金屬材料及熱處理06有色金屬材料篇(1)

1、第第 3 3 章章有色金屬及其合金有色金屬及其合金概述n金屬材料習(xí)慣上可分為有色金屬和黑色金屬（鋼鐵）；n有色金屬及其合金種類很多，但產(chǎn)量小，總產(chǎn)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼鐵的產(chǎn)量；n有色金屬及其合金有特殊的性質(zhì)，成為現(xiàn)代工業(yè)不可替代的材料（Al、Ti、Mg、Cu、Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Mo、W、Zr、Hf等等）n這里，主要介紹Al、 Cu、Ti、Ni、Co 、Mg。1.1 1.1 鋁及鋁合金的主要特征鋁及鋁合金的主要特征1.2 1.2 鋁的合金化與分類鋁的合金化與分類1.3 1.3 鋁及鋁合金簡介鋁及鋁合金簡介1.4 1.4 鋁及鋁合金的熱處理簡介鋁及鋁合金的熱處理簡介1.5 1.5 鋁及

2、鋁合金牌號與狀態(tài)符號鋁及鋁合金牌號與狀態(tài)符號第一節(jié)第一節(jié) 鋁及鋁合金鋁及鋁合金1.1 鋁及鋁合金的主要特征鋁及鋁合金的主要特征鋁及鋁合金鋁及鋁合金是最重要的有色金屬材料之一，產(chǎn)量占有色金屬的一半。（1）密度小純鋁密度約為2.7g/cm3, 常見鋁合金的密度處于2.63-2.85g/cm3 , 而Al-4Li, 2.4g/cm3 , Al-12Fe, 3.06/cm3 , 比Cu、Fe及其合金輕得多。這樣，鋁及鋁合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度的比值）高（LY1 2的比強(qiáng)度約為17.4，而40Cr的約為12.8 ），因此，鋁及鋁合金在航天航空工業(yè)，交通運(yùn)輸，兵器軍工等領(lǐng)域有著廣泛的用途，對航天器、汽車、

3、高速磁懸浮列車、火箭導(dǎo)彈等的輕量化起著積極的推動(dòng)作用。（鎂及鎂合金的沖擊）（鎂及鎂合金的沖擊）（2）導(dǎo)電導(dǎo)熱性好（電導(dǎo)率60-65%IACS（標(biāo)準(zhǔn)銅的為標(biāo)準(zhǔn)），熱導(dǎo)率2.27w/(mK)）僅次于Au、Ag（金融）、Cu，遠(yuǎn)優(yōu)于Fe、Ti等，在工業(yè)金屬，僅次于Cu，可替代Cu，作電線、電纜或用于其他電器元件（鎂及鎂合金的沖擊）（鎂及鎂合金的沖擊）（3）加工工藝好鑄造性好，強(qiáng)度低，塑性好，能通過鑄造或塑性加工制成各種形狀的產(chǎn)品（鑄件、擠壓件、鍛件、軋制產(chǎn)品等）（4）耐蝕性好表面可生成致密的Al2O3氧化膜，且耐高溫，可起保護(hù)作用，在Cl-或OH-中Al2O3氧化膜會(huì)破壞?？勺鞴艿溃ㄌ烊粴狻⑤斢停?、

4、容器、餐具等1.2 鋁的合金化與分類鋁的合金化與分類純鋁強(qiáng)度低，b=80-100MPa, 0.2=30-50MPa, =35-40%, HB=25-30, 即使是冷變形60-80%, b=150-180MPa,但 =1-1.5%，難以滿足需要，需合金化。（1）提高強(qiáng)度的途徑加工硬化細(xì)晶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化因此，從合金化的角度看，可選擇的元素應(yīng)有如下特點(diǎn)：固溶度大（低溫） ，或高溫極限固溶度大，而低溫的小，或可形成作為結(jié)晶晶核的第二相顆?；蜥斣Ы绲姆€(wěn)定相顆粒。主要的共晶含量少或無，高溫和低溫塑性高，強(qiáng)度高鑄造性好，流動(dòng)性好，易填充，不易冷熱裂（2）常見合金化元素）常見合金化元素合金元素

