金属材料学第8章铝合金课件.ppt

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1、第8章 铝合金,一、概述1.有色合金概述有色金属定义 : 除Fe、Cr、Mn之外的所有金属。,有色金属分类,重金属(密度4.5): Cu、Ni 等。轻金属(密度4.5): Al、Mg 等。贵重金属: Au、Ag、Pt 等。稀有金属: W、Ti、Nb 等。半金属: Si、Te、B 等。,本篇重点介绍铝合金、铜合金、钛合金,第8章 铝合金一、概述有色金属分类重金属(密度4.5):,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多

2、优良的特,地壳中含量最高的金属元素铝,目前世界年产量最高的金属铁,导电、导热性最好的金属银,人体中含量最高的金属元素钙,硬度最高的金属铬,熔点最高的金属钨(3380),熔点最低的金属汞（-38.87 ),密度最大的金属锇(1立方米锇重22.48吨 ),密度最小的金属锂(0.534克/厘米3),金 属 之 最,人类历史上使用最早的金属元素铜,地壳中含量最高的金属元素铝目前世界年产量最高的金属铁,2.铝合金性能特点,四大工程材料之一：钢铁、铝、 塑料、水泥,（1）优良的物理性能,密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。 纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3；熔点为660.4；导电性仅次

3、于Cu、Au、Ag，是Cu的62%。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝,铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。,（2）抗大气腐蚀性能好,在大气中，铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏；在热的稀硝酸、稀硫酸中也极易溶解。,2.铝合金性能特点四大工程材料之一：钢铁、铝、 塑料、水泥（,（3）压力加工性能好，比强度高,纯铝为fcc结构，无同素异构转变，具有较高的塑性（=3040%），易于压力加工成型，并有良好的低温性能。纯铝的强度低，b=90-120Mpa，不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可

4、达到500600Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),（3）压力加工性能好，比强度高纯铝为fcc结构，无同素异构转,铝合金分类,变形铝合金（1）：成分小于B点的合金，塑性好，能进行压力加工成形。,铸造铝合金（2）：成分大于B点的合金，由于凝固时发生共晶反应，熔点低、流动性好，铸造性能好，能进行铸造成形。,3.铝合金分类,变形铝合金又分不可热处理强化（3）可热处理强化（4）,铝合金分类变形铝合金（1）：成分小于B点的合金，塑性好，能进,二、 铝的合金强化,合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀强化，过剩相强化和细化组织

5、强化,1. 固溶强化 合金元素加入到纯铝中，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加位错运动阻力，从而提高强度。 固溶强化效果不高，得结合其他强化手段共同强化2. 沉淀强化（时效强化） Al中添加在高温下有较高溶解度极限的合金元素，这些合金元素随温度的降低，溶解度急剧下降，沉淀析出，均匀、弥散的共格或半共格强化相，在基体中形成较强的应变场，增加位错运动的阻力 常用沉淀合金元素有：Cu，Mg，Zn，Si，Li等,二、 铝的合金强化合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀强化,3. 过剩相强化 当Al中加入的合金元素超过其溶解度时，合金在淬火加热时便有一部分不能溶于固溶体，而以第二相形式存在，为过剩相

6、，它们在铝合金中阻碍位错运动和滑移。4. 细化组织强化 添加微量合金元素细化固溶体基体或细化过剩相来强化Al合金。 不能通过加热、冷却发生相变再结晶细化组织。,3. 过剩相强化,铝中常加元素及作用,铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Li，Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。Cu:固溶强化沉淀强化，提高室温强度及耐热性，是铝合金的主加元素；Mg:固溶强化，降低密度，提高耐蚀性，不能作高强铝合金的主添加元素单独加入。Mn:提高耐蚀性Si:过剩相强化Zn:固溶强化，沉淀强化，提高耐蚀性Li:现在广泛关注的合金元素，提高弹性模量，降低密度，形成Al3Li的强烈沉淀强化超轻

7、结构材料，如Al-Mg-Li系。,铝中常加元素及作用 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn,三、 铝合金相图及热处理,1. 铝合金重要的二元相图 Al-Si， Al-Cu，Al-Mg, Al-Zn, Al-Mn相图特点：二元共晶转变L+ 以铝为基的固溶体包括：CuAl2，Si，Mg5Al8，MnAl6,三、 铝合金相图及热处理1. 铝合金重要的二元相图LL+,2. Al合金结晶过程,变形铝合金结晶过程,2. Al合金结晶过程变形铝合金结晶过程,铸造铝合金结晶过程,Al-Si合金亚共晶组织： +（ +Si）共晶体,铸造铝合金结晶过程Al-Si合金亚共晶组织：,3. 铝合金的热处理 为获得优良的综合

