輕合金課件---第四章-鋁合金的組織與性能教案資料

1、輕合金課件-第四章-鋁合金的組織與性能 工業(yè)用工業(yè)用2系的系的 Cu/Mg8時，強化相主要是時，強化相主要是； Cu/Mg8 4時，主要是時，主要是S； Cu/Mg4 1.5時，主要是時，主要是S相；相； 相在時效過程中的結(jié)構(gòu)變化已討論，當相在時效過程中的結(jié)構(gòu)變化已討論，當Cu/Mg2時，時，S相的沉淀過程為：相的沉淀過程為：GP區(qū)區(qū)S SS（ MgCuAl2） GP區(qū)是區(qū)是 Cu、Mg原子偏聚區(qū)，為針狀（也有人認為原子偏聚區(qū)，為針狀（也有人認為是球狀）；是球狀）； 是有序化的是有序化的GP區(qū)，與母相共格，圓柱狀；區(qū)，與母相共格，圓柱狀； 是斜方晶格，與母相部分共格；是斜方晶格，與母相部分共格

2、； 當當 相長大到與母相失去共格關(guān)系時，即被平衡相相長大到與母相失去共格關(guān)系時，即被平衡相S所取代。所取代。S SS二、二、合金化合金化 Cu是主成分，是主成分， 有一定的固溶強有一定的固溶強化作用，化作用，相相有有明顯的時效強化明顯的時效強化效果，由圖可看效果，由圖可看出，出，Cu含量為含量為4.0 4.8時強時強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量處于這個量處于這個范圍）。范圍）。Cu提高強度，降提高強度，降低塑性。低塑性。 為獲得高強度：為獲得高強度： Mg含量含量2； 研究表明：位于研究表明：位于極限溶解度附近的極限溶解度附近的固溶體合金具有最固溶體合金具有

3、最大的時效效果，固大的時效效果，固溶時有過剩的溶時有過剩的Cu、Mg時，時效效果時，時效效果下降。下降。 Mg的主要作用是生成的主要作用是生成S相相，進一步提高合金的強度，進一步提高合金的強度，但延伸率下降較大；此外，但延伸率下降較大；此外，Mg能改善能改善相、相、 固溶體和晶固溶體和晶界間的電極電位關(guān)系，因此界間的電極電位關(guān)系，因此能改善合金的耐蝕性能改善合金的耐蝕性。 自然時效態(tài)屈服強度的變化自然時效態(tài)屈服強度的變化 Mn也是也是2系合金的主要成分，所以有時用系合金的主要成分，所以有時用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對抗蝕性的有害對

4、抗蝕性的有害影響影響，同時提高強度尤其是高溫強度，但其加入量應(yīng)，同時提高強度尤其是高溫強度，但其加入量應(yīng)1，否則形成粗大的脆性化合物（，否則形成粗大的脆性化合物（MnFe）Al6，降低合金，降低合金的壓力加工性能。的壓力加工性能。 Mn對對Al-4Cu-0.5Mg力學(xué)性能影響力學(xué)性能影響 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在熔煉時的燒損；在熔煉時的燒損； Ti能細化晶粒，顯著降低熱裂傾向，在可焊能細化晶粒，顯著降低熱裂傾向，在可焊合金及焊絲合合金及焊絲合金中廣泛應(yīng)用；金中廣泛應(yīng)用； Zr與與Ti一樣一樣也是有效的晶粒細化劑，故能減輕鑄造和焊接也是有效的晶粒細化

5、劑，故能減輕鑄造和焊接裂紋，提高鑄錠和焊縫的塑性，此外還有與裂紋，提高鑄錠和焊縫的塑性，此外還有與Mn相似的作用，相似的作用，即提高合金的再結(jié)晶溫度；即提高合金的再結(jié)晶溫度； Si增加增加合金的鑄造和焊接裂紋傾向，降低合金的塑性，但合金的鑄造和焊接裂紋傾向，降低合金的塑性，但當當Mg0.5時有好影響，表現(xiàn)在提高合金的人工時有好影響，表現(xiàn)在提高合金的人工時效速度和強度，但不影響自然時效能力（時效速度和強度，但不影響自然時效能力（Mg2Si）；）； Fe能與能與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，降低合金的塑性和韌性，損害時效能力；性和韌性，損害時效能力； 近年

6、來開發(fā)出了高純硬鋁（近年來開發(fā)出了高純硬鋁（21242124、20482048），合金的斷裂韌），合金的斷裂韌性明顯提高。性明顯提高。三、三、微量元素和雜質(zhì)對組織性能的影響微量元素和雜質(zhì)對組織性能的影響 牌號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 0.90.50.520

