先进金属结构材料-铝合金2012.pdf

先进金属结构材料先进金属结构材料 Advanced metallic structural materials 铝合金及其应用铝合金及其应用 北京航空航天大学材料学院北京航空航天大学材料学院 School of materials science and engineering,BUAA 李树索李树索 82314488 E-mail 主要内容主要内容 简介简介 一、一、工业纯铝工业纯铝 四、铝合金的分类四、铝合金的分类 二、铝合金的合金化原理二、铝合金的合金化原理 三、铝合金的热处理三、铝合金的热处理 五、铝合金的应用与发展五、铝合金的应用与发展 铝是一种轻金属铝是一种轻金属，其化合物在自然界中分布极广其化合物在自然界中分布极广，地地壳中铝的含量约为壳中铝的含量约为8.8（重量重量），仅次于氧和硅仅次于氧和硅，居居第三位第三位。就金属元素而言就金属元素而言，铝则居第一位铝则居第一位。铝被世人称为铝被世人称为第二金属第二金属，其产量及消费仅次于钢铁其产量及消费仅次于钢铁。自然界已知的含铝矿物有自然界已知的含铝矿物有258种种，其中常见的约其中常见的约43种种，最重要的含铝矿石有铝土矿最重要的含铝矿石有铝土矿、明矾石明矾石、霞石等霞石等。实际实际上上，由纯矿物组成的铝矿床是没有的由纯矿物组成的铝矿床是没有的，一般都是与其一般都是与其它脉石矿物共生分布它脉石矿物共生分布，并混有杂质并混有杂质。用于提炼金属铝的主要是一水硬铝石用于提炼金属铝的主要是一水硬铝石、一水软铝石或一水软铝石或三水铝石组成的铝土矿三水铝石组成的铝土矿。简简 介介 简简 介介 世界上铝土矿资源总量约在世界上铝土矿资源总量约在400500亿吨亿吨，储量在储量在10亿吨以上的国家有澳大利亚亿吨以上的国家有澳大利亚（79亿吨亿吨）、几内亚几内亚（59亿吨亿吨）、巴西巴西（29亿吨亿吨）、牙买加牙买加（20亿吨亿吨）及印度及印度（12亿吨亿吨）等等，这些国家的铝土矿占世界铝这些国家的铝土矿占世界铝土矿总储量的土矿总储量的73。我国铝土矿的资源在世界上属于比较丰富的我国铝土矿的资源在世界上属于比较丰富的国家之一国家之一，但分布高度集中但分布高度集中，山西山西(41.6%)、贵州贵州(17.1%)、河南河南(16.7%)和广西和广西(15.5%)四四省区的储量合计占全国总储量的省区的储量合计占全国总储量的90.9%。电解法电解法 2Al2O3 4Al3O2 冰晶石熔融冰晶石熔融 铝的问世是在铝的问世是在1825年年，虽然时间不长虽然时间不长，但发展很快但发展很快。铝的冶炼有铝的冶炼有两种方法：化学冶炼法和电解法两种方法：化学冶炼法和电解法。简简 介介 化学法：化学法：1825年年，德国人德国人F.Wohler用钾还原无水氯化铝制的金属铝用钾还原无水氯化铝制的金属铝。1845年年，法国人法国人H.S.Deville用钠还原用钠还原NaCl AlCl3混合物也混合物也得到金属铝得到金属铝，并建厂炼铝并建厂炼铝。目前主要的工业生产方法目前主要的工业生产方法 低碳钢低碳钢 低合金钢低合金钢 高合金钢高合金钢 铸铁铸铁 铝合金铝合金 相对密度相对密度 1.0 1.0 1.0 0.92 0.35 相对比相对比 1.0 1.6 2.5 0.60 1.8 强度极限强度极限 相对比相对比 1.0 1.7 4.2 0.70 2.94.3 屈服极限屈服极限 相对比刚度相对比刚度 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5 力学性能性能特点力学性能性能特点 铝合金密度小铝合金密度小、延性好延性好、耐腐蚀耐腐蚀、易加工易加工、价格便宜价格便宜。因此因此，几乎从三十年代开始几乎从三十年代开始，人们就企图用铝合金建造飞机人们就企图用铝合金建造飞机。长期以来长期以来，铝合金一直被大量用于制造飞机机体和运载火箭铝合金一直被大量用于制造飞机机体和运载火箭箭体结构箭体结构。铝合金在航空航天领域的应用铝合金在航空航天领域的应用 近年来近年来，纤维增强树脂基复合材料在飞机机体和运载火箭箭纤维增强树脂基复合材料在飞机机体和运载火箭箭体结构的应用日益增多体结构的应用日益增多，但是铝合金至今仍是飞机机体和运但是铝合金至今仍是飞机机体和运载火箭箭体结构的主要结构材料载火箭箭体结构的主要结构材料。铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约为铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约为7080，在军在军用飞机结构上的用量约为用飞机结构上的用量约为4060。在最新型的在最新型的B777客机上客机上，铝合金占机体结构重量的铝合金占机体结构重量的70。