铝及铝合金基本性质介绍

1、目的：本章介绍铝及其合金的不同生产方法、热处理方面的基本知识，以及铸造铝合金、变形铝合金的各种应用；讨论成分、组织和热处理对铝合金的化学性能、力学性能的影响及其与应用的关系。地壳中含量近地壳中含量近8.2%8.2%，列全部化学元素含量的列全部化学元素含量的第三位第三位( (仅次于氧和硅仅次于氧和硅) )，列全部金属元素含量的列全部金属元素含量的第一位第一位（Fe: 5.1%；Mg: 2.1%；Ti: 0.6%）。铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。云母、高岭土、铝土矿、明矾。Bauxite铝土矿Bauxite-pebb

2、ly 矾土卵石Kaolinite clay高岭土 霞石（霞石（Nepheline）：岩浆矿物，长石类矿物。）：岩浆矿物，长石类矿物。氧化铝（氧化铝（Alumina ）菱镁铀矿（菱镁铀矿（Bayleyite ）明矾（明矾（Alunite） 资源资源 密度小密度小 高的热导率、电导率高的热导率、电导率 高的耐腐蚀性高的耐腐蚀性 优异的机加工性能优异的机加工性能 高的韧性、成形性高的韧性、成形性性能性能中国中国电解铝产量产量世界世界电解铝产量产量隔绝空气蒸发隔绝空气蒸发1807年：英国年：英国H维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。1825年：丹麦化学家奥斯德用

3、电化学法分离出铝。年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于 1855年在巴黎世博会展出。年在巴黎世博会展出。1855年：法国年：法国圣圣克莱尔克莱尔德维尔德维尔 用钠从氯化铝中还原出铝，于用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生年生 产出产出1.9吨铝。吨铝。1886年：霍尔年：霍尔美及埃鲁及埃鲁法法用电解法生产金属铝用电解法生产金属铝（霍尔埃鲁工霍尔埃鲁工 艺：用碳质阳极电解熔于熔融艺：用

4、碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的中的Al2O3来制取铝来制取铝）1888年：澳大利亚卡尔年：澳大利亚卡尔约瑟夫约瑟夫拜耳发明了拜耳工艺拜耳发明了拜耳工艺 Bayer process：用：用240的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿 1910年：铝产量达年：铝产量达45000吨吨1.2 铝的制取铝的制取制取方法的演化制取方法的演化木炭和铝土（氧化铝）木炭和铝土（氧化铝）氯气氯气氯化铝氯化铝钾钾汞齐汞齐铝汞齐铝汞齐一种金属一种金属主要公司主要公司: : （2007年）世界原铝产地：世界原铝产地： 北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。北美、西欧（德、法）、中、

5、俄、澳大利亚、巴西。俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（万吨（12%）力拓公司（加铝）：力拓公司（加铝）： 【第二大铝公司】【第二大铝公司】 约约400万吨万吨美国铝业公司美国铝业公司【AlcoaAlcoa，第三大铝公司，第三大铝公司 】约】约380万吨万吨中国铝业公司中国铝业公司：【第四大铝公司】【第四大铝公司】 288 万吨雷诺兹金属公司雷诺兹金属公司 美美 凯撒铝及化学公司凯撒铝及化学公司 美美 波施涅铝工业公司波施涅铝工业公司法法德国联合工业公司德国联合工业公司日本轻金属公司日本轻金属公司澳大利亚科马尔科铝业公司澳大利亚科马尔科铝业公司APA

6、APA公司公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司 】氧化铝制取原理氧化铝制取原理拜耳法：高品位铝土矿拜耳法：高品位铝土矿碱石灰烧结法和拜耳烧结联合法：中低品位铝土矿碱石灰烧结法和拜耳烧结联合法：中低品位铝土矿拜耳法：氧化铝生产总量的95碱石灰烧结法拜耳烧结联合法霞石霞石（Nepheline）铝土矿Bauxite高岭石 kaolinite将粉碎的铝土矿放入240的强 NaOH 溶液中提取出Al2O3第一步： 将含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，滤除Fe和Si 氧化物组成的不溶解于水的残留物或红土。第三步： 调整煅烧温度、压力，除去Al2O3

7、3H2O中的水。可获得不同形态的、或 Al2O3 。 400600煅烧，得到 Al2O3 。 1200煅烧，得到 Al2O3。拜耳法拜耳法第二步： 在50左右， NaAlO2 分解得到Al2O3 3H2O 。通过附加促结晶剂 ，促进(Al2O3 3H2O) 沉淀。拜耳工艺流程图拜耳工艺流程图若直接采用拜耳法时，拜耳法时，NaOH 与硅反应生成Na2SiO3， Na2SiO3 与NaAlO2 反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。先用石灰石与铝土矿反应生成先用石灰石与铝土矿反应生成 Ca2SiO4，滤除后得到高含量，滤除后得到高含量Al2O3。拜耳烧结联合法拜耳烧结联合法用用Na

8、2CO3 代替代替 NaOH 。在。在800-1200 下，磨碎的铝土矿与下，磨碎的铝土矿与 Na2CO3 反应，反应， 生成铝酸钠生成铝酸钠 和和 CO2。铝酸钠经进一步磨碎后溶解于铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95 水中，水中， Al(OH) 3 以沉以沉淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3 粉末。粉末。碱石灰烧结法碱石灰烧结法制取原理：直流电通过由氧化铝、冰晶石组成的电解质溶剂，制取原理：直流电通过由氧化铝、冰晶石组成的电解质溶剂，在在950950970970下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。阳极阳