5、在鋁中的極限固溶度（At%、Mass% ）ZnAgMgGeCuLiSiMnTiCrVZrFe28.813.813.52.72.416.3 1.590.90.740.40.210.080.02570.056.617.47.25.74.21.651.81.30.80.400.280.050除Ag，Ge外，其他均是常見合金化元素Zn、Mg 、Cu 、Li（正開發(fā)）、 Si （鑄鋁） ，有時(shí)也包括Mn ， 可作主加元素，起固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化作用；作為起彌散強(qiáng)化作用的強(qiáng)化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、（Al3Li）、Al2CuLi等 Zr、V、 Cr、Ti

6、、 B、 Be，有時(shí)也包括Mn ，溶解度小，隨溫度變化大，可作輔加元素，起細(xì)晶、補(bǔ)充強(qiáng)化、提高再結(jié)晶溫度（以Mn最明顯）、提高耐熱性、產(chǎn)生組織強(qiáng)硬化效應(yīng)、改善抗蝕性（Be影響表面）等作用；微量地加Ag、加Sc、加RE等是目前鋁合金微合金化的研究方向；Fe 、 Si通常在鋁合金中為雜質(zhì)，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Si(IM) 中例外。 (相對而言的概念、不應(yīng)有時(shí)，有了且有害，即為雜質(zhì)) 科技發(fā)展打破這個(gè)合金設(shè)計(jì)的框架，Rapid solidification，Mechanical alloying 等，出現(xiàn)了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Ce、Al-Cr-Zr

7、-Mn、Al-Zr-V-Ti等合金。a、少量元素晶界偏聚有利于普遍脫溶；b、MnAl6雖在晶界析出，但它的電極電位與基體相近。（3）鋁及鋁合金分類）鋁及鋁合金分類鋁鋁及及鋁鋁合合金金純純 鋁鋁鋁合金鋁合金高純鋁（Al 99.93%）工業(yè)純鋁（Al 98.8%）硬 鋁 Al-Cu-(Mg)系鍛 鋁 Al-Mg-Si-(Cu)系, Al-Cu-Mg-Fe-Ni系超硬鋁 Al-Zn-Mg-(Cu)系A(chǔ)l-Si系防銹鋁 Al-Mn系, Al-Mg系變形鋁及鋁合金鑄造鋁合金Al-Zn系A(chǔ)l-Mg系A(chǔ)l-Cu系熱處理不可強(qiáng)化鋁合金熱處理可強(qiáng)化鋁合金1.3 鋁及鋁合金簡介鋁及鋁合金簡介（一）純鋁（一）純鋁n

8、純鋁具有密度小、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、加工工藝好、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度低，故，它多用于電線電纜以及強(qiáng)度要求不高的用具或器皿。（工業(yè)純的、高純的亦用于科研配置合金）n純鋁中的主要雜質(zhì)為Fe、Si（Fe+SiSi ） 、Al8Fe2Si（網(wǎng)狀） 、Al9Fe2Si2（脆、針狀，F(xiàn)eSi） 、Al13Fe4 （針狀）、Si（塊狀） ，導(dǎo)致鋁的強(qiáng)度提高，塑性、導(dǎo)電性、耐蝕性下降；鑄造性能下降，有裂紋傾向(防止：Fe+SiSi，包晶多有利于形核； Fe+Si0.6%時(shí)，F(xiàn)e99.00%1 x x. xA l- C u2 x x. xA l- S i, with Cu and/or Mg3 x x. xA l-

