金屬材料學：第8章 鋁合金

第8章鋁合金

鋁具有一系列比其他有色金屬、鋼鐵和塑料等更優(yōu)良的特性:

密度小，僅為2.7g/cm3，約為鋼的1/3；優(yōu)良的導電性、導熱性；良好的耐蝕性；優(yōu)良的塑性和加工性能等。8.1

鋁合金的熱處理及時效強化1、鋁合金的分類

變形鋁合金-1鑄造鋁合金-2防銹鋁-3

——不能HT強化

硬鋁/超硬鋁/鍛鋁-4

——能HT強化2、鋁合金熱處理強化特點

特點：淬火加熱時不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熱處理強化包括固溶處理與時效處理。固溶處理α+β→α′固溶度↑強度/硬度變化小塑性明顯↑時效處理第二相從固溶體中析出力學性能等發(fā)生顯著變化

時效形式：人工時效，自然時效一般“回火”用于晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金，

“時效”用于非晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金以Al-Cu二元合金為例討論鋁合金的時效過程：

(1)形成銅原子富集區(qū)銅富集區(qū)稱G.P.區(qū)

晶體結(jié)構(gòu)與基體α同，但產(chǎn)生了共格應變區(qū)

強度、硬度↑。G.P.呈盤狀，僅幾個原子層厚，室溫下直徑約5nm，超過200℃就不再出現(xiàn)G.P.區(qū)。(2)銅原子富集區(qū)有序化G.P.區(qū)急劇長大，G.P.區(qū)銅原子有序化，形成θ”相θ”相與基體仍然保持完全共格，具有正方點陣

點陣常數(shù)a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.區(qū)周圍的畸變更大，因此時效強化作用更大

(3)形成過渡相θ＇θ”相轉(zhuǎn)變成過渡相θ＇θ＇是正方點陣，成分接近CuAl2

完全共格→局部共格強度、硬度開始降低，合金此時處于過時效階段。(4)形成穩(wěn)定的θ過渡相θ＇完全脫溶形成穩(wěn)定相CuAl2，(θ)與基體非共格合金的強度、硬度進一步下降

合金的種類不同，形成的G.P.區(qū)、過渡相以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時效強化效果也不一樣合金系時效過程的過渡階段析出穩(wěn)定相Al-Cu①形成銅富集區(qū)—G.P.區(qū)②G.P.區(qū)有序化—θ"相③形成過渡相θ＇θ（CuAl2）Al-Mg-Si①形成銅、硅富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成有序的β＇相Β（Mg2Si）Al-Cu-Mg①形成銅、鎂富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成過渡相S＇SAl2CuMgAl-Mg-Zn①形成銅、鋅富集區(qū)—G.P.區(qū)②形成過渡相M＇M（MgZn2）表常用鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相3、影響時效強化的主要因素固溶處理

規(guī)律：淬火T越高，淬火冷卻V越快，轉(zhuǎn)移t越短，過飽和程度越高，時效強化效果也越大

要點：在不過熱過燒條件下，T淬高些，保溫t長些。淬火冷卻要保證不析出第二相。為了防止淬火變形開裂，一般采用20～80℃水冷卻時效工藝溫度：對一定合金，有最佳時效溫度.時間：在一定時效溫度下，有最佳時效時間。方式：單級和多級時效。高強合金常用分級時效4、合金化條件合金元素能有限固溶；固溶度隨溫度降低而大為減小；析出相的強化作用大。時效溫度與硬度關(guān)系曲線

130℃時效時鋁銅合金的硬度與時間關(guān)系

思考題：直接析出穩(wěn)定相在熱力學上是有利的，但為什么不是直接析出穩(wěn)定相?8.2變形鋁合金

四位字符體系：牌號的第一位數(shù)字表示組別，2×××

～8×××表示。后兩位數(shù)字是區(qū)別同一組不同的鋁合金。第二位字母表示原始合金的改型情況，A表示原始合金；B～Y表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合金元素為銅的6號原始鋁合金。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強度3A21LF21Al-Mn190MPa5A02LF2Al-Mg230MPa5A06LF6Al-Mg320MPa1、防銹鋁合金

Al-Mn和Al-Mg兩個合金系。用“3A”或“5A”加一組順序號表示。具有優(yōu)良的抗蝕性、焊接性和塑性。不能進行熱處理強化。適合于制作焊接管道、容器、鉚釘、各種生活用具以及其它冷變形零件。2、硬鋁合金

成分Al-Cu-Mg系合金。2A+順序號表示分類①低強度硬鋁，如2A01、2A10等合金；②中強度硬鋁，如2A11等合金；③高強度硬鋁，如2A12等合金,2A12是使用最廣的高強度硬鋁合金分類

時效處理后具有高硬度、強度，優(yōu)良的加工性和耐熱性，但塑性、韌性低，耐蝕性差。含Cu、Mg低，強度較低而塑性高；反之，強度高而塑性低。強化相θ（CuAl2）、金屬間化合物S（CuMgAl2）是強化相，S相最高①要嚴格控制淬火溫度。如：牌號正常淬火溫度過燒溫度

