铝合金基础知识

工业生产用量仅次于钢铁，居有色金属首位。

特点：质轻，比强度和比刚度高，导电导热性好，耐腐蚀。

应用：宇航、航空等工业的主要原材料，建筑、运输、电力等各个领域。 1.纯铝 纯铝的特性:

纯铝呈银白色，密度2.7g·cm-3，熔点660℃，面心立方，无同素异构转变； ●导电、导热性能好；

●化学性质活泼，大气中生成致密氧化膜，防止继续氧化，大气中耐蚀性好； ● 碱、盐和大多数酸性溶液(如硫酸、盐酸等)中，易被腐蚀。 ●易于加工制成各种制品。

●铝中常含许多杂质（主要是铁、硅，还有铜、锌、镁、锰、镍和钛等），随 杂质含量↑，纯铝强度↑，导电性、耐蚀性和塑性↓ 纯铝的牌号及用途:

牌号: “铝” 拼音第1字母“L”加一顺序号 高纯Al：LG5－1，LG5纯度最高 工业纯Al：L1－6， L6纯度最低

纯铝不能热处理强化，唯一手段是冷加工硬化，强度低。 用途: 主要用作导电、导热材料，制备铝合金和用于化学工业。 2. 铝的合金化

纯铝强度、硬度都很低，难以用作工程结构材料。铝中适量加入某些合金元素，再经冷变形或热处理，可大幅度↑其力学性能（主要是强度、硬度）。 固态铝无同素异构转变，不能像钢一样借助于热处理相变强化。合金元素的强化作用主要为固溶强化、沉淀强化、过剩相强化和细化组织强化。 固溶强化：

合金元素加入纯Al中，形成铝基固溶体，使晶格发生畸变，↑位错运动阻力，↑强度。

合金元素的固溶强化能力与其本身性质及固溶度有关，总体讲固溶强化效果不高，因此铝的强化不能只依靠固溶强化。

用途: 主要用作导电、导热材料，制备铝合金和用于化学工业。

沉淀强化 : 主要强化手段，基体中造成较强烈应变场，↑位错运动阻力。 通过热处理（固溶时效）析出沉淀相实现强化，也称时效强化。 条件：①合金元素在铝中有较高的极限溶解度和明显的温度关系；

②沉淀过程中形成性能好、均匀、弥散的共格或半共格过渡强化相。 Cu、Mg、Zn、Si、Li等主加元素在铝中均有较高溶解度，并随温度↓而急剧↓，但除铜外，与铝形成的沉淀相或因共格界面错配度低使应变场较弱，或因预沉淀

阶段短，很快与基体丧失共格关系而形成非共格平衡相，难以充分满足上述沉淀强化条件。因此通常在二元铝合金中加入第三或第四组元，如Al-Cu-Mg、A1-Mg-Si、A1-Zn-Mg、Al-Li-Cu、A1-Cu-Mg-Zn、A1-Cu-Mg-Si、A1-Li-Cu-Mg等，形成好的沉淀强化相。 过剩相强化:

过剩相：铝中合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时一部分不能溶入固溶体而形成的第二相。

过剩相多为硬而脆的金属间化合物，起阻碍位错滑移和运动的作用，合金强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。过剩相在一定限度内，数量越多强化效果越好，但超过该限度时，合金由于过脆反而使强度急剧↓。

过剩相强化是二元铝硅合金的主要强化手段，过剩相为硅晶体。随硅含量↑，硅晶体数量↑，合金强度、硬度相应↑；当硅含量超过共晶成分时，由于过剩相数量的过多以及多角形的板块初晶的出现，导致合金的强度和塑性急剧↓，因此二元铝硅合金中的含硅量一般不宜超过其共晶成分太多。 细化组织强化:

包括细化基体(包括细化晶粒、亚结构及增加位错密度)和细化过剩相。 沉淀效果不大的铝合金，常采用加入微量合金元素进行变质处理细化组织。如铝硅合金中加微量钠、钠盐或锑细化组织，可使塑性、强度显著↑。 可沉淀强化铝合金，加微量钛、锆、铍或稀土形成难熔化合物，作为非自发晶核细化基体晶粒；同时微量元素在沉淀强化处理时，溶入基体强烈↑铝合金再结晶温度，并呈弥散第二相析出，有效阻止再结晶过程及晶粒的长大。 此外，还可采用快速冷却的方法，增加合金的过冷度，来细化晶粒。 形变热处理:

变形强化与热处理强化相结合，即↑强度，又↑塑韧性，这种方法非常适合于沉淀强化相的析出强烈依赖于位错等晶体缺陷的铝合金。

Al合金中常用的合金元素Cu：通过固溶、沉淀强化强烈↑合金的室温强度； ↑耐热性。

高强度铝合金及耐热铝合金的主要合金元素。 Mg：固溶强化效果较好，↓密度，具有良好的抗蚀性； 沉淀强化效果小，须与其它元素配合加入。

Mn：固溶度较低。产生的MnAl6相与Al电位相近，抗蚀性好，防锈铝合金中 常加Mn。

Si： 固溶度较低，且沉淀强化效果不大，主要借助于过剩相强化。

二元Al-Si系合金共晶点较低，易于铸造，是铸造铝合金基础成分。 Si和Mg可形成强化效果好的Mg2Si沉淀相。

Zn：铝中溶解度很大，固溶强化能力强，少量锌即能↑铝合金强度及抗蚀性。 多元铝合金中锌易形成沉淀强化相，显著↑合金的沉淀强化效果。 Li： 近年来引起普遍关注的重要铝合金添加元素。

↓↓铝合金密度，显著↑弹性模量。固溶强化能力有限，但时效甚至淬火

中迅速形成的A13Li有序沉淀相，强化能力很强。

此外：铝合金中还常加入钛、锆、铬、钒等微量元素，以改善合金综合性能， 稀土在铝合金中的应用正逐渐扩大，其作用为↑成分过冷度，细化 晶粒，球化杂质相，降低熔体表面张力，增加流动性，改善工艺性能等。

3. 铝合金的分类

铸造铝合金：成分接近共晶，铸造性能好，塑性差，直接铸造成各种形状复杂件 变形铝合金：成分不超过极限溶解度，塑性好，铸造后塑性加工成材，可热处理合金，不可热处理铝合金

据合金元素不同变形铝合金分为如下系列，采用4位字符表示牌号： 1系合金，纯铝

2系合金：以铜为主要元素 3系合金：以锰为主要合金元素 4系合金：以镁为主要元素 6系合金：以镁、硅为主要元素 7系合金：以锌为主要元素

4．铝合金的热处理 退火： 再结晶退火

经变形的工件加热到再结晶温度以上，保温后空冷，消除加工硬化，改善合金塑性，以便继续成形加工。 低温退火

再结晶温度以下保温后空冷，目的是消除内应力，适当↑塑性，利于随后进行小变形量成形加工，同时保留一定的加工硬化效果。是不可热处理强化铝合金通常采用的热处理方法。低温退火的温度一般在180—300℃。 均匀化退火

即扩散退火，消除铝合金铸件成分偏析及内应力，↑塑性，↓加工及使用过程中变形开裂倾向，通常在高温长时间保温后炉冷或空冷。要进行时效强化处理的铸件，均匀化退火可与固溶处理合并进行，因淬火加热时即可实现均匀成分和消除应力的目的。 固溶处理：

加热到固溶线以上保温后快冷，得溶质和空位双重过饱和固溶体，为后续时效作准备。固溶后，塑性、耐蚀性显著↑，强度↑不大。固溶应注意： 1) 温度范围很窄，加热温度必需超过固溶线，但过高又会引起过热或过烧。 2) 加热一般用盐炉或炉气循环电炉以精确控制炉温。冷却介质最常用的是水。 3) 注意加热温度和保温时间，防止晶粒长大。 时效处理：

