第1章 铝及其合金Word文件下载.docx
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纯铝采用熔盐电解的方法制取,利用直流电以冰晶石为熔剂在950~970℃电解氧化铝可制取工业电解纯铝,所得到的工业电解纯铝经三层熔液电解法可制取工业高纯铝。
使用区域熔炼或有机溶液电解法冶炼工业高纯铝可制取纯度在99.999%以上的高纯铝,最高纯度可达99.99995%。
高纯铝分为五个等级,其牌号为L05~L01,数字越小,纯度越低。
高纯铝主要用于科学实验、化学工业和其它特殊需求。
工业高纯铝一般定为纯度为99.90%~≥99.99%的铝。
中国定为纯度为99.85%~≥99.99%的铝。
中国塑性变形加工工业高纯铝的牌号有1A99(LG5),1A97(LG4),1A95,1A93(LG3),1A90(LG2)1A85(LG1)(括号前为新牌号,括号内为旧牌号)。
1A99纯度最高(99.99%),依次下降到1A85(99.85%),主要杂质为Fe、Si、Cu。
工业高纯铝主要做电解电容器用的阳极箔、电容器引线、集成电路导线、真空蒸发材料、超导体的稳定导体、磁盘合金和高断裂韧性铝合金的基体金属,以及在科研、化工等方面的特殊用途。
工业纯铝一般定为纯度为99.0%~99.9%的铝,中国定为纯度为98.8%~99.7%的铝。
中国塑性变形加工工业工业纯铝的牌号有1080,1080A,1070,1070A(L1)、1370、1060(L2),1050,1050A(L3),1A50(LB2),1350,1145,1035(L4),1A30(L4-1),1100(L5-1),1200(L-5),1235等。
Fe和Si为主要杂质,杂质含量按牌号数字增加而增加。
工业纯铝不能热处理强化,可以通过冷变形提高其强度,唯一的热处理形式为退火。
工业纯铝的再结晶温度一般为200℃,再结晶温度和杂质含量及变形程度有关。
工业纯铝用途非常广泛,可作电工铝,如母线、电线、电缆、电子零件;
可作换热器、冷却器、化工设备;
食品和药物的包装用品、吸音和绝热材料,以及家庭用具、炊具等。
1.2铝合金
1.2.1铝合金的简介
以铝为基,添加一定量其他合金化元素的合金,是轻金属材料之一。
铝合金除具有铝的一般特性外,由于添加合金化元素的种类和数量的不同,又具有一些合金的具体特性。
铝合金的密度一般为:
2.63~2.85g/cm3,有较高的强度(σb为110~650Mpa),比强度接近高合金钢,比刚度超过刚,有良好的铸造及塑性加工性能,良好的导电、导热性能,良好的耐蚀性能及良好的可焊性,可作结构材料使用,在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。
1.2.2铝合金的相
铝合金中成分均一、结构相同(或聚集状态相同)、彼此以界面分开的宏观均匀的组成部分。
铝合金的相主要指固态的相组成。
分类按其结构,铝合金的相可分为固溶体和化合物两类。
铝合金的化合物,按生成温度又可分为结晶相、弥散相和时效相三类。
(1)结晶相。
在合金开始结晶和结晶终了温度范围内生成的相,尺寸约为0.1-30μm。
按加热时的溶解能力,结晶相可分难溶相和易溶相,前者为含铁、硅、锰、铬、钛和锆的相,后者为含锌、镁、铜和锂的相。
按结晶时的反应类型,结晶相又可分为初晶相、共晶相、包共晶生成物和包晶生成物4种。
从液体中直接生成的单一固相为初晶。
