金属材料学第8章铝合金.ppt

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1、第第第第8 8 8 8章章章章 铝合金铝合金铝合金铝合金 铝铝铝铝具具具具有有有有一一一一系系系系列列列列比比比比其其其其他他他他有有有有色色色色金金金金属属属属、钢钢钢钢铁铁铁铁和和和和塑料等更优良的特性塑料等更优良的特性塑料等更优良的特性塑料等更优良的特性:密度小，仅为密度小，仅为密度小，仅为密度小，仅为3 3 3 3，约为钢的，约为钢的，约为钢的，约为钢的1/31/31/31/3；优良的导电性、导热性；优良的导电性、导热性；优良的导电性、导热性；优良的导电性、导热性；良好的耐蚀性；良好的耐蚀性；良好的耐蚀性；良好的耐蚀性；优良的塑性和加工性能等。优良的塑性和加工性能等。优良的塑性和加工性

2、能等。优良的塑性和加工性能等。铝合金的热处理及时效强化铝合金的热处理及时效强化1 1、铝合金的分类、铝合金的分类 变形铝合金变形铝合金-1-1铸造铝合金铸造铝合金-2-2 防锈铝防锈铝-3-3 不能不能HTHT强化强化 硬铝硬铝/超硬铝超硬铝/锻铝锻铝-4-4 能能HTHT强化强化 2 2、铝合金热处理强化特点、铝合金热处理强化特点 特点：特点：淬火加热时不发生同素异构转变。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。热处理强化包括固溶处理与时效处理。固溶固溶处理处理+固溶度固溶度强度强度/硬度变化小硬度变化小塑性明显塑性明显时效时效处理处理第二相从固第二相从固溶体中析出溶

3、体中析出力学性能等发生力学性能等发生显著变化显著变化 时效形式：人工时效，自然时效时效形式：人工时效，自然时效 一般一般“回火回火”用于晶型转变的淬火合金，用于晶型转变的淬火合金，“时效时效”用于非晶型转变的淬火合金用于非晶型转变的淬火合金以以Al-CuAl-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程：二元合金为例讨论铝合金的时效过程：(1)1)形成铜原子富集区形成铜原子富集区铜富集区铜富集区称称G.P.区区 晶体结构与基体晶体结构与基体同，同，但产生了共格应变区但产生了共格应变区 强度、硬度强度、硬度。G.P.呈盘状，仅几个原呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约子层厚，室温下直径约5nm，超过，超

4、过200就不再出现就不再出现G.P.区。区。(2)(2)铜原子富集区有序化铜原子富集区有序化 G.P.区急剧长大，区急剧长大，G.P.区铜原子有序区铜原子有序化，形成化，形成”相相”相与基体仍然相与基体仍然保持完全共格，具保持完全共格，具有正方点阵有正方点阵 点阵常数，。它点阵常数，。它比比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大作用更大 (3)3)形成过渡相形成过渡相 ”相转变相转变成过渡相成过渡相是正方点阵，是正方点阵，成分接近成分接近CuAl2 完全共格完全共格 局部共格局部共格强度、硬度开始降强度、硬度开始降低，合金此时处于低，合金此时处于过时效阶段

5、。过时效阶段。(4)(4)形成稳定的形成稳定的过渡相过渡相完全脱溶完全脱溶形成稳定相形成稳定相CuAl2，()与基体非共格与基体非共格合金的强度、硬度进一步下降合金的强度、硬度进一步下降 合金的种类不同，形成的合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样效果也不一样合金系合金系时效过程的过渡阶段时效过程的过渡阶段析出稳定相析出稳定相Al-Cu形成铜富集区形成铜富集区G.P.G.P.区区G.P.G.P.区有序化区有序化相相形成过渡相形成过渡相 （CuAl2）Al-Mg-Si形成铜、硅富集区形成铜、硅富集

6、区G.P.G.P.区区形成有序的形成有序的相相 （Mg2Si）Al-Cu-Mg形成铜、镁富集区形成铜、镁富集区G.P.G.P.区区形成过渡相形成过渡相S S S Al2CuMgAl-Mg-Zn形成铜、锌富集区形成铜、锌富集区G.P.G.P.区区形成过渡相形成过渡相M M M （MgZn2）表表 常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相 3 3、影响时效强化的主要因素、影响时效强化的主要因素固溶固溶处理处理 规律规律：淬火淬火T越高，淬火冷却越高，淬火冷却V越快，转移越快，转移t越越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大

