AlAl2 2O O3 3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5 5、优良的工艺性能优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。（极好的铸造性能，良好的可塑性）。第一节第一节 铝合金中的合金元素铝合金中的合金元素q 概述概述q 工业纯铝工业纯铝 工业纯铝有银白色光泽，密度

5、小（工业纯铝有银白色光泽，密度小（2.72g/cm32.72g/cm3），熔点低（），熔点低（660660），），为非磁性材料。为非磁性材料。 固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在的塑性和韧性，在0 0253253之间塑性韧性不降低。之间塑性韧性不降低。 工业纯铝强度低，室温下仅为工业纯铝强度低，室温下仅为(45(4550)MPa50)MPa，故一般不宜用作结构，故一般不宜用作结构材料。工业纯铝主要用作配制铝基合金；高纯铝则主要用于科学试验，材料。工业纯铝主要用作配制铝基合金；高纯铝则主要用于科学试

6、验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还可用于制作电线、铝箱、屏蔽壳化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还可用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。体、反射器、包覆材料及化工容器等。 纯铝按其纯度分为纯铝按其纯度分为高纯高纯、工业高纯工业高纯和和工业纯工业纯，纯度依次降低。，纯度依次降低。 为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。 q 铝合金的分类

7、及强化铝合金的分类及强化 目前铝中主要可能加入的合金元素有目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此得等，它们可单独加入，也可配合加入。由此得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许多到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许多Al合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金的综合性能。、稀土等，进一步改善合金的综合性能。 无论加入哪种合金元素，各类无论加入哪种合金元素，各类Al合金的相图一般都具合金的相图一般都具有如下图的形式，相图靠

8、有如下图的形式，相图靠Al端都具有共晶相图特点。端都具有共晶相图特点。 以相图上合金元素在以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度中的最大饱和溶解度D为界线将为界线将各种各种Al合金分为合金分为变形铝合金变形铝合金和和铸造铝合金铸造铝合金两大类。两大类。是指是指成分小于成分小于D D点的合金点的合金可以得到单相固溶体组织，可以得到单相固溶体组织，塑性变形能力好，适合于冷热加工。塑性变形能力好，适合于冷热加工。 变形铝合金变形铝合金又可分为又可分为热处理强化热处理强化和和不可热处理强化铝不可热处理强化铝合金合金两种：成分小于两种：成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而点的合金其固溶体成分不随温

9、度而变化，故不能用热处理强化；变化，故不能用热处理强化； 反之则可以通过时效处理而反之则可以通过时效处理而沉淀强化。沉淀强化。 是指是指成分比成分比D点高的合金属铸造铝合金点高的合金属铸造铝合金。这类合金有良。这类合金有良好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高，好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高，可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至薄壁的零件或毛坯。薄壁的零件或毛坯。 铝合金中常加入的主要合金元素铝合金中常加入的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn，Si，Li等都与等都与Al形成有限固溶体，有较大的固溶度（见

10、表形成有限固溶体，有较大的固溶度（见表10-1），具有较好的固溶强化效果。），具有较好的固溶强化效果。相图分析相图分析： 单纯靠固溶作用对单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另合金的强化作用是很有限的，另一种更为有效的强化方式是一种更为有效的强化方式是Al合金的合金的固溶（淬火）处理固溶（淬火）处理+时效热处理时效热处理。 铝合金中铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件较强的沉淀强化效果的基本条件： 沉淀强化相是硬度高的质点；沉淀强化相是硬度高的质点； 加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且 其随温度降低而显著减小；其随温度降低而显著减小；

11、 淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出 均匀，弥散的共格或半共格均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中的亚稳相，在基体中 能形成强烈的应变场。能形成强烈的应变场。 当合金元素加入量超过其极限溶解度时，合当合金元素加入量超过其极限溶解度时，合金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体，这部分金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体，这部分第二相称作第二相称作过剩相过剩相。 过剩相一般为强硬脆的过剩相一般为强硬脆的金属间化合物，当其数量一定且分布均匀，对铝合金有较金属间化合物，当其数量一定且分布均匀，对铝合金有较好的强化作用，但会使合金塑性韧性

