第八章+有色金屬及其合金-鋁合金

第八章

有色金屬及合金鋼鐵通常稱為黑色金屬材料，除鋼鐵以外的金屬及合金稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。概述1.定義:除黑色金屬(鋼、鐵)以外的所有金屬。2.性能特點:具有獨特的物理、化學(xué)性能。3.分類重金屬(密度＞3.5);Cu、Ni等。輕金屬(密度＜3.5);Al、Mg等。貴重金屬;Au、Ag、Pt等。稀有金屬;W、Ti、Ra、Nb等。半金屬;Si、Te、B等。第一節(jié)鋁及鋁合金化學(xué)趣史門捷列夫19世紀(jì)初，法國皇帝拿破侖三世為顯示自己的富有和尊貴,命令官員給自己打造了一頂鋁皇冠.在國宴上，只有他使用一套鋁制餐具。而他為客人提供的是金制的餐具。

1857年，英國皇家學(xué)會為了表彰門捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)，不惜重金制作了一只鋁杯，贈送給門捷列夫。拿破侖三世鋁的發(fā)展歷史至今不到200年，而具有工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模僅僅是20世紀(jì)初才開始的。鋁的存在是英國戴維于1807年用電化學(xué)方法分離明礬石時發(fā)現(xiàn)的，然而他當(dāng)時無法從這種化合物中分離出所要尋找的金屬。1809年他在電弧爐中煉出一種鋁鐵合金。在此后的70多年中，他和他的學(xué)生法拉第以及丹麥、德國、法國和美國的眾多科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究試驗工作。硫酸鹽礦物，我們熟悉的明礬就是由它制取的?；瘜W(xué)成分為KAl3(SO4)2(OH)6，K2O11.4%，Al2O337.0%，SO238.6%，H2O13.0%，1825年丹麥電化學(xué)家奧斯忒第一次在試驗室用電化學(xué)法分離金屬鋁獲得成功。1854年法國的S.C.Deville將同樣的原理用于分解鋁和鈉的二氯化物，在巴黎附近建立了一座用鈉置換氯化鋁生產(chǎn)鋁的小鋁廠，并于1855年在法國巴黎博覽會上第一次展出了鋁棒，引起了人們的極大關(guān)注，被稱為“從黏土中提煉出的銀子”，價格十分昂貴，只限于制作專用奢侈品，如當(dāng)時的拿破侖三世曾用鋁制成胸鎧和頭盔，并為他兒子做了一只撥浪鼓。生活中的鋁2023/1/16AnmingLi,DeptofMSE,hpu10鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑溶解鋁土礦NaOH溶液過濾殘渣二氧化碳酸化過濾濾液灼燒H2O電解鋁2NaOH+Al2O3==2NaAlO2+H2ONaAlO2+CO2+2H2O==Al(OH)3↓+NaHCO3Al(OH)3==Al2O3+2H2O△2Al2O3(熔融)==4Al+3O2↑電解1.

2NaOH+Al2O3==2NaAlO2+H2O2.NaAlO2+CO2+2H2O==Al(OH)3↓+NaHCO33.Al(OH)3==Al2O3+2H2O△4.2Al2O3(熔融)==4Al+3O2↑電解一、純鋁1、鋁的性質(zhì)1)具有銀白色光澤，密度較??；物理性質(zhì)用途4)有良好的延展性.3)熱的良導(dǎo)體；2)導(dǎo)電性好，僅次于銀、銅；飛機(jī)、門窗電纜鋁鍋鋁箔包裝鋁的化學(xué)性質(zhì)鋁的原子結(jié)構(gòu)

8+1323鋁容易失去最外層3個電子，成為帶3個單位正電荷的鋁離子。因此鋁的還原性很強(qiáng)。（1）跟非金屬反應(yīng)跟氧氣反應(yīng)在空氣中,生成致密而堅固的氧化鋁薄膜在純氧中加熱或在空氣里高溫下能與氧氣激烈反應(yīng),發(fā)生燃燒4Al＋3O2==2Al2O3

抗腐蝕性強(qiáng)鋁與健康

鋁不是人體必須的元素長期鋁攝入量過多會影響孩子骨骼的生長，智力上也會受到一定的影響。此外，過量攝入鋁元素還會對人體產(chǎn)生以下危害：導(dǎo)致老年性癡呆;可能引起骨質(zhì)疏松，容易發(fā)生骨折;使機(jī)體免疫功能下降;導(dǎo)致非缺鐵性貧血癥。低濃度的鋁也可產(chǎn)生蓄積，對神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼、肝、腎、心和免疫系統(tǒng)等都會造成不同程度的損害。

