常用金属材料的种类、性能特点及应用.ppt

中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2022/10/28110.4 10.4 铝及铝合金铝及铝合金第十章 常用金属材料的种类、性能特点及应用 （3）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.1 10.4.1 铝及铝合金的主要特点铝及铝合金的主要特点（1）密度小、比）密度小、比强度高度高纯铝密度约为3,铝合金密度在3,约为钢铁的1/3，如3 3,比Cu、Fe及其合金轻得多。Ly12的比强度达到，常用合金结构钢40Cr的为。航空、航天器、汽车、高速磁悬浮列车、坦克装甲、建筑、交通运输等轻量化。重要的有色金属材料，产量占所有有色金属产量的近一半，在金属材料中仅次于铁。资源丰富，性能优良。美国轿车每使用铝合金零件，车重可减少。美国汽车工业的用铝量已占其全部用铝量的8%以上。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（2）导电、导热性好性好仅次于Ag、Au（金融）、Cu，远优于Fe、Ti等，在工业金属，仅次于Cu，可部分替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件。民用铝锅、电冰箱的导热部件、家庭采暖、发动机散热片等，还有电子元件的导电导热基座等。（3）工）工艺性能好性能好铸造性能好：多数铝合金为共晶系，如Al-Si铸件（活塞、气缸等）。加工：强度低，塑性好，能通过塑性加工制成各种形状的产品（挤、拉、轧、缎、冲，获得管、带、型、棒、线、板、箔等制品）。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（4）耐）耐蚀性好性好表面可生成致密的氧化膜，可起保护作用。但卤族离子和碱离子会破坏氧化膜。液态天热气输运管道、输油管道、冷冻装置。（5）热膨膨胀系数大系数大为不锈钢、铜、黄铜的约倍，与其它金属联接、铆接、复合时，热膨胀系数差值较大，产生大的内应力，以变形。但Al-Si系合金与显微强化的铝材的膨胀系数较低。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（6）低温性能好）低温性能好铝和铝合金无低温脆性，强度与塑性军虽温度的下降而升高，即使在超低温范围内也不出现类似普通钢的低温脆性。适合于天然液化气装置、液氧储存容器。另外，高纯铝在极低温度下导电率比铜的高，可作超导体的稳定材料。（7）无磁性、冲）无磁性、冲击无火花无火花几乎不受电磁场影响，且无磁性，用于罗盘、抛物面天线、电子计算机存储磁盘等。电气屏蔽、易燃易爆物生产器材或容器。（8）核性能）核性能热中子吸收面积小，在放射线作用下，性能变化不敏感。用于反应堆的工艺管、元件包壳材料、以及浓缩铀的离心分离筒、机械手、加速器、热核反应超真空装置等。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（9）力学性能）力学性能常规力学性能随合金种类与状态不同，变化范围宽，抗拉强度为50800 MPa，屈服强度为10700MPa，延伸率为250%。主要结构材料的刚性大至于其密度成正比，与合金成分和状态没多大关系。弹性模量变化不大，大致为78x104MPa。疲劳强度较低，但低温下，相对于其它金属，其疲劳强度较高。日本超级铝抗拉强度指标为1000MPa。（10）表面性能）表面性能铝及铝合金有良好的表面处理性能。如6063、6064 锻铝通过阳极氧化处理可在表面形成一层透明的氧化膜，并可着上各种颜色。可作装饰用材（门窗等）。特殊处理后可选择性的吸收太阳光，提高吸收太阳能的效率，作太阳能装置。还可由硬质氧化处理提高耐磨性。阳极氧化还可以赋予合金电绝缘性、亲水性、润滑性等。(11)反射能力反射能力强白光、红外、紫外线、电磁波、热辐射。导弹干扰铝箔中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.2 10.4.2 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理纯铝强度低，b=80-100MPa，=30-50MPa，=35-40%，HB=25-30，即使是冷变形60-80%，b=150-180MPa，但=1-1.5%，难以满足需要，需合金化。