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第二章铝及其合金第一节工业纯铝、合金化及铝合金的分类、牌号和状态符号一、工业纯铝1、物性熔点660.24℃；密度2.7×103kg/m3；弹性模量（E）72000MPa面心立方晶格a=0.4049nm；原子直径0.286nm相对电导率62％IACS（InternationalAnnealedCopperStandard）电阻率2.66×10-8Ωm(欧姆米)(99.9%Al)；顺磁性（磁化率215）；2、力性纯度σbMPaσ0.2MPaδ%HB99.9949224584～11299.7（A00）65264499.5702831126～175纯铝进行60～80％冷变形，σb虽然能达到150～180MPa，但δ已降低到1～1.5%，变脆3、化学性能•铝的化学活泼性极高，标准电极电位（－1.67伏）。•铝在空气中表面生成5～10nm厚的Al2O3保护膜，在大气中耐蚀。•在浓硝酸中有极高的稳定性，与有机酸及食品几乎不反应。•在硫酸、盐酸、碱、盐中不稳定。4、特点•质量轻•优秀的导电、传热和塑性变形性能•在大气中有良好的耐蚀性•强度低不适于作结构材料二、铝的合金化•合金化原理主要固溶强化和时效强化•固溶强化：元素溶解度大，与Al原子直径差大，例如Mg和Mn•时效强化：所加元素或形成的中间相，高温时在Al中有较大的溶解度，随温度降低溶解度急剧变小。常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li。各种元素在铝中的极限溶解度元素温度℃极限溶解度元素温度℃极限溶解度Wt%At%Wt%At%Zn4437028.8Ti665～1.30.74Ag56656.613.8Cr6610.770.40Mg45017.418.5Cd6490.40.09Ge4247.22.7V661～0.40.21Cu5485.652.4Zr6600.280.08Li6004.216.3Sn228～0.06～0.01Mn6581.820.9Fe6550.050.025Si5771.651.59Ni6400.040.02铝合金中常见元素的原子直径（原子间最紧密距离）元素原子直径Å元素原子直径ÅMg3.196V2.632Zr3.170Cu2.556Li3.039Cr2.498Sn3.022Ni2.491Cd2.979Fe2.482Ti2.890Ge2.450Ag2.888Si2.351Al2.862Mn2.240Zn2.665铝合金常加入的元素为Zn、Mg、Cu、Si、Li。•在合金中可能形成：θ－CuAl2S－Al2CuMgη－MgZn2T－Al2Mg3Zn3β－Mg2Siδ－AlLiβ－Mg2Al3铝中的主要杂质：Fe、Si为了改善合金的塑性和抗蚀性，合金中常加入Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等微量元素。三、分类、牌号和状态符号(1)我国铝及其合金过去的分类和牌号：采用汉语拼音加阿拉伯数字表示纯铝：LG工业高纯铝；L工业纯铝变形铝合金分类及牌号:（L）（类）（序号）（状态）纯铝工业纯铝含Al％工业高纯铝含Al％L199.7LG599.99L299.6LG499.97L399.5LG399.93L499.3LG299.9L599LG199.85L698.8国产变形铝合金分五大类，常见只有四大类名称牌号合金系防锈铝LF╳╳Al-Mn和Al-Mg硬铝LY╳╳Al-Cu-Mg锻铝LD╳╳Al-Mg-Si-(Cu)超硬铝LC╳╳Al-Zn-Mg-Cu特殊铝LT╳╳其它(2)美国变形铝合金牌号及状态牌号：用四位阿拉伯数字表示第一位数表示合金系（即加入最多的那种元素）第二位数表示原始合金或改进合金，0为原始合金，改进合金依次为1、2、3等最后两位数表示具体合金牌号，对于纯铝表示小数点后两位铝含量（1145－99.45％Al，1200－99.00％Al）牌号合金系1×××含Al99.00％2×××Cu3×××Mn4×××Si5×××Mg6×××Mg和Si7×××Zn8×××其它目前我国变形铝合金牌号表示方法基本与美国相同,不同之处在于第二位不用阿拉伯数字,而是用英文字母：例如：7A04、7B04状态：F－加工态（热轧、挤压）,不控制应变硬化量O－退火再结晶状态，强度最低、塑性最高W－固溶处理正在自然时效过程（不稳定）H－冷作硬化状态T－热处理状态应变硬化状态：H1－应变硬化。