2A02495~505510~5152A10510~5205402A12495~500507②轉(zhuǎn)移時間盡量短<30″，航空件<15″；③冷速要快，熱水淬；④常用自然時效。熱處理特性應用飛機大梁、空氣螺旋槳、鉚釘及蒙皮等圖鋁銅鎂三元合金垂直截面GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強度2A01LY1Al-Cu-Mg2A11LY11420MPa2A12LY12475MPa3、超硬鋁合金成分性能

Al-Zn-Cu-Mg系。7A+順序號表示室溫強度最高，500~700MPa，缺點是耐蝕性差，疲勞強度低，<120℃的溫度下使用。強化相:MgZn2\Al2Mg3Zn3特點應用T淬范圍較寬，一般為450~480℃，人工分級時效：先在120℃時效3小時，第二次在160℃時效3小時，形成G.P.區(qū)和少量的η′相，達到最大強化狀態(tài)。

應用：飛機工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強度7A04LC4Al-Cu-Mg-Zn600MPa7A09LC9660MPa4、鍛鋁合金成分性能

Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加順序號表示。常用的合金有6A02、2A14等具有優(yōu)良的鍛造性能，力學性能與硬鋁相近，但熱塑性及耐蝕性較高特點應用

主要強化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然時效傾向，淬火后應立即人工時效。主要用做航空儀表中形狀復雜、強度要求高的鍛件。

GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強度2A50LD5Al-Cu-Mg-Si420MPa2B50LD6340MPa2A14LD14480MPa8.3

鑄造鋁合金

鑄造鋁合金應具有高的流動性，較小的收縮性等良好的鑄造性。共晶合金應最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，實際使用的鑄造合金并非都是共晶合金。鑄造鋁合金的牌號用ZL+三位數(shù)字表示。第一位數(shù)字是合金系別：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、三位數(shù)字是合金的順序號。例如

ZL102表示2號Al-Si系鑄造合金。

1、鋁硅系鑄造合金特點

流動性最好，比重輕，鑄造收縮率小;焊接性、耐蝕性優(yōu)良,致密度較小。共晶組織中硅晶體呈粗針狀或片狀，有少量塊狀初生硅。常經(jīng)變質(zhì)處理.

塑性較低，需要細化組織。應用

常用合金：ZL102和ZL104等.

制造致密度要求不高、形狀復雜鑄件。如ZL105→工作在<250℃的耐熱零件，

ZL111→形狀復雜的內(nèi)燃機汽缸等。.（a）未變質(zhì)處理250×（b）變質(zhì)處理100×圖ZL102變質(zhì)處理前后的組織形貌2、鋁銅鑄造合金

鋁銅鑄造合金的主要強化相是CuAl2。最大特點就是耐熱性高，但耐蝕性差。共有三種牌號：ZL201、ZL202、ZL203。Cu↑熱強性↑脆性↑<14%CuZL203,4~5%Cu

常用,鑄造性較差ZL202,9~11%Cu鑄造性好,耐蝕性↓

3、鋁鎂鑄造合金

特點

比重輕，強度和韌性較高，優(yōu)良的耐蝕性、切削性和拋光性。

熔點低→熱強度較低，工作T<200℃

結(jié)晶溫度范圍較寬，故流動性差，形成疏松傾向大，其鑄造性較差。應用

ZL301、ZL302二種牌號。制造承受沖擊振動載荷和耐海水或大氣腐蝕、外形簡單的重要零件4、鋁鋅鑄造合金

特點

鋅固溶強化，極限溶解度為31.6%，不形成金屬間化合物。固溶13%Zn，在冷卻時不發(fā)生分解，→固溶強化↑。強度較高，是最便宜的鑄造鋁合金。其主要缺點是耐蝕性差。應用

常用ZL401。制作工作溫度在200℃以下，形狀復雜的汽車及飛機零件、醫(yī)療機械和儀器零件。5、鑄造鋁合金的熱處理

除ZL102外，其它合金均能進行熱處理強化。熱處理特點①為↓變形或過熱，最好在350℃以下低溫入爐，隨爐緩慢加熱。②T淬高一些，t保長一些，15~20小時③淬火介質(zhì)一般用60~100℃的水。④如需時效，一般采用人工時效。

小結(jié)鋁合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋁合金熱處理為固溶處理和時效強化。鋁合金時效基本過程是強化相的析出過程。各個階段的強化效果也不同。正確制定合金的固溶處理工藝，是保證獲得良好時效強化效果的前提。

α

Cu、Mg、

Zn、Si、MnLL+α

α+βAl

Me

工業(yè)純鋁：密度2.72。導電、導熱性好，抗蝕性好，塑性高防銹鋁合金只能變形強化。Al-Mg、Al-Mn系。LF5合金化

固溶強化細化組織強化時效強化第二相強化基本過程：GP→θ″→θˊ→θ。條件：Me能溶入α；隨T↓而固溶度↓↓；析出相強化作用大。鑄造鋁合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，