一些最新型的军用飞机一些最新型的军用飞机（F22，B2）结构上大量应用纤维增结构上大量应用纤维增强树脂基复合材料和钛合金强树脂基复合材料和钛合金，铝合金用量已降到铝合金用量已降到20以下以下。铝：会飞的金属！铝：会飞的金属！一、工业纯铝一、工业纯铝 一、工业纯铝一、工业纯铝 具 有 银白 色 金属 光 泽具 有 银白 色 金属 光 泽，密 度密 度 2.72g/cm3，熔点熔点660.24，具有具有良好的导电和导热性良好的导电和导热性，其导电性仅其导电性仅次于银和铜次于银和铜，约为铜导电率的约为铜导电率的62%。目前在电器工目前在电器工业中大量用铝代替铜制作导线业中大量用铝代替铜制作导线。铝在大气中具有优良的抗蚀性铝在大气中具有优良的抗蚀性。纯铝在空气中易氧纯铝在空气中易氧化化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜密的氧化膜，因此具有良好的因此具有良好的抗大气腐蚀性能抗大气腐蚀性能。铝及其合金也易进行阳极氧化处理铝及其合金也易进行阳极氧化处理，表面形成一层表面形成一层坚固的坚固的、各种色彩的各种色彩的、美观的保护膜美观的保护膜，可起到装饰可起到装饰与保护与保护 作用作用。精铝及产品精铝及产品 纯铝具有纯铝具有面心立方面心立方（fcc）结构结构，具有极好的塑性和具有极好的塑性和较低的强度较低的强度(纯度纯度99.99%时时，b45MPa，50%)，良良好的低温性能好的低温性能(-235塑性和冲击韧度也不降低塑性和冲击韧度也不降低)，冷冷变形加工可提高其强度变形加工可提高其强度，但塑性降低但塑性降低。铸铸、压力加工压力加工、焊和切削加工性能具佳焊和切削加工性能具佳。工业纯铝中含有少量铁工业纯铝中含有少量铁、硅等硅等杂质元素杂质元素，杂质含量增杂质含量增加加，其导电性其导电性、抗蚀性及塑性都降低抗蚀性及塑性都降低。一、工业纯铝一、工业纯铝 按纯度：按纯度：高纯铝高纯铝、工业高纯铝工业高纯铝、工业纯铝工业纯铝 高级纯铝高级纯铝（铝的含量铝的含量99.93%-99.999%）、工业高纯铝工业高纯铝（铝的含铝的含量量99.85%-99.90%）、工业纯铝工业纯铝（铝的含量铝的含量98.0%-99.7%）高纯铝：有高纯铝：有L05L01五种五种，数字越大数字越大，纯度越高；纯度越高；工业高纯铝：有工业高纯铝：有LG5LG1五种五种，数字越大数字越大，纯度越高；纯度越高；工业纯铝：有工业纯铝：有L1L7七种七种，数字越小数字越小，纯度越高纯度越高 用途：用途：工业纯铝的主要用途是配制铝合金工业纯铝的主要用途是配制铝合金，高纯铝主要用高纯铝主要用于科学试验和化学工业于科学试验和化学工业。纯铝还可用来制造导线纯铝还可用来制造导线、包覆材包覆材料料、耐蚀和生活器皿等耐蚀和生活器皿等。一、工业纯铝一、工业纯铝 二、铝合金的合金化原理二、铝合金的合金化原理 合金化元素的介绍合金化元素的介绍 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al与与Cu、Mg、Zn、Mn、Li、Ni在靠在靠Al一边形成共一边形成共晶反应晶反应，和和Fe、Ti形成包晶形成包晶，在在Al-Pb系中出现偏晶系中出现偏晶反应反应。在在 Al中中，固溶度以固溶度以Zn、Mg、Cu最大最大，Mn、Si、Ni、Ti、Cr次之次之，以以Pb最小最小。合金中的合金中的Cu、Li、Si等元素及合金中的化合物等元素及合金中的化合物Mg2Si、MgZn2、S（CuMgAl2）相随温度变化固溶度有较大相随温度变化固溶度有较大的变化的变化，所以经淬火及时效后合金显著强化所以经淬火及时效后合金显著强化。1系合金是未合金化系合金是未合金化 2系（系（Al-Cu）3系（系（Al-Mn）4系（系（Al-Si）5系（系（Al-Mg）6系（系（Al-Mg-Si）7系（系（Al-Zn-Mg）8 系（系（Al-Li）（Al99）热处理时效硬化高强铝合金热处理时效硬化高强铝合金 冷加工硬化型铝合金冷加工硬化型铝合金 铸造铝合金铸造铝合金 加工硬化型铝合金加工硬化型铝合金 热处理合金热处理合金 热处理高强度铝合金热处理高强度铝合金 国际合金标示系统命名变形铝合金（国际合金标示系统命名变形铝合金（IADS）铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al-Cu二元相图二元相图 A ssessed A l-C u phase diagram.Cu：高强及耐热铝合金的主要合金元素高强及耐热铝合金的主要合金元素。固溶强化和沉淀强化固溶强化和沉淀强化。Cu与其它元素能产生与其它元素能产生强化相强化相S 而提高合金的强度而提高合金的强度。同时同时，Cu能降低晶界与晶内电位差能降低晶界与晶内电位差，还可以还可以细化晶界沉淀相细化晶界沉淀相，但对晶间无析出带的宽度影但对晶间无析出带的宽度影响较小响较小，它可抑制沿晶开裂的趋势它可抑制沿晶开裂的趋势，因而改善因而改善了合金的抗应力腐蚀性能了合金的抗应力腐蚀性能。