金属材料及热处理06有色金属材料篇(1)

1、第第 3 3 章章有色金属及其合金有色金属及其合金概述n金属材料习惯上可分为有色金属和黑色金属（钢铁）；n有色金属及其合金种类很多，但产量小，总产量也远远小于钢铁的产量；n有色金属及其合金有特殊的性质，成为现代工业不可替代的材料（Al、Ti、Mg、Cu、Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Mo、W、Zr、Hf等等）n这里，主要介绍Al、 Cu、Ti、Ni、Co 、Mg。1.1 1.1 铝及铝合金的主要特征铝及铝合金的主要特征1.2 1.2 铝的合金化与分类铝的合金化与分类1.3 1.3 铝及铝合金简介铝及铝合金简介1.4 1.4 铝及铝合金的热处理简介铝及铝合金的热处理简介1.5 1.5 铝及

2、铝合金牌号与状态符号铝及铝合金牌号与状态符号第一节第一节 铝及铝合金铝及铝合金1.1 铝及铝合金的主要特征铝及铝合金的主要特征铝及铝合金铝及铝合金是最重要的有色金属材料之一，产量占有色金属的一半。（1）密度小纯铝密度约为2.7g/cm3, 常见铝合金的密度处于2.63-2.85g/cm3 , 而Al-4Li, 2.4g/cm3 , Al-12Fe, 3.06/cm3 , 比Cu、Fe及其合金轻得多。这样，铝及铝合金的比强度（强度/密度的比值）高（LY1 2的比强度约为17.4，而40Cr的约为12.8 ），因此，铝及铝合金在航天航空工业，交通运输，兵器军工等领域有着广泛的用途，对航天器、汽车、

3、高速磁悬浮列车、火箭导弹等的轻量化起着积极的推动作用。（镁及镁合金的冲击）（镁及镁合金的冲击）（2）导电导热性好（电导率60-65%IACS（标准铜的为标准），热导率2.27w/(mK)）仅次于Au、Ag（金融）、Cu，远优于Fe、Ti等，在工业金属，仅次于Cu，可替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件（镁及镁合金的冲击）（镁及镁合金的冲击）（3）加工工艺好铸造性好，强度低，塑性好，能通过铸造或塑性加工制成各种形状的产品（铸件、挤压件、锻件、轧制产品等）（4）耐蚀性好表面可生成致密的Al2O3氧化膜，且耐高温，可起保护作用，在Cl-或OH-中Al2O3氧化膜会破坏。可作管道（天然气、输油）、

4、容器、餐具等1.2 铝的合金化与分类铝的合金化与分类纯铝强度低，b=80-100MPa, 0.2=30-50MPa, =35-40%, HB=25-30, 即使是冷变形60-80%, b=150-180MPa,但 =1-1.5%，难以满足需要，需合金化。（1）提高强度的途径加工硬化细晶强化固溶强化弥散强化弥散强化因此，从合金化的角度看，可选择的元素应有如下特点：固溶度大（低温） ，或高温极限固溶度大，而低温的小，或可形成作为结晶晶核的第二相颗粒或钉扎晶界的稳定相颗粒。主要的共晶含量少或无，高温和低温塑性高，强度高铸造性好，流动性好，易填充，不易冷热裂（2）常见合金化元素）常见合金化元素合金元素

5、在铝中的极限固溶度（At%、Mass% ）ZnAgMgGeCuLiSiMnTiCrVZrFe28.813.813.52.72.416.3 1.590.90.740.40.210.080.02570.056.617.47.25.74.21.651.81.30.80.400.280.050除Ag，Ge外，其他均是常见合金化元素Zn、Mg 、Cu 、Li（正开发）、 Si （铸铝） ，有时也包括Mn ， 可作主加元素，起固溶强化、弥散强化作用；作为起弥散强化作用的强化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、（Al3Li）、Al2CuLi等 Zr、V、 Cr、Ti

