材料科学基础(第13章)
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1、合肥工业大学 刘宁第十三章第十三章 有色金属及合金有色金属及合金l第一节 铝及铝合金l一、铝及铝合金的性能特点及分类编号l纯铝的密度小（2.7g/cm3）、熔点低（660）、强度低（b/80MPa）、塑形高（=80%）。l铝合金热处理以后强度高，特别是比强度（b/）高，是重要的航空结构材料。l引言l铝材是有色金属中使用量最大、应用面最广的金属材料，我国铝的消费量的增长异常惊人，从1991年的86.8万吨迅速增加到2000年的353.27万吨，现在每年还在持续增加，消费量大约占世界的16左右。铝和合金有很多优越的性能:(1)密度低;(2)塑性高; (3)易强化; (4)导电好;(5)耐腐蚀;(6
2、)易回收;(7)采用TIG(惰性气体钨极保护焊)或者MIG(惰性气体保护金属极电弧焊)方法可焊接;(8)易表面处理。l高纯铝的牌号有L01、L02、L03、L04四种，编号越大，纯度越高（99%99.9995%）。l工业纯铝的纯度为98%99%，牌号有L1、L2、L3、L4 、L5五种，编号越大，纯度越低。l铝合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素等。l根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。l变形铝合金呈单相固溶体状态，塑形好，适于压力加工。通过冷变形和热处理，可使强度进一步提高。l变形铝合金按照性能和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四
3、种。l防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，而硬铝、超硬铝和锻铝属于可热处理强化的合金。l铝合金品种繁多，国际上变形铝合金牌号已经有400余种，我国GB/T3190-2008新标准改变了原来标准的牌号表示方法，直接采用国际牌号组织的命名原则，采用四位数字表示。按照主要合金元素分9大系列铝合金。l1XXX 纯铝l2XXX AlCu系（Cu210%，其中Cu46%时强 度最高。）l3XXX AlMn系l4XXX AlSi系l5XXX AlMg系l6XXX AlMgSi系l7XXX AlZn系l如果第2位是0或A表示原始合金，如果19或BY表示改型合金。l铸造铝合金按照加入的主要合金元素不同，分为AlS
4、i系、 AlCu系、 AlMg系和AlZn系四种合金。lZL 1XX, AlSi系lZL 2XX, AlCu系lZL 3XX, AlMg系lZL 4XX, AlZn系l第2、3位表示合金顺序号。l二、铝及铝合金的强化l纯铝的力学性能较低，通过合金化、热处理或其它强化方式，可以使铝合金在保持密度小，耐腐蚀好的条件下，显著得到强化。l1、形变强化l对于纯铝及不能热处理强化的铝合金，例如AlMn合金等，只能以退火态或冷作硬化态使用。冷作硬化使强度升高，但塑形下降。l退火温度300500，保温13小时。l2、时效硬化l可以热处理强化的合金，例如AlCu、AlCuMg、AlMgSi等， Al与Cu、Mg
5、、Si等形成CuAl2、Mg2Si、 Al2CuMg等金属间化合物，可以提高强度与硬度。l例如含4%Cu的AlCu合金，室温平衡组织为+ CuAl2 ，加热到550水冷，然后加热时效。时效过程中组织变化如下：l（1）在室温和较低温度下，在母相（100）晶面上形成Cu原子富集区（GP区），直径约59nm,厚度约0.5nm，与基体保持共格关系。l（2）形成相l100200，随着时效的继续，Cu原子在GP区的基础上继续富集，成分接近CuAl2，与基体仍保持共格关系，111100。相比于GP区，由于相产生更大的共格应变，最大尺寸直径约为140150nm，厚度10nm。l（3）形成相l经过更高温度或延长
6、时效时间，将析出形成相，相成分与CuAl2相当，是相长大与基体失去共格关系转变为半共格关系而形成的。l形成相后期与形成相初期具有最大的强化效果。l（4）形成平衡相l相即CuAl2是由相在更高温度时效或延长保温时间获得。由于已经是非共格关系，此时，合金强度和硬度下降。l3、固溶强化和细晶强化l纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，Cu、Mg、Si、Zn、Mn等一般都能形成有限固溶体，并且，有较大的固溶度，具有较大的固溶强化作用。变形铝合金中加微量Ti、Zr、Be及稀土元素，能够形成难熔化合物，可作为非均匀形核的核心，从而细化晶粒。l三、变形铝合金l1、不能热处理强化的铝合金l主要有
7、AlMn、AlMg系。由于具有优异的耐蚀性，故称为防锈铝。lAlMn系的主要牌号之一3A21（LF21）含1.01.6%Mn，退火组织为+MnAl6，MnAl6脆性大，故Mn含量一般不超过1.6%Mn。lAlMg系中除了Mg以外，还少量加入Mn、Ti、Si等元素。常用牌号为5A05（LF5）等，在工业上得到广泛应用（成分见P388表132）。l2、能热处理强化的铝合金l工业上得到广泛应用的热处理强化变形铝合金是三元系和四元系合金，主要有AlCuMg、AlCuMn、AlZnMg、AlZnMgCu系等。l（1）硬铝合金lAlCuMg系是典型的代表，由于强度和硬度高，故称为硬铝。l强化相主要有（Cu
8、Al2）相、（Mg5Al8）相、S（CuMgAl2）相和T（CuMg4Al6）相。l用于飞机蒙皮等零部件。l（2）超硬铝合金l超硬铝合金中强化相有（MgZn2）相和T（Al2Mg3Zn3）相。l强度588686MPa.l淬火+时效状态使用，淬火温度465475，120时效24小时。l不同铝合金时效工艺不同。l（3）锻造铝合金l四、铸造铝合金l常用的有AlSi、AlCu、AlMg、AlZn系四大类。l五、耐热铝合金l用于200300工作的零件，例如内燃机活塞和汽缸盖等。根据加工工艺特点又分为耐热变形铝合金和耐热铸造铝合金两类。l1、耐热变形铝合金l主要包括AlCuMn和AlCuMgFeNi系。l