（1）提高）提高强度的途径度的途径加工硬化固溶强化相变强化（钢）弥散强化（第二相强化）细晶强化因此，从合金化的角度看，强化铝合金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。合金化的考虑：以所需的性能要求和成本要求为中心中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（2 2）常见合金化元素）常见合金化元素合金元素在铝中的极限固溶度（at%）ZnAgMgGeCuLiSiMnTiCrVZrFe28.813.813.52.72.41.631.590.90.740.40.210.080.025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；（加入量1at%）Zr、V、Cr、Ti，有时也包括Mn，可作辅加元素，起细晶、补充强化、提高再结晶温度、改善抗蚀性（Be）等作用；与铝形成包晶系。Fe、Si通常在变形铝合金中为杂质，但在Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Fe-V-Si等中例外。新技术的发展，如快速凝固、机械合金化等有可能改变元素的固溶量和作用。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院铝合金添加合金元素的溶解铝合金添加合金元素的溶解元素在铝合金中的溶解受其固态结构结合力破坏和原子在铝中扩散速度的控制。可用铝合金相图大致确定，通常与铝形成易溶共晶的元素溶解较快，形成包晶的元素溶解慢。如Al-Mg,Al-Zn,Al-Cu,Al-Li等为共晶系，易熔炼，元素直接添加；Al-Si,Al-Fe,Al-Be 等虽存在共晶反应，由于熔点差别大，溶解慢，需较大过热才能完全溶解；Al-Ti,Al-Zr,Al-W,Al-Nb 等为包晶体系，熔点相差大，组元应以中间合金形式添加。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（3）铝及铝合金分类铝及铝合金分类铝铝及及铝铝合合金金纯 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系流动性好、填充性好、抗冷热裂共晶体较多中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院合金元素加入到铝中后可能产生的强化相合金元素加入到铝中后可能产生的强化相Al-Cu:CuAl2()Al-Mg:Al3Mg2()该相沉淀强化作用不大，易在晶界析出Al-Mn:MnAl6()有一定弥散强化作用Al-Si:Si 一般要变质处理是针状Si变粒状。合金流动性好Al-Cu-Mg:,CuMgAl2(S),Mg32(Al,Cu)49(T).Mg增加,S增多Al-Mg-Si:Mg2Si()Al-Zn-Mg-Cu:MgZn2(),Al2Mg3Zn3(T),Mg32(Zn,Al)49Al-Li:AlLi(),Al2CuLi(T),Al2MgLi另外，美国空军70年代发展的合金0812和1212耐热铝合金中的Al12(Fe,V)3Si。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.3 中国铝及铝合金牌号与状态符号（旧中国铝及铝合金牌号与状态符号（旧)铝铝及及铝铝合合金金牌牌号号纯纯 铝铝铝铝合合金金高 纯 铝L0X L01(99.93%),L02,L03,L04(99.996%)工业 纯铝Lx L1(99.85%),L2,L3,L4,L5,L6(98.8%)硬 铝LYxx LY11(AA2017,2A11),LY12(AA2024,2A12)锻 铝LDxx LD30(AA6061,6A30),LD7(AA2618,2A07)超硬铝LCxx LC4,LC9(AA7075,7A04)Al-Si系 ZL1xx ZL101-ZL111防锈铝LFxx LF21(AA3004,3A21),LF6(AA5083,5A06)变变形形铝铝及及铝铝合合金金铸铸造造铝铝合合金金Al-Zn系 ZL4xx ZL401-ZL402Al-Mg系 ZL3xx ZL301-ZL302Al-Cu系 ZL2xx