鋁的攝入渠道2.鋁制餐具不宜用來蒸煮或長時間存放具有酸性、堿性或咸的食物。正確使用鋁制用品：1.不宜用于盛放酸、堿溶液；3.也不能用具有強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性的洗滌劑洗滌鋁制品。2.純鋁的分類及應(yīng)用

1、高純鋁

2、工業(yè)高純鋁

3、工業(yè)純鋁第一節(jié)鋁及鋁合金

1.高純鋁（99.93%~99.99%）

L01，L02，L03，L04（編號越大，純度越高）主要用于科學(xué)研究及制作電容器2.工業(yè)高純鋁（98.85~99.9%）L0、L00用于制作鋁箔、包鋁及冶煉鋁合金的原料3.工業(yè)純鋁配制鋁基合金。2023/1/1620

二.鋁合金的強(qiáng)化：

固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化（時效強(qiáng)化）過剩相強(qiáng)化、細(xì)化組織強(qiáng)化1、固溶強(qiáng)化：原因：晶格畸變程度低。因此，鋁的強(qiáng)化不能單純依靠合金元素的固溶強(qiáng)化作用。固溶強(qiáng)化，提高其強(qiáng)度；固溶強(qiáng)化效果不高；2023/1/1621（2）時效強(qiáng)化：

又稱沉淀強(qiáng)化。鋁合金經(jīng)固溶處理（也稱淬火）后在室溫或較高的環(huán)境溫度下，隨著停留時間的延長其強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。固溶處理過飽和固溶體強(qiáng)、硬度提高時效過飽和固溶體分解強(qiáng)、硬度大幅提高（3）過剩相強(qiáng)化

如果鋁中加入合金元素的數(shù)量超過了極限溶解度，則在固溶處理加熱時，就有一部分不能溶入固溶體的第二相出現(xiàn)，稱為過剩相。在鋁合金中，這些過剩相通常是硬而脆的金屬間化合物。它們在合金中阻礙位錯運動，使合金強(qiáng)化，這稱為過剩相強(qiáng)在生產(chǎn)中常常采用這種方式來強(qiáng)化鑄造鋁合金和耐熱鋁合金過剩相數(shù)量越多，分布越彌散，則強(qiáng)化效果越大。但過剩相太多，則會使強(qiáng)度和塑性都降低。

（4）細(xì)化組織強(qiáng)化

許多鋁合金組織都是由α固溶體和過剩相組成的。若能細(xì)化鋁合金的組織，包括細(xì)化α固溶體或細(xì)化過剩相，就可使合金得到強(qiáng)化。

由于鑄造鋁合金組織比較粗大，所以實際生產(chǎn)中常常利用變質(zhì)處理的方法來細(xì)化合金組織。變質(zhì)處理是在澆注前在熔融的鋁合金中加入占合金重量2-3%的變質(zhì)劑（常用鈉鹽混合物：2/3NaF+1/3NaCl），以增加結(jié)晶核心，使組織細(xì)化。經(jīng)過變質(zhì)處理的鋁合金可得到細(xì)小均勻的共晶體加初生α固溶體組織，從而顯著地提高鋁合金的強(qiáng)度及塑性。

對于可沉淀強(qiáng)化的一些鋁合金，加入微量Ti、Zr、Be或稀土等合金元素后，可形成難熔化合物，在合金結(jié)晶時作為非自發(fā)晶核，細(xì)化基體晶粒，從而提高合金的強(qiáng)度和塑性。同時這些微量元素在合金沉淀強(qiáng)化處理過程中，還能溶入基體強(qiáng)烈提高鋁合金的再結(jié)晶溫度，并可呈彌散第二相析出，有效阻止再結(jié)晶過程及晶粒的長大?？刹捎每焖倮鋮s的方法，增加合金的過冷度，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的除加入合金元素使鋁產(chǎn)生的強(qiáng)化作用外，鋁及鋁合金還可借助于在鋁基體中生成或加入入細(xì)小彌散強(qiáng)化質(zhì)點，及冷變形(或稱冷作硬化)的方法進(jìn)行強(qiáng)化；也可將變形強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化方法相結(jié)合，進(jìn)行所謂的形變熱處理。這種方法能提高強(qiáng)度，又可增加塑性和韌性，非常適合于沉淀強(qiáng)化相的析出強(qiáng)烈依賴于位錯等晶體缺陷的鋁合金。

