轻合金课件---第一章 铝合金的组织与性能(1000).ppt

1、铝合金的组织与性能 主 讲 何立子 东北大学 EPM重点实验室,绪言,材料是人类用以制造 用于生活和生产物品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础与先导。因此，自20世纪70年代，人们就把信息、能源和材料誉为人类文明的三大支柱，20世纪80年代，又把新材料技术、信息技术和生物技术列为高新技术革命的重要标志。事实上，新材料的研究、开发和应用反映了一个国家的科学技术与工业化水平。如 以大规模集成电路为代表的微电子技术、以光纤通信为代表的通信技术、以磁共振和磁悬浮技术为代表的超导技术、以载人飞船和航天飞机为代表的航空航天技术等等，几乎所有的高新技术的发展，都是以新材料和新材

2、料技术的发展和突破为前提。,按结构或组成，材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四大类。 按用途，材料可分为结构材料、功能材料两大类，前者以要求力学性能指标为主，用于制造以受力为主的构件，根据用途不同也要求一定的物理化学性能，如耐蚀、耐温等；后者则利用材料特有的物理或化学性能完成特定的功能，如能量转换、储存、输送等，同样，根据使用场合不同也要求一定的力学性能，如强度、耐磨等。 根据具体应用领域，材料可分为机械工程材料、航空航天材料、建筑材料、电子信息材料、生物医用材料、化工材料、能源材料等（有一定的任意性）。 金属材料又分黑色金属材料、有色金属材料。,一、分类,材料的性能由材

3、料的组织决定，而材料的组织又由材料的化学成分、成形工艺、热处理工艺决定。 材料的化学成分是决定凝固组织，成分分布及相结构形成倾向的首要因素，不同成分的材料具有不同的凝固特性（可根据相图进行预测）。 材料的成分确定后，其组织由成形工艺和热处理工艺决定。如 凝固成形（铸造）工艺（冷却方式、施加外场、变质处理） 塑性成形工艺（成形方法、温度、速度、变形程度等） 热处理工艺（处理方法、温度、时间等）,二、材料的组织与性能,控制手段： 化学成分 凝固工艺 塑性成形工艺 热处理工艺,组织： 宏观组织（晶粒形态与尺寸） 微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相） 强化相的形态、大小和分布 相结构 组织成分均匀性

4、组织致密性 夹杂、气孔等 晶体结构缺陷（点缺陷、位错） 结晶形态（非晶、纳米晶、准晶等）,性能,第一章 1XXX（纯铝）及铝合金化原理,1.1 1XXX系（纯铝）,一、基本特性,1825年由丹麦厄尔斯泰德（Oersted）发现；,1886年工业化熔盐电解法（Hall-Heroult法）问世；,蕴藏量占地壳质量的8.2，为分布最广的金属元素；,产量在有色金属中占首位，仅次于钢铁；,面心立方结构；熔点660；,密度小（2.7，仅次于Li、Mg、Be）；,可强化（合金化及热处理）；,导电、导热性好（仅次于Ag、Cu、Au）；,耐腐蚀（易生成致密、牢固的Al2O3保护膜）；,美观（银白色，阳极氧化和着

5、色后，五颜六色）；,有吸音性（室内装饰材料，配制阻尼合金）；,无磁性、冲击不产生火花（仪表材料、屏蔽材料）；,强度低，不适于作结构材料（退火态 80100MPa； 硬化态 150 180MPa，但 1 1.5，已变 脆）。,易加工（铸造、塑性变形、机加工）；,二、分类,高纯铝：,L05 99.999 L04 99.996 L03（1A99） 99.99 L02（1A97） 99.97 L01（1A93） 99.93,用途：主要用于科研、化学工业及其它特殊用途。,工艺性能：与工业纯铝截然不同，主要体现在再结晶温度降低到16左右（纯度达99.999 99.9992时，再结晶温度已降到-35 -60