在共晶温度下由液相同时生成两种或两种以上的固相称为共晶相。
包共晶生成物是液相与固相分别在包共晶温度下生成的两种或两种以上新固相。
液相与一种或两种固相在包晶温度下生成的一种新固相为包晶生成物。
(2)弥散相。
在结晶终了温度与时效温度间形成的相,尺寸约为0.01~0.5μm。
弥散相还可分为高温分解相、冷却析出相和稳定化沉淀相。
铝合金半连续铸锭在高温加热时形成的过渡族金属化合物Al12Mg2Cr、MnAl6、和ZrAl3等属高温分解相。
铝合金高温加热后缓冷时,由主要合金元素生成的θ(CuAl2)相、η(Mg2Si)相、S(A12CuMg)相和T(Al2Mg3Zn3)相属冷却析出相。
含高镁的铝镁合金稳定化处理时析出的β(Mg5Al8)相属稳定化沉淀相。
(3)时效相。
是在时效温度析出的过渡相,尺寸约为0.00l-0.1μm,过时效时,沿晶界还可析出达1μm的粗大质点。
时效相包括过渡相和平衡相,通常也把G..P.区划为时效相。
G..P.区是溶质原子富集区,无独立的晶体结构,与基体完全共格。
过渡相有独立的晶体结构,与基体部分共格或完全共格。
平衡相是有独立晶体结构的非共格沉淀相。
1.2.3铝合金热处理
在介质中将铝合金加热到一定温度,保温一定时间后再以某种冷却速度冷却的工艺。
目的是改变铝合金的冶金组织、加工特性、力学性能和应力状态。
常采用的方法有:
铸锭均匀化处理;
回复和再结晶退火;
固溶处理(淬火);
时效;
形变热处理;
回归处理等。
(1)铸锭均匀化处理
将铝合金铸锭加热到接近熔点温度(0.95~0.98Tm),保温较长时间后进行缓慢冷却的工艺。
工艺是消除铸锭的化学成分和组织的不均匀性,消除铸造应力和提高塑性加工性能。
(2)回复和再结晶退火
生产中为不同目的而控制形变合金回复、再结晶和晶粒长大程度的热处理统称。
形变金属在加热过程中发生了物理性能和某些亚结构的变化,但尚未形成新的再结晶晶粒的过程,称为回复;
当出现无畸变的新晶粒的的形核和长大时,称为再结晶;
再结晶后的晶粒相互吞并的过程,称为晶粒长大。
回复和再结晶主要受变形程度、退火加热温度和保温时间的影响,而晶粒长大则主要取决于加热温度和保温时间。
依据这些影响因素,为了不同的目的和用途,人们就可以对变形铝合金进行程度不同的退火处理。
例如,为使热变形坯料得到平衡组织和高的塑性加工性能,要在第一次冷变形之前将坯料加热到较高温度,这种退火称为预先退火;
为消除加工硬化而进行的两次冷变形间的退火称为中间退火;
为获得半硬制品则用低温退火,获得软制品就要采用高温退火等。
(3)固溶处理
得到均匀过饱和固溶体的热处理工艺。
其过程是将铝合金加热到足够高的温度(通常接近熔化温度,低于共晶温度),在此温度下保持足够长时间,使沉淀相完全熔解,随后以足够块的冷却速度冷却到室温。
这样便得到了单相的过饱和固溶体,以备给热处理强化的铝合金创造沉淀强化的条件。
(4)时效
可热处理强化的铝合金淬火后停放在室温或较高温度下以提高性能的方法。
这是铝合金热处理常用的方法之一。
室温下进行的时效称“自然时效”,在高于室温下进行的时效称“人工时效”。
时效处理是提高铝合金力学性能的重要手段。
可热处理强化铝合金,淬火后形成过饱和固溶体,在室温或稍高温度中加热能发生分解,其过程通常包括G.P.区、亚稳定相(铝铜系合金用θ˝和θ΄表示,铝铜镁系合金用S˝和S΄表示,铝镁硅系合金用β˝和β΄表示,铝锌镁系和铝锌镁铜系用η˝和η΄表示)和稳定相三个阶段。