ZL201-ZL203稀土元素：高熔点化合物、固溶强化、弥散、变质、细化晶粒、改善铸造性能、净化熔体、提高耐蚀性中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院问题:合金发展快，加工状态繁多，体系僵硬，已跟不上形势引进，消化，吸收，发展（创新）引进，消化，吸收，发展（创新）俄罗斯、美国俄罗斯、美国中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.4 美国美国AAA标准合金牌号标准合金牌号变形铝合金牌号牌号中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院铸造铝合金牌号牌号Al99.00%1XXXAl-Cu 2XXXAl-Si 4XXXAl-Mg 5XXXAl-Zn 7XXXAl-Sn 8XXX中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院美国铝及铝合美国铝及铝合金状态符号金状态符号中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院状态符号解释状态符号解释W:固溶处理状态H195,H284T77511中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院美国AAA标准状态符号热加工(T1)冷 加 工时效(T5)退火(O)中间退火冷加工固溶处理冷 加 工(T3)时效(T8)自然时效(T4)时效(T6)稳定化处理（过时效）(T7)人工时效(T10)自然时效(T2)冷加工(T9)状态分得细致，往往在状态符号后加一些数值，如T31,T36等表示T3中的冷变形量为1%，6%。热处理可强化铝合金中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.5 中国铝及铝合金牌号与状态符号（新）中国铝及铝合金牌号与状态符号（新）在我们国家1XXXX主加元素数字美国LF21(AA3004,3A21)LF6(AA5083,5A06)LY11(AA2017,2A11)LY12(AA2024,2A12)LD30(AA6061,6A30)LD31(AA6063,6A31)LD7(AA2618,2A07)LC9(AA7075,7A04)A原有合金B、C、D改进型E.g.2214,2017A,2B70,4A01 etc对于铸造铝合金，有铸造方法标志：ZL前加S、J、R、K、Y，分别表示砂型、金属型、熔模、壳型、压力中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院10.4.6 10.4.6 几种铝合金简介几种铝合金简介Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系合金：系合金：硬度、强度高，故称硬铝。可热处理强化。和S 相同时出现时强化效果最好，但用于高温结构时，由于S 相更稳定，因而采用人工时效获得主要以S相强化的合金；室温使用时采用自然时效。硬铝耐蚀性差，因为两强化相均为阴极。代表Ly11(2014),Ly12(2024)前者以强化为主；后者以S 相为主，易过烧。这类合金存在的问题是凝固时易出现非平衡组织，须均匀化；有挤压效应；抗蚀性差，型材、管材等采用阳极氧化或涂漆以提高抗蚀性。美国80年代开发装甲用2519合金，抗应力腐蚀。我国只是近来才开始研究用于装甲的铝合金。2124合金厚板用于制造飞机结构件，2419用于高温结构和高强焊件；2224挤压件、2324厚板与薄板用于波音767部分结构件；2219合金用于火箭燃料箱（美国雷神和土星II号火箭上用）。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al-Zn-Mg-(Cu)Al-Zn-Mg-(Cu)系：系：含铜小于0.3%时，中强可焊铝合金，抗拉强度约400MPa，国内无牌号，基本仿制。一般情况下，Zn+Mg 量小于7%，还可加微量Mn,Cr,Zr 等元素，抗应力腐蚀，焊接性好；若Zn+Mg高于7%，强度虽可提高，但焊接性差。人工时效，淬火性好，可空冷淬火。如：7004，7039等。含铜量高于0.3%时，硬度特别高，故称超硬铝。铜的加入可显剧提高塑性和抗应力腐蚀性能，抵消了由于Zn+Mg 的高含量带来的塑性与抗蚀性损失。挤压效应。铜的作用为：SSS、强化相S 的生成、降低晶内与晶界电位差。其中7049锻件、挤压件、板，7149和7479锻件用于飞机结构件，7475薄、厚板用于机身、翼皮、梁、子弹壳；7050用于起落架等。