銅：銅在鋁中不僅可通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化強(qiáng)烈提高合金的室溫強(qiáng)度，而且可增強(qiáng)鋁銅合金的耐熱性，因此銅是高強(qiáng)鋁合金及耐熱鋁合金的主要合金元素。銅在鋁銅合金中形成的亞穩(wěn)平衡θ″和θ′

，及平衡相θ(CuAl2)是鋁合金中重要的沉淀強(qiáng)化相。合金元素的作用

鎂：鎂在鋁中的固溶強(qiáng)化效果較好，可提高鋁的強(qiáng)度，同時還可降低鋁的密度。低鎂鋁合金在加工和熱處理后易保持單相固溶體組織，故沉淀強(qiáng)化效果不大，但韌性和疲勞強(qiáng)度較高，且具有良好的抗蝕性，可作為抗腐蝕合金使用。當(dāng)鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過8％時，鋁鎂合金才呈現(xiàn)沉淀強(qiáng)化的效果，但合金的塑性很低。因此，鎂不能單獨作為高強(qiáng)鋁合金的主要添加元素，必須與其他元素配合加入。與固溶體平衡的相為A18Mn5，其熱處理強(qiáng)化作用不明顯，故二元Al-Mg合金為熱處理不強(qiáng)化的合金。而A18Mg5相的形態(tài)和分布對合金抗蝕性能有明顯的影響，如果沿晶界呈鏈狀分布，將造成晶問腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂；如果呈彌散狀態(tài)分布于晶內(nèi)和晶界，則合金的抗蝕性能明顯提高。

錳：錳在鋁中的固溶度較低，固溶強(qiáng)化效果有限。錳在鋁中雖有溶解度的變化，但因雜質(zhì)鐵的存在，形成不溶于鋁的(Mn、Fe)Al6化合物，故不能沉淀強(qiáng)化。Al-Mn系中的第二相MnAl6與鋁的電化學(xué)性質(zhì)相近，具有良好的抗蝕性，因而在防銹鋁合金中常加入錳，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不大于2％

鎂和錳以鎂為主要合金化元素的Al-Mg合金中通常還加入1％以下的錳。錳可以起補(bǔ)充強(qiáng)化作用，比等量的鎂效果更好，因此加錳后可降低鎂含量。同時可以降低熱裂傾向，尤其是有鈉存在時更為明顯。另外錳還可以使A18Mn5均勻沉淀，改善合金的抗蝕性能和焊接性能。

鎂和硅鎂和硅同時加入鋁中，形成Al-Mg-Si系合金，這是一類重要的可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。強(qiáng)化相為Mg2Si。其鎂與硅的質(zhì)量比為1.73:1。Al-Mg-Si系合金基本上按這一比例設(shè)計鎂、硅含量。Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85％，且隨溫度的降低溶解度減小，時效時形成GP區(qū)和細(xì)小沉淀相對合金起強(qiáng)化作用。

銅和鎂以銅和鎂為主要合金元素，形成Al-Cu-Mg合金系列，即硬鋁系列，這是變形鋁合金中十分重要的一類合金。該系列的合金有兩個主要強(qiáng)化相，即θ(CuAl2)和S(A12CuMg)。硬鋁中以S相的過渡相強(qiáng)化效果最好，θ相的過渡相強(qiáng)化效果稍次，合金中同時存在S和θ的過渡相時，強(qiáng)化效果最大。S相的過渡相還有一定的耐熱性。一般說來，若按質(zhì)量計算，Cu:Mg≤2.6時，形成S相；Cu:Mg>2.6時，形成S+θ相或θ相。Al-Cu-Mg系合金，常需加入其他元素，如錳等，以改善合金的性能。但錳含量不能太高(＜1％)，否則形成粗大的Al6Mn化合物，降低合金的塑性。

硅：硅同錳一樣在鋁中的固溶度較低，固溶強(qiáng)化能力有限，且沉淀強(qiáng)化效果不大，所以主要借助于過剩相強(qiáng)化。二元Al-Si系合金共晶點較低，易于鑄造，是鑄造用鋁合金的基礎(chǔ)合金系列，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般選擇10％-13％。硅與鎂在鋁中可形成Mn2Si沉淀相，具有很好的強(qiáng)化效果，因此硅也可作為沉淀強(qiáng)化元素加入到含鎂鋁合金中，其Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常不超過1.0％-1.2％。鋅：鋅在鋁中的溶解度很大，具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化能力，少量鋅(w(Zn)=0.4％-0.8％)即能提高鋁合金的強(qiáng)度及抗蝕性。在多元鋁合金中鋅是形成沉淀強(qiáng)化相的元素，可顯著提高合金的沉淀強(qiáng)化效果。