9、极析出析出CO2 ，阴极还原出，阴极还原出Al。霍尔埃鲁工艺霍尔埃鲁工艺: Hall-Hroult process电解槽包括：碳消耗阳极、熔融冰晶电解槽包括：碳消耗阳极、熔融冰晶石氧化铝电解质、铝液池。石氧化铝电解质、铝液池。电解条件：温度950、电流250 kA、 电压4.5V。生产能力：日产1800 Kg。Hall-Hroult电解槽由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。电解质：电解质： 80-90%NaAlF6, 2-8%Al2O3。添加剂。添加剂AlF3、CaF3

10、。铝的制取原理铝的制取原理阴极阴极阴离子在阴极表面失去电荷形成 NaF。电极反应机理电极反应机理阳极阳极溶于电解液中的Al2O3 在阳极区形成铝离子和AlO33- ，铝离子得到电荷形成金属 Al 并放出氧 ， 氧与C 形成 CO2。铝的净化：铝的净化：电解铝中通过含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用电解铝中通过含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用石墨管将石墨管将 Cl2 吹入铝的熔池中形成吹入铝的熔池中形成 AlCl3 ，AlCl3与杂质一起浮与杂质一起浮出去除。出去除。1.3 铝的物理冶金铝的物理冶金密度密度 (20 ) ： 2.70 g.cm-3 熔点熔点 ： 660 100 时的热容：时的热容：

11、 0.2241 cal.g-1K-1 / 938 Jkg-1K-1熔化潜热：熔化潜热： 94.7 cal.g-1 / 397.0 kJ.kg-1 20 时的电导率：时的电导率：64.94 (相当标准退火铜的百分数相当标准退火铜的百分数) 热导率热导率 ： 0.5 cal.sec-1cm-1K-11.3.1 合金元素与铝的作用合金元素与铝的作用Mg, Cu, Zn 和 Si 在铝中固溶度较大，是常用合金化元素。Cr, Mn 和 Zr 与铝形成化合物，常用于控制晶粒尺寸。CaCoCuCrGeFeLiMgMnNiSiAgSnTiVZnZr最大溶解度：最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr发生在包晶温

12、度；其余元素在共晶温度。发生在包晶温度；其余元素在共晶温度。室温溶解度：室温溶解度：Mg、Zn约为约为2%；Ge、Li、Ag为为0.10.25%；其余小于；其余小于0.1%Zn（31.62）Mg（17.41）Cu（5.650.5）Li（4.2） Mn（1.82）Si （1.65）Ag（56.5）Ge（7.2）Ti（1.3）元素在铝中的溶解度元素在铝中的溶解度二元铝合金相图Al-CuAl-Cu共晶相图共晶相图Al-TiAl-Ti包晶相图包晶相图合金元素在铝合金中的固溶强化效果合金元素在铝合金中的固溶强化效果 Mn 和和 Cu 含量为含量为 0.5%时，强化效果最好，超过后将形成时，强化效果最好，

13、超过后将形成 Al6Mn 相相 或不溶的或不溶的Al-Cu-Fe 化合物相。化合物相。 Mg 的强化效果最显著；锌的强化效果最差。的强化效果最显著；锌的强化效果最差。退火态高纯铝的屈服强度很低，为退火态高纯铝的屈服强度很低，为711 MPa。 简单二元系铝合金，如简单二元系铝合金，如AlMg、AlSi和和AlMn等，加入等，加入的合金元素也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只的合金元素也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷加工状态使用（即非热处理强化型铝合金）。能以退火或冷加工状态使用（即非热处理强化型铝合金）。 由由Zn、Mg、Cu、Si、Li等构成的多元系铝合金

14、，如等构成的多元系铝合金，如AlZnMgCu系，加入的合金元素既可溶解于铝中形成固溶体，系，加入的合金元素既可溶解于铝中形成固溶体，又可与铝形成二元或三元化合物，并且这些元素在又可与铝形成二元或三元化合物，并且这些元素在Al中的溶解度中的溶解度随温度降低而剧烈减小，具有显著的热处理强化效果，故含有这随温度降低而剧烈减小，具有显著的热处理强化效果，故含有这些元素的铝合金可通过热处理强化，为热处理强化型铝合金。些元素的铝合金可通过热处理强化，为热处理强化型铝合金。 Cr、Ti、Zr等在铝中的溶解度很小，但明显改善合金强度和等在铝中的溶解度很小，但明显改善合金强度和抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。但铝

15、合金的细晶强化效果不显抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。但铝合金的细晶强化效果不显著。著。 Reh=Reh0+kd0.5 式中式中 k = 68 MPa m 0.5铝合金的合金化铝合金的合金化固溶时效处理的一般步骤固溶时效处理的一般步骤固溶固溶： 将铝合金加热到单相固溶体区将铝合金加热到单相固溶体区（固溶线以上、固相线以下），使（固溶线以上、固相线以下），使合金元素溶入，获得成分均匀的固合金元素溶入，获得成分均匀的固溶体。溶体。淬火淬火： 快冷到室温获得单相过饱和固快冷到室温获得单相过饱和固溶体。溶体。时效时效： 过饱和固溶体加热到室温以上过饱和固溶体加热到室温以上某一温度，使其分解形成细小分散某

16、一温度，使其分解形成细小分散沉淀相。沉淀相。1.3.2 1.3.2 铝合金的铝合金的时效强化机制自然时效自然时效：室温下时效：室温下时效人工时效人工时效：在高于室温进行时效：在高于室温进行时效Al4%Cu铸态组织及淬火态组织析出析出脱溶（或沉淀）脱溶（或沉淀）：过饱和固溶体中析出一过饱和固溶体中析出一个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚稳过渡相的过程。属于固态相变。稳过渡相的过程。属于固态相变。时效分解（析出析出）过程和产物过饱和固溶体过饱和固溶体分解产物分解产物GP区过渡相过渡相（中间沉淀相）（中间沉淀相）平衡相平衡相A

