铝及铝合金基本性质介绍.ppt

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1、第1章 铝及其铝合金,1.1 概述1.2 铝的制取1.3 铝的物理冶金1.4 工业纯铝1.5 铝合金,目的：本章介绍铝及其合金的不同生产方法、热处理方面的基本知识，以及铸造铝合金、变形铝合金的各种应用；讨论成分、组织和热处理对铝合金的化学性能、力学性能的影响及其与应用的关系。,地壳中含量近8.2%，列全部化学元素含量的第三位(仅次于氧和硅)，列全部金属元素含量的第一位（Fe:5.1%；Mg:2.1%；Ti:0.6%）。,1.1 概述,铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。,Bauxite铝土矿,Bauxite-pebbly 矾土卵石,Kaolinite clay

2、高岭土,霞石（Nepheline）：岩浆矿物，长石类矿物。氧化铝（Alumina）菱镁铀矿（Bayleyite）明矾（Alunite）,资源,密度小 高的热导率、电导率 高的耐腐蚀性 优异的机加工性能 高的韧性、成形性,性能,中国电解铝产量,世界电解铝产量,隔绝空气蒸发,1807年：英国H维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于 1855年在巴黎世博会展出。1855年：法国圣克莱尔德维尔 用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生 产出1.9

3、吨铝。1886年：霍尔美及埃鲁法用电解法生产金属铝（霍尔埃鲁工 艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝）1888年：澳大利亚卡尔约瑟夫拜耳发明了拜耳工艺 Bayer process：用240的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿 1910年：铝产量达45000吨,1.2 铝的制取,制取方法的演化,木炭和铝土（氧化铝）,氯气,氯化铝,钾汞齐,铝汞齐,一种金属,主要公司:（2007年）世界原铝产地：北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（12%）力拓公司（加铝）：【第二大铝公司】约400万吨美国铝业公司【Alcoa，第三大铝公司】

4、约380万吨中国铝业公司：【第四大铝公司】288 万吨雷诺兹金属公司美凯撒铝及化学公司美波施涅铝工业公司法德国联合工业公司日本轻金属公司澳大利亚科马尔科铝业公司APA公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司】,氧化铝制取原理,拜耳法：高品位铝土矿碱石灰烧结法和拜耳烧结联合法：中低品位铝土矿,拜耳法：氧化铝生产总量的95碱石灰烧结法拜耳烧结联合法,霞石（Nepheline）,铝土矿Bauxite,高岭石 kaolinite,将粉碎的铝土矿放入240的强 NaOH 溶液中提取出Al2O3,第一步：将含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，滤除Fe和Si 氧化物组成的不溶解于水的残留物或红土。

5、,第三步：调整煅烧温度、压力，除去Al2O3 3H2O中的水。可获得不同形态的、或 Al2O3。400600煅烧，得到 Al2O3。1200煅烧，得到 Al2O3。,拜耳法,第二步：在50左右，NaAlO2 分解得到Al2O3 3H2O。通过附加促结晶剂，促进(Al2O3 3H2O)沉淀。,拜耳工艺流程图,若直接采用拜耳法时，NaOH 与硅反应生成Na2SiO3，Na2SiO3 与NaAlO2 反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。,先用石灰石与铝土矿反应生成 Ca2SiO4，滤除后得到高含量Al2O3。,拜耳烧结联合法,用Na2CO3 代替 NaOH。在800-1200 下，

6、磨碎的铝土矿与 Na2CO3 反应，生成铝酸钠 和 CO2。,铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95 水中，Al(OH)3 以沉淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3 粉末。,碱石灰烧结法,制取原理：直流电通过由氧化铝、冰晶石组成的电解质溶剂，在950970下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。阳极析出CO2，阴极还原出Al。,霍尔埃鲁工艺:Hall-Hroult process,电解槽包括：碳消耗阳极、熔融冰晶石氧化铝电解质、铝液池。电解条件：温度950、电流250 kA、电压4.5V。生产能力：日产1800 Kg。,Hall-Hroult电解槽,由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于

7、电解槽槽底，而在阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。,电解质：80-90%NaAlF6,2-8%Al2O3。添加剂AlF3、CaF3。,铝的制取原理,阴极阴离子在阴极表面失去电荷形成 NaF。,电极反应机理,阳极溶于电解液中的Al2O3 在阳极区形成铝离子和AlO33-，铝离子得到电荷形成金属 Al 并放出氧，氧与C 形成 CO2。,铝的净化：电解铝中通过含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用石墨管将 Cl2 吹入铝的熔池中形成 AlCl3，AlCl3与杂质一起浮出去除。,1.3 铝的物理冶金,密度(20)：2.70 g.cm-