鋅和鎂在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強(qiáng)化相MgZn2，對合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。MgZn2含量從0.5％提高到12％時，可不斷地增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且鎂的含量超過形成MgZn2相所需要的量時，還會產(chǎn)生補(bǔ)充強(qiáng)化作用。

MgZn2含量增加，在強(qiáng)化合金的同時卻大大降低了應(yīng)力腐蝕抗力?？赏ㄟ^對成分和熱處理過程兩者的控制而得到改善。在成分方面，由于抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕開裂敏感性都隨鋅、鎂含量增加而增加，為使合金具有令人滿意的應(yīng)力腐蝕開裂抗力和足夠的強(qiáng)度，對鋅、鎂總量應(yīng)尋求折衷方案，同時應(yīng)注意鋅、鎂比例。有資料指出：Zn:Mg=2.7～2.9時應(yīng)力腐蝕開裂抗力最大。而現(xiàn)有的工業(yè)合金很少符合這個比例，應(yīng)加以重視。少量的銅，特別是銀，可提高應(yīng)力腐蝕抗力，但銀昂貴，工業(yè)合金很少采用。鋅、鎂和銅在Al-Zn-Mg的基礎(chǔ)上加入銅，形成了Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁，其強(qiáng)化效果在所有鋁合金中最大的，是重要的航空航天鋁合金。合金中的銅大部分溶入η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3）相中，少量溶入α（Al）中。

按鋅、鎂之比將此系合金分為四類：Zn:Mg≤1:6者，主要沉淀相為A18Mg5；Zn:Mg=1:6～7:3者，主要沉淀相為T(A12Mg3Zn3)相；Zn:Mg=5:2～7:1者，主要沉淀相為η(MgZn2)相；Zn:Mg>10:1者，沉淀相為Al11Mg2。第一類實際上是A1-Mg系合金，第二、三類為工業(yè)上常用的Al—Zn—Mg—Cu系合金范圍。一般來說，鋅、鎂、銅總含量在9％以上時，強(qiáng)度高，但合金的抗蝕性、成形性、可焊性、缺口敏感性、抗疲勞性能等均會降低；總含量在6％～8％范圍內(nèi)，合金能保持高的強(qiáng)度，而且其他性能變好；總含量在5％～6％以下，合金成形性能優(yōu)良，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性基本消失。鋰：鋰是最輕的金屬元素，可大幅度降低鋁合金的密度，顯著提高合金的彈性模量。鋰在鋁中的固溶強(qiáng)化能力有限，但在時效甚至淬火過程中迅速形成的A13Li有序沉淀相，卻對鋁合金具有很高的強(qiáng)化能力，因此鋰是近年來引起人們普遍關(guān)注的一種重要鋁合金添加元素。在二元Al-Li合金系中，Li的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過3.0％。在鋁合金中常加入Ti、壓、Cr、V等微量合金元素以改善鋁合金的綜合性能。目前稀土在鋁合金中的應(yīng)用正逐漸擴(kuò)大，其作用表現(xiàn)為增加熔煉時合金的成分過冷度，細(xì)化晶粒，球化雜質(zhì)相，降低熔體表面張力，增強(qiáng)流動性，改善工藝性能。工業(yè)用鋁合金的基本體系三、鋁合金的分類根據(jù)鋁合金的成分、組織和工藝特點，可以將其分為鑄造鋁合金與變形鋁合金兩大類。變形鋁合金是將鋁合金鑄錠通過壓力加工（軋制、擠壓、模鍛等）制成半成品或模鍛件，所以要求有良好的塑性變形能力。鑄造鋁合金則是將熔融的合金直接澆鑄成形狀復(fù)雜的甚至是薄壁的成型件，所以要求合金具有良好的鑄造流動性。變形鋁合金鋁錠、鋁棒、鋁板、鋁材經(jīng)過壓力加工成型材，比強(qiáng)度高，應(yīng)用于航空工業(yè)。分為兩大類：非熱處理強(qiáng)化：防銹鋁合金，LF。有兩種：Al-Mn系，Al-Mg系。可熱處理強(qiáng)化：有三種。變形鋁合金可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金：硬鋁(Al-Cu-Mg)，LY。鍛鋁(Al-Mg-Si)，LD。超硬鋁(Al-Zn-Mg-Cu)，LC。