12、下降；数量过多还会好的强化作用，但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会脆化合金，其强度也会下降。脆化合金，其强度也会下降。 以铝硅合金为例（如图所示），共晶组织中以铝硅合金为例（如图所示），共晶组织中的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低，的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低，若使共晶硅细化成颗若使共晶硅细化成颗粒，可以显著改善组粒，可以显著改善组织的塑性。通常采用织的塑性。通常采用变质处理，加入钠盐变质处理，加入钠盐变质剂，使共晶合金变质剂，使共晶合金变成变成固溶体和细小的固溶体和细小的共晶组成的亚共晶组共晶组成的亚共晶组织，共晶中硅呈细粒织，共晶中硅呈细粒状。状。 通过

13、向合金中加入微量合金元素，或改变加工工艺及通过向合金中加入微量合金元素，或改变加工工艺及热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。 如：如：变形铝合金的形变形铝合金的形变再结晶退火变再结晶退火，铸造铝合，铸造铝合金通过改变铸造工艺（如金通过改变铸造工艺（如变质处理变质处理）及）及加入微量元加入微量元素（如素（如0.10.10.3%Ti0.3%Ti）的方的方法法（分析铝钛相图）（分析铝钛相图）都可都可以达到细化组织的目的。以达到细化组织的目的。 对合金进行冷塑性变

14、形，利用金属的加工硬化提高合对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。 沉淀强化相的脱溶过程沉淀强化相的脱溶过程 淬火淬火是指是指将合金通过加热到固溶体溶解度曲将合金通过加热到固溶体溶解度曲线以上温度保温，然后以大于临界冷却速度急速冷却，从线以上温度保温，然后以大于临界冷却速度急速冷却，从而得到过饱和固溶体的热处理方法。而得到过饱和固溶体的热处理方法。 时效时效是指将淬火状是指将淬火状态的合金在一定温度下保持适当时间，使淬火得到的过饱态的合金在一定温度下保持适当时间，使淬火得到的过饱和固溶体发生

15、分解，从而大大提高合金的强度。和固溶体发生分解，从而大大提高合金的强度。 铝合金重要的综合热处理方式，提高铝合金强度的重铝合金重要的综合热处理方式，提高铝合金强度的重要手段。要手段。 对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：，或或；，或或；，或或；，或或基本无基本无变化变化。 通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高，通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高，其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金

16、淬火后强度和塑性通常都有所提高。和塑性通常都有所提高。合 金b（MN/m2）（）退火态或铸态淬火态退火态或铸态淬火态LY12200（退火）30025（退火）23ZL301150（铸态）3001（铸态）12ZL101160（铸态）2002（铸态）6表表81 淬火前后不同合金的机械性能淬火前后不同合金的机械性能 固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡的其他相）强化之间的差异造成的。的其他相）强化之间的差异造成的。 （注：淬火加热时，第二相会出现溶解）（注：淬火加热时，第二相会出现溶解） 若若淬火前第二相的强化效果淬火前第二相的强化效果 淬火后固

17、溶强化的效果，淬火后固溶强化的效果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度； 若若淬火前第二相的强化效果淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效淬火后固溶强化的效果果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度。 大多数铝合金，淬火后强度有所提高，但幅度不大；要大多数铝合金，淬火后强度有所提高，但幅度不大；要想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。 在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。 脱溶（或沉淀）脱溶（或沉淀）是指：从过饱和固溶体中析是指：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或溶质原

18、子富集的亚稳区过渡相的出一个成分不同的新相或溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变的范畴。过程，属于固态相变的范畴。 若脱溶过程能够进行，则必有若脱溶过程能够进行，则必有G G0 0（其中（其中G G表示表示新相和母相的自由能差）。新相和母相的自由能差）。 脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。 表表82 界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关

