09--《工程材料》第九章

主编：东南大学戴枝荣张远明主讲：张建学时：54工程材料（工程材料及机械制造基础Ⅰ）第九章有色金属及其合金第一节铝及其合金一、纯铝性能特点:(1)密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝：密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4℃，导电性仅次于Au、Ag、Cu。铝合金：密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝。铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。(2)抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏,故不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。(3)加工性能好，比强度高纯铝：塑性较高（δ=30～50%，ψ=80%），易于压力加工成型，低温性能良好，强度低，常态为σb=70Mpa,冷变形强化达150～250Mpa,但也不能直接用于制作受力的结构件。铝合金：通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500～600Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。分类:①高纯铝：99.996%～99.93%用于科研，代号为L04～L01；②工业高纯铝：99.9%～99.85%用于作Al合金原料、铝箱，代号为L0、L00；③工业纯铝：99.0%～98.0%用作管、线、棒，代号为L1～L6。二、铝合金的分类分类：①变形铝合金--成分小于D点的合金不能热处理强化的铝合金--成分小于F点的合金能热处理强化的铝合金--成分位于F与D之间的合金②铸造铝合金--成分大于D点的合金表铝合金的分类及性能特点铝及其合金的牌号：1.纯铝：采用四位字符牌号，用1×××表示。第一位数字“1”表示为纯铝；第二位字母“A”表示原始纯铝“B～Y”表示改型情况；最后两位数字表示铝的最低百分含量，如1A35。2.变形铝合金：采用四位字符牌号，用2×××～8×××系列表示。第一位数字：铝合金的组别；第二位字母：原始合金的改型情况，“A”表示原始合金，B－Y为原始合金的改型合金。最后两位数字：区分同一组中不同的铝合金。例：5A02。合金元素：Cu、Mn、Si、Mg、Zn等牌号：XXXX第一位：数字----表示铝合金的组别2-------表示Al-Cu系的铝合金3-------表示Al-Mn系的铝合金4-------表示Al-Si系的铝合金5-------表示Al-Mg系的铝合金6-------表示Al-Mg+Si系的铝合金7-------表示Al-Zn系的铝合金8-------表示其他元素的铝合金9-------表示备用合金组第二位：数字或字母----表示改型情况A-------表示原始铝合金B～Y----表示已改型后两位：数字----区别同一系的不同铝合金3.铸造铝合金：用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。铝及其合金代号：代号是旧标准使用的牌号。1.纯铝：用“L+数字”表示。如前所示。2.变形铝合金：用“L+字母+数字”表示。字母表示类型，“F”为防锈铝合金，“A”为硬铝合金，“C”为超硬铝合金，“D”为锻造铝合金；数字表示同类型的不同合金。3.铸造铝合金：用“ZL+三位数字表示。第一个数字表示合金系列，其中1,2,3,4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金，后面第二、三个数字表示顺序号。优质合金在数字后面附加字母“A.新牌号旧牌号新牌号旧牌号新牌号旧牌号1A99原LG52B12原LY93003－1A97原LG42A13原LY133103－1A95－2A14原LD103004－1A93原LG32A16原LY163005－1A90原LG22B16曾用Ly16-13105－1A85原LG12A17原LY174A01原LT11080－2A20曾用LY204A11原LD111080A－2A21曾用2144A13原LT131070－2A25曾用2254A17原LT171070A代L12A49曾用1494004－1370－2A50原LD54032－1060代L22B50原LD64043－1050－2A70原LD74043A－1050A代L32B70曾用LD7－14047－1A50原LB22A80原LD84047A－1350－2A90原LD95A01曾用2101、LF151145－2004－5A02原LF21035代L42011－5A03原LF31A30原L4－12014－5A05原LF51100代LF5－12014A－5B05原LF101200代L52214－5A06原LF61235－2017－5B06原LF142A01原LY12017A－5A12原LF122A02原LY22117－5A13原LF132A04原LY42218－5A30曾用2103、LF162A06原LY62618－5A33原LF332A10原LY102219曾用LY19、1475A41原LT412A11原LY112024－5A43原LF432B11原LY82124－5A66原LT662A12原LY123A21原LF215005－5019－6B02原LD2－17A09原LC95050－6A51曾用6517A10原LC105251－6101－7A15曾用LC15、1575052－6101A－7A19曾用919、LC195154－6005－7A31曾用183-15154A－6005A－7A33曾用LB7335454－6351－7A52曾用LC52、52105554－6060－7003原LC125754－6061原LD307005－5056原LF5－16063原LD317020－5356－6063A－7022－5456－6070原LD2－27050－5082－6181－7075－5182－6082－7475－5083原LF47A01原LB18A06原L65183－7A03原LC38011曾用LT985086－7A04原LC48090－6A02原LD27A05曾用705－－三、铝合金的热处理固溶处理：是将成分位于D～F之间的合金加热到固态溶解度线DF以上某一温度，获得单相固溶体α，然后水冷(淬火),获得过饱和固溶体α的过程。