铝及铝合金-全教材课件.ppt

1、1825年年由丹麦化学家由丹麦化学家奥斯德奥斯德发现。发现。1827年德国化学家武勒重复了年德国化学家武勒重复了奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。1854年德国化学家年德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。地壳中含量地壳中含量7%以上，在全部化学元素中含量占第三位以上，在全部化学元素中含量占第三位(仅次于氧仅次于氧和硅和硅)，在全部金属元素中占第一位。，在全部金属元素中占第一位。铝呈银白色，密度铝呈银白色，密度2.702g/cm3，熔点，熔点660.37，沸点，沸点2467。铝热法：用铝从其它氧化物中置换

2、金属。如：铝热法：用铝从其它氧化物中置换金属。如： 8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+795千卡千卡。铝以化合态存在于各种岩石或矿石里，如长石、云母、高岭土、铝以化合态存在于各种岩石或矿石里，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。铝土矿、明矾。纯铝大量用于电缆纯铝大量用于电缆、日用器皿；其合金质轻而坚韧，是制造飞机、日用器皿；其合金质轻而坚韧，是制造飞机、火箭、汽车的结构材料。火箭、汽车的结构材料。1.2.1 纯铝的特性纯铝的特性铝铝：原子序数为原子序数为13，原子量为，原子量为26.98，面心立方结构，熔点，面心立方结构，熔点660，密度密度2.702 ，晶格常数，晶格常数4.05，

3、原子直径，原子直径2.86 ，标准电极电位，标准电极电位1.67V高的耐大气腐蚀性高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为膜，厚度约为50100 ，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。Al2O3膜具有酸、膜具有酸、碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸(8098)中有极高的稳定性外中有极高的稳定性外(优于优于NiCr系不锈钢系不锈钢

4、)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。良好的低温性能、无低温脆性良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零度以下随着温度的降低，其在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。强度和塑性提高。高的导电性高的导电性：位于银、铜位于银、铜、金、金之后之后。高的导热性高的导热性：热交换器。热交换器。无磁性无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。易燃、易爆物的生产器材等。低强度、高塑性低强度、高塑性：强度为强度为 80MPa130MPa， 延伸率延伸率305

5、0 % ，铝箔，铝箔。1.2.2 1.2.2 铝中杂质铝中杂质 主要杂质为主要杂质为Fe和和Si，其次有，其次有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。等。 Fe、Si含量含量及及相对比例相对比例(铁硅比铁硅比)对纯铝性能有很大影响。对纯铝性能有很大影响。 共晶温度时的极限溶解度，铁共晶温度时的极限溶解度，铁0.052 、硅、硅1.65，并随温度下降而急剧减，并随温度下降而急剧减小。铝中存在很少的铁或硅时就出现小。铝中存在很少的铁或硅时就出现FeAl3或或(Si)，它们性质硬脆，使纯铝塑性，它们性质硬脆，使纯铝塑性变差，尤其针状的变差，尤其针状的FeAl3影响更甚。影响更甚。 Fe、Si共存时，出现共

6、存时，出现FeAl3和和(Si)相、相、(Fe3SiAll2)及及(Fe2Si2Al9) 。WFeWSi，富，富Fe化合物化合物(Fe3SiAl12)。WSiWFe，富，富Si p(Fe2Si2)，骨骼状，骨骼状(Fe3SiAll2)，枝条状，枝条状(Fe3SiAll2)，粗针状，粗针状(Fe2Si2Al9)。这些相又硬又脆，使铝的塑性急剧下降，后者尤为严重。这些相又硬又脆，使铝的塑性急剧下降，后者尤为严重。 硅含量控制要求更严格，硅含量控制要求更严格，Fe：Si23。铝中铁硅比不当时，会引起纯铝。铝中铁硅比不当时，会引起纯铝铸锭产生裂纹。铸锭产生裂纹。W(Fe+Si)小于小于0.65时，时，

7、 WFeWSi以减少铸锭开裂倾向。以减少铸锭开裂倾向。W(Fe+Si)大于大于0.65时，共晶数量增加，热裂纹易被共晶液体充填而愈合。所以时，共晶数量增加，热裂纹易被共晶液体充填而愈合。所以铁硅比的影响减小。铁硅比的影响减小。 FeAl3、相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性，因而降低相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性，因而降低了纯铝的耐蚀性，同时也降低了纯铝的导电性。了纯铝的耐蚀性，同时也降低了纯铝的导电性。 1.2.3 纯铝的牌号纯铝的牌号旧标准旧标准新标准新标准LG1、LG2、LG3、LG4、LG5L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-18A06： Al ：余量、Si