7039装甲。欧共体的阿娜亚火箭的燃料箱用Al-Zn-Mg合金制造。航母上有时7055-T74511，7150-T77511，7249-T76511代替7075-T6。特点：主强化相为，GP ；塑性低，高温稳定性差；分级时效（GP区形成慢），过时效（抗疲劳、应力腐蚀）；为进一步提高抗蚀性，包Al-Zn合金，或阳极氧化着色；有挤压效应，用于大型骨架承力件。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al-Mg-SiAl-Mg-Si系合金：系合金：如6013：Al-(0.6-1.1)Cu-(0.6-1.0)Si-(0.8-1.2)Mg-(0.2-0.8)Mn，由美国铝业公司1983年研制成功，广泛用于飞机、汽车结构件，如美国海军反潜战斗机、巡逻机P-7A用6013-T6薄板取代包铝的2024-T3作蒙皮。我国仿制。该类合金锻造性好，对应力腐蚀不敏感，时效过程缓慢因而采用人工时效。强度中等、耐蚀性、焊接性、加工性良好。如果Mg 含量过剩（对于生成Mg2Si 而言）会降低Mg2Si 在铝中的溶解度导致时效效果降低。Mg2Si含量高增加淬火敏感性。常见合金6063，作建筑及装饰材料，工艺简单，淬火敏感性地，可空气中淬火。在6063中加少量Cu和Cr获得6061合金，时效后强度更高，但淬火敏感性增加，挤压后须重新固溶水中淬火。该类合金有停放效应（淬火后室温停留会降低随后的人工时效强化效果）。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al-LiAl-Li合金：合金：由于其轻质，是航空航天工业大力发展的一类合金。20世纪20年代初，德国首先研制成功含Li的Al合金Scleron，典型成分为，强度性能比硬铝高，屈服强度达520MPa。1957年美国铝业公司开发出Al-Cu-Li 系2020合金，用于制造侦察机主翼的上下蒙皮。苏联随后60年代也发展了类似的合金O1420（Al-Mg-Li系列)。我国60年代初研制成功Al-Cu-Li系合金S141，80年代研制出中强可焊的 和高强Al-(1.9-2.4)Li-2.0-24)Cu-(1.0-1.5)Mg-(0.1-0.13)Zr合金。问题：韧性低（在室温长时或较高温短时停留）、缺口敏感、晶间脆性、生产困难。一度中断。70年代中期以后，由于石油危机，又受重视，注重高强、低密度、高弹性模量。1971年英国Fulmer研究所研制成功Al-Mg-Li-Zr合金。Li添加入Al中，每增加1%Li，合金密度降低约3%，比刚度提高9%左右。该合金裂纹扩展慢。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al-Li合金时效的基本过程：S.S(Al3Li)(AlLi)Al-Mg-Li:S.S(Al3Li)(AlLi)Al2MgLiAl-Cu-Li:(Al3Li)(AlLi)T1-Al2CuLiGP与基体共格，呈球状，为L12结构；属NaCl结构，以粗大粒子在晶内与晶界不均匀沉淀，是强度下降。可独立形核，也可由相转变而成。生产中，传统的熔铸工艺不易控制，由于Li容易氧化烧损、熔体吸氢、与炉衬反应，形成气孔和夹杂降低合金的塑性与韧性。目前采用快凝+粉末冶金方法。Mg不溶于T1-Al2CuLi中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al-Li合金韧性低的原因及防止方法合金韧性低的原因及防止方法沉淀相与母相共格强化。一旦被位错切割，共格部分截面积减小，以后的位错便容易沿此面滑移并堆积，引起应力集中，造成裂纹。无沉淀带：时效后期，沿晶界沉淀。晶界脆化：吸氢、钠防止局部优先变形：均匀脱溶，弥散强化防止应力集中：欠时效，形变热处理，晶粒细化防止晶界脆化：净化熔体，加微量Bi减少晶内应力集中中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院防锈铝：代表防锈铝：代表LF6LF6，LF21LF21Al-Mg系变性件，不可热处理强化，焊接性好；Mg在铝中的溶解度大，牌号多；添加少量铬、锰，改善抗蚀性和可焊性；通常以退火态或加工硬化态使用；仅在相沿晶内或晶界均匀分布才显示高抗蚀性；冷作硬化后在室温会出现时效软化，低温稳定化处理。Al-Mn系仅有一个牌号LF21，含Mn=1.0-1.6%；由于锰在铸锭中的偏析，板材易产生退火粗晶；以退火、半硬、硬态提供使用。