轻合金铝合金的组织与性能实用教案

1、 Cu、Mg含量比不同，相组成物也不同。Cu含量越多，相越多，S相越少；Mg含量越多，相越少，S相越多，当Cu/Mg 2.61时（45Cu，1.52.0Mg），合金的强化相几乎全是S相。Mg量再高，即出现T和相，硬化效应小，因此Mg量一般(ybn)不超过2。 在这些相中，S相强化效应(xioyng)最大，相次之，和T相较弱，故2XXX系合金的主要强化相是 S和相。 4.5Cu截面(jimin)第1页/共24页第一页，共24页。 工业用2系的 Cu/Mg8时，强化(qinghu)相主要是； Cu/Mg8 4时，主要是S； Cu/Mg4 1.5时，主要是S相； 相在时效过程中的结构变化已讨论，当C

2、u/Mg2时，S相的沉淀过程为：GP区S SS（ MgCuAl2） GP区是 Cu、Mg原子偏聚区，为针状（也有人认为(rnwi)是球状）； 是有序化的GP区，与母相共格，圆柱状； 是斜方晶格，与母相部分共格； 当 相长大到与母相失去共格关系时，即被平衡相S所取代。S SS第2页/共24页第二页，共24页。二、合金化 Cu是主成分， 有一定的固溶强化作用，相有明显的时效强化效果(xiogu)，由图可看出，Cu含量为4.0 4.8时强化效果(xiogu)最大（大部分2系合金的含Cu量处于这个范围）。Cu提高强度，降低塑性。第3页/共24页第三页，共24页。 为获得高强度： Mg含量2； 研究表明

3、：位于极限溶解度附近的固溶体合金具有最大的时效效果(xiogu)，固溶时有过剩的Cu、Mg时，时效效果(xiogu)下降。 Mg的主要作用(zuyng)是生成S相，进一步提高合金的强度，但延伸率下降较大；此外，Mg能改善相、固溶体和晶界间的电极电位关系，因此能改善合金的耐蚀性。 自然时效态屈服强度(qingd)的变化第4页/共24页第四页，共24页。 Mn也是2系合金的主要成分，所以有时(yush)用Al-Cu-Mg-Mn系代表2系合金，其主要作用是消除Fe对抗蚀性的有害影响，同时提高强度尤其是高温强度，但其加入量应1，否则形成粗大的脆性化合物（MnFe）Al6，降低合金的压力加工性能。 Mn

4、对Al-4Cu-0.5Mg力学性能影响(yngxing)第5页/共24页第五页，共24页。 微量Be能提高氧化膜的致密性，防止Mg在熔炼时的烧损； Ti能细化晶粒，显著降低热裂倾向，在可焊合金及焊丝合金中广泛应用； Zr与Ti一样也是有效的晶粒细化剂，故能减轻铸造和焊接裂纹，提高铸锭和焊缝的塑性，此外还有与Mn相似的作用，即提高合金的再结晶温度； Si增加合金的铸造和焊接裂纹倾向，降低合金的塑性，但当Mg0.5时有好影响，表现在提高合金的人工时效速度和强度，但不影响自然时效能力（Mg2Si）； Fe能与Cu、Mn、Si等形成不溶解的脆性相，降低合金的塑性和韧性(rn xn)，损害时效能力； 近

5、年来开发出了高纯硬铝（2124、2048），合金的断裂韧性(rn xn)明显提高。三、微量元素和杂质对组织性能(xngnng)的影响 第6页/共24页第六页，共24页。牌号CuMgMnFeSi2A012.2 3.00.2 0.50.50.52A022.6 3.22.0 2.40.45 0.7 0.30.32A063.8 4.31.7 2.30.5 1.00.50.52 A103.94.50.15 0.3 0.3 0.50.20.252A113.8 4.80.4 0.80.4 0.80.70.72A123.8 4.91.2 1.80.3 0.90.50.520243.8 4.91.2 1.80.