8、 0.55、Cu 0.10、 Mg0.10、 Zn0.10、 Mn0.10、 Fe： 0.000 0.500、Fe Si： 0.000 1.500 注：单个:0.05;合计:0.15 高纯铝：高纯铝： 99.999工业高纯铝：工业高纯铝： 99.9599.996工业纯铝：工业纯铝： 99.0099.85高纯铝高纯铝牌号牌号 Al含量含量% Si Fe Cu Pb Zn Ga Ti Cd Ag In 总量总量Al-05 99.999 2.8 2.8 2.8 0.5 1.0 0.5 1.0 0.2 0.2 0.2 10.0 (ppm) Al-055 99.9995 Si+Fe+Cu+Zn+Ti+G

9、a 5.0(ppm) 工业高纯铝工业高纯铝 牌牌 号号 Al含量含量% Fe Si Cu Zn Ti 其它杂质每种其它杂质每种 总和总和Al99.996 99.996 0.0010 0.0010 0.0015 0.001 0.001 0.001 0.004Al99.993 99.993 0.0015 0.0013 0.0030 0.001 0.001 0.001 0.007Al99.99 99.99 0.0030 0.0030 0.0050 0.002 0.002 0.001 0.04Al99.95 99.95 0.02 0.02 0.01 0.005 0.002 0.005 0.05工业纯铝

10、工业纯铝 牌号牌号 Al含量含量% Fe Si Cu Ga Mg 其它每种其它每种 总和总和Al99.85 99.85 0.12 0.08 0.005 0.030 0.030 0.015 0.15Al99.80 99.80 0.15 0.10 0.01 0.03 0.03 0.02 0.20Al99.70 99.70 0.20 0.13 0.01 0.03 0.03 0.03 0.30Al99.60 99.60 0.25 0.18 0.01 0.03 0.03 0.03 0.40Al99.50 99.50 0.30 0.25 0.02 0.03 0.05 0.03 0.50Al99.00 99

11、.00 0.50 0.45 0.02 0.05 0.05 0.05 1.00中国中国(GB)国际国际(ISO)美国美国(AA)日本日本(JIS)原苏联原苏联(OCT)德国德国(DIN)英国英国(BS)法国法国(NF)1A99(LG5) - 1199 1N99 AB000 Al99.98R S1 - 1A90(LG2) - 1090 1N90 AB1 Al99.9 - - 1A80(LG1) Al99.8 1080 A1080 AB2 Al99.8 1A - 1070(L1) Al99.7 1070 A1070 A00 Al99.7 - 1070A 1060(L2) - 1060 A1060 A

12、0 - - - 1050A(L3) Al99.5 1050 - A1 Al99.5 1B 1050A 1100(L5-1) Al99.0 1100 A1100 A2 Al99.0 3L54 1100 1200(L5) - 1200 A1200 - Al99 1C 1200 1.2.4 纯铝的应用纯铝的应用高纯铝主要用于高纯铝主要用于电子工业以及其它一些特殊用途。电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用日常生活用品用1050A(L3)1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。些纯度不高的铝有时也用来加工成各

13、种半成品。超高纯铝超高纯铝： 5N5-6N的超高纯铝（每种杂质的最大含量0.4ppm） 比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，在电子工业及航空航天等领域有着广泛的用途。半导体制造业用溅射靶材半导体制造业用溅射靶材：制造芯片时，等离子态铝沉积于硅片上形成一层薄而均匀、缺陷极少的铝膜，随后在膜上涂一层感光性树脂，经曝光腐蚀掉无用的部位(未感光的树脂) ，而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。 集成电路配线集成电路配线：超高纯铝中的痕量杂质铀与钍是越少越好，因为它们是放射性元素，在不断释放粒子，造成集成电路出现故障，使程序失误与混乱。 超高纯铝5N2 U+Th5ppb（wt%）、超高纯铝5N5