6、、 B、 Be，有时也包括Mn ，溶解度小，随温度变化大，可作辅加元素，起细晶、补充强化、提高再结晶温度（以Mn最明显）、提高耐热性、产生组织强硬化效应、改善抗蚀性（Be影响表面）等作用；微量地加Ag、加Sc、加RE等是目前铝合金微合金化的研究方向；Fe 、 Si通常在铝合金中为杂质，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Si(IM) 中例外。 (相对而言的概念、不应有时，有了且有害，即为杂质) 科技发展打破这个合金设计的框架，Rapid solidification，Mechanical alloying 等，出现了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Ce、Al-Cr-Zr

7、-Mn、Al-Zr-V-Ti等合金。a、少量元素晶界偏聚有利于普遍脱溶；b、MnAl6虽在晶界析出，但它的电极电位与基体相近。（3）铝及铝合金分类）铝及铝合金分类铝铝及及铝铝合合金金纯纯 铝铝铝合金铝合金高纯铝（Al 99.93%）工业纯铝（Al 98.8%）硬 铝 Al-Cu-(Mg)系锻 铝 Al-Mg-Si-(Cu)系, Al-Cu-Mg-Fe-Ni系超硬铝 Al-Zn-Mg-(Cu)系Al-Si系防锈铝 Al-Mn系, Al-Mg系变形铝及铝合金铸造铝合金Al-Zn系Al-Mg系Al-Cu系热处理不可强化铝合金热处理可强化铝合金1.3 铝及铝合金简介铝及铝合金简介（一）纯铝（一）纯铝n

8、纯铝具有密度小、导电导热性好、加工工艺好、耐蚀性好等优点，但强度低，故，它多用于电线电缆以及强度要求不高的用具或器皿。（工业纯的、高纯的亦用于科研配置合金）n纯铝中的主要杂质为Fe、Si（Fe+SiSi ） 、Al8Fe2Si（网状） 、Al9Fe2Si2（脆、针状，FeSi） 、Al13Fe4 （针状）、Si（块状） ，导致铝的强度提高，塑性、导电性、耐蚀性下降；铸造性能下降，有裂纹倾向(防止：Fe+SiSi，包晶多有利于形核； Fe+Si0.6%时，Fe99.00%1 x x. xA l- C u2 x x. xA l- S i, with Cu and/or Mg3 x x. xA l-

9、 S i4 x x. xA l- Mg5 x x. xA l- Z n7 x x. xA l- Sn8 x x. x状态符号状态符号（3）中国铝及铝合金牌号与状态符号（新）中国铝及铝合金牌号与状态符号（新）接受美国的牌号与状态符号表征，吸收国家原有牌号，有自己特色。XXXX主加元素数字美国A原有合金B、C、D改进型LF21(AA3004, 3A21)LF6(AA5083, 5A06)LY11(AA2017, 2A11) LY12(AA2024, 2A12) LD30(AA6061, 6A30) LD31(AA6063, 6A31)LD7(AA2618, 2A07)LC9(AA7075, 7A0

10、4)（1）IM Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金系高强高韧铝合金尽管有各种新型材料不断出现，但是从性能稳定性和成本两方面考虑，高性能铝合金，尤其是高强铝合金，仍是航空、航天、军工领域的主体结构材料之一。n随着现代科技高速发展，世界各国对研制开发高强铝合金给予了极大的重视，其中最具代表性的是美国和俄罗斯。自美国开发7075（1943年）和俄罗斯研制B95（1944年）以来，高强铝合金经历了60年的长足发展，开发了30多个高强（或超高强）铝合金牌号。高强铝合金合金设计沿着高合金化、低Fe、Si杂质含量方向发展，热处理状态沿着T6T73T76T74T77方向发展，合金性能上沿着高强度、低韧性高

11、强度、高韧性高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展。附附1.6 Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金系高强高韧铝合金n具体表现为如下几个新发展趋势：（1）提高合金纯度，净化熔体，控制有害杂质（Fe0.1%,Si0.05%,氧化夹杂68m,氢含量0.001 ml/g），以提高合金韧性和耐蚀性。美国在7075基础上开发了7475(Fe0.12%,Si0.1%)和7055(Fe0.15%,Si0.1%)合金。（2）调整合金成分(Zn/Mg比)，添加微量元素，进一步提高强度，改善综合性能。美国研制了7055（Al-7.68.5%Zn-1.82.3%Mg-2.02.6%Cu-0.050.25%Zr）、7093