19、系界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关系 注：注：1）共格界面不可能完全共格，只有在产生高的弹共格界面不可能完全共格，只有在产生高的弹性应变的前提下，才形成共格界面。性应变的前提下，才形成共格界面。 2）非共格界面两侧原非共格界面两侧原子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。 凡是有固溶度变化的相图，从单相区进行两相区时都会凡是有固溶度变化的相图，从单相区进行两相区时都会发生脱溶沉淀。发生脱溶沉淀。 现以现以AlCu合金为例说明脱溶转变的过程合金为例说明脱溶转变的过程：从从AlCu合金相图可知，该合金室温组织由合金相图可知，该合金室温组

20、织由固溶体和固溶体和相（相（CuAl2）构成，加热到构成，加热到550保温，使保温，使溶入溶入，得单相，得单相固溶体，如固溶体，如果淬火快冷，便得到过饱和果淬火快冷，便得到过饱和固溶体，然后再加热到固溶体，然后再加热到130保温进行时效处理，随时间的延长，将发生下列析出过程保温进行时效处理，随时间的延长，将发生下列析出过程（析出序列）：（析出序列）： GP区区 / / 其中其中GP区、区、/、/为亚稳定相。为亚稳定相。 G.P区的发现区的发现： 1938年，年，A.Guinier和和G.D.Prestor用用X射线射线结构分析方法各自独立发现，结构分析方法各自独立发现，AlCu合金单晶体自然时

21、效合金单晶体自然时效时在基体的时在基体的100面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜的碟面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜的碟状薄片（约含铜状薄片（约含铜90），其厚度为），其厚度为0.30.6nm，直径为，直径为0.40.8nm。 为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为为G.PG.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.PG.P区。区。G.P区的形状与尺寸区的形状与尺寸 ： 在电子显微镜下观察呈圆盘状，直在电子显微镜下观察呈圆盘状，直径约为径约为8nm，厚度约为，厚度约为0.30.6nm。G.P区形成的原因

22、区形成的原因：G.P区的形核是均匀分布的，其形核率区的形核是均匀分布的，其形核率与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。例如：。例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于增加位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。区的数量并使其尺寸减小。G.P区的晶体结构与界面区的晶体结构与界面：Wcu为为0.90时，是溶质原子富集时，是溶质原子富集区，它在母相的区，

23、它在母相的100晶面上形成，点阵与基体晶面上形成，点阵与基体相相同相相同（fcc）并与）并与相完全共格。相完全共格。过渡相的形状与尺寸过渡相的形状与尺寸： Al-Cu合金中有合金中有和和两种过渡两种过渡相。相。呈圆片状或碟形，直径为呈圆片状或碟形，直径为30nm，厚度为，厚度为2nm。而。而是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片状或碟形，尺寸为状或碟形，尺寸为100nm数量级。数量级。 过渡相的晶体结构与界面过渡相的晶体结构与界面： 过渡相往往与基体共格或部过渡相往往与基体共格或部分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体分共格，且

24、有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。空位团等处不均匀形核。此外，过渡相还可能在此外，过渡相还可能在G.P区中形核。区中形核。 相为正方点阵相为正方点阵：ab0.404nm，c0.768nm，相相基本是均匀形核，分布均匀且与基体完全共格，它与基体基本是均匀形核，分布均匀且与基体完全共格，它与基体的位向关系为的位向关系为100/100基体基体。与。与G.P区相比，在区相比，在

25、相周相周围会产生更大的共格应变，故其强化效果也比围会产生更大的共格应变，故其强化效果也比G.P区大。区大。 相为正方点阵相为正方点阵：ab0.404nm，c0.58nm，它与基，它与基体部分共格，与基体的位向关系为体部分共格，与基体的位向关系为100/100基体基体。相相的具体成分为的具体成分为Cu2Al3.6，很接近平衡相，很接近平衡相（CuAl2）。）。 也是正方点阵：也是正方点阵：ab0.606nm，c0.487nm，一般，一般与基体不共格，但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面与基体不共格，但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面能高，形核功也高。为减小形核功，往往在晶界处形核，能高，形核功