6、，这会引起晶粒的极端粗大，给铸锭、加工带来许多困难。,纯铝按纯度可分为：高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝,工业高纯铝：,L0（1A90） 99.9 L00（1A85） 99.85,用途：主要用于高纯铝的生产制造。,工业纯铝：,L1（1070） 99.7 L2（1060） 99.6 L3（1050） 99.5 L4 (1040) 99.3% L5 (1100) 99%,用途：用于电线、电缆、日用器皿及铝合金的生产制造。,三、性能,纯铝的性能取决于杂质含量、形态、大小和分布，Al中的主要杂质是Fe和Si，是冶炼时由矿石遗传来的。增加Fe和Si量，Al的强度升高，塑性下降。（熔铸时使用的铁制工具）,1

7、力学性能,Fe在Al中形成硬而脆的针状FeAl3化合物。,Si与Al不形成化合物，过剩的Si呈游离态存在。,杂质的形态、大小和分布与杂质含量和工艺条件有关，并可参照相图理解。,注： 1） Fe与Si总是同时存在，因此 Fe和Si在工业纯铝中基本呈三元化合物存在，出现FeAl3或游离Si的机会很少； 2） 当FeSi时形成富Fe的化合物 （Al12Fe3Si），而SiFe时形成富Si的化合物 （Al9Fe2Si2）。二者都是脆性化合物，但 相呈骨架状或团块状，而 相呈粗大的针状，故后者对塑性的危害更大。,2 电性能,Al的导电性取决于杂质含量和存在形态，随杂质含量增加，导电性下降，杂质固溶时的影

8、响比以第二相存在时的影响大约一个量级。如 高纯Al（99.995）的电导率为65 66IACS（国际退火Cu标准）； 导体Al（EC）的电导率为62IACS； 工业纯Al（99 99.5）的电导率为60 61IACS； 经固溶与淬火处理的工业纯Al的电导率比退火、固溶相沉淀材料的要低百分之几IACS。 在导体Al中，Ti、V是常见杂质并使电导率大大降低，加入B可使它们以硼化物形式从固溶体中析出，改善导电性。此外，加入RE也能改善导电性。,3 光学性能,Al对光有很高的反射能力； Al的反射能力随表面粗糙度的增加而降低。汽相沉积Al膜的表面最光滑，反射能力最高；电解抛光表面的反射能力比机加工表面

9、的高； 大部分合金元素与杂质降低Al的反射能力，如99.99Al的反射能力约比99 99.5的高2 5，唯一例外的是Mg，它提高Al反射能力； 阳极氧化膜使Al的反射能力下降5 10， 但这种氧化膜的反射能力不随时间而变，因此，在一段时间之后，阳极氧化材料的反射能力比裸Al的高。,4 腐蚀性能,Al虽是负电性很强的金属，但由于氧化膜致密，故耐蚀性极高； Al有多种腐蚀类型：均匀腐蚀，点腐蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀、应力腐蚀； 均匀腐蚀：表面发生全面均匀的腐蚀，通常仅在能溶解氧化膜的强腐蚀介质中发生，不常见； 点腐蚀：某一区域电位与基体的电位不同引起，在Al的腐蚀中最常见； 晶间腐蚀与剥落腐蚀条件：

10、晶界上存在一层薄薄的对其余部分呈负电性的区域，铝合金易出现； 应力腐蚀：应力加速腐蚀，合金易出现。,Al的纯度影响其腐蚀，总的来看，纯度越高越耐蚀。 Fe降低Al的耐蚀性，Al越纯，这种影响越显著（因为FeAl3的电位（-0.4V）与Al的（-0.85V）不同）； Si对大部分盐和酸有良好的抗蚀性，Si粒子被包入氧化膜中能提高氧化膜的耐蚀性。 杂质的存在形态对腐蚀有影响，杂质固溶时的影响比以独立的相存在时的影响小（尤其当相是阳极且细小弥散分布时）。 Fe、Si比对耐蚀性有影响，高Fe/Si降低耐蚀性。 例外：有些元素增加氧化膜的抗蚀性，加入Al后能提高耐蚀性，如Al-Mg合金对碱液的抗蚀性更高