7、要点要点：在不过热过烧条件下，：在不过热过烧条件下，T淬淬高些，保温高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止 淬火变形开裂，一般采用淬火变形开裂，一般采用2080水冷却水冷却时效时效工艺工艺温度温度：对一定合金，有：对一定合金，有最佳时效温度最佳时效温度.时间时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间。在一定时效温度下，有最佳时效时间。方式方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效：单级和多级时效。高强合金常用分级时效4 4、合金化条件、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；合金元素能有限固溶；固溶度随温度降低而大为减小

8、；析出相的强化作用大。析出相的强化作用大。时效温度与硬度关系曲线时效温度与硬度关系曲线 130130时效时铝铜合金的硬度与时间关系时效时铝铜合金的硬度与时间关系 思考题：思考题：直接析出稳定相在热力直接析出稳定相在热力学上是有利的，但为什么不学上是有利的，但为什么不是直接析出稳定相是直接析出稳定相?8.2 变形铝合金变形铝合金 四位字符体系：牌号的第一位数字表示组别，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，金。第二位字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合表示原始合金；金；B

9、Y表示原始合金的改型合金。如表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合表示主要合金元素为铜的金元素为铜的6号原始铝合金。号原始铝合金。1、防锈铝合金、防锈铝合金 Al-Mn和和Al-Mg两个合金系。用两个合金系。用“3A”或或“5A”加一加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能组顺序号表示。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。种生活用具以及其它冷变形零件。2 2、硬铝合金、硬铝合金 成分成分Al-Cu-Mg系合金。系合金。2A+顺序号表示顺序号表示分

10、类分类 低强度硬铝，如低强度硬铝，如2A01、2A10等合金；等合金；中强度硬铝，如中强度硬铝，如2A11等合金；等合金；高强度硬铝，如高强度硬铝，如2A12等合金等合金,2A12是使用最广的高强度硬铝合金是使用最广的高强度硬铝合金分类分类 时效处理后具有高硬度、强度，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、优良的加工性和耐热性，但塑性、韧性低，耐蚀性差。含韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低，低，强度较低而塑性高；反之，强度高强度较低而塑性高；反之，强度高而塑性低。而塑性低。强化相强化相 （CuAl2）、）、金属间化合物金属间化合物S（CuMgAl2）是强化相，）是强化相，S相

11、最高相最高要严格控制淬火温度。要严格控制淬火温度。如：如：牌号牌号 正常淬火温度正常淬火温度 过烧温度过烧温度 2A02 495505 510515 2A10 510520 540 2A12 495500 507转移时间尽量短转移时间尽量短 30，航空件，航空件 15；冷速要快，热水淬；冷速要快，热水淬；常用自然时效。常用自然时效。热热处处理理特特性性应用应用飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等图图 铝铜镁三元合金垂直截面铝铜镁三元合金垂直截面 3 3、超硬铝合金、超硬铝合金成分成分性能性能 Al-Zn-Cu-Mg系。系。7A+顺序号表示顺序号表示 室温强度最高

12、，室温强度最高，500700MPa，缺点，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，是耐蚀性差，疲劳强度低，120的的温度下使用。温度下使用。强化相强化相:MgZn2 Al2Mg3Zn3特点特点应用应用 T淬淬范围较宽，一般为范围较宽，一般为450480，人工分级时效：先在人工分级时效：先在120时效时效3小时，小时，第二次在第二次在160时效时效3小时，形成小时，形成G.P.区区和少量的和少量的相，达到最大强化状态。相，达到最大强化状态。应用应用：飞机工业中重要的结构材料。：飞机工业中重要的结构材料。4 4、锻铝合金、锻铝合金成分成分性能性能 Al-Mg-Si-Cu系合金。用系合金。用6A或或2A加顺序加

13、顺序号表示。常用的合金有号表示。常用的合金有6A02、2A14等等 具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝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相近，但热塑性及耐蚀性较高特点特点应用应用 主要强化相是主要强化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然具有自然时效倾向，淬火后应立即时效倾向，淬火后应立即人工人工时效。时效。主要用做航空仪表中形状复杂、强度要主要用做航空仪表中形状复杂、强度要求高的锻件。求高的锻件。铸造铝合金铸造铝合金 铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩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，但容易有性等良好的铸造性。共晶合金应最佳，

14、但容易有 大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用 的铸造合金并非都是共晶合金。的铸造合金并非都是共晶合金。铸造铝合金的牌号用铸造铝合金的牌号用ZL+ZL+三位数字表示。三位数字表示。第一位数字是合金系别：第一位数字是合金系别：1 1是是Al-SiAl-Si系合金；系合金；2 2是是 Al-Cu Al-Cu系合金；系合金；3 3是是Al-MgAl-Mg系合金；系合金；4 4是是Al-ZnAl-Zn系合系合 金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如 ZL102 ZL102表示表示2 2号号Al-SiAl-Si系铸造合