G.P.区是与铝基体完全共格的,亚稳定相与铝基体部分共格,稳定相与铝基体非共格。
共格或部分共格都能引起铝基体晶格的畸变,因而导致铝合金硬度和强度的升高以及其他性能的变化。
当析出非共格的稳定相时,合金即开始“软化”,强度降低。
通常可将铝合金的时效沉淀序列表示为:
过饱和固溶体→过饱和原子富集区(G.P.区)→亚稳定相→稳定相
不同系的铝合金,从G.P.区到亚稳定相再到稳定相的具体析出顺序是不同的。
常用工业铝合金的时效序列如下:
铝铜系合金:
G.P.区(片状)→θ˝→θ΄→θ(CuAl2)
铝铜镁系合金:
G.P.区(针状或球状)→S˝→S΄→S(CuMgAl2)
铝镁硅系合金:
G.P.区(针状)→β˝→β΄→β(Mg2Si)
铝锌镁系合金:
G.P.区(球状)→η˝→η΄→η(MgZn2)→T(Mg3Zn3Al2)
铝锌镁铜系合金的时效序列和铝锌镁系合金的相同。
为了提高铝合金的强度,通常将其时效到强的峰值状态,称为峰值时效(用T6表示)。
为了提高铝合金的断裂韧性和抗应力腐蚀性能,还可采用双级过时效处理(用T73或T74表示),此时虽然损失了一部分强度,但却提高了合金的综合性能。
(5)形变热处理
时效强化与加工硬化相结合的热处理工艺。
根据不同的处理程序分为中间形变热处理和最终形变热处理。
前者是在固溶处理温度附近进行热加工,淬火后时效;
后者是在淬火后于时效前或双级时效之间进行10%~50%的冷变形或中温变形。
形变热处理过程中,变形和时效相互影响和促进,从而可以提高铝合金的强度、断裂韧性、塑性和抗应力腐蚀性能。
(6)回归处理
使已时效强化的铝合金恢复到新淬火状态的热处理工艺。
通常自然时效的标准硬铝合金或高强硬铝合金加热到200~270℃就重新软化。
工业生产中利用回归处理可进行各种冷变形作业,例如制造飞机时的铆接作业等。
图1.1铝合金的固溶处理
1.2.4铝合金的强化
增加铝合金抵抗变形时位错运动能力的方法。
不管工作温度高低,合金抵抗变形的能力主要由位错运动难易所决定。
铝合金的强化方法有加工硬化、固溶强化、异相强化、弥散强化、沉淀强化、复合强化和晶界强化等。
(1)加工硬化
利用塑性变形来提高合金强度的一种方法。
它是不可热处理强化铝合金的主要强化手段。
工业纯铝及铝-锰、铝-镁合金常用这种方法强化。
塑性变形能显著增加位错密度,使位错在滑移过程中与沉淀相或各类晶体缺陷发生强烈的交互作用而受阻,导致强度升高,即被强化。
(2)固溶强化
溶质原子溶入金属基体中形成固溶体引起强化的方法。
固溶强化主要是由于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的阻力。
镁对5A02(LF2)合金的强化,主要为这类强化。
固溶强化在低温、高温中均有效,且对塑性影响较小,因而具有普遍的适用性。
(3)异相强化
铝合金结晶时生成的难溶化合物引起强化的方法。
铝硅系合金和铝铜镁铁镍系合金属于这种强化。
化合物质点的强度越高和体积百分数越大,对位错运动的阻力越大,强化效果越好。
异相强化有良好的耐热性。
(4)弥散强化
利用非共格弥散质点对铝合金进行强化的方法之一。
非共格弥散质点是具有独立结构、与基体以相界面完全分开的孤立的硬性细小质点。
为了获得高的弥散强化效应,要求弥散质点在铝中有低的溶解度和扩散速率,本身还应具有高的硬度和小的尺寸。