11、，因其氧化膜中含Mg，溶解速度减小；有些元素能与杂质化合，降低它们与Al的电位差，如Mn加入Al中，可使Fe以（MnFe）Al6 形式存在，使 FeAl3与Al之间的电位差减小。,5 工艺性能,1）铸造 Al结晶的宏观铸造组织符合常规：表面细晶区、中间柱状晶区、中心粗大等轴区，连铸时，柱状晶往往弯曲。,由三个晶区的铸锭,连铸铸锭,铸造过程中的冷却会在铸锭中产生很大的内应力，轻者引起铸锭变形，重者引起裂纹。Fe/Si含量比对铸造时的裂纹倾向有很大影响。,曲线左上方（Fe/Si值大），裂纹倾向小,连铸锭中心裂纹,对Al铸造组织有显著细化作用的元素是Ti、B（Ai-Ti-B）;Ti、C（Al-Ti-

12、C）和Sc；在工业生产中获得广泛应用的是Al-Ti-B 。 在Al的DC（直接水冷）铸锭中有时出现反偏析现象，即低熔点组分富集表层，如在纯度为99.7或更纯的工业纯铝铸锭中，偏析表层的FeSi含量可大于2。 反偏析机理较复杂，一般认为，当熔体与模壁接触时形成凝壳，凝壳收缩形成气隙后散热下降，进而被内部熔体重新加热，强度下降，内部熔体在压力作用下可冲破凝壳的薄弱处，在铸锭表面形成珠状或连续层（偏析瘤）。枝晶间熔体凝固收缩时产生的空吸对反偏析也有一定的影响。,加工硬化曲线,2）塑性变形 纯Al的塑性很高，无需加热便能很好地成形。室温时变形量达70 80时，硬化也很小，变形量再增大，硬化程度急剧升高

13、。,元素对再结晶过程的影响体现在： 溶入时提高基体的再结晶温度； 以第二相弥散析出时阻碍晶粒长大。,3）热处理 纯Al的热处理是指不同温度（低温和高温）的退火。 高温退火（完全退火）：处于再结晶阶段，又称再结晶退火。工业纯铝的再结晶与纯度有关，大部分元素都提高再结晶温度，但Mn、Cr、Fe、Zr最明显。,低温退火（去应力退火）：处于恢复阶段，大部分晶粒保持原状，但晶格歪扭消除，亚晶界位错形成有序排列。 利用恢复可生产状态处于冷加工与再结晶退火之间的材料。首先使材料发生超过需要的冷变形，然后加热使之发生恢复，恢复期间的位错重新排列，使材料的塑性比同样强度的材料好得多，进而可获得性能优于仅进行冷加

14、工的材料。,4）织构 织构导致性能各向异性，进而导致深冲件出现制耳。 工业纯Al的织构除与成形和退火工艺有关外，还受Fe/Si值的影响，当Fe/Si 23时才有利于冲压。,1.2 铝合金的合金化与时效硬化,一、铝合金的合金化原理,Al合金的强化是以Al与合金元素形成的金属间化合物在固溶体中的溶解度变化为基础的。,元 素 温 度 极限溶解度,Zn 443 70,Ag 566 56.6,Mg 450 17.4,Ge 424 7.2,Cu 548 5.65,Li 600 4.2,Mn 658 1.82,Si 577 1.65,Ti 665 1.3,Ag、Ge、Li、Ti的极限溶解度虽大，但由于是稀贵

15、金属，不易大量加入（近年已开发出AlLi系合金），因此形成以下几大系列合金：,1XXX 纯铝（铝含量不小于99.00），L1、L2等 2XXX Al-Cu（以Cu为主要合金元素），LY 硬铝 LD锻铝 3XXX Al-Mn（以Mn为主要合金元素），LF 防锈铝 4XXX Al-Si（以Si为主要合金元素）， ZL 铸铝 5XXX Al-Mg（以Mg为主要合金元素），LF 防锈铝 6XXX Al-Mg-Si（以Mg和Si为主要合金元素） 7XXX Al-Zn（以Zn为主要合金元素）， LC 超硬铝 8XXX 以其它元素为主要合金元素（如Al-Li） 9XXX 备用合金组,1XXX系纯铝中铝的质量