12、（Al-8.39.7%Zn-2.03.0%Mg-1.11.9%Cu-0.080.2%Zr-0.040.14%Ni）,俄罗斯研制了B 96-3、B 96-1（Al-8.09.0%Zn-2.03.0%Mg-2.02.6%Cu-0.10.16%Zr）。（3）热处理新工艺研究。形成了ITMT、FTMT、FSTMT、RRA、T77等新热处理工艺制度，可控制组织演变，以达到晶界沉淀相、无析出带和基体沉淀相的最佳配合，实现高强度、高韧性和高抗应力腐蚀性能的统一。（4）研究强韧化、抗应力腐蚀和抗疲劳机理。n以美国、日本、英国、德国等为代表的工业发达国家采用快速凝固-粉末冶金工艺开发超高强铝合金，具有代表性的有

13、1980年注册的7090 合金（Al8 Zn2.5Mg1.5Cu1.5Co）和7091合金（Al6.5Zn2.5Mg1.5Cu0.4Co），1990年注册的7093（Al-9.0Zn-2.5Mg -1.5Cu- 0.15%Zr -0.1Ni）。与熔铸工艺生产的7系铝合金相比，快速凝固超高强铝合金高合金化程度高，抗拉强度可超过700MPa，有的可以超过800MPa。然而，材料塑性、韧性较差，而且采用快速凝固-粉末冶金工艺制备大规格材料较为困难，成本太高。n喷射沉积是快速凝固技术的一个分支，1968年由英国Swansea大学A.R.E.Singer教授提出的，随后形成了包括Osprey、控制喷射沉

14、积(CSD)、液体动态压实(LDC)、喷射共沉积等新工艺，并很快应用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、钢铁、高温合金等生产。 n喷射沉积集快速凝固、半固态加工和近终成形加工于一体，是介于粉末冶金和铸锭冶金之间的新型材料制备技术，具有如下优点：（1）溶质亚稳扩展；（2）成分均匀，偏析小；（3）晶粒、初生相细小、均匀；（4）致密度高; （5）在惰性气氛一步成型，氧含量低，污染小。 （2 ）RS/SD Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金系高强高韧铝合金n与铸锭冶金相比，喷射沉积为超高强铝合金的成分设计提供了更大的“空间”，可以进一步提高Zn含量，而与粉末冶金工艺相比，喷射沉积工艺简化，生产周期短

15、，可以直接制备大规格锭坯，而且氧化夹杂少，通过净化熔体可达到“纯净化”。它所带来了的诸如高锌、均质、细晶、“纯净”等一系列优点都将有利于提高超高强铝合金的模量、强度和韧性。 n通过合适的合金化、成分设计，采用喷射沉积工艺制备的超高强铝合金是可以实现模量、强度、韧性同步提高的。n以欧美为代表的发达国家在上世纪90年代中期就已成功地开发出了屈服强度高于700MPa、抗拉强度高于800MPa而弹性模量可达74GPa的超高强铝合金挤压材，并将应用到了飞机、导弹、火箭等的一些要求高强轻质的零部件上。瑞士铝业公司、法国彼施涅公司应用喷射成形工艺成功地研制了新型高强高韧耐疲劳的Al-11.3Zn-2.4Mg

16、-1.1Cu-0. 1Zr铝合金，可以用以制造航空航天器、汽车等的某些零部件。n在国内，高性能铝合金的研究开发得到了相关管理部门、大学和科研院(所)的关注，并在净化除杂、成分设计、新制备、加工及热处理工艺的应用等方面取得了长足的发展，也已开发多种性能优异的新型超高强铝合金。 表 1 几 个 超 高 强 铝 合 金 的 名 义 成 分 及 典 型 性 能 （ 熔 铸 法 ） 密 度 力 学 性 能 2.0 b E K1C 合 金 名 义 成 分 g/cm3 MPa MPa % GPa MPam 7075-T651 505 570 11 24.0(LT) 7075-T74 Al-5.6Zn-2.5