Cu还可以提高周期应变疲劳抗力和断裂韧性还可以提高周期应变疲劳抗力和断裂韧性。合金化元素的作用合金化元素的作用 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al-Mg二元相图二元相图 A ssessed A l-M g phase diagram.Mg：共晶温度下共晶温度下Mg在在Al中的最大溶解度为中的最大溶解度为17.4%。虽然合金中虽然合金中Mg的溶解度随温度降低而迅速减少的溶解度随温度降低而迅速减少，但由于析出但由于析出相形核困难相形核困难，核心少核心少，析出颗粒大析出颗粒大，因而合金的时效强化效因而合金的时效强化效果差果差。Mg在在Al可形成可形成(Mg2Al3)相相，起弥散强化作用起弥散强化作用。随着随着Mg含量的提高含量的提高，合金强度提高合金强度提高、塑性下降塑性下降。当当Mg含量大于含量大于3.5%时时，第二相第二相(Mg5Al8、Mg2Al3)可能沿晶可能沿晶界界、亚晶界析出亚晶界析出，第二相第二相相对基体相对基体(l)来说是阳极来说是阳极，优先优先发生腐蚀发生腐蚀，使合金具有很大的晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性使合金具有很大的晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性。合金化元素的作用合金化元素的作用 A ssessed A l-M n phase diagram.铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al-Mn二元相图二元相图 Mn：固溶强化有限固溶强化有限，不能沉淀强化不能沉淀强化 （Mn，Fe）Al6相粗大相粗大,避免出现避免出现 MnAl6:抗蚀性抗蚀性，提高再结晶温度提高再结晶温度 合金化元素的作用合金化元素的作用 A ssessed A l-Z n phase diagram.铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al-Zn二元相图二元相图 Zn：Zn和和Mg是主要强化元素是主要强化元素，它们共同存在时会形成它们共同存在时会形成（MgZn2）和和T（Al2Mg2Zn3）相相。相和相和T相在相在Al中溶解度很大中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化且随温度升降剧烈变化，MgZn2在共晶温度下溶解度达在共晶温度下溶解度达28，在室温下降低到在室温下降低到45，有很强的时效强化效果有很强的时效强化效果。Zn和和Mg含量的提高可使强度含量的提高可使强度、硬度大大提高硬度大大提高，但会使抗应但会使抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低力腐蚀性能和断裂韧性降低。合金化元素的作用合金化元素的作用 A ssessed A l-Si phase diagram.铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 Al-Si二元相图二元相图 Si：在铝中溶解度小在铝中溶解度小，过剩相强化过剩相强化，可析出单质可析出单质Si也也可与其它元素形成含硅化合物可与其它元素形成含硅化合物。铸造用基础合金铸造用基础合金，硅与镁可形成硅与镁可形成Mg2Si沉淀相沉淀相，强强化效果好化效果好，含量不超过含量不超过1.0-1.2 合金化元素的作用合金化元素的作用 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 铝合金中的化合物铝合金中的化合物 铝合金中形成的二元化合物主要包括铝合金中形成的二元化合物主要包括Al-Fe、Al-Mn、Al-Mg、Al-Zn、Al-Cu、Al-Cr、Al-Ti和和Al-Zr等二元等二元合金相；三元化合物主要包括合金相；三元化合物主要包括Al-Ce-Si、Al-Cr-Si、Al-Cu-Fe、Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn、Al-Fe-Mn、Al-Fe-Si、Al-Mg-Mn、Al-Mg-Zn、Al-Mn-Si等化合物等化合物。下表是部分二元化合物和三元化合物的汇总下表是部分二元化合物和三元化合物的汇总。