轻合金课件---第四章 铝合金的组织与性能.ppt

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1、轻合金课件轻合金课件-第四章第四章 铝合金的组织与性能铝合金的组织与性能 Cu、Mg含量比不同，含量比不同，相组成物也不同。相组成物也不同。Cu含量含量越多，越多，相越多，相越多，S相越少；相越少；Mg含量越多，含量越多，相越少，相越少，S相越多，当相越多，当Cu/Mg 2.61时（时（45Cu，1.52.0Mg），合金的强化相几乎），合金的强化相几乎全是全是S相。相。Mg量再高，即量再高，即出现出现T和和相，硬化效应小，相，硬化效应小，因此因此Mg量一般不超过量一般不超过2。在这些相中，在这些相中，S相强化效应最大，相强化效应最大，相次之，相次之，和和T相相较弱，故较弱，故2XXX系合金的主

2、要系合金的主要强化相是强化相是 S和和相相。4.5Cu截面截面 工业用工业用2系的系的 Cu/Mg8时，强化相主要是时，强化相主要是；Cu/Mg8 4时，主要是时，主要是S；Cu/Mg4 1.5时，主要是时，主要是S相；相；相在时效过程中的结构变化已讨论，当相在时效过程中的结构变化已讨论，当Cu/Mg2时，时，S相的沉淀过程为：相的沉淀过程为：GP区区（MgCuAl2）GP区是区是 Cu、Mg原子偏聚区，为针状（也有人认为原子偏聚区，为针状（也有人认为是球状）；是球状）；是有序化的是有序化的GP区，与母相共格，圆柱状；区，与母相共格，圆柱状；是斜方晶格，与母相部分共格；是斜方晶格，与母相部分共

3、格；当当 相长大到与母相失去共格关系时，即被平衡相相长大到与母相失去共格关系时，即被平衡相S所取代。所取代。二、二、合金化合金化 Cu是主成分，是主成分，有一定的固溶强有一定的固溶强化作用，化作用，相相有有明显的时效强化明显的时效强化效果，由图可看效果，由图可看出，出，Cu含量为含量为4.0 4.8时强时强化效果最大化效果最大（大（大部分部分2系合金的系合金的含含Cu量处于这个量处于这个范围）。范围）。Cu提高强度，降提高强度，降低塑性。低塑性。为获得高强度：为获得高强度：Mg含量含量2；研究表明：位于研究表明：位于极限溶解度附近的极限溶解度附近的固溶体合金具有最固溶体合金具有最大的时效效果，

4、固大的时效效果，固溶时有过剩的溶时有过剩的Cu、Mg时，时效效果时，时效效果下降。下降。Mg的主要作用是生成的主要作用是生成S相相，进一步提高合金的强度，进一步提高合金的强度，但延伸率下降较大；此外，但延伸率下降较大；此外，Mg能改善能改善相、相、固溶体和晶固溶体和晶界间的电极电位关系，因此界间的电极电位关系，因此能改善合金的耐蚀性能改善合金的耐蚀性。自然时效态屈服强度的变化自然时效态屈服强度的变化 Mn也是也是2系合金的主要成分，所以有时用系合金的主要成分，所以有时用Al-Cu-Mg-Mn系代表系代表2系合金，其系合金，其主要作用是消除主要作用是消除Fe对抗蚀性的有害对抗蚀性的有害影响影响，

5、同时提高强度尤其是高温强度，但其加入量应，同时提高强度尤其是高温强度，但其加入量应1，否则形成粗大的脆性化合物（否则形成粗大的脆性化合物（MnFe）Al6，降低合金的压力，降低合金的压力加工性能。加工性能。Mn对对Al-4Cu-0.5Mg力学性能影响力学性能影响 微量微量Be能提高氧化膜的致密性，防止能提高氧化膜的致密性，防止Mg在熔炼时的烧损；在熔炼时的烧损；Ti能细化晶粒，显著降低热裂倾向，在可焊能细化晶粒，显著降低热裂倾向，在可焊合金及焊丝合金合金及焊丝合金中广泛应用；中广泛应用；Zr与与Ti一样一样也是有效的晶粒细化剂，故能减轻铸造和焊接也是有效的晶粒细化剂，故能减轻铸造和焊接裂纹，提