9、 S i4 x x. xA l- Mg5 x x. xA l- Z n7 x x. xA l- Sn8 x x. x狀態(tài)符號狀態(tài)符號（3）中國鋁及鋁合金牌號與狀態(tài)符號（新）中國鋁及鋁合金牌號與狀態(tài)符號（新）接受美國的牌號與狀態(tài)符號表征，吸收國家原有牌號，有自己特色。XXXX主加元素?cái)?shù)字美國A原有合金B(yǎng)、C、D改進(jìn)型LF21(AA3004, 3A21)LF6(AA5083, 5A06)LY11(AA2017, 2A11) LY12(AA2024, 2A12) LD30(AA6061, 6A30) LD31(AA6063, 6A31)LD7(AA2618, 2A07)LC9(AA7075, 7A0

10、4)（1）IM Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金系高強(qiáng)高韌鋁合金盡管有各種新型材料不斷出現(xiàn)，但是從性能穩(wěn)定性和成本兩方面考慮，高性能鋁合金，尤其是高強(qiáng)鋁合金，仍是航空、航天、軍工領(lǐng)域的主體結(jié)構(gòu)材料之一。n隨著現(xiàn)代科技高速發(fā)展，世界各國對研制開發(fā)高強(qiáng)鋁合金給予了極大的重視，其中最具代表性的是美國和俄羅斯。自美國開發(fā)7075（1943年）和俄羅斯研制B95（1944年）以來，高強(qiáng)鋁合金經(jīng)歷了60年的長足發(fā)展，開發(fā)了30多個(gè)高強(qiáng)（或超高強(qiáng)）鋁合金牌號。高強(qiáng)鋁合金合金設(shè)計(jì)沿著高合金化、低Fe、Si雜質(zhì)含量方向發(fā)展，熱處理狀態(tài)沿著T6T73T76T74T77方向發(fā)展，合金性能上沿著高強(qiáng)度、低韌性高

11、強(qiáng)度、高韌性高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕方向發(fā)展。附附1.6 Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金系高強(qiáng)高韌鋁合金n具體表現(xiàn)為如下幾個(gè)新發(fā)展趨勢：（1）提高合金純度，凈化熔體，控制有害雜質(zhì)（Fe0.1%,Si0.05%,氧化夾雜68m,氫含量0.001 ml/g），以提高合金韌性和耐蝕性。美國在7075基礎(chǔ)上開發(fā)了7475(Fe0.12%,Si0.1%)和7055(Fe0.15%,Si0.1%)合金。（2）調(diào)整合金成分(Zn/Mg比)，添加微量元素，進(jìn)一步提高強(qiáng)度，改善綜合性能。美國研制了7055（Al-7.68.5%Zn-1.82.3%Mg-2.02.6%Cu-0.050.25%Zr）、7093

12、（Al-8.39.7%Zn-2.03.0%Mg-1.11.9%Cu-0.080.2%Zr-0.040.14%Ni）,俄羅斯研制了B 96-3、B 96-1（Al-8.09.0%Zn-2.03.0%Mg-2.02.6%Cu-0.10.16%Zr）。（3）熱處理新工藝研究。形成了ITMT、FTMT、FSTMT、RRA、T77等新熱處理工藝制度，可控制組織演變，以達(dá)到晶界沉淀相、無析出帶和基體沉淀相的最佳配合，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性和高抗應(yīng)力腐蝕性能的統(tǒng)一。（4）研究強(qiáng)韌化、抗應(yīng)力腐蝕和抗疲勞機(jī)理。n以美國、日本、英國、德國等為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用快速凝固-粉末冶金工藝開發(fā)超高強(qiáng)鋁合金，具有代表性的有

13、1980年注冊的7090 合金（Al8 Zn2.5Mg1.5Cu1.5Co）和7091合金（Al6.5Zn2.5Mg1.5Cu0.4Co），1990年注冊的7093（Al-9.0Zn-2.5Mg -1.5Cu- 0.15%Zr -0.1Ni）。與熔鑄工藝生產(chǎn)的7系鋁合金相比，快速凝固超高強(qiáng)鋁合金高合金化程度高，抗拉強(qiáng)度可超過700MPa，有的可以超過800MPa。然而，材料塑性、韌性較差，而且采用快速凝固-粉末冶金工藝制備大規(guī)格材料較為困難，成本太高。n噴射沉積是快速凝固技術(shù)的一個(gè)分支，1968年由英國Swansea大學(xué)A.R.E.Singer教授提出的，隨后形成了包括Osprey、控制噴射沉