16、分数不小于99.00%，最后两位数字表示最低低铝百分含量。如1050合金就表示铝含量不小于99.50%。 其他合金系列牌号的最后两位数字没有特殊的意义，仅用来区分同一组中不同的铝合金。牌号中第2位的英文字母表示原始合金的改型情况，如果第二位字母是A，则表示为原始合金；如果是B-Y 中的一个字母，则表示为原始合金的改型合金。如2A12 为原始铝铜合金，2B12 为其改型合金。 铸造有色合金牌号由“Z”和基体金属的化学元素符号、主要合金元素符号以及表明合金化元素名义百分含量的数字组成。对杂质含量要求严、性能要求高的优质合金，在牌号后面标注大写字母“A”表示“优质”。,注： 1 Zn、Cu、Mg和S

17、i四种元素与Al形成二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合物，在Al中的溶解度随温度的降低而剧烈地减少，能通过热处理强化，称为热处理强化型Al合金 ； 2 AlMg、AlSi、AlMn二元合金，加入的合金元素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷作硬化态应用，称为热处理不强化型Al合金 ； 3 Cr、Mn、Zr等元素的溶解度虽小，但对合金的耐热和耐蚀性改善有明显作用，因为这些过渡族元素能明显地抑制再结晶和细化晶粒 。,铝合金的状态代号： F 自由加工态 该状态产品的力学性能不作规定 O 退火态（M） 产品经完全退火 H

18、 加工硬化态（Y） 产品经不同程度冷作硬化 W 固溶态 产品处于自然时效状态，不稳定状态 T 热处理状态 产品处于不同的热处理状态 HX8 硬态（Y） HX4 半硬态（Y2） T4 固溶后自然时效态（CZ） T6 固溶后人工时效态（CS）,二、铝合金的时效与组织结构变化,1 时效硬化现象,1906年，德国Wilm A发现时效硬化现象；,1919年，弄清楚是由 过饱和固溶体分解引起的；,1935年，发现在平衡相析出前还有过渡相；,1938年，Guinier和Preston发现GP区。,至此，完全弄清过饱和固溶体 的分解过程为：,GP区,过渡相,平衡相,现以Al-Cu合金为例分析,Cu在室温溶解度

19、为0.5 在共晶温度为5.65 Cu含量位于0.55.65间的合金于500 的 相区固溶处理和淬火，则得到均匀的过饱和 固溶体。,这种热力学不稳定的固溶体在某一温度加热，则会发生分解和析出CuAl2 （ 相），引起强度明显升高，这种现象叫时效硬化。如发生在室温则称为自然时效，如发生在较高温度则称为人工时效。,2 一般规律,2 初期硬度升高很慢或不升高（有蕴育期）；,3 提高温度能提高硬化速率、缩短时效时间，但降低硬度峰值；,4 降低温度能阻碍或抑制硬化效应；,1 曲线随时间呈峰值特征；,5 固溶体的浓度越高，强化效果越大。,3 结构变化,（1） GP区,GP区,平衡相,Al-Cu合金的分解过程

20、为：,GP区是园片状的Cu原子富集区（约含90Cu）；无独立的晶格结构（与基体的结构相同）；与基体共格，界面能小；形状可能是片状、球状和针状，主要取决于共格应变能（组元原子半径差）；是合金中能用x 射线测出的原子偏聚区。,均匀固溶体,GP区（Cu原子富集）,针状GP区,碟形GP区,球形GP区,形成原因：在均匀的固溶体中存在着成分起伏，即存在各种尺度的原子偏聚现象，浓度越高，温度越低，偏聚现象越明显。可见，偏聚区在固溶处理后就存在，在随后时效时又大量产生，当偏聚区尺寸大到能克服形核功时，就成为晶核而长大成GP区。,注： 1 由于GP区与基体间没有相界面（完全共格），界面能极小，形核功也小，因此在