26、也高。为减小形核功，往往在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。所以平衡相形核是不均匀的。 课堂提问：课堂提问：实验研究指出，不少合金时效时，往往先析出实验研究指出，不少合金时效时，往往先析出亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？提示：提示：从能量与相的稳定性方面考虑。从能量与相的稳定性方面考虑。解解 答：答： 这是因为平衡相与基体相之间往往是非共格界面，这是因为平衡相与基体相之间往往是非共格界面，而而过渡相和基体相之间是共格或半共格过渡相和基体相之间是共格或半共格。由于共格相界的由于共格相界的界面能最低，且相变初期界面能是抑制相变的主要因

27、素，界面能最低，且相变初期界面能是抑制相变的主要因素，所以形核功小所以形核功小，这就意味着时效过程中容易先析出过渡相，这就意味着时效过程中容易先析出过渡相，只有在一定的条件下才由亚稳定的过渡相转变为稳定的平只有在一定的条件下才由亚稳定的过渡相转变为稳定的平衡相。另外，衡相。另外，过渡相在成分上更接近于基体相，形核时所过渡相在成分上更接近于基体相，形核时所需的成分起伏小需的成分起伏小，这也是过渡相容易形成的原因之一。，这也是过渡相容易形成的原因之一。当时当时效温度为效温度为t1时，时，C3、C2和和C1三种成分的合金分别处于三种成分的合金分别处于G.P区区稳定区、过渡相稳定区以及平衡相稳定区。也

28、就是说，稳定区、过渡相稳定区以及平衡相稳定区。也就是说，在在t1温度下时效，温度下时效，C3合金可能析出合金可能析出G.P区、区、过渡相和平衡相；过渡相和平衡相；C2合金可能析出过渡相合金可能析出过渡相和平衡相；和平衡相；C1合金只合金只能析出平衡相。能析出平衡相。 二二 元元 亚亚 稳稳 相相 图图结论：结论： 同一时效温度下，溶质浓度高的合金容易析出同一时效温度下，溶质浓度高的合金容易析出G.PG.P区和过渡相。区和过渡相。 二二 元元 亚亚 稳稳 相相 图图时，时，t1温度下，三种结温度下，三种结构的脱溶产物均可析出；构的脱溶产物均可析出；t2温度下，只能析出过温度下，只能析出过渡相和平

29、衡相；渡相和平衡相；t3温度温度下，只能析出平衡相。下，只能析出平衡相。结论：结论：同一成分的合金，同一成分的合金，时效温度越高，越容易时效温度越高，越容易析出平衡相。析出平衡相。 如图所示，将如图所示，将C3合金分别在合金分别在t1、t2和和t3三种温度时效三种温度时效 同一成分的合金在一定的合金下时效时，由于多晶体同一成分的合金在一定的合金下时效时，由于多晶体各部位的晶体完善程度和能量水平不同，故在同一时期不各部位的晶体完善程度和能量水平不同，故在同一时期不同晶体部位可能出现不同的脱溶产物。例如，在晶内广泛同晶体部位可能出现不同的脱溶产物。例如，在晶内广泛出现出现G.PG.P区和过渡相的同

30、时，晶界等处可能出现平衡相。区和过渡相的同时，晶界等处可能出现平衡相。 如图所示：在如图所示：在130时效时，随着时效时间的延长，不同时效时，随着时效时间的延长，不同脱溶时期的产物与硬度的对应关系。开始时，脱溶时期的产物与硬度的对应关系。开始时， G.P.区形成区形成后硬度上升，然后达到稳定。后硬度上升，然后达到稳定。 长时间时效后，长时间时效后，G.P.区溶解，区溶解，/相形成使硬度有重新相形成使硬度有重新上升。当上升。当/相溶解而形成相溶解而形成/相时，硬度开始下降，出现过相时，硬度开始下降，出现过时效。时效。铝铜合金铝铜合金130时效时的硬度与时间的关系时效时的硬度与时间的关系实例：实例