8、力学性能，铝合金一般需进行热处理热处理工艺包括：退火，固溶处理，时效,（1）退火,再结晶退火（完全退火） 将经变形的工件加热到再结晶温度以上，保温一段时间，消除加工硬化，改善塑性。低温退火 消除内应力，提高塑性。均匀化退火（扩散退火） 消除合金铸锭的成分偏析和内应力，提高塑性。,3. 铝合金的热处理 （1）退火再结晶退火（完全退火）,（2）固溶处理,将合金加热到固溶线以上，并保温，快冷。得到过饱和不稳定的固溶体组织，为后续的时效处理作准备。 强度/硬度变化小，塑性明显,（3）时效处理,时效：指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度下，随时间增长而分解，导致合金强度和硬度升高的现象。时效实质是

9、沉淀强化相从过饱和固溶体中析出和长大,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。一般“回火”用于晶型转变的淬火合金， “时效”用于非晶型转变的淬火合金,（2）固溶处理 将合金加热到固溶线以上，并保温，快冷。,淬火+时效组织形成示意图,淬火+时效组织形成示意图,4.铝合金时效析出过程,铜富集区称G.P.区,晶体结构与基体相同，与基体形成共格应变区，引起点阵畸变。,强度、硬度。G.P.呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200就不再出现G.P.区。,第一阶段：形成铜原子富集区,（1）以Al-Cu合金为例,4.铝合金时效析出过程铜富集区 晶体结构与基体相同,Al-C

10、u合金G.P.区模型,Al-Cu合金G.P.区模型,第二阶段：铜原子富集区有序化,随时间延长，或温度提高，G.P.区急剧长大，G.P.区铜原子有序化，形成”相,”相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵,点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大,第二阶段：铜原子富集区有序化随时间延长，或温度提高，G.P.,相周围基体应变模型,相周围基体应变模型,第三阶段：形成过渡相,”相转变 成过渡相,是正方点阵，点阵常数发生变化，成分接近CuAl2,完全共格局部共格，共格畸变减弱,强度、硬度开始降低，合金此时进入过时效状态,第三阶段：形成过渡相 ”

11、相转变是正方点阵，点阵常,第四阶段：形成稳定的,过渡相完全脱溶，形成稳定相,相与基体失去共格关系，共格畸变消失,合金的强度、硬度进一步下降，即所谓“过时效”,第四阶段：形成稳定的过渡相完全脱溶，形成稳定相相与,f11_25_pg405,f11_25_pg405与基体完全共格，具有正方点阵，畸变最,G.P.区,过渡相,过渡相,平衡相,G.P.区 过渡相 过渡相平衡相,常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相,（2）影响时效析出相的因素,合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样,合金系时效过程的过渡阶段析出稳定相Al-Cu形成铜富集区,同一成分合金，

12、时效温度不同，脱溶序列也不一样。一般，时效温度很高，预脱溶阶段或过渡相可能不出现或出现的过渡结构较少。温度低时，则可能只停留在G.P.区或过渡阶段。,同一成分合金，时效温度不同，脱溶序列也不一样。一般，时效温度,各种脱溶相的相互关系（三种情况）各种脱溶相均独立成核。在较稳定的脱溶相形核时，较不稳定的脱溶相逐渐溶解，所偏聚的溶质转移到较稳定的相中。稳定性较小的脱溶相经晶格改组转变成更稳定的脱溶相。例如Al-Cu中的GP区改组为 ”， 改组为 较稳定的相在较不稳定的相中成核，然后在基体中长大。,各种脱溶相的相互关系（三种情况）,（3）影响时效强化的主要因素,固溶处理,规律：淬火T越高，淬火冷却V越

13、快，转移t越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大,要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止 淬火变形开裂，一般采用2080水冷却,化学成分,取决于溶质元素的固溶度、固溶度随温度的变化程度，及析出相与基体结构的差异。,（3）影响时效强化的主要因素固溶 规律：淬火T越高，淬火,时效工艺,温度：对一定合金，有最佳时效温度.时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间。方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效,分级时效：先在G.P.区溶解度线以下时效，再在较高温度下时效。弥散的G.P.区能成为后续脱溶的非均匀形核位置。与较高温度一次时效相比，可得到更弥散的时效

14、相分布。,时效温度：对一定合金，有最佳时效温度.分级时效：先在G.P.,时效时间对组织和性能的影响,时效时间对组织和性能的影响,130时效不同成分铝铜合金硬度与时间的关系,130时效不同成分铝铜合金硬度与时间的关系,时效温度过低，扩散困难，G.P.区不易形成，时效后强度、硬度低；温度过高，扩散易进行，析出相的临界晶核尺寸大，时效后强度、硬度偏低。因此，各种合金都有最适宜的时效温度。,时效温度过低，扩散困难，G.P.区不易形成，时效后强,思考题： 直接析出稳定相在热力学上是有利的，但为什么不是直接析出稳定相?,金属材料学第8章铝合金课件,四、变形铝合金,四位字符体系：牌号的第一位数字表示组别，2

