秋轻合金铝合金相图及合金相

秋轻合金铝合金相图及合金相第1页/共80页1.铝合金相图

第2页/共80页1.1

铝合金中重要的二元相图铝合金中重要的二元合金相图主要包括Al-Fe、Al-Cu、Al-Mn、Al-Si、Al-Mg、Al-Zn、Al-Cr、Al-Ti、Al-Zr、Al-La、Al-Ce等相图。图1～图12是相应的部分二元合金相图。

第3页/共80页图1Al-Cr二元相图（AlCr5、AlCr10、AlCr20

）第4页/共80页图2Al-Cu二元相图（AlCu40、AlCu50）

第5页/共80页图3Al-Fe二元相图（AlFe10、AlFe20）第6页/共80页图4Al-La二元相图（AlLa10、AlLa20）

第7页/共80页图5Al-Li二元相图第8页/共80页图6Al-Mg二元相图（AlMg10、AlMg20、AlMg50

）第9页/共80页图7Al-Mn二元相图（AlMn10、AlMn20

）

第10页/共80页图8Al-Si二元相图

（AlSi20、AlSi35、AlSi50）第11页/共80页图9Al-Ti二元相图（AlTi5、AlTi20

）

第12页/共80页图10Al-Zn二元相图

第13页/共80页图11Al-Y二元相图（Al-10Y）

第14页/共80页图12Al-Zr二元相图（AlZr5、AlZr10

）

第15页/共80页1.2铝合金中重要的三元合金相图铝合金中重要的三元合金相图如图13～图31所示。其中，富铝端的Al-Fe-Si三元相图是最重要的三元相图之一，对各种系列的铝合金研究和生产都有一定参考价值。

第16页/共80页图13Al-Ti-B

三元相图

第17页/共80页图14Al-Cu-Ce三元相图

第18页/共80页图15Al-Cu-Fe三元相图

第19页/共80页图16Al-Cu-Li

三元相图

第20页/共80页图17Al-Cu-Mg

三元相图

第21页/共80页图18Al-Cu-Zn

三元相图

第22页/共80页图19Al-Fe-Mn三元相图

第23页/共80页图20Al-Fe-Cr

三元相图

第24页/共80页图21Al-Fe-Zn三元相图

第25页/共80页图22Al-Mn-Mg

三元相图

第26页/共80页图23Al-Si-Mg

三元相图

第27页/共80页图24Al-Zn-Mg

三元相图

第28页/共80页图25Al-Si-Mn三元相图

第29页/共80页图26Al-Zn-Mn三元相图

第30页/共80页图27富铝端Al-Fe-Si系液相投影图

第31页/共80页图28富铝端Al-Fe-Si相图的固态相区

第32页/共80页图29Al-Fe-Si体系550℃等温截面图

第33页/共80页图30Al-Fe-Si体系450℃等温截面图

第34页/共80页图310.5%(质量)Fe成分下Al-Fe-Si系铝角相图

第35页/共80页2.铝合金中的化合物第36页/共80页2.11×××系和8×××系中的化合物1×××系合金的纯度大于99.0%(质量)，其中Si、Fe为主要元素。8×××系合金成分为Al-Fe-×，其中Fe+×>1.0%(质量)，对铝箔用合金，×主要是Si元素，并且可能含有比1×××系合金较高含量的Mn、Cu等合金元素，主要合金牌号有8111（8011）、8079等。第37页/共80页由于形态上的明显差别，人们最早发现了两种Al-Fe-Si相，被记为相和相。前者具有明显的汉字外形，后者则呈长针状或盘片状。相中Si含量较低，Fe/Si(质量)比在5.5～2.75；相中Si含量较高，Fe/Si(质量)比在2.25～1.6。目前，相的化学计量式通常被表达为Fe2SiAl8、Fe3Si2Al12、Fe5Si2Al20，成分组成范围为30%～33%(质量)Fe、6%～12%(质量)Si；相的化学计量表达式有Fe2Si2Al9、FeSiAl5，成分组成范围为25%～30%(质量)Fe、12%～15%(质量)Si。第38页/共80页在平衡态的Al-Fe-Si系中，相被认为具有六方晶格结构。文献中，六方相被表达为或2。图32是DC铸造1050合金中六方相的典型TEM形貌。在实际合金中，也存在着具有立方晶系的相。文献中该相被表达为或1。第39页/共80页图32DC铸造1050合金六方相典型TEM形貌及[100]晶带轴选区电子衍射花样