8、3 熔点：660 100 时的热容：0.2241 cal.g-1K-1/938 Jkg-1K-1熔化潜热：94.7 cal.g-1/397.0 kJ.kg-1 20 时的电导率：64.94(相当标准退火铜的百分数)热导率：0.5 cal.sec-1cm-1K-1,1.3.1 合金元素与铝的作用,Mg,Cu,Zn 和 Si 在铝中固溶度较大，是常用合金化元素。Cr,Mn 和 Zr 与铝形成化合物，常用于控制晶粒尺寸。,CaCoCuCrGeFeLiMgMnNiSiAgSnTiVZnZr,最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr发生在包晶温度；其余元素在共晶温度。室温溶解度：Mg、Zn约为2%；Ge、

9、Li、Ag为0.10.25%；其余小于0.1%,Zn（31.62）Mg（17.41）Cu（5.650.5）Li（4.2）Mn（1.82）Si（1.65）Ag（56.5）Ge（7.2）Ti（1.3）,元素在铝中的溶解度,二元铝合金相图,Al-Cu共晶相图,Al-Ti包晶相图,合金元素在铝合金中的固溶强化效果,Mn 和 Cu 含量为 0.5%时，强化效果最好，超过后将形成 Al6Mn 相 或不溶的Al-Cu-Fe 化合物相。Mg 的强化效果最显著；锌的强化效果最差。,退火态高纯铝的屈服强度很低，为711 MPa。,简单二元系铝合金，如AlMg、AlSi和AlMn等，加入的合金元素也有明显的溶解度变

10、化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷加工状态使用（即非热处理强化型铝合金）。由Zn、Mg、Cu、Si、Li等构成的多元系铝合金，如AlZnMgCu系，加入的合金元素既可溶解于铝中形成固溶体，又可与铝形成二元或三元化合物，并且这些元素在Al中的溶解度随温度降低而剧烈减小，具有显著的热处理强化效果，故含有这些元素的铝合金可通过热处理强化，为热处理强化型铝合金。Cr、Ti、Zr等在铝中的溶解度很小，但明显改善合金强度和抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。但铝合金的细晶强化效果不显著。Reh=Reh0+kd0.5 式中 k=68 MPa m 0.5,铝合金的合金化,固溶时效处理的一般步骤,固溶：将铝合金

11、加热到单相固溶体区（固溶线以上、固相线以下），使合金元素溶入，获得成分均匀的固溶体。淬火：快冷到室温获得单相过饱和固溶体。时效：过饱和固溶体加热到室温以上某一温度，使其分解形成细小分散沉淀相。,1.3.2 铝合金的时效强化机制,自然时效：室温下时效人工时效：在高于室温进行时效,Al4%Cu铸态组织及淬火态组织,时效分解【析出，脱溶（或沉淀）】：过饱和固溶体中析出一个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚稳过渡相的过程。属于固态相变。,时效分解（析出）过程和产物,过饱和固溶体分解产物,GP区,过渡相（中间沉淀相）,平衡相,AlCu合金：过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解

12、：过 GP区 其中 GP区、为亚稳定相（又称为GP区）随着时效时间的延长，组织变化过程为：过 GP区,GP区：溶质原子在基体 100面上偏聚构成的 圆盘形片 A.Guinier和于1938年研究AlCu合金自然时效时发现 圆盘形片尺寸：510nm0.40.6nm，数量10141016/cm3 晶体结构：与基体相结构相同（fcc）界面：与相完全共格。,G P区是溶质原子富集的、排列有序的、与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进GP区的形

13、成，如：提高固溶温度，加快冷却速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利于获得尺寸细小、数量多GP区。,GP区附近基体晶格变化,GP 区尺寸分布随时效时间的变化,屈服强度随时效时间的变化,具有临界尺寸且弥散分布的 GP 区或过渡相（中间相）才能使铝合金达到最大时效强化。,平衡相图中，GP区脱溶线决定了GP区稳定存在的最高极限温度。,只有细小弥散分布于基体中的GP区将导致基体强化。,相：圆碟片状，30nm2nm；正方点阵，ab0.404nm，c0.768nm。为均匀形核、分布均匀，与基体完全共格，位向关系为100/100基体；相周围比GP区存在更大的共格应变，故其强化效果大于GP区。相：圆碟片状，