15、XXX8XXX表示。后两位数字是区别同一组不同的铝合金。第二位字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合金；BY表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合金元素为铜的6号原始铝合金。1、防锈铝合金 Al-Mn和Al -Mg两个合金系。用“3A” 或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能进行热处理强化。切屑加工性差，适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其它冷变形零件。,四、变形铝合金 四位字符体系：牌号的第一位数字表示组别，,金属材料学第8章铝合金课件,Al-Mn合金 Mn 的作用1）Mn形成固溶强化，最大溶解度1.82%，不能时效强化。2）少量Mn ，形成弥

16、散析出的MnAl6 质点，产生弥散强化。过量Mn，形成大量MnAl6，脆性大，塑性降低 。3）MnAl6与基体铝电极电位相近，耐蚀性好。,Al-Mn合金,Al-Mg： Mg的作用:1）固溶强化；因溶解度大，强度大于Al-Mn。2）5%为单相合金，5%会析出Mg5Al8，脆性相，电极电位低于基体，成为阳极，恶化耐蚀性。3）由于时效过渡相与基体不共格，故不进行时效处理。,常用的AL-Mg合金：LF2(5A02)：Mg2-2.8%,LF3(5A03)：Mg3.2-3.8%,+少量Mn，耐蚀性、强度；+少量Fe，细化晶粒。,Al-Mg：常用的AL-Mg合金：+少量Mn，耐蚀性、强度,应用,洗衣机外壳、

17、装饰扣板、易拉罐等,目前世界各国在全铝易拉罐生产中普遍采用的铝合金板卷主要有三种: 即罐体用3004H19 （Al-Mn系）铝合金板带 罐盖用5182H19（Al-Mg系）铝合金板卷 拉环用5042H19或5082H19、5182H19 铝合金板卷。 这三种铝材中, 用量最大的为罐体材料, 占2/3以上。全世界的铝罐料产量由2001年的4.221百万吨上升到2005年的4.82百万吨, 即上升14%。,应用洗衣机外壳、装饰扣板、易拉罐等 目,2、硬铝合金,成分,Cu为主要合金元素、加入Mn、Mg等元素强化的铝合金。Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn系。2A + 顺序号表示,分类,低强度硬铝，如

18、2A01、2A10等合金；中强度硬铝，如2A11等合金；高强度硬铝，如2A12等合金, 2A12是使用最广的高强度硬铝合金,2、硬铝合金 成分Cu为主要合金元素、加入Mn、Mg等元素强,性能,时效处理后具有高硬度、强度，优良的加工性和耐热性，但塑性、韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低，强度较低而塑性高；反之，强度高而塑性低。,强化相, (CuAl2)、金属间化合物S(CuMgAl2)是强化相。S相最高。,性能 时效处理后具有高硬度、强度，优良的加工性和耐热,金属材料学第8章铝合金课件,要严格控制淬火温度。 如： 牌号 正常淬火温度 过烧温度 2A02 495505 510515 2A10 510

19、520 540 2A12 495500 507转移时间尽量短 30，航空件 15；冷速要快，热水淬；常用自然时效。,热处理特性,应用,飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等,要严格控制淬火温度。热应用飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮,Al-Cu-Mg三元合金垂直截面,Al-Cu-Mg三元合金垂直截面,3、超硬铝合金,成分性能,Al-Zn-Cu-Mg系。7A+ 顺序号表示，室温强度最高，500700MPa，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，120的温度下使用。 强化相:MgZn2 Al2Mg3Zn3,特点应用,T淬范围较宽，一般为450480，人工分级时效：先在120时效3小时，第二次在160时效3小时，

20、形成G.P.区和少量的相，达到最大强化状态。 应用：飞机工业中重要的结构材料。,3、超硬铝合金成分 Al-Zn-Cu-Mg系。7A+,4、锻铝合金,成分性能,Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加顺序号表示。常用的合金有6A02、2A14等 具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高,特点应用,主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然时效倾向，淬火后应立即人工时效。 主要用做航空仪表中形状复杂、强度要求高的锻件。,4、锻铝合金成分 Al-Mg-Si-Cu系合金。用6,金属材料学第8章铝合金课件,五、铸造铝合金,铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性等良好的铸造性。共