第40页/共80页立方晶型的相并不是热力学稳定相，但是可以被工业纯铝中少量存在的过渡族元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所稳定。由于工业纯铝合金中普遍存在上述少量微量元素，所以立方相成为工业纯铝合金中最为常见的相。快冷条件下有利于立方相的生成。实际上，快冷和稳定性元素对立方相生成的促进作用很难区分开。第41页/共80页图33(a)给出了DC铸造Al-0.25%(质量)Fe-0.13%(质量)Si合金中立方相的典型TEM形貌.图33(b)是其[111]晶带轴的选区电子衍射花样。第42页/共80页图33DC铸造Al-0.25%(质量)Fe-0.13%(质量)Si合金立方相典型TEM形貌及[111]晶带轴选区电子衍射花样

第43页/共80页Westengen在对1050合金[0.25%(质量)Fe，0.13%(质量)Si]DC铸锭均匀化前后相的形成和转变的研究工作中，又发现一新的相，Westengen将之表达为

相。图34是其典型TEM形貌及[100]晶带轴的选区电子衍射花样。第44页/共80页图34

相典型TEM形貌及[100]晶带轴选区电子衍射花样

第45页/共80页2.22×××系中的化合物2×××系合金中，Cu和Mg是主要的合金元素。在2024、2A11等合金中，Mn也是主要的合金元素之一。由Al-Cu-Mg系相图可知，在该系合金中除和二元相外，还有S和T(Al6CuMg4)等两个三元相。工业Al-Cu-Mg系合金中，不出现T和相，只有(Al)+和(Al)+S两相共晶或(Al)++S三相共晶。合金中铜含量大于2%时出现(Al)+两相共晶组织。铝－铜合金中同时含有镁，而且Mg>0.2%、Si≤0.6Mg质量时，镁全部生成Mg2Si相。第46页/共80页在Al-Cu-Mg系合金中除铜和镁等主要合金元素外，还有锰和钛等少量添加元素以及铁、硅杂质元素。铁、硅分别和主要合金元素形成Mg2Si和N(Al7Cu2Fe)相。钛由于添加量较少，一般见不到含钛相。2A13和2A01合金中不含或只含很少量锰，合金组织中不出现含锰相。铁、硅杂质可能形成(Al12FeSi)相。其它合金系均含有0.3%～1.0%的Mn，合金组织中出现(MnFe)3SiAl12相，偶尔还可能出现(FeMn)Al3或(FeMn)Al6相。杂质铁和硅在Al-Cu-Mn系合金中有时还可能形成(FeMn)Al6相。

第47页/共80页2.33×××系和4×××系中的多元化合物

3×××系合金的主要合金元素是锰，该系合金中的锰含量在1.0%～1.6%，Fe、Si是主要杂质元素。Fe、Si元素含量对合金相和显微组织有很大影响，必须严格控制其含量。可以认为3×××系合金是Al-Mn-Fe-Si基合金。