时效：淬火后的铝合金过饱和固溶体在一定温度下随时间增长而分解，沉淀强化相从过饱和固溶体中的析出和长大，合金强度和硬度升高的现象。 室温下合金自发时效称为自然时效，人工温度下进行的时效称人工时效。 最大时效强化效果对应于过饱和固溶体分解出共格或半共格亚稳平衡过渡相，亚稳相的数量越多，弥散度越大，强化效果就越大。

欠时效：合金强度不发生变化或变化很小，为过饱和溶质原子偏聚或亚稳 相孕育析出时期；

峰时效：合金获得增强效果最大的阶段，组织中强化相多为亚稳平衡相； 过时效：亚稳相转变为平衡相，与基体脱离共格关系，应力场显著↓，合 金明显软化 。

时效沉淀序列：

过饱和固溶体→过饱和原子富集区→过渡沉淀相(亚稳平衡相) →平衡沉淀相 时效强化的影响因素： 化学成分：

铁、镍基本不溶于铝；硅、锰在铝中溶解度很小；镁、锌虽然溶解度较大，但与铝形成的化合物强化效果弱。因此，A1-Fe、A1-Ni、Al-Si、Al-Mn、A1-Mg、

A1-Zn等一般不进行时效处理。若合金元素可在时效过程中形成结构复杂的GP区，并引起基体畸变，进而形成稳定的强化相，如CuAl2等，就可起到较大的强化效果。 化学成分：

铁、镍基本不溶于铝；硅、锰在铝中溶解度很小；镁、锌虽然溶解度较大，但与铝形成的化合物强化效果弱。因此，A1-Fe、A1-Ni、Al-Si、Al-Mn、A1-Mg、A1-Zn等一般不进行时效处理。若合金元素可在时效过程中形成结构复杂的GP区，并引起基体畸变，进而形成稳定的强化相，如CuAl2等，就可起到较大的强化效果。 时效方式

单级时效：最简单、普遍采用，但组织均匀性差，难于获得良好综合性能。包括自然时效和人工时效。铝合金自然时效以GP区强化为主，塑性较高，强度较低；人工时效以过渡沉淀相强化为主，强度较高，塑性较差。

分级时效：不同温度下进行两次时效或多次时效处理，分为预时效和最终时效。预时效温度一般较低，目的是形成高密度的GP区；最终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度达到预期性能要求。因此分级时效可获得好的综合性能。 铝合金的回归现象：

自然时效后的铝合金，在200～250℃作短时间加热后快冷至室温，性能恢复到淬火状态，并能进行自然时效的现象称为回归。

回归原因：当加热到稍高于GP区固溶线的温度时，通过时效而形成的小尺寸GP区不稳定而迅速溶解，但由于保温时间短，过渡相与稳定相来不及形成，此时将合金快冷到室温，则又恢复到新淬火状态。

回归现象在生产中具有重要意义，如时效后的铝合金工件，可在回归后的塑性状态进 行各种冷变形操作。

一切能时效强化的铝合金，大都有回归现象，且同一合金可进行多次回归，但每次回归后强度有所下降，抗蚀性↓。 铝合金的晶界无沉淀带现象：

人工时效后在晶界附近存在没有沉淀相的区域，称无沉淀带或无析出带。沿晶界两侧形成无沉淀带，析出粗大的第二相质点，在合金基体上生成极细的GP区或过渡相，无沉淀带的宽度随合金成分和热处理工艺不同而变化。 原因：①淬火加热使空位浓度↑，快冷后溶质原子和空位过饱和。晶界是空位的理想陷阱，过饱和固溶体在放置及加热中空位进入晶界，使晶界两侧出现空位贫乏带，此处溶质原子扩散速度小，时效时不能形成GP区或沉淀相。②淬火速度较慢时，晶界两侧的溶质原子扩散至晶界，直接在晶界形成过渡相，使晶界附近

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