14、100nm几十 nm；正方点阵，ab0.404nm，c0.58nm。与基体部分共格，位向关系为100/100基体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相（CuAl2）。,过渡相：时效时间增加，基体中依次析出、过渡相 过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核。为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、层错、空位团以及GP区等处不均匀形核。因此，其形核速率与基体中位错密度有关。,平衡相：正方点阵：ab0.905nm，c0.486nm，一般与基体不共格，但存在一定的晶体学位向关系

15、，其界面能高，形核功也高。为减小形核功，常在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。平衡相仅在较高的时效温度出现，平衡相尺寸粗大，降低了强化效果。,淬火态，单相固溶体，铜原子在基体中混乱分布,时效初期，单相固溶体中形成保持共格界面的GP区,时效中期，形成半共格界面的过渡相,高温时效，固溶体中析出非共格界面的平衡相,基体上析出及,15400,Sn颗粒降低了界面能，促进了 过渡相的析出(Al2Cu),铝合金中的微量元素将严重影响沉淀物的成核和生长，由于这些微量元素：优先与空位产生交互作用，削弱了淬火空位对时效的影响；提高了GP区脱溶曲线温度；促进自发形核；促进形成不同的沉淀物；促进异质形核；提高了固

16、溶体的过饱和溶解度。,微量元素对时效过程的影响,Al4Cu,工艺过程相同：加热、保温和快冷。共析钢退火态组织为珠光体；加热时，珠光体转变为单相奥氏体，晶体结构已变；淬火快冷，奥氏体转变为马氏体，晶体结构又变；马氏体强度因固溶强化而大幅度提高，但脆性大。铝合金退火态组织为固溶体及分布其上的第二相；加热时，第二相溶入基体而引起成分变化，但基体的晶体结构未变；冷却过程中，高温过饱和固溶体因快冷而冻结到室温，但晶体结构不变；第二相溶入基体形成单一过饱和固溶体组织，其塑性优于原二相组织，强度因固溶强化而提高。,铝合金的固溶处理与钢淬火处理的异同,固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化,固溶

17、强化：无限互溶合金系的组元间物理化学性质相似、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果低。如铝锌、铝银简单二元合金系，固溶强化作用小，无实用价值；溶解度大于1的Al-Mg、Al-Cu、A1-Mn、A1-Si合金系，固溶强化作用较大，有实用价值。但固溶强化效果有限。,时效强化(沉淀强化)：合金元素在铝中要有较大的极限溶解度，其溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而产生强化。多组元少量合金化（A1-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg）形成新的强化相,改变沉淀硬化特性，

18、使强化效果更大，如Al-Cu-Mg系，可形成CuAl2(相)、Al，CuMg(S相)等强化相，强化合金更显著。,时效强化机理,铝合金的强化方式,过剩相强化：合金元素加入量超过其极限溶解度后，固溶加热时剩有部分不能溶入固溶体的第二相即为过剩相。过剩相多为硬而脆的金属间化合物，可阻碍位错运动，从而提高强度、硬度，但降低塑性、韧性。Al-Si铸造合金的主要强化手段是过剩相强化。随着硅含量增加，过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共晶成分太多，以免出现急剧降低强度和塑性的多角形初晶硅。,细晶强化：铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合金强韧性细晶

19、强化。铸造铝合金：对不能热处理强化或强化效果不大的铝合金进行变质处理，细化铸态组织。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或锑等，可细化晶粒，显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等细化铁的夹杂物AlFeSi，从而提高塑性。变形铝合金中添加微量钛、锆、铍及稀土元素，能形成难熔化合物，合金结晶过程时作为非自发晶核，以细化晶粒，提高合金的强度和塑性。如铝锰合金中添加0.020.3Ti可细化晶粒。,时效强化机理,时效强化机理是基于弥散强化，强化效果受位错与弥散相交互作用的制约,GP区与基体保持共格关系，位错易切过尺寸细小的GP区，产生面滑移和在晶界的位错塞积，对位错运动产生一定阻力，导致屈服强

20、度提高，但提高幅度不大。,时效时间进一步延长，、将转变为尺寸较大、数量较少和间距较远的相，位错可绕过相而留下位错环，此时，相对对位错运动的阻力小，因此，屈服强度较低。,时效时间的延长，将在位错、小角晶界、层错、空位团以及GP区等处析出共格相、半共格相，、尺寸较GP区大，位错切过、时，产生较大的阻力，导致屈服强度大幅度提高。,时效强化合金中，强度随时效时间（影响弥散相尺寸）增加发生先增加、后降低的变化。,时效强化合金的强度与析出相颗粒尺寸之间的关系,下列工艺均能促进可阻碍位错运动的弥散相的析出两次时效工艺（先在GP区脱溶温度以下时效、再在脱溶温度以上时效）：可获得更细小弥散分布的析出相。预处理工