14、 U+Th1ppb（wt%）超导电缆稳定化材料超导电缆稳定化材料 ：5N2及5N5靶材应用于平板显示器用溅射靶材。电气电子材料电气电子材料 ：5N2超纯铝用于制造光电子存储媒体，如CD、CD-ROM 、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等。在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。pm part per thousand 千分之一千分之一；ppm part per million 百万分之一百万分之一；ppb part per billion 10亿分之一亿分之一 ； ppt part per trillion 万亿分之一万亿分之一2.2.1 铝合金的牌号铝合金的牌号、分类与应用分类与应用形

15、变铝合金形变铝合金：不能热处理强化的形变铝合金不能热处理强化的形变铝合金：相图中相图中F点以左的部分，组织为单点以左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金可热处理强化的形变铝合金：相图中相图中F和和D之间的形变铝合金，固之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。可进行热处理强化。铸造铝合金铸造铝合金：相图中相图中D点以右的部分，有共晶铝点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分

16、。金之分。按铝合金所处相图的位置分类按铝合金所处相图的位置分类：铝合金铝合金: : 形变铝合金、铸造铝合金形变铝合金、铸造铝合金纯铝中加入适量其它元素如纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为等即为铝合金铝合金2.2.1 铝合金的牌号铝合金的牌号、分类与应用分类与应用旧标准旧标准新新标标准准按按铝铝合合金金加加入入合合金金元元素素种种类类分分类类：按加入合金元素后铝合按加入合金元素后铝合金的性能特点分类金的性能特点分类：包覆包覆铝铝7A01、1A50 LB1、 LB2防锈防锈铝铝5A02、5A03、5A05、 5B05、5A06、 5A12、5B06、5A13、5A33、5A43、

17、 3A21、5083 LF2、 LF3、 LF5、 LF10、LF6、 LF12、LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-1硬铝硬铝 2A01、2A02、2A04、2B11、 2B12、 2A10、2A11、 2A12、 2A06、2A16、2A17 LY1、 LY2、 LY4、 LY8、 LY9、 LY10、LY11、LY12、 LY6、 LY16、LY17锻铝锻铝6A02、 6B02、 6070、 2A50、2B50、2A70、2A80、2A90、2A14、 4A11、 6061、6063LD2、 LD2-1、LD2-2、LD5、LD6、 LD7、 LD8、 LD9、 L

18、D10、LD11、LD30、LD31超硬超硬铝铝 7A03、7A04、7A09、7A10、7003 LC3、 LC4、 LC9、 LC10、LC12特殊特殊铝铝 4A01、4A13、4A17、5A41、5A66 LT1、 LT13、LT17、LT41、LT66新旧牌号对照2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用防锈铝合金：5A02、5A03、5A05、5B05、5A06、 5A12、 5B06、5A13、5A33、5A43、3A21、5083 LF2、 LF3、 LF5、 LF10、LF6、 LF12、 LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-12.2.1

19、 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用5A02 5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件 5A03 5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可代替中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可代替5A02 5A02 5A05 5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架焊接结构件，飞机蒙皮骨架 5A06 5A06 焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件 5A12 5A12 焊接结构件，防弹甲板焊接结构件，防弹甲板3A21 3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材

20、等；建筑材料与食品等工业装备等飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等 2A12： 3.84.9%Cu、 1.21.8%Mg、 0.40.8%Mn：480MPa、10%（固溶（固溶+时效）时效）硬铝合金硬铝合金2A01、2A02、2A04、2B11、 2B12、 2A10、2A11、 2A12、 2A06、2A16、2A17 LY1、 LY2、 LY4、 LY8、 LY9、 LY10、LY11、LY12、 LY6、 LY16、LY172.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用硬铝合金硬铝合金2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用超硬铝合

21、金超硬铝合金7A03、7A04、7A09、7A10、7003 LC3、 LC4、 LC9、 LC10、LC127A04： 5.07.0 %Zn 、1.42.0%Cu、 1.82.8%Mg、 0.20.6%Mn 600MPa、9%2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用锻造铝合金锻造铝合金6A02、 6B02、 6070、 2A50、2B50、2A70、2A80、2A90、2A14、4A11、6061、 6063LD2、 LD2-1、LD2-2、LD5、LD6、 LD7、 LD8、 LD9、LD10、LD11、LD30、LD312.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号