14、積(CSD)、液體動(dòng)態(tài)壓實(shí)(LDC)、噴射共沉積等新工藝，并很快應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鋼鐵、高溫合金等生產(chǎn)。 n噴射沉積集快速凝固、半固態(tài)加工和近終成形加工于一體，是介于粉末冶金和鑄錠冶金之間的新型材料制備技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）溶質(zhì)亞穩(wěn)擴(kuò)展；（2）成分均勻，偏析??；（3）晶粒、初生相細(xì)小、均勻；（4）致密度高; （5）在惰性氣氛一步成型，氧含量低，污染小。 （2 ）RS/SD Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金系高強(qiáng)高韌鋁合金n與鑄錠冶金相比，噴射沉積為超高強(qiáng)鋁合金的成分設(shè)計(jì)提供了更大的“空間”，可以進(jìn)一步提高Zn含量，而與粉末冶金工藝相比，噴射沉積工藝簡化，生產(chǎn)周期短

15、，可以直接制備大規(guī)格錠坯，而且氧化夾雜少，通過凈化熔體可達(dá)到“純凈化”。它所帶來了的諸如高鋅、均質(zhì)、細(xì)晶、“純凈”等一系列優(yōu)點(diǎn)都將有利于提高超高強(qiáng)鋁合金的模量、強(qiáng)度和韌性。 n通過合適的合金化、成分設(shè)計(jì)，采用噴射沉積工藝制備的超高強(qiáng)鋁合金是可以實(shí)現(xiàn)模量、強(qiáng)度、韌性同步提高的。n以歐美為代表的發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)90年代中期就已成功地開發(fā)出了屈服強(qiáng)度高于700MPa、抗拉強(qiáng)度高于800MPa而彈性模量可達(dá)74GPa的超高強(qiáng)鋁合金擠壓材，并將應(yīng)用到了飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等的一些要求高強(qiáng)輕質(zhì)的零部件上。瑞士鋁業(yè)公司、法國彼施涅公司應(yīng)用噴射成形工藝成功地研制了新型高強(qiáng)高韌耐疲勞的Al-11.3Zn-2.4Mg

16、-1.1Cu-0. 1Zr鋁合金，可以用以制造航空航天器、汽車等的某些零部件。n在國內(nèi)，高性能鋁合金的研究開發(fā)得到了相關(guān)管理部門、大學(xué)和科研院(所)的關(guān)注，并在凈化除雜、成分設(shè)計(jì)、新制備、加工及熱處理工藝的應(yīng)用等方面取得了長足的發(fā)展，也已開發(fā)多種性能優(yōu)異的新型超高強(qiáng)鋁合金。 表 1 幾 個(gè) 超 高 強(qiáng) 鋁 合 金 的 名 義 成 分 及 典 型 性 能 （ 熔 鑄 法 ） 密 度 力 學(xué) 性 能 2.0 b E K1C 合 金 名 義 成 分 g/cm3 MPa MPa % GPa MPam 7075-T651 505 570 11 24.0(LT) 7075-T74 Al-5.6Zn-2.5

17、Mg-1.6Cu-0.23Cr 2.80 434 503 9 70 33.0(LT) 7475-T651 462 524 6 33.0(LT) 7475-T7351 Al-5.7Zn-2.3Mg-1.5Cu-0.22Cr 2.80 393 496 10 70 42.0(LT) 7050-T7651 565 606 12 7150-T7751 599 606 11 29.7(LT) 7150-T76511 634 675 12 29.7(LT) 7150-T77511 Al-6.2Zn-2.3Mg-2.3Cu-0.12Zr 2.82 634 648 12 71 29.7(LT) 7 70 05