6、高铸锭和焊缝的塑性，此外还有与裂纹，提高铸锭和焊缝的塑性，此外还有与Mn相似的作用，相似的作用，即提高合金的再结晶温度；即提高合金的再结晶温度；Si增加增加合金的铸造和焊接裂纹倾向，降低合金的塑性，但当合金的铸造和焊接裂纹倾向，降低合金的塑性，但当Mg0.5时有好影响，表现在提高合金的人工时时有好影响，表现在提高合金的人工时效速度和强度，但不影响自然时效能力（效速度和强度，但不影响自然时效能力（Mg2Si）；）；Fe能与能与Cu、Mn、Si等形成不溶解的脆性相，降低合金的塑等形成不溶解的脆性相，降低合金的塑性和韧性，损害时效能力；性和韧性，损害时效能力；近年来开发出了高纯硬铝（近年来开发出了高

7、纯硬铝（21242124、20482048），合金的断裂韧），合金的断裂韧性明显提高。性明显提高。三、三、微量元素和杂质对组织性能的影响微量元素和杂质对组织性能的影响 牌号CuMgMnFeSi2A012.2 3.00.2 0.50.50.52A022.6 3.22.0 2.40.45 0.7 0.30.32A063.8 4.31.7 2.30.5 1.00.50.52 A103.94.50.15 0.3 0.3 0.50.20.252A113.8 4.80.4 0.80.4 0.80.70.72A123.8 4.91.2 1.80.3 0.90.50.520243.8 4.91.2 1.80.

8、3 0.80.50.521243.8 4.91.2 1.80.3 0.90.30.320482.8 3.81.2 1.80.2 0.60.20.1520362.2 3.00.3 0.60.1 0.40.50.5常用常用2 2系合金的成分系合金的成分 超纯超纯AlAl合金与工业合金与工业AlAl合金断裂韧性比较合金断裂韧性比较 2024主要夹杂相主要夹杂相是含是含Fe相和淬火相和淬火残留相残留相S和和，对，对塑性和韧性不利；塑性和韧性不利；2124含含Fe相减少，相减少，但仍有相当的淬但仍有相当的淬火残留相；火残留相；2048进一步减少了脆进一步减少了脆性相数量。性相数量。四、四、2系合金的耐蚀

9、性系合金的耐蚀性 2系合金的耐蚀性差，且系合金的耐蚀性差，且Cu量越高耐蚀性越差，耐蚀性量越高耐蚀性越差，耐蚀性差的原因是：含差的原因是：含Cu的固溶体及晶界上第二相的电极电位比的固溶体及晶界上第二相的电极电位比晶界高，易引起局部腐蚀，因此耐蚀性差，不能满足使用晶界高，易引起局部腐蚀，因此耐蚀性差，不能满足使用要求（尤其在海洋或潮湿大气中），需进行人工保护。要求（尤其在海洋或潮湿大气中），需进行人工保护。主要方法：主要方法：1、包包Al，即用热轧法将纯，即用热轧法将纯Al板包覆在板材表面上，因板包覆在板材表面上，因纯纯Al的电极电位低，在大气中起阳极作用，且能形成保护的电极电位低，在大气中起阳

10、极作用，且能形成保护膜，故产品能得到电化学和机械保护（包膜，故产品能得到电化学和机械保护（包Al层厚应大于层厚应大于 板板厚的厚的4，对高强度，对高强度Al合金厚板，为减少强度损失，可减合金厚板，为减少强度损失，可减少到少到2）；）；2、型材、管材等不能包、型材、管材等不能包Al产品，可进行产品，可进行阳极氧化或涂阳极氧化或涂漆漆等保护措施。等保护措施。五五 应用应用 2 系合金按用途和强度可分系合金按用途和强度可分铆钉、中强、高强和耐热铆钉、中强、高强和耐热硬硬Al四类，主要应用于航空工业，除耐热硬四类，主要应用于航空工业，除耐热硬Al（2A02）进行人工时效外，其余均在自然时效状态下使用。