17、lCu合金合金： 过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解：过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解： 过过 GP区区 其中其中 GP区、区、为亚稳定相为亚稳定相 （ 又称为又称为GP区）区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为：随着时效时间的延长，组织变化过程为：过过 GP区区 GP区：区：溶质原子在基体溶质原子在基体 100面上偏聚构成的面上偏聚构成的 圆盘形片圆盘形片 A.Guinier和G.D.Prestor于1938年研究AlCu合金自然时效时发现 圆盘形片尺寸：510nm0.40.6nm，数，数量量10141016/cm3 晶体结构： 与基体与基体相结构相同（相结构相同

18、（fcc） 界面：与：与相完全共格。相完全共格。 G P区是区是溶质原子富集的溶质原子富集的、排列有序的排列有序的、与基体共格的与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其原子束，均匀分布在基体上。其数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进GP区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却速度，淬

19、火后固溶体中存在较多空位，这有利速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利于获得尺寸细小、数量多于获得尺寸细小、数量多GP区区。 GP区附近基体晶格变化基体上析出GP区750000 GP 区尺寸分布随时效时间的变化屈服强度随时效时间的变化具有临界尺寸且具有临界尺寸且弥散分布的弥散分布的 GP 区或过渡相（中区或过渡相（中间相）才能使铝间相）才能使铝合金达到最大时合金达到最大时效强化。效强化。 平衡相图中，平衡相图中， GP区脱区脱溶线决定了溶线决定了GP区稳定存在区稳定存在的最高极限温度。的最高极限温度。只有细小弥散分布于基体中只有细小弥散分布于基体中的的GP区将导致基体强化。区将导致基体强化。

20、 相：相：圆碟片状，圆碟片状，30nm2nm；正方正方点阵点阵，ab0.404nm，c0.768nm。为均。为均匀形核匀形核、分布均匀，与基体完全共格，位向分布均匀，与基体完全共格，位向关系为关系为100/100基体；基体；相周围比相周围比GP区区存在更大的共格应变，故其强化效果大于存在更大的共格应变，故其强化效果大于GP区。区。 相：相：圆碟片状，圆碟片状，100nm几十几十 nm；正方点阵正方点阵，ab0.404nm，c0.58nm。与。与基体部分共格，位向关系为基体部分共格，位向关系为100/100基基体；成分为体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相，接近于平衡相（CuAl2）。）。

21、过渡相：过渡相：时效时间增加时效时间增加，基体中依次析出，基体中依次析出、过渡相过渡相 过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一定结晶学位向关系，尺寸比定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。区稍大。 过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核。为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、小角晶界、层错、空位团以及层错、空位团以及GP区等处不均匀形核。因此，其形核速率与基体中区等处不均匀形核。因此，

22、其形核速率与基体中位错密度有关。位错密度有关。基体上析出”相300000平衡相平衡相： ：正方点阵：正方点阵：ab0.905nm，c0.486nm，一般与基体不共格，但存在一定的晶体学位向一般与基体不共格，但存在一定的晶体学位向关系，其界面能高，形核功也高。为减小形核关系，其界面能高，形核功也高。为减小形核功，常在晶界处形核，所以平衡相形核是不均功，常在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。匀的。 平衡相仅在较高的时效温度出现，平衡相平衡相仅在较高的时效温度出现，平衡相尺寸粗大尺寸粗大，降低了强化效果。降低了强化效果。淬火态，单相固淬火态，单相固溶体，铜原子在溶体，铜原子在基体中混乱分布基体中

23、混乱分布时效初期，单相固时效初期，单相固溶体中形成保持共溶体中形成保持共格界面的格界面的GPGP区区时效中期，形成时效中期，形成半共格界面的过半共格界面的过渡相渡相高温时效，固溶高温时效，固溶体中析出非共格体中析出非共格界面的平衡相界面的平衡相基体上析出及 15400Sn颗粒降低了界面能，促进了 过渡相的析出 (Al2Cu) 铝合金中的微量元素将严重影响沉淀物的成核和生长，由铝合金中的微量元素将严重影响沉淀物的成核和生长，由于这些微量元素：于这些微量元素：优先与空位产生交互作用，削弱了淬火空位对时效的影响；优先与空位产生交互作用，削弱了淬火空位对时效的影响；提高了提高了GPGP区脱溶曲线温度；

24、区脱溶曲线温度； 促进自发形核；促进自发形核； 促进形成不同的沉淀物；促进形成不同的沉淀物； 促进异质形核；促进异质形核；提高了固溶体的过饱和溶解度。提高了固溶体的过饱和溶解度。微量元素对时效过程的影响微量元素对时效过程的影响Al4Cu工艺过程相同：加热、保温和快冷。工艺过程相同：加热、保温和快冷。共析钢退火态组织为珠光体；加热时共析钢退火态组织为珠光体；加热时，珠光体转珠光体转变为单相奥氏体，晶体结构已变变为单相奥氏体，晶体结构已变；淬火快冷淬火快冷，奥氏奥氏体转变为马氏体体转变为马氏体，晶体结构又变；马氏体强度因固晶体结构又变；马氏体强度因固溶强化而大幅度提高溶强化而大幅度提高，但脆性大但

25、脆性大。铝合金退火态组织为固溶体及分布其上的第二相；铝合金退火态组织为固溶体及分布其上的第二相；加热时，第二相溶入基体而引起成分变化，但基体加热时，第二相溶入基体而引起成分变化，但基体的晶体结构未变；冷却过程中，高温过饱和固溶体的晶体结构未变；冷却过程中，高温过饱和固溶体因快冷而冻结到室温因快冷而冻结到室温，但晶体结构不变但晶体结构不变；第二相溶第二相溶入基体形成单一过饱和固溶体组织入基体形成单一过饱和固溶体组织，其塑性优于原其塑性优于原二相组织，强度因固溶强化而提高。二相组织，强度因固溶强化而提高。铝合金的固溶处理与钢淬火处理的异同铝合金的固溶处理与钢淬火处理的异同固溶强化、沉淀强化、过剩相