第48页/共80页3×××系合金的铸态组织除基体(Al)外，在枝晶间存在粗大富铁共晶化合物，化合物有两种类型:正交Al6(FeMn)和立方Al12(FeMn)3Si，其相对数量取决于合金成分以及冷却速度。半连续铸造的冷速有利于Al6(FeMn)相的生成，在双辊铸造较高的冷速下，Al12(FeMn)3Si为主要共晶相。在铸造快速冷却过程中，锰以过饱和的形式存在于铝基体中。在典型铸造态3003合金中，约有0.7%～0.9%(质量)的Mn固溶在铝基体中。在铸锭加热过程中，Al12(FeMn)3Si和Al6(FeMn)[当Si含量低于约0.07%(质量)时]在富锰的枝晶间以细小颗粒状弥散析出。第49页/共80页Mn在Al中的扩散很慢。Fe、Si对Mn的析出动力学有显著影响。Si加速Mn的析出，Fe降低Mn在Al中的固溶度因而也加快Mn的析出速度。这些细小颗粒的尺寸、分布对再结晶过程有很大影响。必须选择合适的铸锭均匀化工艺控制析出相的尺寸和分布，从而有效控制板材再结晶后合金的晶粒度。

第50页/共80页在4×××系合金中，Si是主要元素。在部分4×××系合金中，也添加了Cu、Mg、Ni、Mn等元素。工业生产的4A01、4A13和4A17三个合金均含有+Si共晶体和(Al5FeSi)相。由于各合金中硅含量不同，其组织中的共晶体量也依次(4A01、4A13和4A17)递增。在含锰的4×××系合金中，AlFeMnSi相也是常见的一个多元相。

第51页/共80页2.45×××系合金中的化合物镁是5×××系合金中的主要合金元素。镁在铝中溶解度很大，在共晶温度451℃时镁的溶解度高达14.9%(质量)，随温度降低，溶解度很快下降，在室温时约为1.7%。但是，含镁的过饱和固溶体分解速度非常慢，通常的商用5×××系合金不需特别的淬火处理镁即能基本上全部固溶在铝中。

第52页/共80页商用5×××系合金的镁含量在0.5%～6.0%(质量)。可能存在的相随具体成分的不同而不同。由于Mg2Si在铝中的固溶度极小，Mg2Si是该系合金中的主要存在相。5×××系合金中通常含有一定量的锰，锰可以提高合金强度和耐蚀性，但是当锰含量过高时，会使合金塑性显著降低，尤其是在有微量钠存在的情况下，热轧时会产生钠脆。因此，合金中的锰含量均小于1%。锰以及杂质元素铁、硅的存在使合金中形成含Fe、Mn、Si的相，如Al12(FeMn)3Si、Al6(FeMn)或Al3Fe等。由于硅与镁结合生成了Mg2Si，因此在铸锭均匀化加热过程中，锰倾向于以Al6(FeMn)化合物，而不是Al12(FeMn)3Si化合物的形式析出。第53页/共80页如前所述，5×××系合金中的镁通常处于过饱和状态，这种过饱和固溶体在室温下相当稳定。如果将合金进行一定的变形加工并在一定温度下加热，则固溶体中将析出(Al3Mg2)(即Al8Mg5)平衡相或(Al3Mg2)亚稳相。在较低的温度下，相相当稳定，较长时间的时效也不会发生向平衡相的转变。相或相的时效强化效果不大，而且易于沿晶界或剪切带析出，恶化合金的抗腐蚀性能。在5×××系合金中添加微量Cr可以提高合金的耐蚀性，Cr在铝中的溶解度极小，在含有Cr和Mn的合金中，在铸造和铸锭均匀化加热过程中还会形成Al、Mn、Cr三元相。在压力加工的板材产品中，Cr经常以细小分散的E(Al12Mg2Cr)相存在，能抑制晶核形成和晶粒长大。第54页/共80页2.56×××系和7×××系中的化合物6×××系合金包括Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu系合金。Al-Mg-Si-Cu系合金中铜含量在0.4%以下，主要强化相是Mg2Si。Al-Mg-Si系合金没有三元化合物，只有两个二元化合物