17、Mg-1.6Cu-0.23Cr 2.80 434 503 9 70 33.0(LT) 7475-T651 462 524 6 33.0(LT) 7475-T7351 Al-5.7Zn-2.3Mg-1.5Cu-0.22Cr 2.80 393 496 10 70 42.0(LT) 7050-T7651 565 606 12 7150-T7751 599 606 11 29.7(LT) 7150-T76511 634 675 12 29.7(LT) 7150-T77511 Al-6.2Zn-2.3Mg-2.3Cu-0.12Zr 2.82 634 648 12 71 29.7(LT) 7 70 05

18、55 5- -T T7 77 75 51 1 6 62 20 0 6 64 48 8 1 10 0 2 28 8. .6 6( (L LT T) ) 7 70 05 55 5- -T T7 77 75 51 11 1 A Al l- -8 8. .0 0Z Zn n- -2 2. .1 1M Mg g- -3 3. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .8 85 5 6 64 41 1 6 66 62 2 1 10 0 7 72 2 3 33 3. .0 0( (L LT T) ) 7 7A A5 55 5- -T T6 6 A Al l- -8 8. .

19、0 0Z Zn n- -2 2. .1 1M Mg g- -3 3. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .8 85 5 6 68 81 1 7 70 05 5 1 13 3 7 72 2 2 29 9. .0 0( (L LT T) ) 7 7A A6 60 0- -T T6 6 A Al l- -8 8. .8 8Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .6 6C Cu u- -0 0. .0 05 5T TI I 2 2. .8 82 2 6 68 89 9 7 71 15 5 1 10 0 7 72 2 2 27 7. .0

20、 0( (L LT T) ) 7 7x xx xx x( (C C9 91 12 2) ) A Al l- -8 8. .7 7Z Zn n- -2 2. .6 6M Mg g- -2 2. .5 5C Cu u 2 2. .8 82 2 6 67 79 9 7 70 06 6 1 12 2 7 71 1 9 95 5- -T T1 1 A Al l- -5 5. .8 8Z Zn n- -2 2. .3 3M Mg g- -1 1. .7 7C Cu u- -0 0. .1 17 7C Cr r 2 2. .8 81 1 4 42 21 1 4 47 70 0 7 7 7 70 0 4 43

21、 3. .5 5( (L LT T) ) 9 96 6 - -T T1 1 A Al l- -8 8. .5 5Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .9 90 0 6 62 20 0 6 65 50 0 7 7 7 72 2 3 33 3. .0 0( (L LT T) ) 9 96 6 - -1 1- -T T2 2 A Al l- -8 8. .5 5Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .3 3C Cu u- -0 0. .1 13 3Z Zr r 2 2. .

22、8 89 9 6 64 40 0 6 67 70 0 8 8 7 72 2 5 57 7 （3 ）IM、RS、SD Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金的对比系高强高韧铝合金的对比表 2 采 用喷射 沉积 （SD） 、 铸造 （IM）和快 速凝 固/粉末 冶金 （RS/PM）工 艺的超高 强铝合 金典型性 能的 比较 合 金 成型 工艺 加工 状态 0.2 (MPa) b (MPa) (%) E (Gpa) K1C（MPam） 7075 IM+Extru T6 564 617 10 71.0 / 7075 SD+Extru T6 498 592 12 / / 7475* * SD+Extru

23、 T T7 7 562 619 13 / 50 B96 IM+Extru T6 623 651 7 72.0 / B B9 96 6 S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 15 5 7 76 67 7 1 10 0 7 74 4. .0 0 / / B B9 96 6 S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T7 7 7 71 12 2 7 75 54 4 8 8 7 74 4. .0 0 / / 7075-1.0Ni-0.8Zr IM+Extru T6 750 762 2 / / 7075-1.0Ni-0.8Zr RS/PM(Extru) T

24、6 675 724 9 / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -0 0. .8 8Z Zr r L LD DC C+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 17 7 7 75 51 1 7 7 / / / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -0 0. .8 8Z Zr r S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 11 1 8 81 17 7 9 9 / / / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -1 1. .0 0Z Zr r S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 73 36 6 8 80