22、、分类与应用锻造铝合金锻造铝合金2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用合金合金类别类别代号代号主主 要要 化化 学学 成成 分分, %热处理热处理机械性能机械性能CuMgMn其它其它bMPa %HB防锈防锈铝铝4.55.50.30.6退火退火27018703A211.01.61702330硬铝硬铝2A012.23.00.20.5固溶处固溶处理理+自然时自然时效效30024702A113.84.80.40.80.40.8420181002A123.84.91.21.80.30.948011131超硬超硬铝铝7A041.42.01.82.80.20.6Zn 5.07.0固溶处

23、固溶处理理+人工时人工时效效600121507A062.22.82.53.20.2.5Zn 7.68.66807190锻铝锻铝5A501.82.60.40.80.40.8Si 0.71.2420131055A701.92.51.41.8Ni 11.5Fe 1.01.5440131205A103.94.80.40.80.41.0Si 0.51.248010135典型铝合金固溶时效后的性能2.2.1铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用旧标准旧标准新新标标准准2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用铝合金的牌号、分类与应用2.2.2 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细

24、晶强化、冷变形强化 固溶强化 ： 无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用差，因此，差，因此，Al-ZnAl-Zn、Al-AgAl-Ag简单二元合金没有实用价值。简单二元合金没有实用价值。 固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显，采用溶解

25、度超过差别越大，强化效果越明显，采用溶解度超过1 1的其他几个元素，如的其他几个元素，如Al-MgAl-Mg，Al-CuAl-Cu、A1-MnA1-Mn、A1-SiA1-Si合金系有实用价值。合金系有实用价值。 用多元少量合金化来形成新的强化相或改变沉淀硬化特性，使固溶强化效果更用多元少量合金化来形成新的强化相或改变沉淀硬化特性，使固溶强化效果更大，如大，如Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系，可形成系，可形成CuAlCuAl2 2(相相) )、AlAl，CuMg(SCuMg(S相相) )等强化相，从而使合金获等强化相，从而使合金获得显著强化。得显著强化。 沉淀强化沉淀强化( (时效强化时效强化

26、) ) ： 铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化处理。合金元素铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化处理。合金元素在铝中要有在铝中要有较大的极限溶解度较大的极限溶解度，其，其溶解度随温度的降低而急剧减小溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中形成时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。 可热处理强化铝合金可热处理强化铝合金：A1-Cu-MgA1-Cu-Mg、

27、Al-Mg-SiAl-Mg-Si和和Al-Zn-MgAl-Zn-Mg系。系。过剩相强化过剩相强化： ： 铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合以提高铝合金机械性能金机械性能，这是细晶强化这是细晶强化。 铸造铝合金铸造铝合金：加入微量元素加入微量元素( (变质剂变质剂) )进行变质处理来细化铸态组织。变质处理适进行变质处理来细化铸态组织。变质处理适用于不能热处理强化或强化效果不大的铝合金。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐用于不能热处理强化或强化效果不大的铝合金。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或者锑等变质剂

28、进行变质处理，细化组织，可以显著提高强度和塑性或者锑等变质剂进行变质处理，细化组织，可以显著提高强度和塑性；铸造铝合金中铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等使杂质铁的板块状或针状化合物加入少量锰、铬或钴等使杂质铁的板块状或针状化合物AlFeSiAlFeSi细化，从而提高塑性。细化，从而提高塑性。 变形铝合金变形铝合金中添加微量钛、锆、铍以及稀土元素，能形成难熔化合物，合金结晶中添加微量钛、锆、铍以及稀土元素，能形成难熔化合物，合金结晶过程时作为非自发晶核，起到细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。例如铝锰合金过程时作为非自发晶核，起到细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。例如铝锰合金中添加中添加0.0

29、20.020.30.3TiTi可细化组织。可细化组织。 2.2.2 铝合金的强化铝合金的强化2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化(固溶时效强化机制及步骤固溶时效强化机制及步骤)固溶处理固溶处理： 通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相在冷通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相在冷却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程。时效处理：时效处理： 过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间后，过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间后，基体中析出新相的