21、艺：分别形成粗、细共沉淀相，前者可提高屈服强度，后者提高均匀塑性变形能力。采用适当的热处理工艺，使二种以上的、具有的不同晶向的中间相发生共沉淀，从而阻碍位错运动。加入一些特殊微量元素促进中间相的均匀弥散形核。适合的热处理工艺可提高强度40倍。,1.3.3 铝合金的腐蚀,铝是活泼金属，大气中表面很快氧化，形成致密氧化膜，可阻止内层金属进行氧化。氧化膜在pH为的水溶液中是稳定的，但在强酸或强碱中不稳定。铝在水溶液中的腐蚀产物是氢氧化铝，然后转变为水合氧化铝；水合氧化铝粘附力小，对大气中的铝表面无保护作用。氧化膜厚度约23nm，主要成分为Al2O3，膜厚度与时间、天气状况有关。,表面氧化膜,转化膜：

22、膜厚约12微米。氧化铝膜溶解于热酸或碱性溶液中。膜主要由Al2O3 与提高耐蚀性的铬酸盐组成。用于飞机结构中，但铬有毒。阳极氧化膜：厚约10-20m。制作的零件作为阳极置于15%H2SO4 电解质中即可形成Al2O3膜。膜是多孔的，要加以密封。这种膜可赋予建筑物以丰富的色彩。,氧化物涂层,铝阳极氧化用于装饰，英国伯明翰,Al电极电位为-0.85 V，铝合金的电极电位为-0.69-0.99 V。电腐蚀倾向既与电极电位高低有关，也与总电阻、极化有关。氧化膜的性质在金属溶液界面影响极化，这将影响了腐蚀状况。根据电极电位差大小，铝与钢接触产生的腐蚀比与铜接触产生的腐蚀少。,电极电位,合金元素和杂质的影

23、响,铝的固态溶解度、显微成分和化合物如硅、Al2CuMg、Mg2Si具有不同的电极电位，在合金内各自形成微电池。总的来说，固态溶解度对耐蚀性影响最大。Al-Mg合金具有较高的耐蚀性；Al-Zn合金常用于某些铝合金的覆层，以及海水中钢结构的阴极保护用电极。,铝合金的表面点蚀和剥落,显微成分是表面电化学腐蚀的根本原因，在某些区域产生不均匀侵蚀。表层剥落腐蚀就是由铁、硅形成的Al3Fe杂质物引起，这些杂质物作为阴极，而铝作为阳极，促进了表面氧化膜的电化学腐蚀。Al6Mn，Mg2Si也有类似的电极电位。,铝合金板的表层剥落腐蚀,高强度铝合金表面的点蚀,时效和回火处理改变微结构成分、尺寸和分布，影响耐腐

24、蚀性能。热机械处理可引起的残余应力可导致零件的应力腐蚀开裂。诸如焊接时的热处理引起的温度梯度导致焊缝区、热影响区及母体合金的组织差异。在锻造或挤压或拉伸过程中，非再结晶和再结晶的混合组织沿着三个维方向存在差异。,Cracks may form along the Three principal directions,热处理对耐蚀性的影响,1.3.4 铝合金的力学行为,铝合金中微结构对力学性能的影响粗晶粒间的化合物或枝晶间共晶体：共晶合金凝固时形成的枝晶间化合物。分为可溶解（Al2CuMg、Al2Cu、Mg2Si）和不可溶解Al3Fe、Al7Cu2Fe、(Al6(Fe,Mn)、Al(Fe,Mn,

25、Si)。这些粒子对高强度锻造铝合金是有害的，并且沿加工方向以线串状排列。要消除种缺陷需要较多的成本。,沿铝轧制方向排列的线串状化合物,细小的亚微颗粒或0.050.5m弥散相在铸锭均匀化处理时析出。这些化合物含一种过渡金属，如Al20Mn3Cu2、Al12Mg2Cr和Al3Zr。它们将延缓加工和热处理过程中的再结晶和晶粒生长；还影响位错运动，从而影响力学性能。,晶粒尺寸和形状大热塑性变形时的动态回复产生网状亚晶。厚断面上变形量小，不发生再结晶。形成的织构仍保留下来。,位错结构：由冷加工引起，对时效硬化无作用。,晶体织构存在于轧制产品中。显著影响产品的成形性，力学性能出现各向异性。,细小沉淀相（0