6、3 0.80.50.521243.8 4.91.2 1.80.3 0.90.30.320482.8 3.81.2 1.80.2 0.60.20.1520362.2 3.00.3 0.60.1 0.40.50.5常用(chn yn)2系合金的成分 第7页/共24页第七页，共24页。超纯Al合金与工业(gngy)Al合金断裂韧性比较 2024主要夹杂相是含Fe相和淬火残留相S和，对塑性和韧性(rn xn)不利；2124含Fe相减少，但仍有相当的淬火残留相；2048进一步减少了脆性相数量。第8页/共24页第八页，共24页。四、2系合金(hjn)的耐蚀性 2系合金的耐蚀性差，且Cu量越高耐蚀性越差，耐

7、蚀性差的原因是：含Cu的固溶体及晶界上第二相的电极电位比晶界高，易引起局部腐蚀，因此耐蚀性差，不能满足使用要求（尤其在海洋或潮湿大气中），需进行人工保护。 主要方法： 1、包Al，即用热轧法将纯Al板包覆在板材表面上，因纯Al的电极电位低，在大气中起阳极作用(zuyng)，且能形成保护膜，故产品能得到电化学和机械保护（包Al层厚应大于 板厚的4，对高强度Al合金厚板，为减少强度损失，可减少到2）； 2、型材、管材等不能包Al产品，可进行阳极氧化或涂漆等保护措施。 第9页/共24页第九页，共24页。五 应用(yngyng) 2 系合金按用途和强度可分铆钉、中强、高强和耐热硬Al四类，主要应用于航

8、空工业，除耐热硬Al（2A02）进行人工时效外，其余均在自然时效状态下使用。 铆钉硬Al（2A01、2A10）又称低合金化硬Al，特点是Cu、Mg含量低且限制了杂质含量，有较高的塑性； 2A11也称标准(biozhn)硬Al（与Wilm在1906年发现时效现象是使用的成分基本相同，故得名），有中等强度，塑性较好，多以板、棒、型材应用，在航空工业主要用于模锻螺旋浆片； 2A12属高强度硬Al，以S为主要强化相，多以包Al板材状态使用，是航空工业中应用最广的合金，制造飞机蒙皮； 第10页/共24页第十页，共24页。 2A02的Mg、Mn含量高，位于S相区，多余的Mg能形成耐热相Al10Mg2Mn，

9、故有高的耐热性，多以模锻制造在250 300工作的零件。为保证高温性能的稳定性，多以人工时效（ 165 17516h ）状态使用； 2036合金的Cu、Mg含量低，综合性能好，主要用于制造汽车车身（汽车车身板既要求一定的强度，又要有良好的冲压性能、焊接性能、抗蚀性，以及冲压后无吕德线（Luder Lines）， 在涂漆后的烘烤期间能发生(fshng)完全的沉淀硬化）。 六 耐热合金(ni r h jn) 随着超音速喷气客机的发展，需求(xqi)能在120 以上长期工作的飞机蒙皮材料，早期的Al合金已不能满足这一要求，因此开发了耐热Al合金。第11页/共24页第十一页，共24页。1、Al-Cu-

10、MgFe-Ni系 牌号CuMgFeNiSi2A70 1.9 2.5 1.4 1.8 1.0 1.5 1.0 1.5 0.252A80 1.9 2.5 1.4 1.8 1.1 1.6 1.0 1.5 0.5 1.22A90 3.5 4.5 0.4 0.8 0.5 1.0 1.8 2.3 0.5 1与前述合金(hjn)不同的是： 以Fe、Ni、Si代替Mn作合金(hjn)元素。 （2A70含0.020.1Ti） 第12页/共24页第十二页，共24页。1）组织 除S相外，加入的Fe和Ni主要与Al形成(xngchng)FeNiAl9化合物；若Fe和Ni的含量比不为1:1，则存在过剩的Fe或过剩的Ni

11、，此时可相应地形成(xngchng)AlCuNi（或 Cu3Al6Ni ）化合物（过剩Ni）或AlCuFe（或Cu3Al6Fe）化合物（Fe过剩） ； Si与Mg形成(xngchng)Mg2Si相。 2A90应用最早，是在2A11的基础上发展起来的，加入Fe、Ni、Si除形成(xngchng)Mg2Si外，Fe和Ni形成(xngchng)FeNiAl9化合物，多余的Ni与Cu形成(xngchng)AlCuNi化合物。这些化合物在固溶体中不溶解，故无时效硬化作用，但在高温能起弥散硬化作用，有利于耐热性提高（主要是前者）。该合金的特点是含Ni量高，导热性好，热膨胀系数小，适于生产内燃机活塞，缺点是

12、脆性相多，塑性差。第13页/共24页第十三页，共24页。 2A70和2A80合金降低了Cu、Ni含量，提高了Mg、Fe含量，合金化的特点是：Ni、Fe含量恰好形成FeNiAl9，既无多余的Ni形成AlCuNi化合物，也无多余的Fe形成AlCuFe化合物，减少了合金中脆性化合物的数量。此外，没有多余的Ni、Fe消耗Cu，有更多的Cu溶入固溶体，同时由于增加了形成S相的Mg，合金的耐热性进一步提高。二者的力学性能接近，差别是前者的工艺性能好（目前2A70用量最大）。 合金中加Ti主要是为了细化晶粒，提高塑性，耐热性主要靠S相的时效(shxio)硬化和FeNiAl9相的弥散硬化。 两种合金没有自然时