21、空位的帮助下在很低的温度即能迅速形成； 2 作为GP区晶核的微小偏聚区，数量非常大，形成速度极高，但只有长大到一定尺寸才能成为GP区； 3 偏聚区的长大需要原子扩散迁移，因此以溶质原子的扩散速度可估计GP区的形成速度。,（2） 相,相是Cu原子在GP区中有序化后形成的（也有人认为,是GP区重排），是Cu和Al混合的交替层，有独立的晶体结构（Cu2Al5 ，正方结构），与基体共格。,相结构与基体已有差别，因此与GP相比产生更大的共格应变（更大的强化）,相的化学组成与CuAl2相当（有人认为是 Cu2Al3.6 ），也是正方结构，与基体部分共格，是该系合金中第一种能在光学显微镜下观察到的产物。,（

22、3） 相,是高温时效产物，对硬化有一定贡献，但最大硬化发生在 数量处于最大值时，当 质点逐渐长大时，其数量逐渐减少，共格应变逐渐降低，合金逐渐软化（过时效）。,（4） 相,平衡相 （ CuAl2 ）是退火产物 ，具有正方结构，与Al的晶格结构差别更大，与基体无共格关系。,相与基体无共格关系，因此共格应变消失，同时随着其粗化，数量减少，相邻颗粒间的平均距离增大，合金软化而远离其峰值强度状态。,说明：,（1 ） 过饱和固溶体的分解虽可分几个阶段，但并不是截然分开的，只能说在一定温度和时间内以某一阶段为主。如：Al-4Cu合金 在130 以下时效以形成GP区为主； 在150175 间时效以 为主；

23、在225250 间时效以 为主； 高于300 时效以 为主。 在同一温度时效不同时间也可得到不同组织。如在130 时效 不超过5天以GP区为主； 10天以 为主，还能生成一部分 相； 超过100天则完全由 相组成。,（2） 同系不同成分的合金，可能有不同的分解序列，过饱和大的合金更易出现GP区或过渡相；,（3） 由于多晶体各部分的能量条件不同，在同一时期可能出现不同的分解产物，一般在晶内广泛出现GP区或过渡相，而在晶界可能出现平衡相；,（4 ） 各个合金系的分解序列不一定相同，如Al-Cu合金可能出现两种过渡相，而大部分合金系只存在一种过渡相；,4 沉淀相的分布,（1） 普遍沉淀,在固溶体中全

24、面发生沉淀并析出均匀分布的沉淀相（GP区均匀形核）。 对合金的综合性能有利，是理想的沉淀方式。,（2） 局部沉淀,在普遍沉淀前，较早在晶界、滑移带、夹杂物界面以及其它晶格缺陷处优先发生沉淀。 局部沉淀往往伴生无沉淀带（无沉淀相区PFZ）。多数人认为其有害，因为无沉淀带屈服强度较低，塑性变形容易集中而引起晶界断裂；也有人认为其有益，原因是其较软，应力在其中发生松弛。目前尚无定论，但从力学性能和抗蚀性方面看，不希望出现。,因合金中存在大角度晶界、夹杂相界面、亚晶界以及位错等，在大多数情况下，局部沉淀往往先于普遍沉淀，普遍沉淀只具有相对意义。,晶界沉淀相(GBP) grain boundary pr

25、ecipitates基体沉淀相(MPt) matrix precipitates晶界无沉淀带(PFZ) precipitates free zone,5 回归形象,若将经低温时效（一般为自然时效）的合金在较高温度（230250 ）短时（几十秒到几分）保温并迅速冷却，合金即变软，这种现象叫回归现象。回归后的合金还能再时效，可以重复多次，但每一次都会发生一部分不可逆的分解，使再时效的能力减弱。,原因：自然时效一般只生成GP区或 相，加热时它们迅速重新溶解（与基体共格，容易溶解），产生性能上的回归，若加热时间长，合金将以 相的形核长大方式进行时效过程，使强度又重新升高。,由于加热时仅GP区或 相重新溶解， 相难溶解，而时效时不可避免地总有少量 相在晶界处形成，故不可能完全回到新淬火状态。,回归现象在工业上有实际意义： 自然时效后的铆钉塑性降低，铆接困难，可在回归处理后再铆接； 利用回归处理来恢复塑性，对零件进行整形和修复。,6 时效硬化的位错理论（机理）,位错运动的主要阻力来自沉淀相周围的应变场和沉淀相本身的强度。,当沉淀相的尺寸小