31、：首先低温时效获得弥散的首先低温时效获得弥散的G.P.区；然后高温时效，过区；然后高温时效，过渡相将以弥散的渡相将以弥散的G.P.区内非均匀形核。这样，更容易得到区内非均匀形核。这样，更容易得到弥散程度极佳的时效相组织分布。弥散程度极佳的时效相组织分布。 铝合金的时效强化与淬火后的时效温度密切有关。铝合金的时效强化与淬火后的时效温度密切有关。 1 1）时效温度高：）时效温度高：脱溶沉淀过程加快，合金达到最高强度所脱溶沉淀过程加快，合金达到最高强度所 需的时效时间缩短，但过高时最高强度值会降低，强化需的时效时间缩短，但过高时最高强度值会降低，强化 效果不佳；效果不佳； 2）时效温度过低：）时效温

32、度过低：如当如当Al-Cu合金时效温度低于室温时，合金时效温度低于室温时，原子扩散困难，时效过程极慢，效率低。原子扩散困难，时效过程极慢，效率低。 时效在室温下自然进行，称为时效在室温下自然进行，称为自然时效自然时效； 时效加热至一定温度下进行，称时效加热至一定温度下进行，称人工时效人工时效。 1） -CuAl2 相相2） -MgZn2 相相 左图表示左图表示Al-MgZn2系系合金合金G.P.区和区和相介稳溶解度相介稳溶解度曲线曲线3） 相（相（Mg2Si）4） 相（相（AlLi） 在上述几种主要合金元素中，在上述几种主要合金元素中，Cu的沉淀强化效果最好，的沉淀强化效果最好，其他元素比较一

33、般。其他元素比较一般。 因此，为了获得好的性能，一般二元铝合金常加入第三因此，为了获得好的性能，一般二元铝合金常加入第三或第四合金组元，构成了三元以上的多元合金系列。或第四合金组元，构成了三元以上的多元合金系列。 如如Al2Mg3Zn3相的强化。相的强化。 按照性能和使用特点不同，变形铝合金可分为按照性能和使用特点不同，变形铝合金可分为防锈防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类四大类。除防锈铝外，变形铝合。除防锈铝外，变形铝合金都是可热处理强化的铝合金。金都是可热处理强化的铝合金。第二节第二节 变形铝合金变形铝合金q 变形铝合金的分类：变形铝合金的分类： 根据国标根据国标GB3

34、190-82，变形铝合金的牌号采用汉语拼，变形铝合金的牌号采用汉语拼音字母加顺序号表示，如防锈铝为音字母加顺序号表示，如防锈铝为LF，后跟顺序号（如，后跟顺序号（如LF2等）；而硬铝，超硬铝和锻铝则分列表示为等）；而硬铝，超硬铝和锻铝则分列表示为LY、LC和和LD，后跟顺序号，如，后跟顺序号，如LY12、LC4和和LD5等。等。q 防锈铝合金：防锈铝合金： 该类合金主要是该类合金主要是Al-Mg系系和和Al-Mn系系两种，大多为单两种，大多为单相合金，不可热处理强化。相合金，不可热处理强化。 抗蚀性，焊接和塑性好，并有良好的低温性能。抗蚀性，焊接和塑性好，并有良好的低温性能。 Mn在在Al中的

35、最大溶解度仅为中的最大溶解度仅为1.82，形成的，形成的MnAl6沉淀沉淀相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。 Al-Mn合金典型的显微组织是含合金典型的显微组织是含Mn的的固溶体和弥散分固溶体和弥散分布的布的MnAl6质点，有较高的强度和优良的塑性。质点，有较高的强度和优良的塑性。 MnAl6相与基体的电极电位相近，故产生的腐蚀电流较相与基体的电极电位相近，故产生的腐蚀电流较小。另外小。另外Mn还可与有害杂质还可与有害杂质Fe形成（形成（Mn，Fe）Al6相，相，避免避免FeAl3相的腐蚀作用。相的腐蚀作用。 Mg在在Al中的固溶强化显著，其强