26、强化、细晶强化、冷变形强化 固溶强化： 无限互溶合金系的组元间物理化学性质相似、原子尺寸差异小，无限互溶合金系的组元间物理化学性质相似、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果低。如铝锌、铝银简单固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果低。如铝锌、铝银简单二元合金系，固溶强化作用小，无实用价值；溶解度大于二元合金系，固溶强化作用小，无实用价值；溶解度大于1 1的的Al-MgAl-Mg、Al-CuAl-Cu、A1-MnA1-Mn、A1-SiA1-Si合金系，固溶强化作用较大，有实用价值。但固合金系，固溶强化作用较大，有实用价值。但固溶强化效果有限溶强化效果有限。时效强化时效强化(

27、 (沉淀强化沉淀强化) ) ： 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，这急剧减小，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，提高对位错运动的阻力，从而产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，从而产生强化。生强化。 多组元少量合金化多组元少量合金化（ A1-Cu-MgA1-Cu-Mg、Al-Mg-SiAl-Mg-Si和和Al-Zn-MgAl-Zn-Mg ）形成新的形成新的强化相强化相, ,改变沉淀硬

28、化特性，使强化效果更大，如改变沉淀硬化特性，使强化效果更大，如Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系，可形成系，可形成CuAlCuAl2 2(相相) )、AlAl，CuMg(SCuMg(S相相) )等强化相，强化合金更显著。等强化相，强化合金更显著。时效强化机理铝合金的强化方式过剩相强化过剩相强化：合金元素加入量超过其极限溶解度后，固溶加热时剩有部分不能溶合金元素加入量超过其极限溶解度后，固溶加热时剩有部分不能溶入固溶体的第二相即为过剩相。入固溶体的第二相即为过剩相。 过剩相多为硬而脆的金属间化合物过剩相多为硬而脆的金属间化合物，可阻碍位错运动，从而提高强可阻碍位错运动，从而提高强度、硬度，但降低

29、塑性、韧性。度、硬度，但降低塑性、韧性。 Al-SiAl-Si铸造合金的主要强化手段是过剩相强化。随着硅含量增加，铸造合金的主要强化手段是过剩相强化。随着硅含量增加，过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共晶成分太多，以免出现急剧降低强度和塑性的多角形初晶硅。晶成分太多，以免出现急剧降低强度和塑性的多角形初晶硅。细晶强化细晶强化： 铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合金强韧性化，以提高铝合金强韧性细晶强化。细晶强化。 铸造

30、铝合金：对不能热处理强化或强化效果不大的铝合金进行变质铸造铝合金：对不能热处理强化或强化效果不大的铝合金进行变质处理，细化铸态组织。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或锑等，可处理，细化铸态组织。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或锑等，可细化晶粒，显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等细化晶粒，显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等细化铁的夹杂物细化铁的夹杂物AlFeSiAlFeSi，从而提高塑性。，从而提高塑性。 变形铝合金中添加微量钛、锆、铍及稀土元素，能形成难熔化合物，变形铝合金中添加微量钛、锆、铍及稀土元素，能形成难熔化合物，合金结晶过程时作为非自发晶核，以细

31、化晶粒，提高合金的强度和塑性。合金结晶过程时作为非自发晶核，以细化晶粒，提高合金的强度和塑性。如铝锰合金中添加如铝锰合金中添加0.020.020.30.3TiTi可细化晶粒。可细化晶粒。 时效强化机理时效强化机理 时效强化机理是基于弥散强化，强化效果受位错与弥散相交互作用的制约时效强化机理是基于弥散强化，强化效果受位错与弥散相交互作用的制约 GP GP区与基体保持共格关系，位错易切过尺寸细小的区与基体保持共格关系，位错易切过尺寸细小的GPGP区，产生面滑区，产生面滑移和在晶界的位错塞积，对位错运动产生一定阻力，导致屈服强度提高，移和在晶界的位错塞积，对位错运动产生一定阻力，导致屈服强度提高，但

32、提高幅度不大。但提高幅度不大。 时效时间进一步延长，时效时间进一步延长， 、 将转变为尺寸较大、数量较少和将转变为尺寸较大、数量较少和间间距较远的距较远的相，相，位错可绕过位错可绕过相相而留下而留下位错环，此时，位错环，此时， 相对对位错运动相对对位错运动的阻力小，因此，的阻力小，因此，屈服强度较低。屈服强度较低。 时效时间的延长，将在位错、小角晶界、层错、空位团以及时效时间的延长，将在位错、小角晶界、层错、空位团以及GPGP区等区等处析出共格相处析出共格相、半共格相、半共格相， 、尺寸较尺寸较GPGP区大，位错切过区大，位错切过、时，产生时，产生较大的阻力，导致屈服强度大幅度提高。较大的阻力

33、，导致屈服强度大幅度提高。时效强化合金中，强度随时效时间（影响弥散相尺寸）增加发生先增加、后降低的变化。时效强化合金的强度与析出相时效强化合金的强度与析出相颗粒尺寸之间的关系颗粒尺寸之间的关系 下列工艺均能促进可阻碍位错运动的弥散相的析出下列工艺均能促进可阻碍位错运动的弥散相的析出两次时效工艺（先在两次时效工艺（先在GPGP区脱溶温度以下时效、再在脱溶温度以区脱溶温度以下时效、再在脱溶温度以上时效）：可获得更细小弥散分布的析出相。上时效）：可获得更细小弥散分布的析出相。预处理工艺：分别形成粗、细共沉淀相，前者可提高屈服强度，预处理工艺：分别形成粗、细共沉淀相，前者可提高屈服强度，后者提高均匀塑