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 铝合金中重要的二元化合物及其晶体结构铝合金中重要的二元化合物及其晶体结构 二元体系二元体系 相的代号相的代号 相的表达式相的表达式 相的晶体构造相的晶体构造 Al-Cr 2 3 1 2 -Al7Cr Al11Cr2-Al9Cr4-Al9Cr4 Al8Cr5 Al8Cr5（低温）（低温）AlCr2 底心单斜底心单斜 复杂斜方复杂斜方 复杂立方复杂立方 复杂立方复杂立方 复杂立方复杂立方 菱形六面体菱形六面体 体心立方体心立方 Al-Cu 1 2 1 2 1 2 1 2 -AlCu3 Al4Cu9 Al2Cu3 AlCu（高温）（高温）AlCu（低温）（低温）Al2Cu 体心立方体心立方 面心立方面心立方 面心立方面心立方 立方立方 体心立方体心立方 尚未确定尚未确定 尚未确定尚未确定 六方六方 单斜单斜 斜方斜方 底心斜方底心斜方 体心正方体心正方 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 铝合金中重要的二元化合物及其晶体结构铝合金中重要的二元化合物及其晶体结构 二元体系二元体系 相的代相的代号号 相的表达式相的表达式 相的晶体构造相的晶体构造 Al-Fe 1 2 AlFe3 AlFe -Al2Fe-Al5Fe2-Al3Fe Al9Fe2 Al6Fe AlmFe（m=4.04.4）面心立方面心立方 体心立方体心立方 复杂体心立方复杂体心立方 复杂菱形六面体复杂菱形六面体 底心斜方底心斜方 底心单斜底心单斜 单斜单斜 正交正交 体心立方体心立方 Al-Mg -Al3Mg2-Al30Mg23-Al12Mg17 复杂面心立方复杂面心立方 复杂菱形六面体复杂菱形六面体 体心立方体心立方 尚未确定尚未确定 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 二元体系二元体系 相的代号相的代号 相的表达式相的表达式 相的晶体构造相的晶体构造 Al-Mn 1 2 1 2 Al6Mn Al4Mn-Al10Mn3 Al3Mn-Al11Mn4-AlMn Al8Mn5-AlMn 斜方斜方 六方六方 六方六方 斜方斜方 三斜或立方三斜或立方 六方六方 体心菱形六面体体心菱形六面体 立方立方 Al-Ti Al3Ti AlTi AlTi3 正方正方 面心正方面心正方 六方六方 Al-Zr L K Al3Zr Al2Zr Al3Zr2 AlZr Al3Zr4 Al2Zr3 Al3Zr5 AlZr2 AlZr3 体心正方体心正方 六方六方 斜方斜方 斜方斜方 六方六方 正方正方 正方正方 六方六方 面心立方面心立方 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 三元体系三元体系 相的表达式相的表达式 相的晶体构造相的晶体构造 Al-Ce-Si、Ce2Si2Al13 立方立方 Al-Cr-Si Cr4Si4Al13 立方立方 Al-Cu-Fe(FeCu)Al6 Cu2FeAl7 正交正交 正方正方 Al-Cu-Mg CuMgAl2 Cu2Mg3Al20 正交正交 正交正交 Al-Cu-Mn CuMn2Al12 斜方斜方 Al-Fe-Mn(FeMn)Al6 正交正交 Al-Fe-Si-(Fe2SiAl8)-(FeSiAl5)-(FeSi2Al4)六方六方 单斜单斜 正方正方 Al-Mg-Mn(MgMn)3Al10 Al-Mg-Zn Mg3Zn3Al2 体心立方体心立方 Al-Mn-Si Mn2SiAl15 立方立方 铝合金中重要的三元化合物及其晶体结构铝合金中重要的三元化合物及其晶体结构 六方和立方六方和立方相的相的TEM形貌形貌 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 1系合金中的化合物系合金中的化合物 1系合金的纯度大于系合金的纯度大于99.0%（质质量量），其中其中Si、Fe为主要元素人们最早发为主要元素人们最早发现了两种现了两种Al-Fe-Si相相，被记为被记为相和相和相相。前者具有明显的汉字外形前者具有明显的汉字外形，后者则呈长针后者则呈长针状或盘片状状或盘片状。相中相中Si含量较低含量较低，Fe/Si（质量质量）比在比在5.52.75；相中含相中含Si量较高量较高，Fe/Si（质量质量）比在比在2.251.6。目前目前，相的化学计量式通常被表达为相的化学计量式通常被表达为Fe2SiAl8、Fe3Si2Al12、Fe5Si2Al20，成分成分组 成 范 围 为组 成 范 围 为 30%33%（质 量质 量）Fe、6%12%（质量质量）Si；相的化学计量表达式有相的化学计量表达式有Fe2Si2Al9、FeSiAl5，成分组成范围为成分组成范围为25%30%（质质量量）Fe，12%15%（质量质量）Si。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 2系合金中的化合物系合金中的化合物 2系合金中系合金中，Cu和和Mg是主要的合金元素是主要的合金元素。在在2024、2A11等合金中等合金中，Mn也是主要的合金元素之一也是主要的合金元素之一。