36、度高于中的固溶强化显著，其强度高于Al-Mn合金。合金。 W(Mg）5时：时：获得单相合金，热处理后组织成分均获得单相合金，热处理后组织成分均匀，耐蚀性能良好。匀，耐蚀性能良好。 W(Mg）5时：时：晶界上连续析出晶界上连续析出Mg5Al8相，有晶界腐相，有晶界腐蚀和应力腐蚀的倾向。蚀和应力腐蚀的倾向。（可在退火前施加（可在退火前施加2的变形，促的变形，促进退火时进退火时Mg5Al8相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾向）相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾向）SiSi：改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。MnMn：增加固溶强化，改善耐蚀性。增加固溶强化，改善耐蚀性

37、。V V或或TiTi：细化晶粒，提高强度和塑性。细化晶粒，提高强度和塑性。稀土元素：稀土元素：减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高热塑性。热塑性。FeFe、CuCu和和ZnZn等：等：对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。 主要是指主要是指Al-Cu-Mg系合金，其可时效形成系合金，其可时效形成CuAl2及及CuMgAl2强化相而强化相而强化合金，比强强化合金，比强度与钢接近。度与钢接近。相：相： CuAl2S相：相： CuMgAl2T相：相：Al6CuMg4相：相：Mg5Al6 q 硬铝合金：硬铝合金： 硬铝中添加

38、硬铝中添加Mn的作用：的作用： 中和中和Fe的有害作用，改善耐蚀性。同时，起到固溶强化的有害作用，改善耐蚀性。同时，起到固溶强化和抑制再结晶的效果。和抑制再结晶的效果。 但但W（Mn）1，会产生粗大脆性相（，会产生粗大脆性相（Mn，Fe）Al6，降低合金塑性。降低合金塑性。 LY12是强度最高的硬铝，是强度最高的硬铝，W(Cu)4.3， W(Mg)1.4， W(Mn)0.6， W(Fe，Si)0.5，主要用于制作飞机蒙，主要用于制作飞机蒙皮、翼肋等。皮、翼肋等。 LY12热处理制度：热处理制度： 共晶温度为507150以上工作的耐热材料 LY11是中强硬铝，是中强硬铝，Cu含量于含量于LY12

39、相当，而相当，而Mg含量较含量较低，低，W(Mg)0.6，塑性好，可生产锻件。，塑性好，可生产锻件。 热处理采用自然时效。热处理采用自然时效。 LY11 超硬铝是在超硬铝是在Al-Zn-Mg系合金基础上发展起来的。由于系合金基础上发展起来的。由于-MgZn2、T-Al2Mg3Zn3两种沉淀强化相在两种沉淀强化相在固溶体中有较固溶体中有较大的溶解度，因此固溶强化效果十分显著。大的溶解度，因此固溶强化效果十分显著。 当当W(Zn+Mg)=9%时，强度最高；超过这一值后，因在时，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。晶界析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。q 超硬铝合金

40、：超硬铝合金： 主加元素主加元素Mg、Zn的作用：的作用： 改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。 这是因为这是因为Cu除了加强固溶强化外，还出现除了加强固溶强化外，还出现S-CuMgAl2沉沉淀强化相。另外，淀强化相。另外，Cu还提高沉淀相弥散度，消除晶界网状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。脆性相，改善晶界腐蚀倾向。 主加元素主加元素Cu的作用：的作用：Cr或或Ti：形成弥散的金属间化合物形成弥散的金属间化合物Al2Mg2Cr、Al3Ti，显，显著提高合金的再结晶温度，阻止晶粒长大。著提高合金的再结晶温度，阻止晶粒长大。Mn：增加固溶强