34、性变形能力。后者提高均匀塑性变形能力。 采用适当的热处理工艺，使二种以上的、具有的不同晶向的中采用适当的热处理工艺，使二种以上的、具有的不同晶向的中间相发生共沉淀，从而阻碍位错运动。间相发生共沉淀，从而阻碍位错运动。 加入一些特殊微量元素促进中间相的均匀弥散形核。加入一些特殊微量元素促进中间相的均匀弥散形核。适合的热处理工艺可提高强度适合的热处理工艺可提高强度4040倍。倍。1.3.3 铝合金的腐蚀 铝是活泼金属，大气中表铝是活泼金属，大气中表面很快氧化，形成致密氧化膜，面很快氧化，形成致密氧化膜，可阻止内层金属进行氧化。氧可阻止内层金属进行氧化。氧化膜在化膜在pHpH为为4.5-8.54.5

35、-8.5的的水溶液中水溶液中是稳定的，但在强酸或强碱中是稳定的，但在强酸或强碱中不稳定。不稳定。 铝铝在水溶液中的腐蚀产物在水溶液中的腐蚀产物是氢氧化铝，然后转变为水合是氢氧化铝，然后转变为水合氧化铝；水合氧化铝粘附力小，氧化铝；水合氧化铝粘附力小，对大气中的铝表面无保护作用。对大气中的铝表面无保护作用。 氧化膜厚度约氧化膜厚度约2 23nm 3nm ，主，主要成分为要成分为AlAl2 2O O3 3，膜厚度与时间、膜厚度与时间、天气状况有关。天气状况有关。表面氧化膜表面氧化膜转化膜转化膜：膜厚约：膜厚约1 12 2微米。氧微米。氧化铝膜溶解于热酸或碱性溶液化铝膜溶解于热酸或碱性溶液中。膜主要

36、由中。膜主要由AlAl2 2O O3 3 与提高耐与提高耐蚀性的铬酸盐组成。用于飞机蚀性的铬酸盐组成。用于飞机结构中，但铬有毒。结构中，但铬有毒。阳极氧化膜阳极氧化膜：厚约：厚约10-20m10-20m。制作的零件作为阳极置于制作的零件作为阳极置于15% 15% H H2 2SOSO4 4 电解质中即可形成电解质中即可形成AlAl2 2O O3 3膜。膜是多孔的，要加以密封。膜。膜是多孔的，要加以密封。这种膜可赋予建筑物以丰富的这种膜可赋予建筑物以丰富的色彩。色彩。氧化物涂层氧化物涂层铝阳极氧化用于装饰，英国伯明翰 Al Al电极电位为电极电位为-0.85 V-0.85 V， 铝合金的电极电位

37、为铝合金的电极电位为- -0.690.69 -0.99 V -0.99 V。电腐蚀倾。电腐蚀倾向既与电极电位高低有关，向既与电极电位高低有关，也与总电阻、极化有关。也与总电阻、极化有关。 氧化膜的性质在金属氧化膜的性质在金属溶液界面影响极化溶液界面影响极化 ，这将，这将影响了腐蚀状况。影响了腐蚀状况。 根据电极电位差大小，根据电极电位差大小，铝与钢接触产生的腐蚀比与铝与钢接触产生的腐蚀比与铜接触产生的腐蚀少。铜接触产生的腐蚀少。电极电位电极电位合金元素和杂质的影响合金元素和杂质的影响 铝的固态溶解度、显微成铝的固态溶解度、显微成分和化合物如硅、分和化合物如硅、AlAl2 2CuMgCuMg、M

38、gMg2 2SiSi具有不同的电极电位，在具有不同的电极电位，在合金内各自形成微电池。总的合金内各自形成微电池。总的来说，来说，固态溶解度对耐蚀性影固态溶解度对耐蚀性影响最大。响最大。 Al-MgAl-Mg合金具有较高合金具有较高的耐蚀性；的耐蚀性；Al-ZnAl-Zn合金常用于某合金常用于某些铝合金的覆层，以及海水中些铝合金的覆层，以及海水中钢结构的阴极保护用电极。钢结构的阴极保护用电极。铝合金的表面点蚀和剥落铝合金的表面点蚀和剥落 显微成分是表面电化学腐蚀的根本原因，在某些区域产生不显微成分是表面电化学腐蚀的根本原因，在某些区域产生不均匀侵蚀。均匀侵蚀。 表层剥落腐蚀就是由铁、硅形成的表层

39、剥落腐蚀就是由铁、硅形成的AlAl3 3FeFe杂质物引起，这些杂质物引起，这些杂质物作为阴极，而铝作为阳极，促进了表面氧化膜的电化学腐杂质物作为阴极，而铝作为阳极，促进了表面氧化膜的电化学腐蚀。蚀。AlAl6 6MnMn，MgMg2 2SiSi也有类似的电极电位。也有类似的电极电位。铝合金板的表层剥落腐蚀高强度铝合金表面的点蚀 时效和回火处理改变微时效和回火处理改变微结构成分、尺寸和分布，影结构成分、尺寸和分布，影响耐腐蚀性能。响耐腐蚀性能。 热机械处理可引起的残热机械处理可引起的残余应力可导致零件的应力腐余应力可导致零件的应力腐蚀开裂。蚀开裂。 诸如焊接时的热处理引诸如焊接时的热处理引起的