30、过程基体中析出新相的过程。 自然时效自然时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的时效 人工时效人工时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定时间的时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定时间的时效 将合金加热到固溶线以上、固相线将合金加热到固溶线以上、固相线以下温度保温，获得成分均匀的固溶体组织。以下温度保温，获得成分均匀的固溶体组织。 将固溶处理后的工件快冷到较低温度，得到过饱和单相固溶体。将固溶处理后的工件快冷到较低温度，得到过饱和单相固溶体。（与钢淬火组织不同）（与钢淬火组织不同） 使过饱和固溶体中析出细小弥散沉淀相的过程。使过饱和固溶体中析出细小弥

31、散沉淀相的过程。 自然时效自然时效：室温下时效；：室温下时效； 人工时效人工时效：在高于室温（固溶温度与室温之差的：在高于室温（固溶温度与室温之差的1515到到2525）进行）进行时效。时效。2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化Al4%Cu 铸态组织及淬火态组织2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化脱溶（或沉淀）：脱溶（或沉淀）：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或由溶质从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或由溶质 原子富集形成的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变。原子富集形成的亚稳区过渡相的过程，属于固态相变。具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会

32、发生脱溶沉淀具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会发生脱溶沉淀以以AlCu合金为例合金为例： 过饱和固溶体随着时效时间的延长，将发生下列析出过程：过饱和固溶体随着时效时间的延长，将发生下列析出过程： 过过 GP区区 其中其中 GP区、区、为亚稳定相为亚稳定相 （ 也可称为也可称为GP2区）区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为：随着时效时间的延长，组织变化过程为：过过 GP区区 2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化 G.P区区G.P区区： 1938年，年，A.Guinier和和G.D.Prestor各自独立用各自独立用X射线结构分析方法发现射线结构分析方法发现：Al

33、Cu合金单晶体自然时效时在基体的合金单晶体自然时效时在基体的100面上发生了铜原子偏聚，构成面上发生了铜原子偏聚，构成了了富铜的圆盘形片富铜的圆盘形片（约含铜（约含铜90）即）即G.P区。区。G.P区的形状与尺寸区的形状与尺寸： 在电子显微镜下呈圆盘状，直径约在电子显微镜下呈圆盘状，直径约510nm，厚约，厚约0.40.6nm，数量约，数量约10141016/cm3G.P区的晶体结构与界面区的晶体结构与界面： 溶质原子富集区溶质原子富集区(90% Cu)在母相在母相100晶面上形成，晶面上形成，点阵与基体点阵与基体相相同（相相同（fcc），与），与完全共格。完全共格。G.P区形成的原因区形成的

34、原因： G.P区的形核呈均匀分布，其形核率与晶体中非均区的形核呈均匀分布，其形核率与晶体中非均匀分布的位错无关，而完全依赖于淬火所保留下来的空匀分布的位错无关，而完全依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）。凡是凡是能增加空位浓度的因素均能促进能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成区的形成。 例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于增加固溶体保留的空位就越多，有利于增加G.P区的数量并区的数量并使其尺寸减小。使其尺寸减小。 2.2.3 铝合金的固溶时

35、效强化铝合金的固溶时效强化 过渡相过渡相、 形状与尺寸形状与尺寸： 随着时效时间的增加随着时效时间的增加，Al-Cu合金将出现合金将出现和和两种过渡相两种过渡相。呈圆碟片呈圆碟片状，直径为状，直径为30nm，厚度为，厚度为2nm；而而是光镜下观察到的第一个脱溶产物，也是光镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆碟片状，尺寸为呈圆碟片状，尺寸为100nm数量级数量级。晶体结构与界面晶体结构与界面： 过渡相与基体共格或部分共格，且有一定的结晶学位向关系过渡相与基体共格或部分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡由于过渡相与基体之间的结构存在差异，因而其形核功较大相与基体之间的结构存在差异，因而其形核功

36、较大。为了降低应变能和界面为了降低应变能和界面能，过渡相常在位错能，过渡相常在位错、小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。因此，小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。因此，其形核速率将受材料中位错密度的影响。过渡相还可能在其形核速率将受材料中位错密度的影响。过渡相还可能在G.P区中形核。区中形核。 相为正方点阵相为正方点阵： ab0.404nm，c0.768nm，相基本是均匀形核相基本是均匀形核、分布均匀且与基分布均匀且与基体完全共格，它与基体的位向关系为体完全共格，它与基体的位向关系为100 /100基体。与基体。与G.P区相比，在区相比，在相周围会产生更大的共格应变，故其强化效果也比相