由由Al-Cu-Mg系相图可知系相图可知，在该系合金中除在该系合金中除（CuAl2）和和(Cu3Al)二元相外二元相外，还有还有S(Al2CuMg)和和T（Al6CuMg4）等两等两个三元相个三元相。工业工业Al-Cu-Mg系合金中系合金中，不出现不出现T和和相相，只有只有（Al）+和和（Al）+S两相共晶或两相共晶或（Al）+S三相共晶三相共晶。合金中合金中Cu含量大于含量大于2%时出现时出现（Al）+两相共晶组织两相共晶组织。铝铝-铜合金中同时含有镁铜合金中同时含有镁，而且而且Mg0.2%、Si0.6Mg质量时质量时，镁全部生成镁全部生成Mg2 Si相相。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 3系合金中的化合物系合金中的化合物 3系合金的主要合金元素是锰系合金的主要合金元素是锰，该系合金中的锰含量该系合金中的锰含量在在1.0%1.6%，Fe、Si是主要杂质元素是主要杂质元素。Fe、Si元素含量对元素含量对合金相和显微组织有很大影响合金相和显微组织有很大影响，必须严格控制其含量必须严格控制其含量。可以可以认为认为3系合金是系合金是Al-Mn-Fe-Si基合金基合金。3系合金的铸态组织除基体系合金的铸态组织除基体(Al)外外，在枝晶间存在粗在枝晶间存在粗大富铁共晶化合物大富铁共晶化合物，化合物有两种类型化合物有两种类型，正交正交Al6(FeMn)和和立方立方Al12(FeMn)3Si，其相对数量取决于合金成分以及冷却速其相对数量取决于合金成分以及冷却速度度。半连续铸造的冷速有利于半连续铸造的冷速有利于Al6(FeMn)相的生成相的生成，在双辊在双辊铸造较高的冷速下铸造较高的冷速下Al12(FeMn)3Si为主要共晶相为主要共晶相。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 4系合金中的化合物系合金中的化合物 在在4系合金中系合金中，Si是主要元素是主要元素。在部分在部分4系系合金中合金中，也添加了也添加了Cu、Mg、Ni、Mn等元素等元素。工业生产的工业生产的4A01、4A13和和4A17三个合金均含有三个合金均含有+Si共共晶体和晶体和（Al5FeSi）相相。由于各合金中硅含量不同由于各合金中硅含量不同，其其组织中的共晶体量也依次组织中的共晶体量也依次（4A01、4A13和和4A17）递增递增。在含锰的在含锰的4系合金中系合金中，AlFeMnSi相也是常见的一相也是常见的一个多元相个多元相。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 5系合金中的化合物系合金中的化合物 镁是镁是5系合金中的主要合金元素系合金中的主要合金元素。镁在铝中溶解度很镁在铝中溶解度很大大，在共晶温度在共晶温度451时镁的溶解度高达时镁的溶解度高达14.9%（质量质量），随随温度降低温度降低，溶解度很快下降溶解度很快下降，在室温时约为在室温时约为1.7%。商用商用5系合金的镁含量在系合金的镁含量在0.5%6.0%（质量质量）。可能可能存在的相随具体成分的不同而不同存在的相随具体成分的不同而不同。由于由于Mg2Si在铝中的固在铝中的固溶度极小溶度极小，Mg2Si是该系合金中的主要存在相是该系合金中的主要存在相。锰以及杂质元素铁锰以及杂质元素铁、硅的存在使合金中形成含硅的存在使合金中形成含Fe、Mn、Si的相的相，如如Al12(FeMn)3Si、Al6(FeMn)或或 Al3Fe等等。由于硅与镁结合生成了由于硅与镁结合生成了Mg2Si，因此在铸锭均匀化加热过程因此在铸锭均匀化加热过程中中，锰倾向于以锰倾向于以Al6(FeMn)化合物化合物，而不是而不是Al12(FeMn)3Si化化合物的形式析出合物的形式析出。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 5系合金中的化合物系合金中的化合物 如前所述如前所述，5系合金中的镁通常处于饱和状态系合金中的镁通常处于饱和状态，这种过这种过饱和固溶体在室温下相当稳定饱和固溶体在室温下相当稳定。如果将合金进行一定的变形如果将合金进行一定的变形加工并在一定的温度下加热加工并在一定的温度下加热，则固溶体中将析出则固溶体中将析出（Al3Mg2）(即即Al8Mg5)平衡相或平衡相或（Al3Mg2）亚稳相亚稳相。相或相或相的时效相的时效强化效果不大强化效果不大，而且易于沿晶界或剪切带析出而且易于沿晶界或剪切带析出，恶化合金的恶化合金的抗腐蚀性能抗腐蚀性能。在在5系合金中添加微量系合金中添加微量Cr可以提高合金的耐蚀性可以提高合金的耐蚀性，Cr在在铝中的溶解度极小铝中的溶解度极小，在含有在含有Cr和和Mn的合金中的合金中，在铸造和铸锭在铸造和铸锭均匀化加热过程中还会形成均匀化加热过程中还会形成Al、Mn、Cr三元相三元相。