41、化，改善耐应力腐蚀性。增加固溶强化，改善耐应力腐蚀性。 主要指主要指Al-Mg-Si系合金，如系合金，如LD5、LD8等。其强化相是等。其强化相是Mg2Si相，当相，当W(Mg)/W(Si)=1.73时，强度最高。时，强度最高。q 锻铝：锻铝： Al-Mg-Si系合金淬火后在室温停放一段时间再系合金淬火后在室温停放一段时间再人工时效，合金的沉淀强化效应将降低。人工时效，合金的沉淀强化效应将降低。 Si比比Mg的固溶度小，先于的固溶度小，先于Mg发生偏聚；当再发生偏聚；当再进行人工时效时，那些小于临界尺寸的进行人工时效时，那些小于临界尺寸的Si的的G.P.区将重溶，区将重溶，导致形成介稳的导致形

42、成介稳的/相的有效核心数减少，从而生成粗大的相的有效核心数减少，从而生成粗大的/相。相。 停放效应：停放效应： 通过添加通过添加Cu、Mn等元素，产生多种沉淀强化等元素，产生多种沉淀强化相减少停放效应。相减少停放效应。 近年还开发了新型的近年还开发了新型的Al-Li合金，由于合金，由于Li的加入使的加入使Al合金密度降低合金密度降低(1020)%，而，而Li对铝的固溶和时效强化效对铝的固溶和时效强化效果十分明显。该类合金综合力学性能和耐热性好，耐蚀性果十分明显。该类合金综合力学性能和耐热性好，耐蚀性较高，已达到部分取代硬铝和超硬铝的水平，使合金的比较高，已达到部分取代硬铝和超硬铝的水平，使合金

43、的比刚度比强度大大提高，是航空航天等工业的新型的结构材刚度比强度大大提高，是航空航天等工业的新型的结构材料，应用中具有极大的技术经济意义，并且已经在飞机和料，应用中具有极大的技术经济意义，并且已经在飞机和航天器中有部分应用。航天器中有部分应用。q Al-Li系合金：系合金： q 快速凝固铝合金：快速凝固铝合金： 快速凝固技术（雾化烧结）：快速凝固技术（雾化烧结）：熔融离心法制备金属箔或薄带示意图熔融离心法制备金属箔或薄带示意图 快速凝固属于粉末冶金技术范畴，它将金属以超高速快速凝固属于粉末冶金技术范畴，它将金属以超高速104K/s冷却速度冷却凝固，可使合金获得如下组织特性：冷却速度冷却凝固，可

44、使合金获得如下组织特性： 细化晶粒和第二相质点，减少偏析；细化晶粒和第二相质点，减少偏析；扩大溶解度限；扩大溶解度限； 3、 形成非平衡晶体或准晶中间相；形成非平衡晶体或准晶中间相； 4、 形成金属玻璃。形成金属玻璃。q 烧结铝：烧结铝： 铝粉中铝粉中Al2O3粒子的来源与分布：粒子的来源与分布：1、原料铝粉中有、原料铝粉中有Al2O3粒子残留含量；粒子残留含量；2、球磨工艺使、球磨工艺使Al2O3粒子在铝粉中均匀分布；粒子在铝粉中均匀分布；3、可将超声波振动等工艺直接将、可将超声波振动等工艺直接将Al2O3粒子加入熔融铝。粒子加入熔融铝。 铝粉制品的制备工艺铝粉制品的制备工艺 铸造铝合金一般含较多的合金元素（总量为铸造铝合金一般含较多的合金元素（总量为825%），），成分接近共晶点，具有较高的流动性，较小的收缩性、热成分接近共晶点，具有较高的流动性，较小的收缩性、热裂、缩孔和疏松倾向小等良好的铸造性能。裂、缩孔和疏松倾向小等良好的铸造性能。第二节第二节 铸造铝合金铸造铝合金 常用的铸造铝合金有常用的铸造铝合金有铝硅系铝硅系、铝铜系铝铜系、铝镁系铝镁系、铝稀铝稀土系土系和和铝锌系合金铝锌系合金，其力学，其力学性能性能水平不如变形铝合金水平不如变形铝合金 ,但但可通过热处理等方式改善其机械性能；且生产工艺和设备可通过热处理等方式改善其机械性能；且生产工艺和设备简