和Mg2Si相。Mg2Si相是该系合金的主要强化相，Mg2Si的镁、硅比为1.73:1。工业应用的Al-Mg-Si系合金中镁、硅比一般小于1.73，按相图应有硅过剩，过剩硅在合金中以单质硅形式存在，形成(Al)+Mg2Si+Si三相共晶。第55页/共80页由于工业合金中还含有铜、铁和锰等组元，硅将和锰形成多元复杂化合物。工业生产的Al-Mg-Si-Cu系合金中，当镁含量大于0.3%、硅大于0.2%时合金组织中出现Mg2Si相；硅含量大于镁、铜含量大于0.1%，或含有等量的镁和硅、铜含量大于0.3%，即出现W(Cu2Mg8Si6Al5)相。合金中锰或铬加入量大于0.1%，且合金中硅含量等于或大于镁含量时，还会出现(FeMn)3Si2Al15或(CrFe)4SiAl13相。

第56页/共80页6061和6063合金半连续铸造状态主要组成为(Al)+Mg2Si二相共晶体，

6070合金则为(Al)+Mg2Si+W三相共晶体。此外，由于这些合金中均含有锰，组织中将出现(FeMn)3Si12Al15相，6083合金中若以铬代锰则生成(CrFe)4Si4Al13相。

第57页/共80页7×××系合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金。在Al-Zn-Mg合金中，锌和镁除与铝分别形成和(MgZn2)两个二元相外，还形成T(Al2Mg3Zn3)三元化合物。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，铝和锌、镁、铜间形成、(Mg5Al8)、二元相和S、T(Al6CuMg4)及T(Al2Mg3Zn3)等三元相，T(Al6CuMg4)和T(Al2Mg8Zn3)为同晶型，可连续互溶形成T(AlZnMgCu)相。Al-Zn-Mg-Cu系合金除主要合金组元锌、镁和铜外，还有锰、铬、钛等微量添加元素以及铁、硅杂质。杂质硅与镁生成Mg2Si相，铁和锰生成AlFeMnSi相，钛和铬除溶入(Al)和化合物AlFeMnSi外，含量不多时，一般不单独生成铝化物。

第58页/共80页工业生产的Al-Zn-Mg系合金成分处于Al-Zn-Mg合金相图的+T＋(MgZn2)相区内，即使在快速冷却的半连续铸造情况下，镁含量>3%，锌、镁比大于2.2时，也出现相。7003合金铸态组织中，除T外，还有相。铁、硅杂质在7003合金组织中以AlFeMnSi相存在，硅还和镁生成Mg2Si相。为改善合金的焊接性能，7003合金中还同时加入铬、钛、锆等过渡元素。这些元素除部分溶入(Al)中外，还会溶入AlFeMnSi相中或生成ZrAl3初晶。因此，7003合金的铸态化合物包括、T、Mg2Si、AlFeMnSi和ZrAl3初晶。

第59页/共80页工业生产的Al-Zn-Mg-Cu系合金成分常处在+T(AlZnMgCu)、+T(AlZnMgCu)+S、(Al)++T(AlZnMgCu)和(Al)++S+T(AlZnMnCu)四个相区的交界附近，因此随铸造时的冷却速度不同，或合金成分的变化，常出现不同的组织。当合金中铜含量小于镁的含量，锌、镁比小于2.2时，在半连续铸造Al-Zn-Mg-Cu系合金组织中只有(Al)+T(AlZnMgCu)共晶体。当锌含量大于3%，铜和镁含量各大于1%，且铜含量大于镁含量时，则生成S相；锌、镁比大于2.2时，则出现化合物。第60页/共80页2.6铝合金中的稀土化合物近年来，稀土在铝合金中的应用受到国内外的广泛关注，俄罗斯、美国、日本、英国、印度等国家和我国都投入了较多的人力开发和研究新型稀土铝合金。目前，我国已有一些新型稀土铝合金成功地投人工业生产或试生产。铝合金中稀土化合物是决定稀土铝合金各种性能好坏的主要因素之一。但是，由于工业铝合金中存在着大量的杂质元素，实际合金中稀土化合物的结构和形成规律都非常复杂。经过不断验证、修改和完善，铝合金中二元稀土化合物已有较系统的数据，但三元及四元稀土化合物还只是不完整的研究。由于铝合金中合金元素种类很多，加上各种快速凝固技术等先进工艺的应用，大量的稳定和亚稳定的稀土化合物还有待于人们去研究。

