金属材料及热处理06有色金属材料篇

第3章有色金属及其合金概述金属材料习惯上可分为有色金属和黑色金属（钢铁）；有色金属及其合金种类很多，但产量小，总产量也远远小于钢铁的产量；有色金属及其合金有特殊的性质，成为现代工业不可替代的材料（Al、Ti、Mg、Cu、Au、Ag、Ni、Co、Zn、Pb、Mo、W、Zr、Hf等等）这里，主要介绍Al、Cu、Ti、Ni、Co、Mg。1.1铝及铝合金的主要特征1.2铝的合金化与分类1.3铝及铝合金简介1.4铝及铝合金的热处理简介1.5铝及铝合金牌号与状态符号第一节铝及铝合金1.1铝及铝合金的主要特征铝及铝合金是最重要的有色金属材料之一，产量占有色金属的一半。（1）密度小纯铝密度约为2.7g/cm3,常见铝合金的密度处于2.63-2.85g/cm3,而Al-4Li,2.4g/cm3,Al-12Fe,3.06/cm3,比Cu、Fe及其合金轻得多。这样，铝及铝合金的比强度（强度/密度的比值）高（LY12的比强度约为17.4，而40Cr的约为12.8），因此，铝及铝合金在航天航空工业，交通运输，兵器军工等领域有着广泛的用途，对航天器、汽车、高速磁悬浮列车、火箭导弹等的轻量化起着积极的推动作用。（镁及镁合金的冲击）（2）导电导热性好（电导率60-65%IACS（标准铜的为标准），热导率2.27w/(mK)）仅次于Au、Ag（金融）、Cu，远优于Fe、Ti等，在工业金属，仅次于Cu，可替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件（镁及镁合金的冲击）（3）加工工艺好铸造性好，强度低，塑性好，能通过铸造或塑性加工制成各种形状的产品（铸件、挤压件、锻件、轧制产品等）（4）耐蚀性好表面可生成致密的Al2O3氧化膜，且耐高温，可起保护作用，在Cl-或OH-中Al2O3氧化膜会破坏。可作管道（天然气、输油）、容器、餐具等1.2铝的合金化与分类纯铝强度低，σb=80-100MPa,σ0.2=30-50MPa,δ=35-40%,HB=25-30,即使是冷变形60-80%,σb=150-180MPa,但δ=1-1.5%，难以满足需要，需合金化。（1）提高强度的途径加工硬化细晶强化固溶强化弥散强化因此，从合金化的角度看，可选择的元素应有如下特点：固溶度大（低温），或高温极限固溶度大，而低温的小，或可形成作为结晶晶核的第二相颗粒或钉扎晶界的稳定相颗粒。主要的共晶含量少或无，高温和低温塑性高，强度高铸造性好，流动性好，易填充，不易冷热裂（2）常见合金化元素合金元素在铝中的极限固溶度（At%、Mass%）ZnAgMgGeCuLiSiMnTiCrVZrFe28.813.813.52.72.416.31.590.90.740.40.210.080.02570.056.617.47.25.74.21.651.81.30.80.400.280.050除Ag，Ge外，其他均是常见合金化元素Zn、Mg、Cu、Li（正开发）、Si（铸铝），有时也包括Mn，可作主加元素，起固溶强化、弥散强化作用；作为起弥散强化作用的强化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、δ（Al3Li）、Al2CuLi等Zr、V、Cr、Ti、B、Be，有时也包括Mn，溶解度小，随温度变化大，可作辅加元素，起细晶、补充强化、提高再结晶温度（以Mn最明显）、提高耐热性、产生组织强硬化效应、改善抗蚀性（Be影响表面）等作用；微量地加Ag、加Sc、加RE等是目前铝合金微合金化的研究方向；Fe、Si通常在铝合金中为杂质，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Si(IM)中例外。(相对而言的概念、不应有时，有了且有害，即为杂质)科技发展打破这个合金设计的框架，Rapidsolidification，Mechanicalalloying等，出现了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Ce、Al-Cr-Zr-Mn、Al-Zr-V-Ti等合金。a、少量元素晶界偏聚有利于普遍脱溶；b、MnAl6虽在晶界析出，但它的电极电位与基体相近。