11、进行人工时效外，其余均在自然时效状态下使用。铆钉硬铆钉硬Al（2A01、2A10）又称低合金化硬）又称低合金化硬Al，特点，特点是是Cu、Mg含量低且限制了杂质含量，有较高的塑性；含量低且限制了杂质含量，有较高的塑性；2A11也称标准硬也称标准硬Al（与（与Wilm在在1906年发现时效现象年发现时效现象是使用的成分基本相同，故得名），有中等强度，塑性是使用的成分基本相同，故得名），有中等强度，塑性较好，多以板、棒、型材应用，在航空工业主要用于模较好，多以板、棒、型材应用，在航空工业主要用于模锻螺旋浆片；锻螺旋浆片；2A12属高强度硬属高强度硬Al，以，以S为主要强化相，多以包为主要强化相，多

12、以包Al板板材状态使用，是航空工业中应用最广的合金，制造飞机材状态使用，是航空工业中应用最广的合金，制造飞机蒙皮；蒙皮；2A02的的Mg、Mn含量高，位于含量高，位于 S相区，多余的相区，多余的Mg能能形成耐热相形成耐热相Al10Mg2Mn，故有高的耐热性，多以模锻制造，故有高的耐热性，多以模锻制造在在250 300工作的零件。为保证高温性能的稳定性，多工作的零件。为保证高温性能的稳定性，多以人工时效（以人工时效（165 17516h）状态使用；）状态使用；2036合金的合金的Cu、Mg含量低，综合性能好，主要用于制含量低，综合性能好，主要用于制造汽车车身（汽车车身板既要求一定的强度，又要有良

13、好造汽车车身（汽车车身板既要求一定的强度，又要有良好的冲压性能、焊接性能、抗蚀性，以及冲压后无吕德线的冲压性能、焊接性能、抗蚀性，以及冲压后无吕德线（Luder Lines），），在涂漆后的烘烤期间能发生完全的沉淀在涂漆后的烘烤期间能发生完全的沉淀硬化）。硬化）。六六 耐热合金耐热合金 随着超音速喷气客机的发展，需求能在随着超音速喷气客机的发展，需求能在120 以上长以上长期工作的飞机蒙皮材料，早期的期工作的飞机蒙皮材料，早期的Al合金已不能满足这一合金已不能满足这一要求，因此开发了耐热要求，因此开发了耐热Al合金。合金。1、Al-Cu-MgFe-Ni系系 牌号CuMgFeNiSi2A70 1

14、.9 2.5 1.4 1.8 1.0 1.5 1.0 1.5 0.252A80 1.9 2.5 1.4 1.8 1.1 1.6 1.0 1.5 0.5 1.22A90 3.5 4.5 0.4 0.8 0.5 1.0 1.8 2.3 0.5 1与前述合金不同的是：与前述合金不同的是：以以Fe、Ni、Si代替代替Mn作合金元素。作合金元素。（2A70含含0.020.1Ti）1）组织）组织 除除S相相外，加入的外，加入的Fe和和Ni主要与主要与Al形成形成FeNiAl9化合物；化合物；若若Fe和和Ni的含量比不为的含量比不为1:1，则存在过剩的，则存在过剩的Fe或过剩的或过剩的Ni，此时可相应地形成

15、，此时可相应地形成AlCuNi（或（或 Cu3Al6Ni）化合物（过）化合物（过剩剩Ni）或）或AlCuFe（或（或Cu3Al6Fe）化合物（）化合物（Fe过剩）过剩）；Si与与Mg形成形成Mg2Si相。相。2A90应用最早，是在应用最早，是在2A11的基础上发展起来的，加入的基础上发展起来的，加入Fe、Ni、Si除形成除形成Mg2Si外，外，Fe和和Ni形成形成FeNiAl9化合物，化合物，多余的多余的Ni与与Cu形成形成AlCuNi化合物。这些化合物在固溶体化合物。这些化合物在固溶体中不溶解，故无时效硬化作用，但在高温能起弥散硬化中不溶解，故无时效硬化作用，但在高温能起弥散硬化作用，有利于

16、耐热性提高（主要是前者）。该合金的特作用，有利于耐热性提高（主要是前者）。该合金的特点是含点是含Ni量高，量高，导热性好，热膨胀系数小导热性好，热膨胀系数小，适于生产内，适于生产内燃机活塞，缺点是燃机活塞，缺点是脆性相多，塑性差脆性相多，塑性差。2A70和和2A80合金降低了合金降低了Cu、Ni含量，提高了含量，提高了Mg、Fe含量，合金化的特点是：含量，合金化的特点是：Ni、Fe含量恰好形成含量恰好形成FeNiAl9，既无多余的，既无多余的Ni形成形成AlCuNi化合物，也无多余的化合物，也无多余的Fe形成形成AlCuFe化合物，减少了合金中脆性化合物的数量。化合物，减少了合金中脆性化合物的