7、243.8 4.91.2 1.80.3 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 超純超純AlAl合金與工業(yè)合金與工業(yè)AlAl合金斷裂韌性比較合金斷裂韌性比較 2024主要夾雜相主要夾雜相是含是含F(xiàn)e相和淬火相和淬火殘留相殘留相S和和，對，對塑性和韌性不利；塑性和韌性不利；2124含含F(xiàn)e相減少，相減少，但仍有相當?shù)拇愕杂邢喈數(shù)拇慊饸埩粝啵换饸埩粝啵?048進一步減少了脆進一步減少了脆性相數(shù)

8、量。性相數(shù)量。四、四、2系合金的耐蝕性系合金的耐蝕性 2系合金的耐蝕性差，且系合金的耐蝕性差，且Cu量越高耐蝕性越差，耐蝕性量越高耐蝕性越差，耐蝕性差的原因是：含差的原因是：含Cu的固溶體及晶界上第二相的電極電位比的固溶體及晶界上第二相的電極電位比晶界高，易引起局部腐蝕，因此耐蝕性差，不能滿足使用晶界高，易引起局部腐蝕，因此耐蝕性差，不能滿足使用要求（尤其在海洋或潮濕大氣中），需進行人工保護。要求（尤其在海洋或潮濕大氣中），需進行人工保護。 主要方法：主要方法： 1、包包Al，即用熱軋法將純，即用熱軋法將純Al板包覆在板材表面上，因板包覆在板材表面上，因純純Al的電極電位低，在大氣中起陽極作用

9、，且能形成保護的電極電位低，在大氣中起陽極作用，且能形成保護膜，故產(chǎn)品能得到電化學(xué)和機械保護（包膜，故產(chǎn)品能得到電化學(xué)和機械保護（包Al層厚應(yīng)大于層厚應(yīng)大于 板板厚的厚的4，對高強度，對高強度Al合金厚板，為減少強度損失，可減合金厚板，為減少強度損失，可減少到少到2）；）； 2、型材、管材等不能包、型材、管材等不能包Al產(chǎn)品，可進行產(chǎn)品，可進行陽極氧化或涂陽極氧化或涂漆漆等保護措施。等保護措施。 五五 應(yīng)用應(yīng)用 2 系合金按用途和強度可分系合金按用途和強度可分鉚釘、中強、高強和耐熱鉚釘、中強、高強和耐熱硬硬Al四類，主要應(yīng)用于航空工業(yè)，除耐熱硬四類，主要應(yīng)用于航空工業(yè)，除耐熱硬Al（2A02）

10、進行人工時效外，其余均在自然時效狀態(tài)下使用。進行人工時效外，其余均在自然時效狀態(tài)下使用。 鉚釘硬鉚釘硬Al（2A01、2A10）又稱低合金化硬）又稱低合金化硬Al，特點，特點是是Cu、Mg含量低且限制了雜質(zhì)含量，有較高的塑性；含量低且限制了雜質(zhì)含量，有較高的塑性； 2A11也稱標準硬也稱標準硬Al（與（與Wilm在在1906年發(fā)現(xiàn)時效現(xiàn)象年發(fā)現(xiàn)時效現(xiàn)象是使用的成分基本相同，故得名），有中等強度，塑性是使用的成分基本相同，故得名），有中等強度，塑性較好，多以板、棒、型材應(yīng)用，在航空工業(yè)主要用于模較好，多以板、棒、型材應(yīng)用，在航空工業(yè)主要用于模鍛螺旋漿片；鍛螺旋漿片； 2A12屬高強度硬屬高強度硬

11、Al，以，以S為主要強化相，多以包為主要強化相，多以包Al板板材狀態(tài)使用，是航空工業(yè)中應(yīng)用最廣的合金，制造飛機材狀態(tài)使用，是航空工業(yè)中應(yīng)用最廣的合金，制造飛機蒙皮；蒙皮； 2A02的的Mg、Mn含量高，位于含量高，位于 S相區(qū)，多余的相區(qū)，多余的Mg能能形成耐熱相形成耐熱相Al10Mg2Mn，故有高的耐熱性，多以模鍛制造，故有高的耐熱性，多以模鍛制造在在250 300工作的零件。為保證高溫性能的穩(wěn)定性，多工作的零件。為保證高溫性能的穩(wěn)定性，多以人工時效（以人工時效（ 165 17516h ）狀態(tài)使用；）狀態(tài)使用； 2036合金的合金的Cu、Mg含量低，綜合性能好，主要用于制含量低，綜合性能好，