26、.1m）时效时形成：对强化产生最明显的贡献。,拉伸性能,沉淀强化程度对铝合金拉伸性能的影响分为两类：沉淀强化效果显著:主要是提高 Reh和Rm，这取决于最终的弥散沉淀相。沉淀强化效果不显著：Reh 和 Rm 仅与冷加工时的位错有关。粗大的金属间化合物降低塑性；纤维组织或晶体织构导致纵向性能最好，横向性能最差。（76厚铝合金板）,韧性,韧性是材料抵抗断裂的能力（当有裂纹时），韧性在很大程度上取决于微观结构。裂纹形成的原因是在第二相粒子与基体界面结合被破坏而导致裂纹开始形核、扩展。未时效的韧性最大，时效达到峰值强度时的韧性最低。减少Fe和Si杂质可大大改善韧性。,Al-Cu-Mg平面应变断裂韧性,

27、疲劳,提高有色金属合金的拉伸强度并不总是能同时提高疲劳强度。合金的拉伸强度越依赖于沉淀硬化，疲劳强度就越低。由于在循环应力作用下应变集中在沉淀相附近，时效硬化铝合金具有较低的疲劳性能，通过改进弥散相的均匀性可防止宽滑移带形成；由热机械工艺增加位错密度有助于改善疲劳性能。粗、细颗粒并存的复相结构可同时满足高的抗拉强度和高的疲劳强度的要求，因为具有细颗粒带来高的抗拉强度、粗颗粒改善疲劳强度(产生可动位错)。,冶金因素对疲劳性能的影响,高纯Al-Zn-Mg合金中沉淀析出造成的贫化区在疲劳时形成了滑移带,含有高密度的粗滑移带导致疲劳性能降低,在疲劳循环时,粗大的第二相周围产生分散的位错，这有助于改善疲

28、劳性能,在腐蚀环境中，如含有微量铁的卤化物水蒸汽，承受拉应力的合金将发生应力腐蚀开裂（SCC）：失效应力远低于屈服强度。冶金组织类型、应力大小和腐蚀环境决定着应力腐蚀开裂。铜、镁、锌、硅和锂作为溶质元素具有反作用。注意：应避免横向应力，因为变形织构而产生腐蚀。,应力腐蚀断裂,A7075-A6065焊接拉伸试样的应力腐蚀试验时的点蚀和裂纹扩展,冶金因素对应力腐蚀裂纹扩展的影响,对晶粒心部而言，PFZ或晶界看作阳极，将导致应力腐蚀。GP区增加了基体与沉淀相对应力腐蚀的敏感性。在GBs中的弥散沉淀相-靠近GBs颗粒将促进SCC。在GBs中的溶质富集改变了电极电位。因在GBs中的快速扩散导致氢脆。化学

29、吸附裂纹表面降低了强度.,暴露于实验室大气下三个月后，人工时效的 Al-Zn-Mg 合金中位于晶界沉淀相的氢气泡,腐蚀疲劳,循环应力和腐蚀同时存在将使疲劳强度显着降低，降低幅度远远大于单一存在的情形。金属零件表面的保护膜常在循环应力作用下而破裂。诸如蚀坑位置是疲劳裂纹的发源地。注：腐蚀条件下疲劳强度降低与材料对介质的耐蚀性有关。,Corrosion pits as the cause ofcorrosion fatigue failure,蠕变,蠕变断裂（高温）通常从晶界开始，尤其是在铝合金中。持续高温作用导致过时效和软化。工作温度必须低于时效温度，以避免强度降低。铝合金中亚微尺寸金属间化合物

30、如Al9FeNi或颗粒有助于改善使用温度恒定时的蠕变抗力。短纤维增强的铝合金也可提高蠕变抗力。,垂直方式的直接激冷铸造比水平方式更易得到均匀铸锭组织。熔融合金注入带有可重复使用的底部引出块的水冷铜模中。在凝固过程中，金属在底部引出块上凝固，同时，伴随其余金属液体因冷却水的作用而快速凝固。,直接激冷铸造,该工艺连续生产具有最终尺寸要求的薄板产品。由于轧辊区域和喷射区域的变化，使连铸铝合金表面冷却模式的复杂化。成对水冷辊的旋转可不断生产板坯。,Continuous casting process,连续铸造,影响铝熔化的冶金因素铝熔体容易：过量吸收氢气（脆化）熔体氧化形成片状、颗粒状镁、钠、钙、锶等