（3）铝及铝合金分类铝及铝合金纯铝铝合金高纯铝（Al＞99.93%）工业纯铝（Al＞98.8%）硬铝Al-Cu-(Mg)系锻铝Al-Mg-Si-(Cu)系,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系超硬铝Al-Zn-Mg-(Cu)系Al-Si系防锈铝Al-Mn系,Al-Mg系变形铝及铝合金铸造铝合金Al-Zn系Al-Mg系Al-Cu系热处理不可强化铝合金热处理可强化铝合金1.3铝及铝合金简介（一）纯铝纯铝具有密度小、导电导热性好、加工工艺好、耐蚀性好等优点，但强度低，故，它多用于电线电缆以及强度要求不高的用具或器皿。（工业纯的、高纯的亦用于科研配置合金）纯铝中的主要杂质为Fe、Si（Fe+Si1.0%）Fe、Si固溶于铝晶格，导致晶格畸变，导电、导热、耐蚀性变差；Fe、Si与Al形成Al12Fe3Si（网状、骨骼状，FeSi）、Al8Fe2Si（网状）、Al9Fe2Si2（脆、针状，FeSi）、Al13Fe4（针状）、Si（块状），导致铝的强度提高，塑性、导电性、耐蚀性下降；铸造性能下降，有裂纹倾向(防止：Fe+Si0.6%时，FeSi，包晶多有利于形核；Fe+Si0.6%时，FeSi，共晶多有利于铸造)。纯铝可分为工业纯铝和高纯铝工业纯铝（Al大于99.0%，L1(99.85%),L2,L3,L4,L5,L6(98.8%)）高纯铝（Al大于99.93%，L01(99.93%),L02,L03,L04(99.996%)）可视为合金（二）防锈铝（Al-Mn）（耐蚀铝合金）Al-Mn系属于防锈铝，热处理不可强化合金，是用量最大的铝合金之一。合金与成分特点：牌号少，产量多最典型的有LF21（AA3003,1.0-1.6%Mn）、AA3004(=AA3003+0.8-1.1%Mg)等，加Ti、Fe，以细晶。相组成：α+β（Al6Mn）组织特点：Mn易偏析，易粗晶性能：强度比铝的大（固溶），抗蚀性与纯铝相当（Al6Mn的电位与铝基体相当），可焊性好，抛光性好（可做工艺品）。用途：承力不大且抗蚀性、可焊性要求高的容器、结构件，如油管、油箱等；3004合金大量地用于易拉罐。粗晶现象与防止原因在于Mn偏析，Mn提高再结晶温度，导致不同区域再结晶先后不同，最终再结晶晶粒大小不一，粗者特粗。防止方法有i、均匀化退火；ii、快速加热退火；iii、加Fe（0.1%Fe，降低Mn溶解度，减小偏析）、Ti（细晶，防止出现大面积贫Mn区和富Mn区）以细晶i、共晶；ii、结晶温度非常窄；iii、固相线、液相线均近乎于水平凝固时固相、液相成分相差大，而Mn扩散速率慢偏析严重低MnMn↑（二）防锈铝（Al-Mg）与Al-Mn系同属于防锈铝，热处理不可强化合金合金：与Al-Mn系相比，产量少，牌号多除课本表2-4中所列出的外，还有LF12、LF13、F14、LF33、LF43等，其中最典型的有LF2（AA5052）、LF3（AA5054）、LF6（AA5083）、LF11（AA5456）等。成分特点：通常，Mg大于5%，需加Ti、V，以细晶；大于6%，需加Be，以提高氧化膜致密度，或防止Na脆。相组成：α+β（Al3Mg2或Al8Mg5）；另外，还有Mg2Si、Al6(Mn,Fe)性能：比铝轻，抗蚀性、可焊性好，强度高于Al-Mn系，抛光性好（可做工艺品）。用途：承力不大的容器、抗蚀可焊的结构件，如油管、油箱和笔帽等；高Mg的可以用作承力件。问题有三：（1）Al3Mg2的偏聚问题从相图来看，可以强化，但Al3Mg2易于晶界处析出，呈网状，尤其是Mg大于3.5%（大多数Al-Mg合金Mg量都大于3.5%），故不可强化。Al3Mg2晶界处析出，导致晶界腐蚀抗力下降，应力腐蚀能力增大，对于高Mg者尤其如此，需防止。热处理时增加一道冷变形，Al3Mg2可于位错、亚晶界处析出，可均匀化。（2）高Mg者的氧化膜致密度下降问题表面不再为致密的Al2O3膜，含有MgO，致密度下降，需加Be（微量，PPM量级），以提高表面氧化膜的致密性。（3）Na脆的问题铝合金熔炼常采用Na盐（NaAlF6+NaCl+KCl的混合熔剂），NaAlF6和NaCl会和Mg反应，产生游离Na，这将导致材料严重脆性。