12、主要用于制造汽車車身（汽車車身板既要求一定的強度，又要有良好造汽車車身（汽車車身板既要求一定的強度，又要有良好的沖壓性能、焊接性能、抗蝕性，以及沖壓后無呂德線的沖壓性能、焊接性能、抗蝕性，以及沖壓后無呂德線（Luder Lines），）， 在涂漆后的烘烤期間能發(fā)生完全的沉在涂漆后的烘烤期間能發(fā)生完全的沉淀硬化）。淀硬化）。 六六 耐熱合金耐熱合金 隨著超音速噴氣客機的發(fā)展，需求能在隨著超音速噴氣客機的發(fā)展，需求能在120 以上長以上長期工作的飛機蒙皮材料，早期的期工作的飛機蒙皮材料，早期的Al合金已不能滿足這一合金已不能滿足這一要求，因此開發(fā)了耐熱要求，因此開發(fā)了耐熱Al合金。合金。1、Al-

13、Cu-MgFe-Ni系系 牌號CuMgFeNiSi2A70 1.9 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與前述合金不同的是：與前述合金不同的是： 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）組織）組織 除除S相相外，加入的外，加入的Fe和和Ni主要與主要與Al形成形成FeNiAl9化合物；化合物；若若Fe和和Ni的含量比不為的含量比不為1:1，

14、則存在過剩的，則存在過剩的Fe或過剩的或過剩的Ni，此時可相應(yīng)地形成此時可相應(yīng)地形成AlCuNi（或（或 Cu3Al6Ni ）化合物（過剩）化合物（過剩Ni）或）或AlCuFe（或（或Cu3Al6Fe）化合物（）化合物（Fe過剩）過剩） ； Si與與Mg形成形成Mg2Si相。相。 2A90應(yīng)用最早，是在應(yīng)用最早，是在2A11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，加入的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，加入Fe、Ni、Si除形成除形成Mg2Si外，外，F(xiàn)e和和Ni形成形成FeNiAl9化合物，化合物，多余的多余的Ni與與Cu形成形成AlCuNi化合物。這些化合物在固溶體化合物。這些化合物在固溶體中不溶解，故無時效硬化作用，但在高

15、溫能起彌散硬化中不溶解，故無時效硬化作用，但在高溫能起彌散硬化作用，有利于耐熱性提高（主要是前者）。該合金的特作用，有利于耐熱性提高（主要是前者）。該合金的特點是含點是含Ni量高，量高，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，適于生產(chǎn)內(nèi)，適于生產(chǎn)內(nèi)燃機活塞，缺點是燃機活塞，缺點是脆性相多，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，合金化的特點是：含量，合金化的特點是：Ni、Fe含量恰好形成含量恰好形成FeNiAl9，既無多余的，既無多余的Ni形成形成AlCuNi化合物，也無多余化合物，也無多余的的Fe形成形成AlC

16、uFe化合物，減少了合金中脆性化合物的化合物，減少了合金中脆性化合物的數(shù)量。此外，沒有多余的數(shù)量。此外，沒有多余的Ni、Fe消耗消耗Cu，有更多的，有更多的Cu溶入溶入固溶體，同時由于增加了形成固溶體，同時由于增加了形成S相的相的Mg，合金的，合金的耐熱性進一步提高。二者的力學(xué)性能接近，差別是前者耐熱性進一步提高。二者的力學(xué)性能接近，差別是前者的工藝性能好（目前的工藝性能好（目前2A70用量最大）。用量最大）。 合金中加合金中加Ti主要是為了細化晶粒，提高塑性，耐熱性主要是為了細化晶粒，提高塑性，耐熱性主要靠主要靠S相的時效硬化和相的時效硬化和FeNiAl9相的彌散硬化。相的彌散硬化。 兩種合

17、金沒有自然時效能力，兩種合金沒有自然時效能力，只能人工時效只能人工時效。 主要用于生產(chǎn)鼓風機和壓氣機渦輪葉片以及發(fā)動機活主要用于生產(chǎn)鼓風機和壓氣機渦輪葉片以及發(fā)動機活塞等。塞等。2）性能變化規(guī)律）性能變化規(guī)律 單獨單獨添加添加Fe或或Ni時，由于形成不溶解的時，由于形成不溶解的AlCuFe相或相或AlCuNi相，降低了固溶體中的相，降低了固溶體中的Cu含量，因此合金的時效含量，因此合金的時效效果下降（淬火和時效態(tài)的性能急劇下降）；效果下降（淬火和時效態(tài)的性能急劇下降）； 同時同時添加添加Fe或或Ni時，由于時，由于Fe、Ni優(yōu)先形成優(yōu)先形成FeNiAl9，減，減小了形成小了形成AlCuFe相和