31、复杂氧化物（影响力学性能）以硼化物、氧化物、碳化物和非金属颗粒形式存在的夹杂物如Al2C3（存在于所有铝合金）将引起应力集中。,冶金组织的控制树枝晶尺寸或枝晶臂间距；微观组织的组成和分布；晶粒度。细晶粒尺寸或组织可以改善：撕裂强度、机械性能、气密性、可热处理、化学、电化学和机械加工等性能。,铸造组织的控制,孕育处理细化晶粒,TiAl3晶体作为晶粒成长的晶核。每个颗粒平均有8个位置进行复合形核。TiB2相还具有晶粒细化的效果。,晶粒细化剂：中间合金：Al-35%Ti 精炼剂Al-Ti-0.21%B(Ti:B 5:50),直接激冷铸锭的均匀化处理,直接激冷铸造的铝合金铸锭常预先在450600进行均

32、匀处理，其目的是：减小微观偏析；消除后续加工时可能引起裂纹的非平衡相、低熔点共晶组织；控制凝固时溶解的过量沉淀物。,均匀化处理时,合金元素将从晶界和其它溶质偏析区域扩散到晶粒其它部位；扩散时间取决于扩散距离和合金元素的扩散速度(晶粒尺寸、枝晶臂间距)。,直接激冷铸锭的加工：均匀化处理后，后续热加工可打碎铸锭中的粗大组织，得到成分分布、晶粒大小更均匀的组织。对无沉淀强化的铝合金所进行的冷加工可得到强化，冷加工过程中可能还需进行345415 的中间退火。,1.3.7 铝合金的热处理工艺,固溶处理应在理想温度下进行，以使大部分合金元素完全固溶获得单相组织。固溶温度不能超过固相线温度，以免过热，甚至出

33、现熔融化合物、晶粒长大将影响机械性能。吸收的氢原子可与内部空洞结合，形成小气孔或起泡。应该尽量减少炉内或熔池内的水蒸汽。,Liquation along GBs due to overheatingof an Al-Cu-Mg alloy during ST,Blistering on Al alloy surface,heat-treated in a humid atmosphere,固溶处理,固溶处理后的合金淬火到室温，以实现最大过饱和度，为随后的时效做准备。冷水淬火：用于高冷却速度特别是厚断面，但在薄断面将发生扭曲（或淬火残余应力），这在时效时可松驰2040。,The effect o

34、f minor additions of Cr and Zr onthe quench sensitivity,Tensile strength as a function ofquenching rate in Tcrit 290-400,淬火,热或沸水淬火以及风冷淬火：冷却速度较低，淬火应力较小，其后的时效效果主要取决于合金系的淬火敏感性。但这可能导致粗颗粒的非均相成核。,盐浴淬火:(180保温一定时间然后冷却到室温)对高强度 Al-Zn-Mg-Cu 合金可实现快冷而降低残余应力。,Heterogeneous nucleation oflarge particles in slow-que

35、nchedand aged Al-Mg-Si alloy.,时效强化可热处理强化铝合金优化性能的最后步骤：自然时效 室温下进行人工时效 在100190进行时效温度和时间取决于合金系和最终的性能要求。一步时效:适用于高强度合金，824h；多步时效:适用于获得较高抗腐蚀性能和较高韧性的合金,1.4.1 纯铝的牌号,旧标准,新标准,LG1、LG2、LG3、LG4、LG5L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-1,8A06：Al：余量、Si 0.55、Cu 0.10、Mg0.10、Zn0.10、Mn0.10、Fe：0.000 0.500、Fe Si：0.000 1.500 注：单个:0.05;合计:0

36、.15,1A85、1A90、1A93、1A97、1A99、1060、1050A、1035、8A06、1A30、1100LG1、LG2、LG3、LG4、LG5、L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-1,1.4 工业纯铝,高纯铝：99.999工业高纯（精）铝：99.9599.996工业纯铝：99.0099.85,高纯铝牌号 Al含量%Si Fe Cu Pb Zn Ga Ti Cd Ag In 总量Al-05 99.999 2.8 2.8 2.8 0.5 1.0 0.5 1.0 0.2 0.2 0.2 10.0(ppm)Al-055 99.9995 Si+Fe+Cu+Zn+Ti+Ga 5.0(pp