40、温度梯度导致焊缝区、起的温度梯度导致焊缝区、热影响区及母体合金的组织热影响区及母体合金的组织差异。差异。 在锻造或挤压或拉伸过在锻造或挤压或拉伸过程中，非再结晶和再结晶的程中，非再结晶和再结晶的混合组织沿着三个维方向存混合组织沿着三个维方向存在差异。在差异。Cracks may form along the Three principal directions热处理对耐蚀性的影响热处理对耐蚀性的影响1.3.4 铝合金的力学行为铝合金的力学行为 铝合金中微结构对力学性能的影响粗晶粒间的化合物或枝晶间共晶体粗晶粒间的化合物或枝晶间共晶体： 共晶合金凝固时形成的枝晶间化合物。分为可溶解（Al2CuM

41、g 、 Al2Cu、 Mg2Si）和不可溶解Al3Fe、 Al7Cu2Fe 、(Al6(Fe,Mn) 、 Al(Fe,Mn,Si)。这些粒子对高强度锻造铝合金是有害的，并且沿加工方向以线串状排列。要消除种缺陷需要较多的成本。沿铝轧制方向排列的线串状化合物细小的亚微颗粒或细小的亚微颗粒或0.050.050.5m0.5m弥散相弥散相在铸锭均匀化处理时析出。这些化合物含一种过渡金属，如Al20Mn3Cu2 、Al12Mg2Cr和Al3Zr。它们将延缓加工和热处理过程中的再结晶和晶粒生长；还影响位错运动，从而影响力学性能。晶粒尺寸和形状晶粒尺寸和形状大热塑性变形时的动态回复产生网状亚晶。厚断面上变形量

42、小，不发生再结晶。形成的织构仍保留下来。位错结构位错结构：由冷加工引起，对时效硬化无作用。晶体织构晶体织构存在于轧制产品中。显著影响产品的成形性，力学性能出现各向异性。细小沉淀相（细小沉淀相（0.1m0.1m）时效时形成：对强化产生最明显的贡献。拉伸性能 沉淀强化程度对铝合金拉伸性能的影响分为两类： 沉淀强化效果显著沉淀强化效果显著: 主要是提高主要是提高 Reh和和Rm ，这取决于最终的弥，这取决于最终的弥散沉淀相。散沉淀相。沉淀强化效果不显著：沉淀强化效果不显著： Reh 和和 Rm 仅仅与冷加工时的位错有关。与冷加工时的位错有关。 粗大的金属间化合物降低塑性；纤维组织或晶体织构导致纵粗大

43、的金属间化合物降低塑性；纤维组织或晶体织构导致纵向性能最好，横向性能最差。向性能最好，横向性能最差。（76厚铝合金板）厚铝合金板）韧性韧性 韧性是材料抵抗断韧性是材料抵抗断裂的能力（当有裂纹裂的能力（当有裂纹时），时），韧性在很大程度韧性在很大程度上取决于微观结构。裂上取决于微观结构。裂纹形成的原因是在第二纹形成的原因是在第二相粒子与基体界面结合相粒子与基体界面结合被破坏而导致裂纹开始被破坏而导致裂纹开始形核、扩展。形核、扩展。 未时效的韧性最大，未时效的韧性最大，时效达到峰值强度时的时效达到峰值强度时的韧性最低。韧性最低。 减少减少FeFe和和SiSi杂质可杂质可大大改善韧性。大大改善韧性。

44、Al-Cu-Mg平面应变断裂韧性疲劳疲劳 提高有色金属合金的拉伸强度并提高有色金属合金的拉伸强度并不总是能同时提高疲劳强度。合金的不总是能同时提高疲劳强度。合金的拉伸强度越依赖于沉淀硬化，疲劳强拉伸强度越依赖于沉淀硬化，疲劳强度就越低。由于在循环应力作用下应度就越低。由于在循环应力作用下应变集中在沉淀相附近，时效硬化铝合变集中在沉淀相附近，时效硬化铝合金具有较低的疲劳性能，通过改进弥金具有较低的疲劳性能，通过改进弥散相的均匀性可防止宽滑移带形成；散相的均匀性可防止宽滑移带形成；由热机械工艺增加位错密度有助于改由热机械工艺增加位错密度有助于改善疲劳性能。善疲劳性能。 粗、细颗粒并存的复相结构可同

45、粗、细颗粒并存的复相结构可同时满足高的抗拉强度和时满足高的抗拉强度和高高的的疲劳强度疲劳强度的要求，因为具有细颗粒带来高的抗的要求，因为具有细颗粒带来高的抗拉强度、粗颗粒改善疲劳强度拉强度、粗颗粒改善疲劳强度 ( (产生产生可动位错可动位错) )。冶金因素对疲劳性能的影响冶金因素对疲劳性能的影响高纯Al - Zn - Mg合金中沉淀析出造成的贫化区在疲劳时形成了滑移带 含有高密度的粗滑移带导致疲劳性能降低在疲劳循环时,粗大的第二相周围产生分散的位错，这有助于改善疲劳性能 在腐蚀环境中，如含有微量在腐蚀环境中，如含有微量铁的卤化物水蒸汽，承受拉应力铁的卤化物水蒸汽，承受拉应力的合金将发生应力腐蚀

46、开裂的合金将发生应力腐蚀开裂（SCCSCC）：）：失效应力远低于屈服强度。失效应力远低于屈服强度。 冶金组织类型、应力大小和腐冶金组织类型、应力大小和腐蚀环境决定着应力腐蚀开裂。蚀环境决定着应力腐蚀开裂。铜、镁、锌、硅和锂作为溶质铜、镁、锌、硅和锂作为溶质元素具有反作用。元素具有反作用。 注意：应避免横向应力，因为变注意：应避免横向应力，因为变形织构而产生腐蚀。形织构而产生腐蚀。应力腐蚀断裂A7075-A6065焊接拉伸试样的应力腐蚀试验时的点蚀和裂纹扩展冶金因素对应力腐蚀裂纹扩展的影响冶金因素对应力腐蚀裂纹扩展的影响对晶粒心部而言，对晶粒心部而言， PFZPFZ或晶界看作阳极或晶界看作阳极