17、数量。此外，没有多余的此外，没有多余的Ni、Fe消耗消耗Cu，有更多的，有更多的Cu溶入溶入固固溶体，同时由于增加了形成溶体，同时由于增加了形成S相的相的Mg，合金的耐热性进，合金的耐热性进一步提高。二者的力学性能接近，差别是前者的工艺性一步提高。二者的力学性能接近，差别是前者的工艺性能好（目前能好（目前2A70用量最大）。用量最大）。合金中加合金中加Ti主要是为了细化晶粒，提高塑性，耐热性主要是为了细化晶粒，提高塑性，耐热性主要靠主要靠S相的时效硬化和相的时效硬化和FeNiAl9相的弥散硬化。相的弥散硬化。两种合金没有自然时效能力，两种合金没有自然时效能力，只能人工时效只能人工时效。主要用于

18、生产鼓风机和压气机涡轮叶片以及发动机活主要用于生产鼓风机和压气机涡轮叶片以及发动机活塞等。塞等。2）性能变化规律）性能变化规律 单独单独添加添加Fe或或Ni时，由于形成不溶解的时，由于形成不溶解的AlCuFe相或相或AlCuNi相，降低了固溶体中的相，降低了固溶体中的Cu含量，因此合金的时效含量，因此合金的时效效果下降（淬火和时效态的性能急剧下降）；效果下降（淬火和时效态的性能急剧下降）；同时同时添加添加Fe或或Ni时，由于时，由于Fe、Ni优先形成优先形成FeNiAl9，减，减小了形成小了形成AlCuFe相和相和AlCuNi相的机会，因此提高了相的机会，因此提高了Cu在在固溶体中的浓度（尤其

19、当固溶体中的浓度（尤其当Fe:Ni1:1时），使合金的强度时），使合金的强度急剧升高；急剧升高；加入加入0.4以下的以下的Si可提高合金的强度，改善耐热性，可提高合金的强度，改善耐热性，但当但当Si量较多时，由于量较多时，由于Mg2Si量增多，而量增多，而S相数量减少，相数量减少，合金的耐热性降低。合金的耐热性降低。175 时的时的持久强度持久强度（应力为（应力为260MPa）1最大值最大值2最小值最小值时效时效淬火淬火Si对持久强度的对持久强度的影响影响1200、180MPa2270、80 MPa2、Al-Cu-Mn系系 该系合金含该系合金含较高的较高的Cu，不含，不含Mg或少量或少量Mg，

20、特点是：，特点是：合金的合金的Cu量超过极限溶解度（量超过极限溶解度（5.7），过剩的），过剩的相弥散相弥散质点提高耐热性。此外，合金的共晶量较多，因此流动质点提高耐热性。此外，合金的共晶量较多，因此流动性好，可焊性好；塑性和工艺性能好，室温强度比性好，可焊性好；塑性和工艺性能好，室温强度比2A70低，但在低，但在250 300间高温强度比后者高。间高温强度比后者高。牌号 CuMnMgTiZr V2A166.07.00.40.8 0.10.22A176.07.00.40.8 0.250.450.10.222195.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25 0.050.152

21、0215.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25（Fe、Si含量含量0.3）1）组织组织 合金中除合金中除相和相和MnAl6外，还出现一三元相外，还出现一三元相T（CuMn2 Al12）合金的相组成物是合金的相组成物是T，只有当，只有当Cu量很低时才量很低时才出现出现MnAl6。2）合金元素和杂质对组织性能的影响）合金元素和杂质对组织性能的影响 Cu在接近极限溶解度在接近极限溶解度5 6时，合金具有最高的强度。时，合金具有最高的强度。力学性能力学性能 300 持久强度（持久强度（40MPa）最最大大值值最最小小值值 当当Cu在最佳含量在最佳含量6时，时，Mn对室温性能影响