18、相和AlCuNi相的機會，因此提高了相的機會，因此提高了Cu在固溶體中的濃度（尤其當在固溶體中的濃度（尤其當Fe:Ni1:1時），使合金的強時），使合金的強度急劇升高；度急劇升高； 加入加入0.4以下的以下的Si可提高合金的強度，改善耐熱性，可提高合金的強度，改善耐熱性，但當?shù)擲i量較多時，由于量較多時，由于Mg2Si量增多，而量增多，而S相數(shù)量減少，相數(shù)量減少，合金的耐熱性降低。合金的耐熱性降低。175 時的時的持久強度持久強度（應(yīng)力為（應(yīng)力為260MPa）1最大值最大值2最小值最小值時效時效淬火淬火Si對持久強度的對持久強度的影響影響1200 、 180MPa2270 、80 MPa2、

19、Al-Cu-Mn系系 該系合金含該系合金含較高的較高的Cu，不含，不含Mg或少量或少量Mg，特點是：，特點是：合金的合金的Cu量超過極限溶解度（量超過極限溶解度（5.7），過剩的），過剩的相彌散相彌散質(zhì)點提高耐熱性。此外，合金的共晶量較多，因此流動質(zhì)點提高耐熱性。此外，合金的共晶量較多，因此流動性好，可焊性好；塑性和工藝性能好，室溫強度比性好，可焊性好；塑性和工藝性能好，室溫強度比2A70低，但在低，但在250 300間高溫強度比后者高。間高溫強度比后者高。牌號 CuMnMgTiZr V2A166.07.00.40.8 0.10.22A176.07.00.40.8 0.250.45 0.10.

20、222195.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25 0.050.1520215.86.80.20.4 0.020.020.1 0.10.25（Fe、Si含量含量0.3） 1） 組織組織 合金中除合金中除相和相和MnAl6外，還出現(xiàn)一三元相外，還出現(xiàn)一三元相T（ CuMn2 Al12 ） 合金的相組成物是合金的相組成物是T，只有當，只有當Cu量很低時才量很低時才出現(xiàn)出現(xiàn)MnAl6。2）合金元素和雜質(zhì)對組織性能的影響）合金元素和雜質(zhì)對組織性能的影響 Cu在接近極限溶解度在接近極限溶解度5 6時，合金具有最高的強度。時，合金具有最高的強度。 力學(xué)性能力學(xué)性能 300 持久強度

21、（持久強度（ 40MPa）最最大大值值最最小小值值 當當Cu在最佳含量在最佳含量6時，時，Mn對室溫性能影響不大，但當對室溫性能影響不大，但當含量為含量為0.4 0.8時可顯著提高時可顯著提高300 時的持久強度。時的持久強度。 力學(xué)性能力學(xué)性能 300 持久強度（持久強度（70MPa）Mn,%Mn,%1-1-退火退火2-2-自然時效自然時效3-3-淬火淬火4-200 4-200 人工時效人工時效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中擴散

22、系數(shù)低，降低主要組元中擴散系數(shù)低，降低主要組元Cu（2個數(shù)個數(shù)量級）的擴散系數(shù)，因此能大大減緩固溶體的分解速量級）的擴散系數(shù)，因此能大大減緩固溶體的分解速度，提高合金的耐熱性；度，提高合金的耐熱性； 2）Mn在鑄造時易偏析（在枝晶外圍部分強烈過飽在鑄造時易偏析（在枝晶外圍部分強烈過飽和），靠近晶界的這種富和），靠近晶界的這種富Mn區(qū)使區(qū)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，因而促使相在基體中均勻分解，提高合金的相在基體中均勻分解，提高合金的耐熱性；耐熱性； 3）形成的）形成的T相在均勻化和固溶處理時以彌散質(zhì)點形相在均勻化和固溶處理時以彌散質(zhì)點形式析出，該相在時效過程中形核和

23、長大緩慢且在高溫式析出，該相在時效過程中形核和長大緩慢且在高溫時具有高的硬度，因此在高溫長時間加熱過程中組織時具有高的硬度，因此在高溫長時間加熱過程中組織穩(wěn)定，對耐熱性有利（該相僅極彌散析出時才能提高穩(wěn)定，對耐熱性有利（該相僅極彌散析出時才能提高耐熱性）。耐熱性）。 過渡族元素過渡族元素Ti、Zr、V等同等同Mn一樣，也能提高再結(jié)晶溫一樣，也能提高再結(jié)晶溫度、增加度、增加固溶體的穩(wěn)定性、降低固溶體的穩(wěn)定性、降低Cu原子的擴散系數(shù)，對原子的擴散系數(shù)，對合金耐熱性同樣有利，其中合金耐熱性同樣有利，其中Zr最明顯。最明顯。 2219、2021在稍微降低在稍微降低Cu 、Mn含量的條件下，同時加含量的條件下，同時加入上三種微量元素，充分發(fā)揮微量元素的