37、m),重熔用工业高纯铝锭 牌 号 Al含量%Fe Si Cu Zn Ti 其它杂质每种 总和Al99.996 99.996 0.0010 0.0010 0.0015 0.001 0.001 0.001 0.004Al99.993 99.993 0.0015 0.0013 0.0030 0.001 0.001 0.001 0.007Al99.99 99.99 0.0030 0.0030 0.0050 0.002 0.002 0.001 0.04Al99.95 99.95 0.02 0.02 0.01 0.005 0.002 0.005 0.05,重熔用工业纯铝锭(GB/T1196-2002)牌号

38、 Al含量%Fe Si Cu Ga Mg 其它每种 总和Al99.90 99.90 0.007 0.05 0.005 0.020 0.010 0.010 0.10Al99.85 99.85 0.12 0.08 0.005 0.030 0.030 0.015 0.15Al99.70A 99.70 0.20 0.10 0.01 0.02 0.03 0.02 0.30Al99.70 99.70 0.20 0.12 0.01 0.03 0.03 0.03 0.30Al99.60 99.60 0.25 0.18 0.01 0.03 0.03 0.03 0.40Al99.50 99.50 0.30 0.2

39、5 0.02 0.03 0.05 0.03 0.50Al99.00 99.00 0.50 0.45 0.02 0.05 0.05 0.05 1.00,杂质元素对纯铝组织及性能的影响 主要杂质为Fe和Si，次要杂质为Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。铁在铝中溶解度为0.052、硅1.65，随温度下降而急剧减小。Fe、Si含量及相对比例(铁硅比)影响纯铝性能。少量铁或硅就可形成FeAl3或(Si)，降低纯铝塑性，针状FeAl3影响更大。Fe、Si共存时，出现FeAl3、(Si)相、(Fe3SiAll2)及(Fe2Si2Al9)。WFeWSi，形成富Fe化合物(Fe3SiAl12)。WSiWFe，形成

40、富Si p(Fe2Si2)，骨骼状(Fe3SiAll2)，枝条状(Fe3SiAll2)，粗针状(Fe2Si2Al9)。这些相又硬又脆，使铝的塑性急剧下降。铝中Fe/Si23；铁硅比不当，引起纯铝铸锭产生裂纹。W(Fe+Si)小于0.65时，WFeWSi以减少铸锭开裂倾向。W(Fe+Si)大于0.65时，共晶数量增加，热裂纹易被共晶液体充填而愈合。所以铁硅比的影响小。FeAl3、相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性，降低了纯铝的耐蚀性、导电性。,1.4.3 纯铝的应用,高纯铝主要用于科研、化学工业、电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合

41、金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。,1A50 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1A60 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1070 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1A45 包装及绝热铝箔，热交换器 1A99 电解电容器箔，光学反光沉积膜,超高纯铝：5N5（每种杂质元素含量0.4ppm），导电性、延展性和抗蚀性比原铝更好，广泛用于电子工业及航空航天等。半导体制造业用溅射靶材：制造

42、芯片时，等离子态铝沉积于硅片上形成一层铝膜，随后在膜上涂一层感光性树脂，经曝光腐蚀掉无用的部位，而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。集成电路配线：痕量杂质铀与钍释放的粒子，造成集成电路出现故障，使程序失误与混乱。超高纯铝5N2 U+Th5ppb（wt%）、超高纯铝5N5 U+Th1ppb超导电缆稳定化材料：5N2及5N5，平板显示器用溅射靶材。电气电子材料：5N2超纯铝用于制造光电子存储媒体，如CD、CD-ROM、CD-RW、数据盘、DVD等。光盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。,pm part per thousand 千分之一；ppm part per million 百万分之一；ppb

43、 part per billion 10亿分之一；ppt part per trillion 万亿分之一,超高纯铝,1.5.1 铝合金的牌号、分类与应用,1.5 铝合金,形变铝合金：相图中D点以左的部分。该类铝合金加热至固溶线FD以上时能形成单相固溶体，塑性好，适用于压力加工成形。不能热处理强化的形变铝合金：相图中F点以左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金：相图中F和D之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。铸造铝合金：相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。,按铝合金所处相