22、不大，但当对室温性能影响不大，但当含量为含量为0.4 0.8时可显著提高时可显著提高300 时的持久强度。时的持久强度。力学性能力学性能 300 持久强度（持久强度（70MPa）Mn,%Mn,%1-1-退火退火2-2-自然时效自然时效3-3-淬火淬火4-200 4-200 人工时效人工时效1-0.7Mn 2-0.9Mn 1-0.7Mn 2-0.9Mn 3-0.4Mn 4-1.3Mn 3-0.4Mn 4-1.3Mn 5-0.2Mn5-0.2Mn 原因原因：1）Mn在在Al中扩散系数低，降低主要组元中扩散系数低，降低主要组元Cu（2个数个数量级）的扩散系数，因此能大大减缓固溶体的分解速量级）的扩散

23、系数，因此能大大减缓固溶体的分解速度，提高合金的耐热性；度，提高合金的耐热性；2）Mn在铸造时易偏析（在枝晶外围部分强烈过饱在铸造时易偏析（在枝晶外围部分强烈过饱和），靠近晶界的这种富和），靠近晶界的这种富Mn区使区使相不易沿晶界析出相不易沿晶界析出和集聚，因而促使和集聚，因而促使相在基体中均匀分解，提高合金的相在基体中均匀分解，提高合金的耐热性；耐热性；3）形成的）形成的T相在均匀化和固溶处理时以弥散质点形相在均匀化和固溶处理时以弥散质点形式析出，该相在时效过程中形核和长大缓慢且在高温式析出，该相在时效过程中形核和长大缓慢且在高温时具有高的硬度，因此在高温长时间加热过程中组织时具有高的硬度，

24、因此在高温长时间加热过程中组织稳定，对耐热性有利（该相仅极弥散析出时才能提高稳定，对耐热性有利（该相仅极弥散析出时才能提高耐热性）。耐热性）。过渡族元素过渡族元素Ti、Zr、V等同等同Mn一样，也能提高再结晶温一样，也能提高再结晶温度、增加度、增加固溶体的稳定性、降低固溶体的稳定性、降低Cu原子的扩散系数，对原子的扩散系数，对合金耐热性同样有利，其中合金耐热性同样有利，其中Zr最明显。最明显。2219、2021在稍微降低在稍微降低Cu、Mn含量的条件下，同时加含量的条件下，同时加入上三种微量元素，充分发挥微量元素的作用，不仅有较入上三种微量元素，充分发挥微量元素的作用，不仅有较高的室温性能和良

25、好抗蠕变性能，还有优秀的可焊性。高的室温性能和良好抗蠕变性能，还有优秀的可焊性。Mg提高合金的强度，但使焊接性能急剧下降，在可焊合提高合金的强度，但使焊接性能急剧下降，在可焊合金中应严格限制；金中应严格限制；Fe、Si是耐热性有害的杂质，是耐热性有害的杂质，Si降低再结晶温度，加速降低再结晶温度，加速固溶体的分解，固溶体的分解，Fe形成不溶解的（形成不溶解的（FeMn）Al6，降低，降低Mn对耐对耐热性的影响，因此含量热性的影响，因此含量0.3。该系合金多在人工时效状态下使用。该系合金多在人工时效状态下使用。合金的缺点是合金的缺点是Cu含量高，耐蚀性差，用于焊接结构，焊含量高，耐蚀性差，用于焊

26、接结构，焊缝需阳极氧化或涂漆。缝需阳极氧化或涂漆。3、Al-Cu-Li系系牌号CuLiMnCdTi Fe Si20204.05.00.91.7 0.30.8 0.10.25 0.1 0.4 0.4 该系合金是新发展的合金，该系合金是新发展的合金，Cu、Mn保持不变，以保持不变，以Li代代替替Mg，加入的，加入的Li形成与形成与S相近似的相近似的LiCuAl2化合物，起强化化合物，起强化和耐热作用。但和耐热作用。但Li的作用必须有的作用必须有Cd存在才能发挥出来。存在才能发挥出来。合金的主要特点是室温强度高、耐热，密度小，是生产合金的主要特点是室温强度高、耐热，密度小，是生产飞机蒙皮的良好材料，但生产工艺复杂且飞机蒙皮的良好材料，但生产工艺复杂且Cd有毒，因此应有毒，因此应用上受限制。用上受限制。