H2－应变硬化加不完全退火。H3－应变硬化稳定处理。H112－加工过程的应变硬化（不控制应变量）。H321－加工过程的应变硬化（控制应变量）。H116－特殊应变硬化。热处理状态：在T后附有一位或多位数。对于T状态，列出了在两次操作之间或操作之后的室温下可能发生自然时效时间。如果这段时间在冶金学上有重要意义的话，就应对这段时间加以控制。数字1～10表示处理的具体程序。T1－从高温成形过程冷却和自然时效至基本稳定的状态T2－从高温成形过程冷却，然后冷加工和自然时效至基本稳定的状态T3－固溶处理、冷加工和自然时效至基本稳定的状态T4－固溶处理，自然时效到基本稳定的状态T5－从高温成形过程冷却，然后进行人工时效的状态T6－固溶处理，人工时效到强度最高的状态T7－固溶处理，人工时效到过时效状态（稳定化处理的状态）T8－固溶处理后冷加工，然后进行人工时效的状态T9－固溶处理、人工时效、然后冷加工的状态T10－从高温成形工序冷却，然后冷加工并进行人工时效的状态TX51－通过拉伸消除应力的状态TX52－通过压缩消除应力的状态TX54－通过拉伸和压缩相结合的方法消除应力的状态第二节变形铝合金简单地说：硬铝综合机械性能好（不耐蚀）超硬铝室温强度最高锻铝热塑性好防锈铝耐蚀性好，易成形，焊接性好（强度低）一、硬铝1、一般特点较好的综合机械性能σb＝420～60MPa，σ0.2＝280～300MPa，δ＝15～17％。耐蚀性低有晶间腐蚀现象，应力腐蚀（SCC）倾向小。焊接性不好主要用于以铆钉、螺栓、点焊为连接手段的结构中。可热处理强化AlZnMg合金相图2、硬铝的组织在AlCuMg三元系合金相图铝角附近，按Mg含量增加，依次可能出现以下四个相：θ：CuAl2正方晶格S：Al2CuMg斜方晶格T：Mg32（CuAl）49立方晶格(也称CuMg4Al6)β：Mg2Al3面心立方随Mg含量增加，θ相减少，S相增加Cu/Mg≥8,主要是θ相Cu/Mg＝8～4，主要是θ＋S相Cu/Mg＝4～1.5，主要是S相，S相中Cu/Mg＝2.61θ相析出序列的GP区和θ′是圆片状S相析出序列的GP区和S′是针状强化效果：S→θ→T→β耐热性：随温度升高，S相比θ软化的慢，S相高温强化效果好。3、硬铝的合金化成分范围：Cu：2.5～6.0％，硬铝的主要成分Mg：0.4～2.8％，主要作用生成S相Mn：0.4～1.0％，消除Fe对抗蚀性的有害影响，抑制再结晶产生挤压效应，超过1％产生（MnFe）Al结晶相有时加：Ti细化铸态晶粒Be提高氧化膜的致密性，防止Mg的烧损。典型合金的化学成分：LY12（相当2024）Al－4.3Cu－1.5Mg－0.6MnLY11（相当2017）Al－4.3Cu－0.6Mg－0.6MnLY2Al－2.9Cu－2.2Mg－0.6Mn4、硬铝的热处理除生产工序中的热处理外，硬铝的主要热处理是淬火时效淬火：原则是在防止过烧、晶粒粗化、包铝层污染的前提下，尽可能采用较高的加热温度，以使强化相充分固溶，但硬铝的固溶温度范围窄，非常容易过烧。合金固溶淬火温度过烧温度LY1495~505℃535℃LY2495~505℃515℃LY6495~505℃518℃LY10510~520℃540℃LY11495~510℃517℃LY12495~503℃507℃时效：除耐热硬铝LY2合金进行人工时效，大多数硬铝都是在自然时效状态下应用。硬铝自然时效状态下的抗蚀性（晶间腐蚀）优于人工时效状态。硬铝合金易产生晶间腐蚀的原因：•含Cu的固溶体和Cu2Al相的电极电位都较高，当Cu2Al在晶界沉淀时，晶界附近出现含Cu较低的贫化带，该贫化带电极电位较低，在腐蚀介质中成为阳极，而含Cu较高的晶粒内部和析出相（Cu2Al）则为阴极。