材料科学基础(第13章)PPT.ppt

合肥工业大学 刘宁 第十三章 有色金属及合金 第一节 铝及铝合金 一、铝及铝合金的性能特点及分类编号 纯铝的密度小（2.7g/cm3）、熔点低（660℃）、强度低（σb/80MPa）、塑形高（Ψ=80%）。 铝合金热处理以后强度高，特别是比强度（σb/ρ）高，是重要的航空结构材料。 引言 铝材是有色金属中使用量最大、应用面最广的金属材料，我国铝的消费量的增长异常惊人，从1991年的86.8万吨迅速增加到2000年的353.27万吨，现在每年还在持续增加，消费量大约占世界的16左右。铝和合金有很多优越的性能:(1)密度低;(2)塑性高; (3)易强化; (4)导电好;(5)耐腐蚀;(6)易回收;(7)采用TIG(惰性气体钨极保护焊)或者MIG(惰性气体保护金属极电弧焊)方法可焊接;(8)易表面处理。 高纯铝的牌号有L01、L02、L03、L04四种，编号越大，纯度越高（99%‒99.9995%）。 工业纯铝的纯度为98%‒99%，牌号有L1、L2、L3、L4 、L5五种，编号越大，纯度越低。 铝合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素等。 根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金呈单相固溶体状态，塑形好，适于压力加工。通过冷变形和热处理，可使强度进一步提高。 变形铝合金按照性能和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。 防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，而硬铝、超硬铝和锻铝属于可热处理强化的合金。 铝合金品种繁多，国际上变形铝合金牌号已经有400余种，我国GB/T3190-2008新标准改变了原来标准的牌号表示方法，直接采用国际牌号组织的命名原则，采用四位数字表示。按照主要合金元素分9大系列铝合金。 1XXX 纯铝 2XXX Al‒Cu系（Cu2‒10%，其中Cu4‒6%时强 度最高。） 3XXX Al‒Mn系 4XXX Al‒Si系 5XXX Al‒Mg系 6XXX Al‒Mg‒Si系 7XXX Al‒Zn系 如果第2位是0或A表示原始合金，如果1‒9或B‒Y表示改型合金。 铸造铝合金按照加入的主要合金元素不同，分为Al‒Si系、 Al‒Cu系、 Al‒Mg系和Al‒Zn系四种合金。 ZL 1XX, Al‒Si系 ZL 2XX, Al‒Cu系 ZL 3XX, Al‒Mg系 ZL 4XX, Al‒Zn系 第2、3位表示合金顺序号。 二、铝及铝合金的强化 纯铝的力学性能较低，通过合金化、热处理或其它强化方式，可以使铝合金在保持密度小，耐腐蚀好的条件下，显著得到强化。 1、形变强化 对于纯铝及不能热处理强化的铝合金，例如Al‒Mn合金等，只能以退火态或冷作硬化态使用。冷作硬化使强度升高，但塑形下降。 退火温度300℃‒500℃，保温1‒3小时。 2、时效硬化 可以热处理强化的合金，例如Al‒Cu、Al‒Cu‒Mg、Al‒Mg‒Si等， Al与Cu、Mg、Si等形成CuAl2、Mg2Si、 Al2CuMg等金属间化合物，可以提高强度与硬度。 例如含4%Cu的Al‒Cu合金，室温平衡组织为α+ CuAl2 ，加热到550℃水冷，然后加热时效。时效过程中组织变化如下： （1）在室温和较低温度下，在母相（100）晶面上形成Cu原子富集区（GP区），直径约5‒9nm,厚度约0.5nm，与基体保持共格关系。 （2）形成θ’’相 100℃‒200℃，随着时效的继续，Cu原子在GP区的基础上继续富集，成分接近CuAl2，与基体仍保持共格关系，｛111｝θ’’‖｛100｝α。相比于GP区，由于θ’’相产生更大的共格应变，最大尺寸直径约为140‒150nm，厚度10nm。 （3）形成θ’相 经过更高温度或延长时效时间，将析出形成θ’相，θ’相成分与CuAl2相当，是θ’’相长大与基体失去共格关系转变为半共格关系而形成的。 形成θ’’相后期与形成θ’相初期具有最大的强化效果。 （4）形成平衡相θ θ相即CuAl2是由θ’相在更高温度时效或延长保温时间获得。由于已经是非共格关系，此时，合金强度和硬度下降。 3、固溶强化和细晶强化 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，Cu、Mg、Si、Zn、Mn等一般都能形成有限固溶体，并且，有较大的固溶度，具有较大的固溶强化作用。变形铝合金中加微量Ti、Zr、Be及稀土元素，能够形成难熔化合物，可作为非均匀形核的核心，从而细化晶粒。 三、变形铝合金 1、不能热处理强化的铝合金 主要有Al‒Mn、Al‒Mg系。由于具有优异的耐蚀性，故称为防锈铝。 Al‒Mn系的主要牌号之一3A21（LF21）含1.0‒1.6%Mn，退火组织为α+MnAl6，MnAl6脆性大，故