13、效(shxio)能力，只能人工时效(shxio)。 主要用于生产鼓风机和压气机涡轮叶片以及发动机活塞等。第14页/共24页第十四页，共24页。2）性能变化规律 单独添加Fe或Ni时，由于形成不溶解的AlCuFe相或AlCuNi相，降低了固溶体中的Cu含量，因此合金的时效(shxio)效果下降（淬火和时效(shxio)态的性能急剧下降）； 同时添加Fe或Ni时，由于Fe、Ni优先形成FeNiAl9，减小了形成AlCuFe相和AlCuNi相的机会，因此提高了Cu在固溶体中的浓度（尤其当Fe:Ni1:1时），使合金的强度急剧升高； 加入0.4以下的Si可提高合金的强度，改善耐热性，但当Si量较多时，

14、由于Mg2Si量增多，而S相数量减少，合金的耐热性降低。第15页/共24页第十五页，共24页。175 时的持久强度(qingd)（应力为260MPa）1最大值2最小值时效(shxio)淬火(cu hu)Si对持久强度的影响1200 、 180MPa2270 、80 MPa第16页/共24页第十六页，共24页。2、Al-Cu-Mn系 该系合金含较高的Cu，不含Mg或少量Mg，特点是：合金的Cu量超过极限溶解度（5.7），过剩的相弥散质点提高耐热性。此外，合金的共晶量较多，因此流动性好，可焊性好；塑性(sxng)和工艺性能好，室温强度比2A70低，但在250 300间高温强度比后者高。牌号 CuM

15、nMgTiZr V2A166.07.00.40.8 0.10.22A176.07.00.40.8 0.250.45 0.10.222195.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25 0.050.1520215.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25（Fe、Si含量(hnling)0.3） 第17页/共24页第十七页，共24页。1） 组织(zzh) 合金(hjn)中除相和MnAl6外，还出现一三元相T（ CuMn2 Al12 ） 合金(hjn)的相组成物是T，只有当Cu量很低时才出现MnAl6。第18页/共24页第十八页，共24页。2）合金元素(yun

16、s)和杂质对组织性能的影响 Cu在接近极限溶解度5 6时，合金具有最高的强度。 力学性能 300 持久(chji)强度（ 40MPa）最大值最小值第19页/共24页第十九页，共24页。 当Cu在最佳含量6时，Mn对室温性能(xngnng)影响不大，但当含量为0.4 0.8时可显著提高300 时的持久强度。 力学性能 300 持久(chji)强度（70MPa）Mn,%1-退火(tu hu)2-自然时效3-淬火4-200 人工时效1-0.7Mn 2-0.9Mn 3 -0.4Mn 4-1.3Mn 5 -0.2Mn第20页/共24页第二十页，共24页。 原因： 1）Mn在Al中扩散系数低，降低主要组元

17、Cu（2个数量级）的扩散系数，因此能大大减缓固溶体的分解速度，提高合金的耐热性； 2）Mn在铸造时易偏析（在枝晶外围部分强烈过饱和），靠近晶界的这种富Mn区使相不易沿晶界析出和集聚，因而促使相在基体中均匀分解，提高合金的耐热性； 3）形成的T相在均匀化和固溶处理时以弥散质点形式析出，该相在时效过程中形核和长大缓慢(hunmn)且在高温时具有高的硬度，因此在高温长时间加热过程中组织稳定，对耐热性有利（该相仅极弥散析出时才能提高耐热性）。第21页/共24页第二十一页，共24页。 过渡族元素Ti、Zr、V等同Mn一样，也能提高再结晶温度、增加固溶体的稳定性、降低Cu原子的扩散系数，对合金耐热性同样有利，其中Zr最明显。 2219、2021在稍微降低Cu 、Mn含量的条件下，同时加入上三种微量元素，充分发挥微量元素的作用，不仅有较高的室温性能和良好抗蠕变性能，还有优秀的可焊性。 Mg提高合金的强度，但使焊接性能急剧下降，在可焊合金中应严格限制(xinzh)； Fe、Si是耐热性有害的杂质，Si降低再结晶温度，加速固溶体的分解，Fe形成不溶解的（FeMn）Al6，降低Mn对耐热性的影响，因此含量0.3。 该系合金多在人工时效状态下使用。 合金的缺点是Cu含量高，耐蚀性差，用于焊接结构，焊缝需阳极氧化或涂漆。第22页/共24页第二十二页