21、晶合金应最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。 铸造铝合金的牌号用ZL + 三位数字表示。第一位数字是合金系别：1是Al-Si系合金；2是Al-Cu系合金；3是Al-Mg系合金；4是Al-Zn系合金。 第二、三位数字是合金的顺序号。例如 ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。,五、铸造铝合金 铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩,1、铝硅系铸造合金（硅铝明）,特点,流动性最好，比重轻，铸造收缩率小；焊接性、耐蚀性优良,致密度较小。 共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，有少量块状初生硅。常经变质处理。 塑性较低，需要细化组织。,应用,常用合金：ZL1

22、02 和ZL104等 . 制造致密度要求不高、形状复杂铸件。如ZL105工作在250的耐热零件， ZL111形状复杂的内燃机汽缸等。,1、铝硅系铸造合金（硅铝明）特 流动性最好，比重轻，铸造收,Al-Si合金成份位于共晶点附近，铸态组织（变质处理前）：（+Si）共晶体，Si呈粗大针状分布，使合金变脆，强度和塑性都很低。浇注前向合金注液中加入可有效地细化晶粒的材料（变质剂），从而提高合金强度，称为变质处理或细化晶粒强化。,以Al-Si合金为例，浇注前加入2-3%的变质剂（NaF和NaCl）后，可将针状Si改变为细小粒状Si，得到细小均匀的共晶体和初生固溶体的亚共晶组织（+Si）+，显著提高合金的

23、强度和塑性。,Al-Si合金成份位于共晶点附近，铸态组织（变质处理前）：（,Al-Si合金变质处理机理,Na等变质元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大，最终生长为球状或多面体状。同时Na的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织，而且使合金组织由共晶成分变为亚共晶成分。出现了初生固溶体+细小均匀的共晶体。,变质处理对Al-Si相图的影响,Al-Si合金变质处理机理Na等变质元素能促进硅的形核，并吸,ZL102 变质处理前后的组织形貌,未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织ZL102 变质,ZL102 变质处理前 Si块+（+

24、Si针）共晶,ZL102 变质处理前 Si,ZL102 变质处理 枝晶+ （+Si）共晶,ZL102 变质处理 枝晶,2、铝铜铸造合金,铝铜铸造合金的主要强化相是CuAl2。 最大特点就是耐热性高，但耐蚀性差。 共有三种牌号：ZL201、ZL202、ZL203。,Cu 热强性脆性, 14%Cu,ZL203 ,45%Cu 常用, 铸造性较差,ZL202 ,911%Cu 铸造性好,耐蚀性,应用,在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,2、铝铜铸造合金 铝铜铸造合金的主要强化,3、铝镁铸造合金,特点,比重轻，强度和韧性较高，优良的耐蚀性、切削性和抛光性。 熔点低热强度较低，工作T2

25、00。 结晶温度范围较宽，故流动性差，形成疏松倾向大，其铸造性较差。,应用,ZL301、ZL302二种牌号。 制造承受冲击振动载荷和耐海水或大气腐蚀、外形简单的重要零件,3、铝镁铸造合金 特 比重轻，强度和韧性较高，优良的,4、铝锌铸造合金,特点,锌固溶强化，极限溶解度为31.6%，不形成金属间化合物。固溶13%Zn，在冷却时不发生分解，固溶强化。 强度较高，是最便宜的铸造铝合金。其主要缺点是耐蚀性差。,应用,常用ZL401。制作工作温度在200以下，形状复杂的汽车及飞机零件、医疗机械和仪器零件。,4、铝锌铸造合金 特 锌固溶强化，极限溶解度为31.6,5、铸造铝合金的热处理 除ZL102外，

26、其它合金均能进行热处理强化。,热处理特点, 为变形或过热，最好在350以下低温入炉，随炉缓慢加热。 T淬高一些，t保长一些，1520小时 淬火介质一般用60100的水。 如需时效，一般采用人工时效。,5、铸造铝合金的热处理 热 为变形或过热，最好在350,小 结 铝合金没有同素异构转变。 铝合金热处理为固溶处理和时效强化。 铝合金时效基本过程是强化相的析出过程。各个阶段的强化效果也不同。 正确制定合金的固溶处理工艺，是保证获得良好时效强化效果的前提。,小 结,Cu、Mg、 Zn、Si、Mn,L,L+,+,Al,Me,工业纯铝：密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高,防锈铝合金只能变形强

27、化。Al-MgAl-Mn,合金化,固溶强化细化组织强化时效强化第二相强化,基本过程：GP。条件：Me能溶入；随T而固溶度；析出相强化作用大。,铸造铝合金：Al-Si ，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301,可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化,硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。性能特点：强度比较高，耐热性好，抗蚀性差。热处理：淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短,超硬铝：如LC4Al-Zn-Mg-Cu系性能特点：强度高，耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较宽,锻铝：如LD5Al-Mg-Si-Cu系工艺特点：锻造性好，热处理：采用人工时效, Cu、Mg、LL+ + Al Me 工业纯铝：防,