铝合金中添加溶解度小和扩散速率低的过渡族金属(如铬、锰、锆和钒)或某些稀土元素(如钆),通过快速冷却,使这些元素过饱和于α(A1)基体中,随后再在高温中加热,使之析出非共格的弥散质点,即能使合金获得高的强度,这就是铝合金弥散强化。
弥散质点引起的合金强化包括弥散质点阻碍位错运动的直接作用和提高再结晶温度的附加强化作用。
弥散质点是不可切割的硬性质点,位错运动受阻后,必须绕过质点而通过,增加了质点周围的位错密度和应力场,因而产生了强化效应。
这些质点还能抑制合金的再结晶过程,使铝合金热处理后仍能保留非再结晶组织,产生亚晶强化。
弥散强化合金的应变不太均匀,塑性损失较大,但由于弥散质点不易与基体金属产生原子交换而十分稳定,因此在高温下仍能保持有效的强化。
(5)铝合金沉淀强化
具有过饱和固溶体的铝合金在室温停放或加热时产生G.P.区或过渡相,引起合金强化的方法之一。
铝合金中形成的G.P.区和过渡相因比容与基体不同,引起晶格畸变,在滑移面上形成弹性应力起伏区,变形时使位错不能连续通过而变成波浪或被拉长,增加了位错运动阻力,因而引起合金强化。
共格沉淀相是十分弥散的软质点,位错线切割它们则产生新的相界面,增加了位错运动的阻力,也起到强化作用。
当一条位错线从沉淀相内部穿过时,还会产生原子间接合力对位错运动的阻碍作用。
因为沉淀相内部的原子间以及沉淀相与基体金属原子间的结合力比基体金属内原子间的结合力要强,位错通过这些结合力强的部分时要消耗更大的外加应力,即产生了强化。
沉淀强化在较低温度下的效果十分明显,是可热处理强化型铝合金普遍采用的最有效的强化手段。
在较高温度下,只要不引起沉淀相的明显粗化,也有较好的强化效果。
由于沉淀质点在基体中的分布较均匀,变形也较均匀,所以时效强化引起的塑性降低要比加工硬化、弥散强化或异相强化小得多。
(6)复合强化
用粉、丝和片状高强度材料,通过压、焊、喷涂和溶浸等工艺与铝基体复合成材,以获得高强度的一种方法。
该方法有纤维强化、粒子强化和包覆材料等三种。
复合强化对材料的塑性损害大,还有明显的各向异性,但某些材料的高温强化效应特别好。
(7)晶界强化
铝合金由于晶粒细化,晶界增加,或晶界自身强化而引起的强化。
晶粒细化产生的晶界强化来源于两个方面:
晶界对位错运动的阻力大于晶内;
相邻晶粒取向不同使晶粒滑移相互干扰。
这种强化效应随晶粒细化而增大。
晶界强化对合金的塑性损害较小,低温强化效果较好,但高温下不宜采取晶界强化,因为高温能促进晶粒间界滑移,合金易于沿晶断裂,对高温合金强化不利。
铝合金中加入微量元素,它们富集在晶界,增加晶界强度,有与细化晶粒相同的效果,引起合金强化。
1.2.5合金元素的作用
铜:
铜在铝中不仅可以通过固溶强化和沉淀强化强烈提高合金的室温强度,而且可增强铝铜合金的耐热性,因此铜是高强铝合金及耐热铝合金的主要合金元素。
铜在铝铜合金中形成的亚稳平衡θ″和θ′及平衡相θ(CuAl2)是铝合金中重要的沉淀强化相。
镁:
镁在铝中的固溶强化效果好,可提高铝的强度,同时还可降低铝的密度。
低镁铝合金在加工和热处理后易保持单相固溶体组织,固沉淀强化效果不大,但韧性和疲劳强度较高,且具有良好的抗蚀性,可作为抗腐蚀合金使用。
当镁含量超过8%时,铝镁合金才呈现沉淀强化效果,但合金的塑性很低。
因此,镁不能单独作为高强合金的主要添加元素,必需与其他元素配合加入。
锰:
锰在铝中的固溶度较低,固溶强化效果有限。
锰在铝中虽有溶解度变化,但因杂质铁的存在,形成不溶于铝的(FeMn)Al6化合物,故不能沉淀强化。