18、55 5- -T T7 77 75 51 1 6 62 20 0 6 64 48 8 1 10 0 2 28 8. .6 6( (L LT T) ) 7 70 05 55 5- -T T7 77 75 51 11 1 A Al l- -8 8. .0 0Z Zn n- -2 2. .1 1M Mg g- -3 3. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .8 85 5 6 64 41 1 6 66 62 2 1 10 0 7 72 2 3 33 3. .0 0( (L LT T) ) 7 7A A5 55 5- -T T6 6 A Al l- -8 8. .

19、0 0Z Zn n- -2 2. .1 1M Mg g- -3 3. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .8 85 5 6 68 81 1 7 70 05 5 1 13 3 7 72 2 2 29 9. .0 0( (L LT T) ) 7 7A A6 60 0- -T T6 6 A Al l- -8 8. .8 8Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .6 6C Cu u- -0 0. .0 05 5T TI I 2 2. .8 82 2 6 68 89 9 7 71 15 5 1 10 0 7 72 2 2 27 7. .0

20、 0( (L LT T) ) 7 7x xx xx x( (C C9 91 12 2) ) A Al l- -8 8. .7 7Z Zn n- -2 2. .6 6M Mg g- -2 2. .5 5C Cu u 2 2. .8 82 2 6 67 79 9 7 70 06 6 1 12 2 7 71 1 9 95 5- -T T1 1 A Al l- -5 5. .8 8Z Zn n- -2 2. .3 3M Mg g- -1 1. .7 7C Cu u- -0 0. .1 17 7C Cr r 2 2. .8 81 1 4 42 21 1 4 47 70 0 7 7 7 70 0 4 43

21、 3. .5 5( (L LT T) ) 9 96 6 - -T T1 1 A Al l- -8 8. .5 5Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .3 3C Cu u- -0 0. .1 15 5Z Zr r 2 2. .9 90 0 6 62 20 0 6 65 50 0 7 7 7 72 2 3 33 3. .0 0( (L LT T) ) 9 96 6 - -1 1- -T T2 2 A Al l- -8 8. .5 5Z Zn n- -2 2. .7 7M Mg g- -2 2. .3 3C Cu u- -0 0. .1 13 3Z Zr r 2 2. .

22、8 89 9 6 64 40 0 6 67 70 0 8 8 7 72 2 5 57 7 （3 ）IM、RS、SD Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金的對比系高強(qiáng)高韌鋁合金的對比表 2 采 用噴射 沉積 （SD） 、 鑄造 （IM）和快 速凝 固/粉末 冶金 （RS/PM）工 藝的超高 強(qiáng)鋁合 金典型性 能的 比較 合 金 成型 工藝 加工 狀態(tài) 0.2 (MPa) b (MPa) (%) E (Gpa) K1C（MPam） 7075 IM+Extru T6 564 617 10 71.0 / 7075 SD+Extru T6 498 592 12 / / 7475* * SD+Extru

23、 T T7 7 562 619 13 / 50 B96 IM+Extru T6 623 651 7 72.0 / B B9 96 6 S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 15 5 7 76 67 7 1 10 0 7 74 4. .0 0 / / B B9 96 6 S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T7 7 7 71 12 2 7 75 54 4 8 8 7 74 4. .0 0 / / 7075-1.0Ni-0.8Zr IM+Extru T6 750 762 2 / / 7075-1.0Ni-0.8Zr RS/PM(Extru) T

24、6 675 724 9 / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -0 0. .8 8Z Zr r L LD DC C+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 17 7 7 75 51 1 7 7 / / / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -0 0. .8 8Z Zr r S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 71 11 1 8 81 17 7 9 9 / / / / 7 70 07 75 5- -1 1. .0 0N Ni i- -1 1. .0 0Z Zr r S SD D+ +E Ex xt tr ru u T T6 6 7 73 36 6 8 80