15、金。系铸造合金。1 1、铝硅系铸造合金铝硅系铸造合金特特点点 流动性最好，比重轻，铸造收缩率小流动性最好，比重轻，铸造收缩率小;焊接性、耐蚀性焊接性、耐蚀性优良优良,致密度较小。致密度较小。共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，有少量有少量块状块状初生硅。常经变质处理初生硅。常经变质处理.塑性较低，需要细化组织。塑性较低，需要细化组织。应应用用 常用合金常用合金：ZL102 和和ZL104等等.制造致密度要求不高、形状复杂铸件。制造致密度要求不高、形状复杂铸件。如如ZL105工作工作在在250的耐热零件，的耐热零件，ZL111形状复杂的内燃机汽缸等。形状复杂的内燃机汽

16、缸等。.（a）未变质处理）未变质处理 250 （b）变质处理）变质处理 100图图 ZL102 变质处理前后的组织形貌变质处理前后的组织形貌2 2、铝铜铸造合金、铝铜铸造合金 铝铜铸造合金的主要强化相是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。最大特点就是耐热性高，但耐蚀性差。共有三种牌号：共有三种牌号：ZL201、ZL202、ZL203。Cu 热强性热强性脆性脆性 14%Cu ZL203,45%Cu 常用常用,铸造性较差铸造性较差 ZL202,911%Cu 铸造性好铸造性好,耐蚀性耐蚀性 3 3、铝镁铸造合金、铝镁铸造合金 特特点点 比重轻，强度和韧性较高，优良

17、的耐比重轻，强度和韧性较高，优良的耐蚀性、切削性和抛光性。蚀性、切削性和抛光性。熔点低熔点低热强度较低，工作热强度较低，工作T200 结晶温度范围较宽，故流动性差，形结晶温度范围较宽，故流动性差，形成疏松倾向大，其铸造性较差。成疏松倾向大，其铸造性较差。应应用用 ZL301、ZL302二种牌号。二种牌号。制造承受冲击振动载荷和耐海水或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大气腐蚀、外形简单的重要零件4 4、铝锌铸造合金、铝锌铸造合金 特特点点 锌固溶强化，极限溶解度为锌固溶强化，极限溶解度为31.6%，不形成金属间化合物。固溶不形成金属间化合物。固溶13%Zn，在，在冷却时

18、不发生分解，冷却时不发生分解，固溶强化固溶强化。强度强度较高，是最便宜的铸造铝合金。较高，是最便宜的铸造铝合金。其主要缺点是耐蚀性差其主要缺点是耐蚀性差。应应用用 常用常用ZL401。制作工作温度在。制作工作温度在200以下，形状复杂的汽车及飞机零件、医以下，形状复杂的汽车及飞机零件、医疗机械和仪器零件。疗机械和仪器零件。5 5、铸造铝合金的热处理、铸造铝合金的热处理 除除ZL102ZL102外，其它合金均能进行热处理强化。外，其它合金均能进行热处理强化。热热处处理理特特点点 为为变形或过热，最好在变形或过热，最好在350以下以下 低温入炉，随炉缓慢加热。低温入炉，随炉缓慢加热。T淬淬高一些，

19、高一些，t保保长一些，长一些，1520小时小时 淬火介质一般用淬火介质一般用60100的水。的水。如需时效，一般采用人工时效。如需时效，一般采用人工时效。小小 结结 铝合金没有同素异构转变。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。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。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。良好时效强化效果的前提。Cu、Mg、Zn、Si、MnLL+Al Me 工业纯铝工业纯铝：密

20、密度度。导导电电、导导热热性性好好，抗抗蚀蚀性性好好，塑塑性性高高防锈铝合金防锈铝合金只只能能变变形形强强化化。Al-Mg、Al-Mn系。系。LF5合金化合金化 固溶强化固溶强化细化组织强化细化组织强化时效强化时效强化第二相强化第二相强化基本过程基本过程：GP。条件：条件：Me能溶入能溶入；随随T而而固固溶溶度度；析出相强化作用大。析出相强化作用大。铸造铝合金铸造铝合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301 可热处理强化可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化硬铝硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。系。性性能能特特点点：强强度度比比较较高高，耐耐热性好，抗蚀性差。热性好，抗蚀性差。热热处处理理：淬淬火火温温度度窄窄，要要求求冷速快，转移时间短冷速快，转移时间短超硬铝超硬铝：如如LC4Al-Zn-Mg-Cu系系性性能能特特点点：强强度度高高，耐热性、抗蚀性差。耐热性、抗蚀性差。热热处处理理：淬淬火火温温度度较较宽宽锻铝锻铝：如如LD5Al-Mg-Si-Cu系系工艺特点：锻造性好，工艺特点：锻造性好，热热处处理理：采采用用人人工工时时效效