47、，将导致应力腐蚀。，将导致应力腐蚀。 GPGP区增加了基体与沉淀相对应力腐蚀的敏感性。区增加了基体与沉淀相对应力腐蚀的敏感性。在在GBsGBs中的弥散沉淀相中的弥散沉淀相-靠近靠近GBsGBs颗粒将促进颗粒将促进SCCSCC。在在GBsGBs中的溶质富集改变了电极电位。中的溶质富集改变了电极电位。因在因在GBsGBs中的快速扩散导致氢脆。中的快速扩散导致氢脆。化学吸附裂纹表面降低了强度化学吸附裂纹表面降低了强度. .暴露于实验室大气下三个月后，人工时效的 Al-Zn-Mg 合金中位于晶界沉淀相的氢气泡 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 循环应力和腐蚀同时存在将使循环应力和腐蚀同时存在将使疲劳强度显着降低，降低

48、幅度远远疲劳强度显着降低，降低幅度远远大于单一存在的情形。大于单一存在的情形。 金属零件表面的保护膜常在循环金属零件表面的保护膜常在循环应力作用下而破裂。应力作用下而破裂。 诸如蚀坑位置是疲劳裂纹的发源诸如蚀坑位置是疲劳裂纹的发源地。地。 注：腐蚀条件下疲劳强度降低与材注：腐蚀条件下疲劳强度降低与材料对介质的耐蚀性有关。料对介质的耐蚀性有关。Corrosion pits as the cause ofcorrosion fatigue failure蠕变蠕变 蠕变断裂（高温）通常从晶界开始，尤其是在铝合蠕变断裂（高温）通常从晶界开始，尤其是在铝合金中。金中。 持续高温作用导致过时效和软化。工作

49、温度必须低持续高温作用导致过时效和软化。工作温度必须低于时效温度，以避免强度降低。铝合金中亚微尺寸金属于时效温度，以避免强度降低。铝合金中亚微尺寸金属间化合物如间化合物如AlAl9 9FeNiFeNi或颗粒有助于改善使用温度恒定时的或颗粒有助于改善使用温度恒定时的蠕变抗力。蠕变抗力。 短纤维增强的铝合金也可提高蠕变抗力。短纤维增强的铝合金也可提高蠕变抗力。 垂直方式的直接激冷铸造比水平方式更易得到均匀铸锭组织。垂直方式的直接激冷铸造比水平方式更易得到均匀铸锭组织。熔融合金注入带有可重复使用的底部引出块的水冷铜模中。熔融合金注入带有可重复使用的底部引出块的水冷铜模中。 在凝固过程中，金属在底部引

50、出块上凝固，同时，伴随其余金属在凝固过程中，金属在底部引出块上凝固，同时，伴随其余金属液体因冷却水的作用而快速凝固。液体因冷却水的作用而快速凝固。直接激冷铸造直接激冷铸造该工艺连续生产具有最终尺寸要求的薄板产品。由于轧辊区域该工艺连续生产具有最终尺寸要求的薄板产品。由于轧辊区域和喷射区域的变化，使连铸铝合金表面冷却模式的复杂化。和喷射区域的变化，使连铸铝合金表面冷却模式的复杂化。 成对水冷辊的旋转可不断生产板坯。成对水冷辊的旋转可不断生产板坯。Continuous casting process连续铸造连续铸造影响铝熔化的冶金因素影响铝熔化的冶金因素铝熔体容易：铝熔体容易： 过量吸收氢气（脆化

51、）过量吸收氢气（脆化） 熔体氧化形成片状、颗粒状镁、钠、熔体氧化形成片状、颗粒状镁、钠、钙、锶等复杂氧化物（影响力学性能）钙、锶等复杂氧化物（影响力学性能）以硼化物、氧化物、碳化物和非金属以硼化物、氧化物、碳化物和非金属颗粒形式存在的夹杂物如颗粒形式存在的夹杂物如AlAl2 2C C3 3 （存在（存在于所有铝合金）于所有铝合金） 将引起应力集中。将引起应力集中。冶金组织的控制冶金组织的控制树枝晶尺寸或枝晶臂间距；树枝晶尺寸或枝晶臂间距；微观组织的组成和分布；微观组织的组成和分布；晶粒度。晶粒度。 细晶粒尺寸或组织可以改善：撕裂强度、细晶粒尺寸或组织可以改善：撕裂强度、机械性能、气密性、可热处

52、理、化学、电化学机械性能、气密性、可热处理、化学、电化学和机械加工等性能。和机械加工等性能。铸造组织的控制铸造组织的控制孕育处理细化晶粒孕育处理细化晶粒TiAl3晶体作为晶粒成长的晶核。晶体作为晶粒成长的晶核。 每个颗粒平均有每个颗粒平均有8个位置进行复合形核。个位置进行复合形核。 TiB2相还具有晶粒细化的效果。相还具有晶粒细化的效果。晶粒细化剂晶粒细化剂 ：中间合金：中间合金：Al-35%Ti 精炼剂精炼剂Al-Ti-0.21%B (Ti:B 5:50)直接激冷铸锭的均匀化处理 直接激冷铸造的铝合金铸锭常预先在直接激冷铸造的铝合金铸锭常预先在450450600600进行均进行均匀处理，其目

