第8章 铝合金

第8章铝合金铝具有一系列比其他有色金属、钢铁和塑料等更优良的特性:密度小，仅为2.7g/cm3，约为钢的1/3；优良的导电性、导热性；良好的耐蚀性；优良的塑性和加工性能等。8.1铝合金的热处理及时效强化1、铝合金的分类变形铝合金-1铸造铝合金-2防锈铝-3——不能HT强化硬铝/超硬铝/锻铝-4——能HT强化2、铝合金热处理强化特点特点：淬火加热时不发生同素异构转变。热处理强化包括固溶处理与时效处理。固溶处理α+β→α′固溶度↑强度/硬度变化小塑性明显↑时效处理第二相从固溶体中析出力学性能等发生显著变化时效形式：人工时效，自然时效一般“回火”用于晶型转变的淬火合金，“时效”用于非晶型转变的淬火合金以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程：(1)形成铜原子富集区铜富集区称G.P.区晶体结构与基体α同，但产生了共格应变区强度、硬度↑。G.P.呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200℃就不再出现G.P.区。(2)铜原子富集区有序化G.P.区急剧长大，G.P.区铜原子有序化，形成θ”相θ”相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大(3)形成过渡相θ＇θ”相转变成过渡相θ＇θ＇是正方点阵，成分接近CuAl2完全共格→局部共格强度、硬度开始降低，合金此时处于过时效阶段。(4)形成稳定的θ过渡相θ＇完全脱溶形成稳定相CuAl2，(θ)与基体非共格合金的强度、硬度进一步下降合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样合金系时效过程的过渡阶段析出稳定相Al-Cu①形成铜富集区—G.P.区②G.P.区有序化—θ相③形成过渡相θ＇θ（CuAl2）Al-Mg-Si①形成铜、硅富集区—G.P.区②形成有序的β＇相Β（Mg2Si）Al-Cu-Mg①形成铜、镁富集区—G.P.区②形成过渡相S＇SAl2CuMgAl-Mg-Zn①形成铜、锌富集区—G.P.区②形成过渡相M＇M（MgZn2）表常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相3、影响时效强化的主要因素固溶处理规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止淬火变形开裂，一般采用20～80℃水冷却时效工艺温度：对一定合金，有最佳时效温度.时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间。方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效4、合金化条件合金元素能有限固溶；固溶度随温度降低而大为减小；析出相的强化作用大。时效温度与硬度关系曲线130℃时效时铝铜合金的硬度与时间关系思考题：直接析出稳定相在热力学上是有利的，但为什么不是直接析出稳定相?8.2变形铝合金四位字符体系：牌号的第一位数字表示组别，2×××～8×××表示。后两位数字是区别同一组不同的铝合金。第二位字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合金；B～Y表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合金元素为铜的6号原始铝合金。1、防锈铝合金Al-Mn和Al-Mg两个合金系。用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能进行热处理强化。适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其它冷变形零件。2、硬铝合金成分Al-Cu-Mg系合金。2A+顺序号表示分类①低强度硬铝，如2A01、2A10等合金；②中强度硬铝，如2A11等合金；③高强度硬铝，如2A12等合金,2A12是使用最广的高强度硬铝合金分类时效处理后具有高硬度、强度，优良的加工性和耐热性，但塑性、韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低，强度较低而塑性高；反之，强度高而塑性低。强化相θ（CuAl2）、金属间化合物S（CuMgAl2）是强化相，S相最高①要严格控制淬火温度。如：牌号正常淬火温度过烧温度2A02495~505510~5152A10510~5205402A12495~500507②转移时间尽量短30″，航空件15″；③冷速要快，热水淬；④常用自然时效。热处理特性应用飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等图铝铜镁三元合金垂直截面3、超硬铝合金成分性能Al-Zn-Cu-Mg系。7A+顺序号表示室温强度最高，500~700MPa，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，120℃的温度下使用。强化相:MgZn2\Al2Mg3Zn3特点应用T淬范围较宽，一般为450~480℃，人工分级时效：先在120℃时效3小时，第二次在160℃时效3小时，形成G.P.区和少量的η´相，达到最大强化状态。应用：飞机工业中重要的结构材料。4、锻铝合金成分性能Al-Mg-Si-Cu系合金。用6A或2A加顺序号表示。常用的合金有6A02、2A14等具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高特点应用主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然时效倾向，淬火后应立即人工时效。主要用做航空仪表中形状复杂、强度要求高的锻件。8.3铸造铝合金铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性等良好的铸造性。共晶合金应最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。铸造铝合金的牌号用ZL+三位数字表示。第一位数字是合金系别：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、三位数字是合金的顺序号。例如ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。1、铝硅系铸造合金特点流动性最好，比重轻，铸造收缩率小;焊接性、耐蚀性优良,致密度较小。共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，有少量块状初生硅。常经变质处理.塑性较低，需要细化组织。应用常用合金：ZL102和ZL104等.制造致密度要求不高、形状复杂铸件。如ZL105→工作在250℃的耐热零件，ZL111→形状复杂的内燃机汽缸等。.（a）未变质处理250×（b）变质处理100×图ZL102变质处理前后的组织形貌2、铝铜铸造合金铝铜铸造合金的主要强化相是CuAl2。最大特点就是耐热性高，但耐蚀性差。共有三种牌号：ZL201、ZL202、ZL203。Cu↑热强性↑脆性↑14%CuZL203,4~5%Cu常用,铸造性较差ZL202,9~11%Cu铸造性好,耐蚀性↓3、铝镁铸造合金特点比重轻，强度和韧性较高，优良的耐蚀性、切削性和抛光性。熔点低→热强度较低，工作T200℃结晶温度范围较宽，故流动性差，形成疏松倾向大，其铸造性较差。应用ZL301、ZL302二种牌号。制造承受冲击振动载荷和耐海水或大气腐蚀、外形简单的重要零件4、铝锌铸造合金特点锌固溶强化，极限溶解度为31.6%，不形成金属间化合物。固溶13%Zn，在冷却时不发生分解，→固溶强化↑。强度较高，是最便宜的铸造铝合金。其主要缺点是耐蚀性差。应用常用ZL401。制作工作温度在200℃以下，形状复杂的汽车及飞机零件、医疗机械和仪器零件。5、铸造铝合金的热处理除ZL102外，其它合金均能进行热处理强化。热处理特点①为↓变形或过热，最好在350℃以下低温入炉，随炉缓慢加热。②T淬高一些，t保长一些，15~20小时③淬火介质一般用60~100℃的水。④如需时效，一般采用人工时效。小结铝合金没有同素异构转变。铝合金热处理为固溶处理和时效强化。铝合金时效基本过程是强化相的析出过程。各个阶段的强化效果也不同。正确制定合金的固溶处理工艺，是保证获得良好时效强化效果的前提。αCu、Mg、Zn、Si、MnLL+αα+βAlMe工业纯铝：密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高防锈铝合金只能变形强化。Al-Mg、Al-Mn系。LF5合金化固溶强化细化组织强化时效强化第二相强化基本过程：GP→θ″→θˊ→θ。条件：Me能溶入α；随T↓而固溶度↓↓；析出相强化作用大。铸造铝合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。性能特点：强度比较高，耐热性好，抗蚀性差。热处理：淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短超硬铝：如LC4Al-Zn-Mg-Cu系性能特点：强度高，耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较宽锻铝：如LD5Al-Mg-Si-Cu系工艺特点：锻造性好，热处理：采用人工时效