Al-Mn系中的第二相MnAl6与铝的电化学性质相近,具有良好的抗蚀性,因而在防锈铝合金中常加入Mn,其含量一般不大于2%。
硅:
硅同锰一样在铝中的固溶度较低,固溶强化能力有限,且沉淀强化效果不大,所以主要借助于过剩相强化。
二元Al-Si系合金共晶点较低,易于铸造,是铸造用铝合金的基础合金系列,硅含量一般选择10%~13%。
硅与镁在铝中可形成Mg2Si沉淀相,具有很好的强化效果,因此硅也可作为沉淀强化元素加入到含镁的铝合金中,其添加量通常不超过1.0%~1.2%。
锌:
锌在铝中的溶解度很大,具有很强的固溶强化能力,少量锌(0.4%~0.8%)即能提高铝合金的强度及抗蚀性。
在多元铝合金中锌是形成沉淀强化相的元素,可显著提高合金的沉淀强化效果。
锂:
锂是最轻的金属元素,可大幅度降低铝合金的密度,显著提高合金的弹性模量。
锂在铝中的固溶强化能力有限,但在时效甚至淬火过程中迅速形成的Al3Li有序沉淀相,却对铝合金具有很高的强化能力,因此锂是近年引起人们普遍关注的一种重要铝合金添加。
在二元Al-Li合金中,锂的加入量一般不超过3.0%。
除此以外,在铝合金中常加入Ti、Zr、Cr、V等微量元素以改善铝合金的综合性能。
目前稀土在铝合金中的应用正逐渐扩大,其作用表现为增加熔炼时合金的成分过冷度,细化晶粒,球化杂质相,降低熔体表面张力,增强流动性,改善工艺性能。
1.2.6铝合金的分类
按成分及加工方法,铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金和铸造铝合金的根本差别用图1.2说明:
成分位于Bˊ点以左的合金属于变形铝合金。
当加热到高于固溶线(BD)温度时,它可获得单相α固溶体,其塑性、加工性能较好,适于冷、热压力加工。
由于铸造技术的发展,有些变形铝合金的成分区扩大到F点。
成分在E点以右的金属属于铸造铝合金,由于其组织中含有低熔点共晶体,流动性好,可防止热裂现象,适于铸造成形,可见,铸造铝合金的合金含量高于变形铝合金。
铝合金还可以分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化合金。
可热处理强化合金是指成分位于DF之间的合金,其固溶体的成分随温度而变化,即热处理时有相的变化,因而发生强化,称为可热处理强化合金。
不可热处理强化合金是指成分在D点以左,其固溶体成分不随温度而变化,热处理时没有相的变化,不发生强化,称为不可热处理强化合金。
1.2.6.1变形铝合金
以铝为基添加合金元素经塑性变形获得某些特性的铝合金。
所采用的主要合金化元素主要有:
铜、镁、锰、锌、硅、锂、镍等,形成各种强化相,使合金强化。
还有微量添加剂:
锰(不作为合金化元素时)、钛、铬、锆、钒等,它们可细化合金组织,改善合金性能。
通过轧制、挤压、拉伸、锻造等塑性变形加工,可改善组织、提高性能,制成板、带、箔、管、型、棒、线和锻件等各种铝材。
通常,变形铝合金除具有铝的一般特性外,还具有较高的强度,可作结构材料使用。
中国变形铝合金原来是按合金的特性分类,合金牌号用汉语拼音字母和数字表示,字母表示合金的类别,数字表示具体合金序号,主要有:
防锈铝(LF)、硬铝(LY)、锻铝(LD)、超硬铝(LC)、特殊铝(LT)、钎焊铝(LQ)等。
近年来为了与国际接轨,我国制定了变形铝及铝合金的新牌号。
新牌号采用国际通用的四位数字体系,第一、三、四位为阿拉伯数字,第二位为大写英文字母。