44、图的位置分类：形变铝合金、铸造铝合金,纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为铝合金,旧标准,新标准,按铝合金加入合金元素种类分类：,按加入合金元素后铝合金的性能特点分类：,新旧牌号对照,1.5.2 变形铝合金,不能热处理强化变形铝合金,这类铝合金不能进行热处理强化。性能特点：优良的抗腐蚀性能，又称为防锈铝合金，简称为防锈铝。良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。强度较低，为了提高其强度，可用冷加工方法使其强化。切削加工工艺性能差，适用制作焊接管道、容器、铆钉以 及其它冷变形零件。防锈铝合金：铝-镁系合金5AXX、铝-锰系合金3AXX。,铝锰防锈铝合金,锰的作用：铝中的最大溶解度

45、为1.82%。锰和铝形成的金属间化合物MnAl6的沉淀强化效应小，但其弥散析出质点可阻止晶粒长大，细化晶粒。锰溶于相起固溶强化作用，减慢扩散速度，提高再结晶温度。3A21合金：含锰1.0-1.6%，显微组织为含锰的固溶体和弥散分布的MnAl6质点，有较高的强度和优良的塑性。在大气和海水中与纯铝的耐蚀性相当，有良好的工艺性能，在航空工业中用于承受深冲加工而受力不大的零件，如油箱、润滑油导管、铆钉等零件，以及建筑构件。,3A21合金的力学性能（不小于）,防锈铝合金：,5A02、5A03、5A05、5B05、5A06、5A12、5B06、5A13、5A33、5A43、3A21、5083 LF2、LF

46、3、LF5、LF10、LF6、LF12、LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-1,5A05:5%Mg、0.30.6%Mn:270MPa、18%（退火态）,5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件 5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架 5A06 焊接结构，冷模锻零件，容器，飞机蒙皮骨部件 5A12 焊接结构件，防弹甲板3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品的工业装备等,热处理强化变形铝合金,硬铝合金2AXX Al-Cu-Mg系硬铝称为普通硬铝；Al-Cu-Mn系硬铝称为耐热硬铝。可通过热处理（固溶时

47、效）强化，也可形变强化。Al-Cu-Mg合金：有四种金属间化合物，其中有两个强化相，即(CuAl2)相和S(CuMgAl2)相；还有两个T(Al6CuMg4)相与（Mg5Al6）相。S相有很高的稳定性和沉淀强化效果，其室温和高温强化作用均高于相。硬铝的缺点：抗蚀性差，合金中含有大量的铜，而含铜固溶体和化合物的电极电位均高于晶界，因此易产生晶界腐蚀，使用过程中需采取包铝阴极保护、喷漆等防腐措施；固溶处理温度范围窄，如2A12为495503，低于该温度时固溶体的过饱和度不足，影响时效效果；高于该温度时，又易产生晶界熔化。硬铝具有优良的加工工艺性能，可加工成板、管、棒、线、型材等，用于制作飞机蒙皮、

48、壁板、隔框等。,2A01 100 的结构铆钉 2A02 200300的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片 2A06 150250的飞机结构及125250的航空器结构铆钉 2A10 强度比2A01高，用于制造100的航空器结构铆钉 2A11 飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构 件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉 2A12 航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件 2A14 形状复杂的自由锻件与模锻件 2A16 250300的航天航空器零件，室温及高温工作的焊接容器与气密座舱 2A17 225250的航空器零件 2A50 形状复杂的中等强度零件 2A60 航

49、空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等 2A70 飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等 2A80 航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件 2A90 航空发动机活塞,2A01、2A02、2A04、2B11、2B12、2A10、2A11、2A12、2A06、2A16、2A17 LY1、LY2、LY4、LY8、LY9、LY10、LY11、LY12、LY6、LY16、LY17,锻铝合金,Al-Mg-Si系合金（4AXX）：制造形状复杂的型材和锻件，如飞机和发动机中工艺性和耐蚀性要求较高的零件；有较严重的停放效应:淬火后不立即时效处理，则会降低人工时效强化效果。Al-Cu-

50、Mg-Si系合金（2AXX）：制造形状复杂、承受中等载荷的各类大型锻件和模锻件，但该类合金有应力腐蚀和晶界腐蚀的倾向，不宜作薄壁零件；为减轻停放效应，将铜加入合金，合金中还可以出现(CuAl2)和S(CuMgAl2)相起补充强化作用，提高合金强度。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金（6AXX）：因含有较多的Fe、Ni，因而具有较高的耐蚀性能，适宜于制造发动机的活塞、汽轮机叶片等耐高温和耐腐蚀的零件。,锻铝有Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni等合金系。该类合金的合金元素种类多而含量少，具有良好的热塑性和锻造性，并可热处理强化。,6005 挤压型材与管材，用于要