1．形變鋁合金

LF——防銹鋁，LY——硬鋁；

LC——超硬鋁；LD——鍛鋁；

LT——特殊鋁；LB——包覆鋁。

LQ——釬焊鋁；

例如：LF5表示5號防銹鋁合金。第一節(jié)鋁及鋁合金(1)防銹鋁合金

這類合金主要合金元素是Mn和Mg。

Mn的主要作用是提高鋁合金的抗蝕能力，并起到固溶強(qiáng)化作用。Mg也可起到強(qiáng)化作用，并使合金的比重降低。鍛造退火后是單相固溶體，抗腐蝕性能好，塑性好，但不能通過熱處理來強(qiáng)化，主要用于載荷不大的壓延、焊接，或耐蝕結(jié)構(gòu)件，如油箱、導(dǎo)管、線材、輕載荷骨架以及各種生活器具等。防銹鋁牌號用“鋁防”漢語拼音字首“LF”加順序號表示。防銹鋁合金Al-Mn系LF21：1.0～1.6%Mn。Mn溶于α固溶體，可提高其再結(jié)晶溫度。彌散分布的MnAl6質(zhì)點可細(xì)化晶粒。MnAl6相與基體的電極電位相近Al-Mg系固溶強(qiáng)化效果顯著，Al-Mg系合金的強(qiáng)度高于Al-Mn系合金。LF2：Al-2.5MgLF3：Al-3.5Mg應(yīng)用于航空工業(yè)、建筑工業(yè)、食品工業(yè)。2、可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金熱處理：固溶處理+時效處理（1）硬鋁Al-Cu-Mg系。沉淀強(qiáng)化相：θ-CuAl2相S-CuMgAl2相Cu/Mg比不同時的強(qiáng)化相：銅高鎂低→銅低鎂高

θ相→

S相合金LY10LY11LY12LY2Cu/Mg18.37.22.861.22強(qiáng)化相θθ(S)S(θ)S低強(qiáng)度硬鋁：主要強(qiáng)化相是θ相

中等強(qiáng)度硬鋁：主要強(qiáng)化相是θ相，S相為輔。高強(qiáng)度硬鋁：主要強(qiáng)化相是S相，θ相為輔。

第一節(jié)鋁及鋁合金

LY12(2024)硬鋁合金：Al-4.5Cu-1.5Mg，Cu/Mg=2.86。主要強(qiáng)化相是S相，θ相為輔。在硬鋁中強(qiáng)度最高。由于S’相穩(wěn)定性好，所以LY12的耐熱性較好。Al-Cu-Mn系：耐熱硬鋁合金。沉淀強(qiáng)化相：T-CuMnAl2相塑性和工藝性能好，耐熱。（2）超硬鋁Al-Zn-Mg-Cu系。強(qiáng)化相：η-MgZn2。在鋁合金中強(qiáng)度最高，應(yīng)用于飛機(jī)制造工業(yè)。4.鍛鋁（1）Al-Mg-Si-Cu系強(qiáng)化相β-Mg2Si。Mg/Si=1.73。鍛鋁有良好的熱塑性，可鍛制形狀復(fù)雜的零件。4.鍛鋁（2）Al-Cu-Mg-Fe-Ni系：耐熱鍛鋁強(qiáng)化相Al2CuMg和Fe-NiAl9。制造在高溫下工作的形狀復(fù)雜的鍛件。5.Al-Li合金沉淀強(qiáng)化相：亞穩(wěn)相δ’-Al3Li，與基體保持完全共格，具有強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果。Al-Li合金是一種既輕而強(qiáng)度又高的合金。同時彈性模量也得到提高。但是，Al-Li合金具有低的塑性和韌性。五、鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能抗腐蝕性能切削加工性能2．鑄造鋁合金

鋁硅系合金、鋁銅系合金、鋁鎂系合金和鋁鋅系合金。

牌號：用“鑄鋁”兩字漢語拼音的字頭“ZL”加三位數(shù)字表示，第一位表示鋁合金的類別代號(1一鋁硅系、2一鋁銅系、3一鋁鎂系、4一鋁鋅系列)，第二、三位表示合金的順序號。如ZLl08為8號鋁硅鑄造合金。第一節(jié)鋁及鋁合金

鑄造鋁合金鋁鋅系合金鋁鎂系合金鋁銅系合金鋁硅系合金鑄造、機(jī)械性能良好高溫強(qiáng)度高（耐熱），易腐蝕強(qiáng)度、塑性高，耐腐蝕，鑄造時易氧化強(qiáng)度高，易腐蝕，價格低

鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號1、Al-Si系鑄造鋁合金

又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明.ZL102合金：含11.0～13.0%Si，共晶合金，流動性好。共晶組織中硅晶體呈粗針狀或片狀，塑性較低。在普通鑄造條件下，ZL102組織幾乎全部為共