第61页/共80页2.6.1二元稀土化合物在铝合金中添加各种稀土元素将会出现Al-Ce、Al-La、Al-Y、Al-Yb、Al-Nd、Al-Pr、Al-Sc、Al-Sm、Al-Tm、Al-Tb、Al-MM(混合稀土)、Ce-Si、Mg-La、Ce-Fe等多种二元稀土化合物。

第62页/共80页(1)Al-La和Al-Ce

La和Ce是稀土铝合金中最常用的添加元素。La加入铝中可以形成La3Al、LaAl、LaAl2、LaAlx、LaAl3、-La3Al11和-La3Al11等二元化合物。Ce加入铝中可以形成-Ce3Al、-Ce3Al、CeAl、CeAl2、CeAl3、-Ce3Al11、-Ce3Al11等二元化合物。在富铝端最可能出现的二元化合物是Ce3Al11和La3Al11。为低温相，为高温相。过去在文献中经常提到的Al4Ce和Al4La化合物，实际上是-Ce3Al11和-La3Al11化合物。在Al-RE化合物中，只有Eu存在着Al4Eu化合物。研究证实，La和Ce在铝中的最大固溶度均为0.01%(质量)左右。

第63页/共80页(2)Al-Nd、Al-Pr、Al-Sc和Al-Sm

Nd和铝可以形成Nd3Al、Nd2Al、NdAl、NdAl2、NdAl3、-Ce3Al11、-Ce3Al11等二元化合物，其中-Nd3Al11和NdAl3在铝合金中最为常见。Nd在Al中的最大固溶度为0.007%(质量)，比Ce和La在Al中的固溶度小。第64页/共80页Pr和铝可以形成-Pr3Al、-Pr3Al、Pr2Al、-PrAl、-PrAl、PrAl2、-PrAl、-PrAl、PrAl2、PrAl3、-Pr3Al、-Pr3Al11和-Pr3Al11等二元化合物，其中PrAl3和-Pr3Al11有可能在工业铝合金中出现。Pr在Al中的最大固溶度为0.009%(质量)。第65页/共80页Al-Sc和Al-Sm系的化合物类型明显少于Al-Nd和Al-Pr系。Sc加入铝中形成Sc2Al、ScAl、ScAl2和ScAl3

四种二元化合物；Sm加入铝中形成Sm2Al、SmAl、SmAl2、SmAl3和Sm3Al11

五个化合物。由于Sc的原子半径较小，Sc在铝中有较大的固溶度，高温为0.21%(质量)，室温为0.15%(质量)。第66页/共80页(3)Al-Y、Al-Yb、Al-Tb和Al-Tm

Y在Al中的行为通常相似于Dy和Ho，它和Al可以形成-YAl3、-YAl3、YAl2、YAl、Y3Al2、Y2Al六种二元化合物。YAl4的存在有的文献中曾报道过，认为是一种四方晶格的化合物，晶格常数a=0.417nm，c=0.977nm，=3.82～3.94g/cm3。但是，这种化合物在Al-Y的平衡相图中是否存在，目前普遍持否定态度。Y和Al中的最大固溶度为0.05%（质量）。

第67页/共80页Yb和Al只形成二种二元化合物YbAl2和YhAl3。Yb在Al中几乎不固溶。Tb和Al可以形成Tb2Al、Tb3Al2、TbAl、TbAl2和TbAl3

五种二元化合物，目前尚无合适的Al-Tb相图。TbAl4是否存在，还有诸多不同意见。相比之下，人们对Al-Tm的研究更少，已经发现的二元化合物包括TmAl、TmAl2和TmAl3三种化合物。TmAl3具有立方结构。Tm在Al中的最大固溶度<0.016%(质量)。第68页/共80页(4)Al-MM(混合轻稀土)化合物