在压力加工在压力加工的板材产品中的板材产品中，Cr经常以细小分散的经常以细小分散的E(Al12Mg2Cr)相存在相存在，能抑制晶核的形成和晶粒的长大能抑制晶核的形成和晶粒的长大。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 6系合金中的化合物系合金中的化合物 6系合金包括系合金包括Al-Mg-Si和和Al-Mg-Si-Cu系合金系合金。Al-Mg-Si-Cu系合金中铜含量在系合金中铜含量在0.4%以下以下，主要强化相是主要强化相是Mg2Si。Al-Mg-Si系合金没有三元化合物系合金没有三元化合物，只有两个二元化合物只有两个二元化合物和和Mg2Si相相。Mg2Si相是该系合金的主要强化相相是该系合金的主要强化相，Mg2Si的镁的镁、硅比为硅比为1.73：1。工业应用的工业应用的Al-Mg-Si系合金中镁系合金中镁、硅比一般小于硅比一般小于1.73，按相图应按相图应有硅过剩有硅过剩，过剩硅在合金中以单质硅形式存在过剩硅在合金中以单质硅形式存在，形成形成(Al)+Mg2Si+Si三相共晶三相共晶。工业生产的工业生产的Al-Mg-Si-Cu系合金中系合金中，当镁含量大于当镁含量大于0.3%、硅大硅大于于0.2%时合金组织中出现时合金组织中出现Mg2Si相；硅含量大于镁相；硅含量大于镁、铜含量大于铜含量大于0.1%，或 含 有 等 量 的 镁 和 硅或 含 有 等 量 的 镁 和 硅、铜 含 量 大 于铜 含 量 大 于 0.3%，即 出 现即 出 现W(Cu2Mg8Si6Al5)相相。合金中锰或铬加入量大于合金中锰或铬加入量大于0.1%，且合金中硅含量等于或大于镁且合金中硅含量等于或大于镁含量时含量时，还会出现还会出现(FeMn)3Si2Al15或或(CrFe)4SiAl13相相。7系合金包括系合金包括Al-Zn-Mg和和Al-Zn-Mg-Cu系合金系合金。在在Al-Zn-Mg合金中合金中，锌和镁除与铝分别形成锌和镁除与铝分别形成和和（MgZn2）两两个二元相外个二元相外，还形成还形成T(Al2Mg3Zn3)三元化合物三元化合物。在在Al-Zn-Mg-Cu系 合 金中系 合 金中，铝 和锌铝 和锌、镁镁、铜间形 成铜间形 成、（Mg5Al6）、二元相和二元相和S、T(Al6CuMg4)及及T(Al2Mg3Zn3)等三等三元相元相，T(Al6CuMg4)和和T(Al2Mg3Zn3)为同晶型为同晶型，可连续互溶形可连续互溶形成成T(AlZnMgCu)相相。Al-Zn-Mg-Cu系合金除主要合金主元锌系合金除主要合金主元锌、镁和铜外镁和铜外，还有锰还有锰、铬铬、钛等微量添加元素以及铁钛等微量添加元素以及铁、硅杂质硅杂质。杂质硅与镁生成杂质硅与镁生成Mg2Si相相，铁与锰生成铁与锰生成AlFeMnSi相相，钛和铬除溶于钛和铬除溶于(Al)和化合物和化合物AlFeMnSi外外，含量不多时含量不多时，一般不单独生成铝化物一般不单独生成铝化物。铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理 7系合金中的化合物系合金中的化合物 用工艺手段提高金属的强度有两条途径用工艺手段提高金属的强度有两条途径:1.完全消除金属内部的位错和其它缺陷，完全消除金属内部的位错和其它缺陷，(完整晶完整晶体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上体屈服强度的理论值比实测值高出千倍以上)。2.在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动在晶体中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动(金属的塑性变形是位错的运动造成的金属的塑性变形是位错的运动造成的)提高金属提高金属的强度。的强度。铝合金的强韧化方法铝合金的强韧化方法 固溶强化固溶强化 细晶强化细晶强化 第二相强化第二相强化(沉淀强化沉淀强化、弥散强化弥散强化)应变强化应变强化 固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入金固溶强化是一种形成点缺陷的强化，溶质原子溶入金属基体后使基体金属的位错密度增大，晶格发生畸变属基体后使基体金属的位错密度增大，晶格发生畸变.畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，构成位错滑移的障碍，使位错运动阻力增大，从用，构成位错滑移的障碍，使位错运动阻力增大，从而使材料得到强化而使材料得到强化.