防治方法：i、选择不含Na的熔剂；ii、加0.0002%Be（铍）或0.004%Sb（锑）或0.02%Bi（铋）（三）硬铝Al-Cu-Mg(-X)系铝合金，热处理可强化合金；大多可自然时效，如要高温使用，可人工时效。合金：牌号多，其中最典型的有LY11（AA2017）、LY12（AA2024）、LY16（AA2219）等。成分特点：除了Cu、Mg外，Fe小于0.5-0.7%，Si小于0.5%，还需加0.5-1.0Mn，以中和Fe的不利影响，提高耐蚀性。相组成：α+θ（Al2Cu）和/或S（Al2CuMg）；在非平衡条件下，还有Al3Mg2、Al20Mn3Cu、Al6(Mn,Fe)等；θ和S共存时时效强化效果最好，S相的耐热性能高于θ相的。性能与用途：强度高、塑性差、耐蚀性差。LY11——以θ相为主，强度中等（420MPa），不能用于较高的温度，主要用于（飞机等的）骨架、紧固件、支柱等；LY12——以S相为主，强度较高（470MPa），能用于较高的温度，主要用于（飞机等的）骨架、蒙皮等需要耐较高温度的构件。问题：i、要求塑性好提高塑性，需均匀化退火；ii、要求强度高提高强度，需保留挤压效应，不能均匀化处理；iii、抗蚀性差，需包铝。（四）超硬铝Al-Zn-Mg(-Cu-X)系铝合金，热处理可强化合金；一般需人工时效。分两类：Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金和Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金。（1）Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金（σs约400MPa，人工时效）合金：无国标牌号，美国AA牌号有7004、7005、7039等。成分特点：Zn+Mg小于7.0%，另外还需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高韧性和耐蚀性。相组成：α+T（Al2Mg3Zn3）+η（Mg2Zn）性能与问题：通常，随Zn+Mg含量提高，强度增加，但抗应力腐蚀能力严重下降（需加Cu来解决）；焊接性优良，淬火性好（易淬上火），空冷、挤压后空冷即可。用途：航空、汽车、建筑的焊接件，例如，7005可以用作高速列车的横梁和飞机用变断面挤压横梁（2）Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金（σs在500MPa以上，人工（过）时效）合金：国标中典型牌号有LC3、LC4、LC9、LC10，其中LC4和LC9大致相当于美国AA牌号的7075合金。成分特点：Zn+Mg小于8.9%，另外，加0.5-2.5%Cu，提高塑性、提高抗应力腐蚀能力、还需加Mn、Cr、Zr、Ti，以提高淬透性、细晶、提高再结晶温度、提高韧性和耐蚀性。相组成：很复杂，α+T（Al2Mg3Zn）+T（Al6CuMg4）+η（Mg2Zn）+S（Al2CuMg）+β（Al3Mg2或Al8Mg5）性能与问题：随Zn+Mg含量提高，强度增加，但抗应力腐蚀能力严重下降（降Fe、Si）；强度高、塑性差，须均匀化处理；耐蚀性差，须包铝（Al-1.0%Zn）。用途：大型承力结构件，如飞机横梁等（五）锻铝多指Al-Mg-Si(-X)系铝合金（也有部分是Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金（耐热））；锻铝意味着热塑性好，适合锻造。属于热处理可强化合金；大多可自然时效，但多人工时效。合金：牌号多，其中最典型的有LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD11、LD30（AA6061）、LD31（AA6063）等。LD7、LD8（AA2618）、LD9属于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金（Al9FeNi，Fe/Ni=1，耐热，这里不做介绍了）成分特点：根据Al-Mg2Si伪二元相图，以Mg2Si原子配比，制备合金，通常需Si过量（会影响Mg2Si的溶解度），除此之外，还加Cu（提高强度、耐蚀性）、Mn（提高