混合轻稀土作为添加剂在铝合金中应用已越来越广泛。但是，由于它含有Ce、La、Nd、Pr等多种稀土元素，其作用机理的研究要复杂得多。复合的稀土化合物的形成规律一直受到人们的关注，可采用有关方法进行估算。假定混合稀土的含量为27%(质量)La、48%(质量)Ce、5%(质量)Pr、16%(质量)Nd和4%(质量)其它稀土元素，则计算表明，Al-MM可以形成MM3Al、MMAl、MMAl2、MMAl3、-MM3Al11和-MM3Al11等6种稀土化合物。

第69页/共80页(5)Ce-Si、Ce-Fe、Ce-Mg和La-Mg

由于铝合金中或多或少存在着Si和Fe两种元素，所以，Ce-Fe和Ce-Si二元化合物同样可能在铝及铝合金中出现。Ce和Si可以形成Ce5Si3、Ce3Si2、Ce5Si4、CeSi、Ce3Si5和CeSi2等六种稀土化合物。由于铝合金中Ce和Si的量都较少，在非平衡凝固中，这些稀土硅化合物都有可能出现，其中尤以CeSi2的可能性为最大，CeSi2属四方晶系，Ce3Si5为正交晶系，它们的晶格常数实际上随化合物中Si含量的升高而增加。

第70页/共80页Ce和Fe可以形成CeFe2和Ce2Fe17两种平衡化合物。在实际合金中，还可能形成CeFe5稀土化合物，这种稀土化合物在铝合金中的存在已有许多文献报道。它具有简单六方结构，a=0.490nm，c=0.4136nm。Mg是铝合金中的主要元素之一，稀土的加入有可能形成Mg-稀土化合物。有文献报道Ce和Mg可以形成Mg12Ce(I)、Mg12Ce(II)、Mg10Ce、Mg41Ce5、Mg3Ce、Mg2Ce和MgCe等二元稀土化合物。这些稀土化合物常常有较大的固溶度范围，因此晶格常数是变化的。La和Mg则可以形成Mg2La、Mg17La2、Mg3La、Mg2La和MgLa等五种稀土化合物。

第71页/共80页2.6.2三元稀土化合物铝合金中出现的三元稀土化合物种类远远大于二元稀土化合物。但是，由于研究工作很不系统，大量的三元稀土化合物还有待于分析和验证。

第72页/共80页(1)Al-Cu-La和Al-Cu-Ce

Al-Cu-La系中有多个三元稀土化合物，其中两个是Cu2LaAl10和La(CuAl)4，它们能和铝处于平衡。Cu2LaAl10属四方晶系，晶格常数为a=0.88nm，c=0.517nm。La(CuAl)4的成分范围从CuLa2Al7到CuLa2Al3变化，也属体心四方晶系，a=0.4329～0.4294nm，c=1.08～1.053nm。第73页/共80页Al-Cu-Ce系中两个三元稀土化合物是CeCu4Al8和CeCuAl4。CeCu4Al8属四方晶系，a=0.8824nm，c=0.5158nm，这是最近的JCPDS卡中的晶格常数，按照过去的文献，a=0.884nm，c=0.517nm，维氏硬度为3860MN/m2。CeCuAl4是一成分可变的化合物[43%～47%(质量)Ce和1%～19%(质量)Cu]，维氏硬度为3170MN/m2，另一个Al-Cu-Ce化合物为Ce2Cu7Al10，可看作六方晶系，a=0.896～0.889nm，c=4.3204～1.307nm，这是一个非平衡化合物。

第74页/共80页

(2)Al-Ce-Si和

Al-Ho-Si

在铝合金中已发现了Ce2Si2Al3、CeSi2Al2和Ce2SiAl3等三元稀土化合物。Ce2Si2Al3属六方晶系，a=0.624nm，c=0.730nm，ρ=5.620g/cm3，维氏硬度为2490MN/m2。Ge2SiAl3实际上是CeSi2化合物