置换式固溶体置换式固溶体:强化量，强化量，Ks Ks 比例系数，比例系数，Cs Cs 置换式溶质原置换式溶质原子的质量分数子的质量分数 间隙式固溶体间隙式固溶体:强化量，强化量，Ki Ki 比例系数，比例系数，Ci Ci 间隙式溶质原间隙式溶质原子的百分浓度子的百分浓度 铝合金的强韧化方法固溶强化铝合金的强韧化方法固溶强化 但是受固溶度和过饱和度的限制，固溶强化对铝合但是受固溶度和过饱和度的限制，固溶强化对铝合金的强化作用有限金的强化作用有限.铝合金的强韧化方法固溶强化铝合金的强韧化方法固溶强化 细晶强化的本质细晶强化的本质：晶界有效地阻碍了位错的运动。因为晶界有效地阻碍了位错的运动。因为晶界上的原子排列错乱，杂质缺陷众多，且晶界两侧的晶界上的原子排列错乱，杂质缺陷众多，且晶界两侧的晶粒位向不同。这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶晶粒位向不同。这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶粒的运动。晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，粒的运动。晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，对位错的阻力也越大，材料的强度就就越高。对位错的阻力也越大，材料的强度就就越高。铝合金的强化方法细晶强化铝合金的强化方法细晶强化 y 为屈服强度为屈服强度，i 和和Ky 是两个材料有关的常数是两个材料有关的常数(i 大体大体相当于单晶体的屈服强度相当于单晶体的屈服强度)，d 为晶粒的平均直径为晶粒的平均直径。强化效果可以用强化效果可以用Hall-Petch 关系式表示关系式表示:2/1dkyiy生产中细化晶粒的方法主要有两种生产中细化晶粒的方法主要有两种:熔炼浇注时细化，如采用变质处理，电磁搅拌，增加过冷熔炼浇注时细化，如采用变质处理，电磁搅拌，增加过冷度等。度等。形变再结晶细化，即通过控制变形程度和再结晶温度与时形变再结晶细化，即通过控制变形程度和再结晶温度与时间来细化晶粒。间来细化晶粒。铝合金的强化方法细晶强化铝合金的强化方法细晶强化 由于细晶强化在提高材料强度的同时也改善了塑性和由于细晶强化在提高材料强度的同时也改善了塑性和韧性，所以，是实际生产中的一种重要的强化方法。韧性，所以，是实际生产中的一种重要的强化方法。3 m 1m 7050铝合金不同工艺处理（铝合金不同工艺处理（Al-Zn-Mg-Cu）铝合金的强化方法细晶强化铝合金的强化方法细晶强化 应变强化的本质是金属材料在冷变形过程中位应变强化的本质是金属材料在冷变形过程中位错密度提高造成强化。错密度提高造成强化。这种强化方法这种强化方法特别适用于工业纯材及热处理不特别适用于工业纯材及热处理不能强化的材料能强化的材料，在超高强铝合金中很难应用。，在超高强铝合金中很难应用。铝合金的强化方法应变强化铝合金的强化方法应变强化 引入第二相的常用方法有两种：引入第二相的常用方法有两种：利用过饱和固溶体的脱溶沉淀利用过饱和固溶体的脱溶沉淀，进行时效热处理的沉进行时效热处理的沉淀强化；淀强化；通过机械或化学的方法通过机械或化学的方法(如添加第二相粉末的烧结如添加第二相粉末的烧结，内氧化等内氧化等)从体系外引入第二相物质的弥散强化从体系外引入第二相物质的弥散强化。铝合金的强化方法第二相强化铝合金的强化方法第二相强化 本质本质：基体金属中细小坚硬而弥散分布的第二相粒子对：基体金属中细小坚硬而弥散分布的第二相粒子对位错运动构成障碍位错运动构成障碍，且其障碍作用比单个溶质原子要强且其障碍作用比单个溶质原子要强，位错要运动必须绕过或切过这些障碍位错要运动必须绕过或切过这些障碍(粒子粒子)，这样这样就使材料的屈服强度提高了就使材料的屈服强度提高了。沉淀强化是超高强铝合金的一个最重要的强化手段沉淀强化是超高强铝合金的一个最重要的强化手段。沉淀强化的效果取决于合金的成分沉淀强化的效果取决于合金的成分，淬火后固淬火后固溶体的过饱和度溶体的过饱和度，沉淀相沉淀相(强化相的特性强化相的特性，分布及分布及热处理制度等因素热处理制度等因素。一般讲来一般讲来，沉淀相沉淀相(强化相强化相)的体积含量越大的体积含量越大，弥弥散度越大散度越大，强度越高强度越高，其强化效果就越好其强化效果就越好。铝合金的强化方法第二相强化铝合金的强化方法第二相强化 1.沉淀强化相是硬度高的质点；沉淀强化相是硬度高的质点；2.沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度，随温度降低随温度降低，其固溶度急剧减小其固溶度急剧减小，能析出较大体能析出较大体积分数的沉淀相；积分数的沉淀相；3.在时效过程中在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相沉淀相具有一系列介稳相，并且并且弥散分布弥散分布，与基体形成共格与基体形成共格，在周围基体中产生在周围基体中产生较大的共格应变区较大的共格应变区。