53、的是：匀处理，其目的是：减小微观偏析；消除后续加工时可能引减小微观偏析；消除后续加工时可能引起裂纹的非平衡相、低熔点共晶组织；控制凝固时溶解的过起裂纹的非平衡相、低熔点共晶组织；控制凝固时溶解的过量沉淀物。量沉淀物。 均匀化处理时均匀化处理时, , 合金元素将合金元素将从晶界和其它溶质偏析区域扩散从晶界和其它溶质偏析区域扩散到晶粒其它部位；扩散时间取决到晶粒其它部位；扩散时间取决于扩散距离和合金元素的扩散速于扩散距离和合金元素的扩散速度度 ( (晶粒尺寸、枝晶臂间距晶粒尺寸、枝晶臂间距) ) 。直接激冷铸锭的加工直接激冷铸锭的加工： 均匀化处理后，后续热加工可打碎铸锭中的粗大组织，得均匀化处理

54、后，后续热加工可打碎铸锭中的粗大组织，得到成分分布、晶粒大小更均匀的组织。对无沉淀强化的铝合金到成分分布、晶粒大小更均匀的组织。对无沉淀强化的铝合金所进行的冷加工可得到强化，冷加工过程中可能还需进行所进行的冷加工可得到强化，冷加工过程中可能还需进行345345415 415 的中间退火。的中间退火。1.3.7 1.3.7 铝合金的热处理工艺铝合金的热处理工艺 固溶处理应在理想温度下固溶处理应在理想温度下进行，以使大部分合金元素完进行，以使大部分合金元素完全固溶获得单相组织。固溶温全固溶获得单相组织。固溶温度不能超过固相线温度，度不能超过固相线温度， 以免以免过热，甚至出现熔融化合物、过热，甚至

55、出现熔融化合物、晶粒长大将影响机械性能晶粒长大将影响机械性能 。吸收的氢原子可与内部空洞结吸收的氢原子可与内部空洞结合，形成小气孔或起泡。应该合，形成小气孔或起泡。应该尽量减少炉内或熔池内的水蒸尽量减少炉内或熔池内的水蒸汽。汽。Liquation along GBs due to overheatingof an Al-Cu-Mg alloy during STBlistering on Al alloy surface, heat-treated in a humid atmosphere固溶处理固溶处理固溶处理后的合金淬火到室温，以实现最大过饱和度，为随后固溶处理后的合金淬火到室温，以实现

56、最大过饱和度，为随后的时效做准备。的时效做准备。 冷水淬火：用于高冷却速度特别是厚断面，但在薄断面将发冷水淬火：用于高冷却速度特别是厚断面，但在薄断面将发生扭曲（或淬火残余应力），这在时效时可松驰生扭曲（或淬火残余应力），这在时效时可松驰20204040。The effect of minor additions of Cr and Zr onthe quench sensitivityTensile strength as a function ofquenching rate in Tcrit 290-400淬火热或沸水淬火以及风冷淬火：冷却速热或沸水淬火以及风冷淬火：冷却速度较低，淬火应

57、力较小，其后的时效效度较低，淬火应力较小，其后的时效效果主要取决于合金系的淬火敏感性。果主要取决于合金系的淬火敏感性。但但这可能导致粗颗粒的这可能导致粗颗粒的非均相成核非均相成核。盐浴淬火盐浴淬火 : (180: (180保温一定时间然保温一定时间然后冷却到室温后冷却到室温) ) 对高强度对高强度 Al-Zn-Mg-Cu Al-Zn-Mg-Cu 合金可实现快冷而降低残余应力。合金可实现快冷而降低残余应力。Heterogeneous nucleation oflarge particles in slow-quenchedand aged Al-Mg-Si alloy.时效强化时效强化可热处理强

58、化铝合金优化性能的最后步骤：可热处理强化铝合金优化性能的最后步骤：自然时效自然时效 室温下进行室温下进行人工时效人工时效 在在100100190190进行进行时效温度和时间取决于合金系和最终的性能时效温度和时间取决于合金系和最终的性能要求。要求。一步时效一步时效: : 适用于高强度合金，适用于高强度合金，8 824h24h；多步时效多步时效: : 适用于获得较高抗腐蚀性能和较适用于获得较高抗腐蚀性能和较高韧性的合金高韧性的合金1.4.1 纯铝的牌号纯铝的牌号旧标准旧标准新标准新标准LG1、LG2、LG3、LG4、LG5L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-18A06： Al ：余量、Si 0

59、.55、Cu 0.10、 Mg0.10、 Zn0.10、 Mn0.10、 Fe： 0.000 0.500、Fe Si： 0.000 1.500 注：单个:0.05;合计:0.15 1A85、1A90、1A93、1A97、1A99、1060、1050A、1035、8A06、1A30、1100LG1、LG2、 LG3、 LG4、 LG5、 L2、 L3、 L4、 L6、 L4-1、L5-1高纯铝：高纯铝： 99.999工业高纯（精）铝：工业高纯（精）铝： 99.9599.996工业纯铝：工业纯铝： 99.0099.85高纯铝高纯铝牌号牌号 Al含量含量% Si Fe Cu Pb Zn Ga Ti

60、Cd Ag In 总量总量Al-05 99.999 2.8 2.8 2.8 0.5 1.0 0.5 1.0 0.2 0.2 0.2 10.0 (ppm) Al-055 99.9995 Si+Fe+Cu+Zn+Ti+Ga 5.0(ppm) 重熔用工业高纯铝锭重熔用工业高纯铝锭 牌牌 号号 Al含量含量% Fe Si Cu Zn Ti 其它杂质每种其它杂质每种 总和总和Al99.996 99.996 0.0010 0.0010 0.0015 0.001 0.001 0.001 0.004Al99.993 99.993 0.0015 0.0013 0.0030 0.001 0.001 0.001 0