另外，晶界两侧的Cu贫化带很窄（面积小），阳极电流密度高，故遭到强烈腐蚀（即沿晶界腐蚀）。•为了改善硬铝的抗蚀性，除合金化、热处理及其它措施（阳极化、涂漆）外，在板材表面包覆一层纯度大于99.5％的纯铝。纯铝的电极电位低于基体，可起阳极保护作用。包铝层厚度一般占板材厚度的4％，厚板可减至2％。典型合金的热处理LY12：495℃WQ→自然时效6天（σb＝450MPa）或→室温停3天→190℃×10h（σb＝500MPa）不同合金自然时效硬化的能力和速度不同。5、硬铝的性能和用途按强度和用途分为：铆钉、中强、高强和耐热硬铝四大类铆钉硬铝：LY1、LY4、LY9、LY10，以线材供应。LY1（剪切强度196MPa）和LY10（剪切强度265MPa）自然时效状态工艺塑性良好，铆接时间不受限制。LY4（剪切强度286MPa）和LY9属于高强铆钉硬铝，在淬火后规定时间内铆接，LY4在2～6h内铆接，LY9在20min内铆接。中强硬铝：LY11：塑性好，以板、棒、型材应用于各种工业，在航空工业中主要用于模锻螺旋桨叶。高强硬铝：LY12：强度最高，应用最广，用于制造主要受力件。板材：飞机蒙皮、壁板。型材：飞机隔框、翼肋、长桁耐热硬铝：LY2：较好的高温性能，用于制造在较高温度（150～250℃）下工作的构件，如航空发动机内的压气机叶片。二、超硬铝（Al-Zn-Mg-Cu系合金）超硬铝是在Al-Zn-Mg合金基础上加Cu发展起来的，它的强度超过硬铝，可达600～700MPa，所以称超硬铝。第二次世界大战后，才开始大批生产和应用。调质的45钢：σb＝780～850MPaσ0.2＝450～550MPa1、Al-Zn-Mg系中强可焊铝合金特点：高的时效硬化能力；中等强度（σb＝300～450MPa）；优良的可焊性；好的热变形性和抗应力腐蚀性能；宽的固溶处理温度范围；低的淬火敏感性。相组成：工业上实际应用的Al-Zn-Mg合金成分范围处于：α＋T和α＋T＋η相区当Zn含量不变时，随Mg含量增加合金中逐渐出现→η→T相。T相：Al2Mg3Zn3，立方晶格，a＝1.429～1.471nm。η相：MgZn2，六方晶格，a＝0.521nm，c＝0.86nm。Zn/Mg＝1～4，主要是T相。Zn/Mg4，出现η相。Zn/Mg＝6～7，完全有η相组成。时效序列：无论合金是落在α＋T还是α＋η相区，实际上时效析出序列均如下：球形GP区－η`－η－Tη`是部分共格的过渡相，六方晶格，a＝0.496nm，c＝0.868nm。110℃以下主要是GP区110～140℃主要是η`160～200℃主要是η270℃以上可出现T相合金化：Zn＋Mg的总量约4.5～7.6％（wt），Zn/Mg一般在2～3.8，（MgZn2中Zn/Mg＝5.38）通常加入的微量元素：Mn0.2～0.45％，显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。Cr≤0.3％，显著提高SCR，增加淬火敏感性，产生剥落腐蚀。Zr0.15～0.3％细化晶粒，提高可焊性。Ti≤0.2％，细化晶粒，提高可焊性。Cu≤0.25％，显著提高SCR，降低可焊性。该合金不采用自然时效制度，其原因有二：①Al-Zn-Mg系合金GP区长大速度缓慢，自然时效过程需数月才能达到稳定阶段。②与人工时效比较，自然时效的抗应力腐蚀能力差。2、Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝四十年代初，人们发现在Al-Zn-Mg系合金中加入2％Cu能改善合金的塑性和抗蚀能力，再加入少量的Cr等微量元素可强烈提高抗应力腐蚀性能，从此发展了Al-Zn-Mg-Cu合金，即超硬铝。超硬铝的相组成：在Al-Zn-Mg系合金中加入Cu，主要强化仍然是η析出序列，但还可能出现S相（Al2CuMg）析出序列，当Cu含量大于2％时，还可能出现θ（CuAl2）析出序列。通常认为在125～150℃时效：Al-Zn-Mg-Cu系合金是在Al-Zn-Mg合金时效序列（GP－η`－η－T）的基础上