第一位数字表示Al及Al合金的组或系别:
1×
×
表示纯铝系列,2×
表示Al-Cu系列,3×
表示Al-Mn系列,4×
表示Al-Si系列,5×
表示Al-Mg系列,6×
表示Al-Mg-Si系列,7×
表示Al-Zn系列,8×
表示Al-其他系列,9×
为备用系。
第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况,最后两位数字标识同一组或系中铝的不同纯度或不同的铝合金。
变形铝合金的大致分类情况如图1.3所示。
(1)防锈铝
防锈铝包括Al-Mn系、Al-Mg系合金以及工业纯铝。
防锈铝的主要性能特点是具有很高的塑性、较低的或中等的强度、优良的抗腐蚀性能和良好的焊接性能,适宜压力加工和焊接。
此外,防锈铝不能借助于热处理的方法进行强化,为提高强度,常采用冷变形强化的方法,因此一般在退火或冷作硬化的状态下使用。
①Al-Mn系
以Mn为主要合金元素的变形铝合金。
这种合金塑性高,深冲性能、焊接性能好,强度比工业纯铝高,耐蚀性与工业纯铝相近,是防锈铝的一种。
该系的典型合金有3A21(LF21)和3004。
表1.1变形铝合金的主要牌号、成分、机械性能及用途
类
别
代
号
化学成分,%
热处理
状态
机械性能
用途
Cu
Mg
Mn
Zn
其它
Al
σMPa
%
HB
防
锈
铝
合
金
LF5
4.5~5.5
0.3~0.6
余量
270
23
70
中载零件、铆钉、焊接油箱、油管
LF11
4.8~5.5
V0.02~0.2
同上
LF21
1.0~1.6
退火
130
30
管道、容器、铆钉及轻载零件及制品
硬
LY1
2.2~3.0
0.2~0.5
300
24
中等强度、工作温度不超过100℃的铆钉
LY11
3.8~4.8
0.4~0.8
420
18
100
中等强度构件和零件、如骨架、螺旋浆叶片铆钉
LY12
3.8~4.9
1.2~1.8
0.3~0.9
固溶处理+自然时效
480
11
131
高强度的构件及150℃以下工作的零件,如骨架、梁、铆钉
超
LC4
1.4~2.0
1.8~2.8
0.2~0.6
5.0~7.0
Cr0.1~0.25
600
12
150
主要受力构件及高载荷零件,如飞机大梁,加强框、起落架
LC6
2.2~2.8
2.5~3.2
0.2~.5
7.6~8.6
680
7
190
锻铝
LD5
1.8~2.6
Si0.7~1.2
13
105
形状复杂和中等强度的锻件及模锻件
LD7
1.9~2.5
1.4~1.8
Ti0.02~0.1
Ni1.0~1.5
Fe1.0~1.5
440
120
高温下工作的复杂锻件和结构件、内燃机活塞
LD10
3.9~4.8
0.4~0..8
0.4~1.0
Si0.5~1.2
固溶处理+人工时效
10
135
高载荷锻件和模锻件
铝锰系合金的结晶特点是,在状态图上液相线和固相线的垂直间隔小(0.5~1.0℃),而水平间隔宽。
这样便使已结晶的固相和残留的液相之间的成分差别增大。
此外,铝锰合金在结晶时过冷度大(300℃),高速凝固时,使锰在铝中形成过饱和固溶体,致使铝锰合金铸锭产生晶内锰偏析。
Mn偏析是Al-Mn合金形成粗晶的主要原因。
为了减少偏析,使再结晶晶粒细小、均匀,可采取以下措施:
(1)铸锭高温(6
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- 第1章 铝及其合金 及其 合金