铝合金中的时效硬化基本条件铝合金中的时效硬化基本条件 铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的过程铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的过程，包包括四个阶段括四个阶段，以以Al-Cu合金为例合金为例）：第一阶段：第一阶段：形成溶质原子形成溶质原子Cu的富集区的富集区（Cu原子在固原子在固溶体溶体100晶面上偏聚晶面上偏聚）-GpI区区，随着随着GpI区的形成区的形成，将引起固溶体将引起固溶体严重畸变严重畸变，使位错运动受到阻碍使位错运动受到阻碍。铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 GP区区 GP区简介：区简介：Al-Cu合金自然时效和低温人工时效形成的铜原子的合金自然时效和低温人工时效形成的铜原子的偏聚区偏聚区。1938年年，由由Gunier和和Preston依据依据X射线漫散射的图像发射线漫散射的图像发现现，称为称为Gunier-Preston区区，简称简称G-P区或区或GP区区。GP区是时效程度较轻的产物区是时效程度较轻的产物，GP区在不同的合金中形区在不同的合金中形状是不一样的状是不一样的，它取决于它取决于Al原子和溶质原子的直径差原子和溶质原子的直径差，差差值小于值小于3时时，析出物形状近似于球形；析出物形状近似于球形；差值超过差值超过3时时，则产生针状析出物；则产生针状析出物；当该值再增大时当该值再增大时，则产生盘状析出物则产生盘状析出物。因此高强韧铝合因此高强韧铝合金的金的G.P区是球形的区是球形的。铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 随着时间的延续随着时间的延续，溶质原子继续向溶质原子继续向GpI区扩散富区扩散富集集，并有序化而形成并有序化而形成GpII区区。GpII的化学成分的化学成分接近于接近于CuAl2，具有正方晶格具有正方晶格（以以表示表示），随着随着GpII区形成区形成，将引起固溶体更严重的畸变将引起固溶体更严重的畸变，使位使位错运动受到更大阻碍错运动受到更大阻碍。第二阶段：第二阶段：铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 溶质原子溶质原子Cu继续富集继续富集，第二阶段形成的第二阶段形成的相相逐渐达到逐渐达到CuAl2的成分的成分，并部分地与母相并部分地与母相溶体溶体的晶格脱离的晶格脱离，形成一种过渡相形成一种过渡相，随着随着的的形成形成，固溶体的晶格畸变程度减轻固溶体的晶格畸变程度减轻，合金趋于合金趋于软化软化。铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 第三阶段：第三阶段：稳定的稳定的相相-CuAl2形成形成，并与母相并与母相固溶体完全固溶体完全脱离联系脱离联系，使使固溶体的晶格畸变大为减轻固溶体的晶格畸变大为减轻，时时效产生的强化效果显著减弱效产生的强化效果显著减弱，合金软化合金软化，这种这种现象称为现象称为“过时效过时效”。第四阶段：第四阶段：铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 一般自然时效只出现第一一般自然时效只出现第一、第二阶段第二阶段，后两阶段后两阶段由于原子扩散能力不足不出现由于原子扩散能力不足不出现。温度较高的人工时效温度较高的人工时效，则主要是第三则主要是第三、第四阶段第四阶段，因为温度较高因为温度较高，原子扩散能力很大原子扩散能力很大，第一第一、二阶二阶段来不及出现即进入后二阶段段来不及出现即进入后二阶段。铝合金时效强化的机理铝合金时效强化的机理 铝合金中的时效硬化机理铝合金中的时效硬化机理 复合强化复合强化(如纤维增强复合强化如纤维增强复合强化，金属基复合强化金属基复合强化等等)是近年来发展的新方法是近年来发展的新方法。强化机理：不是靠阻碍位错的运动强化机理：不是靠阻碍位错的运动，而是靠增强而是靠增强体材料和基体材料间良好的浸润性紧密粘结体材料和基体材料间良好的浸润性紧密粘结，获获得良好的结合强度得良好的结合强度，充分发挥各组元材料的优势充分发挥各组元材料的优势，使整个复合材料具有较高的强度和韧性使整个复合材料具有较高的强度和韧性。铝合金的强化方法复合强化铝合金的强化方法复合强化 复合强化方法有力学复合法复合强化方法有力学复合法(如爆破复合如爆破复合，压力压力加工复合加工复合)，冶金法冶金法(如铸造如铸造，喷射沉积喷射沉积，自蔓延自蔓延高温合成高温合成)和化学法和化学法(如胶粘如胶粘，表面涂层表面涂层)等三等三种种。复合强化综合了各组元的优点复合强化综合了各组元的优点，弥补了各自的不弥补了各自的不足足，具有很好