固溶强化效果不明显。时效强化：在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和α固溶体趋于发生某种程度的分解，使合金的强度和硬度明显提高的现象,又称为时效或时效硬化。自然时效：在室温下进行的时效。人工时效：在加热条件下进行的时效。影响时效强化的因素：①固溶体浓度，浓度越大，强化效果越大；②时效温度，温度越高，时效加快，但降低最高硬度值;③时效时间，时间越长，强化效果越好，但超过一定时间，产生软化。④过时效：若时效温度过高，等温时间过长，导致合金软化。自然时效的特点：时效开始阶段，强度变化不大，称为孕育期；5-15h内，强化速度最快；4-5天后，强度达到最高值。人工时效的特点：时效温度愈高，时效速度愈快，强化效果愈低。时效过程：第一阶段：溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格畸变加大第二阶段：随时间的延长，富集区的原子趋于有序化，晶格畸变进一步增大第三阶段：溶质原子继续富集，形成过渡相，晶格畸变减轻第四阶段：稳定的相形成与长大，晶格畸变显著减轻特点：自然时效只出现第一、第二阶段；人工时效主要出现第三、第四阶段四、形变铝合金(一)热处理不能强化的形变铝合金--防锈铝合金分类：主要有Al-Mn，Al-Mg合金特点：耐蚀性高，塑性和焊接性好，切削加工性差。Al-Mn系防锈铝：主要为LF21，1.0～1.6%Mn，退火状态为α+MnAl6。Mn作用为固溶强化及弥散强化（少量MnAl6），提高耐蚀性。Al-Mg系防锈铝：常用的为LF2，3，5，6等。Mg作用为固溶强化。类别牌号代号（%）处理状态①力学性能②用途举例CuMgMnZn其它σb/MPaδ（%）HBS不能热处理强化防锈铝合金5A05LF50.14.8～5.50.3～0.60.2Si0.5Fe0.5.M2802070焊接油箱、油管、焊条、铆钉以及中等载荷零件及制品3A21LF210.20.051.0～1.60.1Si0.6Ti0.15Fe0.7.M1302030焊接油箱、油管、焊条、铆钉以及轻载荷零件及制品(二)热处理强化的形变铝合金1.硬铝合金（杜拉铝）典型硬铝：Al-Cu-Mg系合金，特点：是时效后强度、硬度很高，加工性能好，但耐蚀性差，易晶间腐蚀，常采用包铝。合金元素：加入Cu、Mg形成强化相S(CuMgAl2)、θ(CuAl2)、T(CuMg2Al6)和β(Mg2Al3)(强化效果依次减弱)，在Al中有较大溶解度。合金元素总量增加，强化相数量增多，强度提高，Cu﹕Mg=2.61，强化效果最好。(1)低强度硬铝合金：如LY1～LY10，主要析出θ相，强度低，塑性高，铆接材料。(2)中强度硬铝合金：(标准)如LY11，主要为θ，其次为S，强度较高，塑性较好，中等载荷结构件。(3)高强度硬铝合金：典型LY12，主要为S，其次为θ,强度较高，良好的耐热性，塑性较差,较高载荷结构件。2.超硬铝合金典型：Al-Zn-Mg-Cu系合金特点：①时效后强度、硬度更高，热加工性能好，但塑性及耐蚀性差，采用包铝。②Al-Zn-Mg形成稳定性更高的强化相η(MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3),其次还有γ（MgZn5）和β（Mg2Al3）。Zn、Mg含量增加，强度提高，但塑性和耐蚀性下降。超硬铝LC4，强化相主要为η+T，其次为S，强度较高；LC6，η+T更多，强度更高。3.锻铝合金典型：Al-Mg-Si-Cu系合金特点：为热塑性及耐蚀性高。Al-Mg-Si形成Mg2Si，加Cu形成W（Cu4Mg5Si4Alx）、θ（CuAl2）和S（CuMgAl2），主要为Mg2Si和W。常用的有LD2、LD5、LD6、LD10等。类别牌号代号化学成分（%）处理状态①力学性能②用途举例CuMgMnZn其它σb/MPaδ（%）HBS能热处理强化的铝合金硬铝合金2A01LY12.2～3.00.2～0.50.20.1Si0.5Ti0.15Fe0.5线材CZ3002470工作温度不超过100℃的结构用中等强度铆钉2A11LY113.8～4.80.4～0.80.4～0.80.3Si0.7Fe0.7Ni0.1Ti0.15板材CZ42018100中等强度结构零件，如骨架、模锻的固定接头、支柱、螺旋浆叶片、局部镦粗的零件、螺栓和铆钉2A12LY123.8～4.91.2～1.80.3～0.90.3Si0.5Ni0.1Ti0.15Fe0.5.板材CZ47017105高强度结构零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、铆钉等150℃以下工作的零件超硬铝合金7A04LC41.4～2.01.8～2.80.2～0.65.0～7.0Si0.5；Fe0.5.Cr0.1～0.25CS60012150结构中主要受力件，如飞机大梁、桁架、加强框、蒙皮、接头及起落架锻铝合金2A50LD51.8～2.60.4～0.80.4～0.80.3Si0.7～1.2CS42013105形状复杂中等强度的锻件及模锻件2A70LD71.9～2.51.4～1.80.20.3Ti0.02～0.1Ni0.9～1.5Fe0.9～1.5CS41513120内燃机活塞、高温下工作的复杂锻件、板材，可作高温下工作的结构件五、铸造铝合金铸造铝合金除了要有足够的机械性能及耐蚀性外，还要有优良的铸造性能。共晶合金的铸造性能最好，但由于有大量脆性相，使脆性增加，因此实际使用的并非都是共晶合金，只是比形变铝合金的合金元素高一些，一般Me=8～25%。用ZL（铸铝）表示，第一位数表示合金系（1：Al-Si，2：Al-Cu，3：Al-Mg，4：Al-Zn），后两位数为顺序号。(一)Al-Si系铸造铝合金（铝硅明）航空业应用最广的材料，特点是有良好的铸造、耐蚀和机械性能。1.简单铝硅合金（简单铝硅明）：典型牌号:ZL102，11～13%Si，属于过共晶(共晶点11.7%Si)，组织为少量块状初晶Si+(α+粗大针状Si),强度、塑性及韧性差。变质处理:即加入2～3%的钠盐变质剂可得α