37、周围会产生更大的共格应变，故其强化效果也比G.P区大。区大。相为正方点阵相为正方点阵： ab0.404nm，c0.58nm，它与基体部分共格，与基体的位向关系为，它与基体部分共格，与基体的位向关系为100 /100基体。基体。相的具体成分为相的具体成分为Cu2Al3.6，很接近于平衡相，很接近于平衡相（CuAl2）。）。 2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化平衡相平衡相 ： 是正方点阵：是正方点阵：ab0.905nm，c0.486nm，一般与基体不共格，一般与基体不共格，但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面能高，形核功也高。为减小形但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面能高，形核

38、功也高。为减小形核功，往往在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。核功，往往在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。时效初期，单相时效初期，单相固溶体中形成保固溶体中形成保持共格界面的持共格界面的GPGP区区时效后期，形成时效后期，形成半共格界面的过半共格界面的过渡相渡相高温时效，固溶体中高温时效，固溶体中析出非共格界面的平析出非共格界面的平衡相衡相Al4Cu：自然时效初期有一段孕育期，强度提高不明显，维持在250MPa左右，孕育期后35天强度明显提高，增至400MPa左右，并趋于稳定。人工时效曲线：随着加热温度的提高，时效强化的速度加快，但强化效果变差。 2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合

39、金的固溶时效强化共析钢淬火与铝合金固溶的区别共析钢淬火与铝合金固溶的区别工艺操作相同，即加热、保温和快冷。工艺操作相同，即加热、保温和快冷。共析钢退火态组织为珠光体，淬火加热共析钢退火态组织为珠光体，淬火加热时转变为单相奥氏体，淬火过程中奥氏时转变为单相奥氏体，淬火过程中奥氏体转变为马氏体。体转变为马氏体。共析钢淬火后形成的马氏体硬而脆，共析钢淬火后形成的马氏体硬而脆，铝合金退火态组织为固溶体及分布其上铝合金退火态组织为固溶体及分布其上的强化相，固溶加热时固溶体基体因强的强化相，固溶加热时固溶体基体因强化相的溶入而引起成分变化，其晶体结化相的溶入而引起成分变化，其晶体结构并未改变，固溶冷却过程

40、中，晶体结构并未改变，固溶冷却过程中，晶体结构也完全不发生变化，仅是将高温固溶构也完全不发生变化，仅是将高温固溶体强制冻结到室温。体强制冻结到室温。铝合金固溶后的基体仍保持了铝合金原铝合金固溶后的基体仍保持了铝合金原有的良好塑性，并原有的强化相溶入基有的良好塑性，并原有的强化相溶入基体使塑性进一步提高，强度因基体合金体使塑性进一步提高，强度因基体合金元素浓度的提高而提高元素浓度的提高而提高共析钢的淬火共析钢的淬火铝合金的固溶处理铝合金的固溶处理2.2.3 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.2.2 铝合金的强化铝合金的强化2.2.4 铝合金的合金化铝合金的合金化铝合金强化是以Al与合金

41、元素间形成的金属间化合物在固溶体中的溶解度变化为基础。各元素在铝中的极限溶解度： Zn（31.62）、Mg（17.41）、Cu（5.650.5）、Mn（1.82）、Si（1.65）、 Ag（56.5）、Ge（7.2）、Li（4.2）、Ti（1.3） Zn、Mg、Cu、Si与Al组成的二元和三元化合物在Al中的溶解度随温度的降低而强烈地减小，故可通过热处理来提高强度，能形成这种化合物或强化饱和固溶体。 AlZnMgCu系，为热处理强化型Al合金。 AlMg、AlSi和AlMn等，加入的台金元素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷作硬化状态应用，故称之为非热处理强化型铝合

42、金。 Cr、Mn、Zr等在Al中的溶解度很小，但明显改善合金强度和抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。铝锭铝锭2.2.4 铸造铝合金铸造铝合金铸铸 造造铝合金铝合金铝锌系铝锌系合合 金金铝镁系铝镁系合合 金金铝铜系铝铜系合合 金金铝硅系铝硅系合合 金金铸造、机械铸造、机械性能良好性能良好高温强度高（耐高温强度高（耐热），易腐蚀热），易腐蚀强度、塑性高强度、塑性高，耐腐蚀，铸，耐腐蚀，铸造时易氧化造时易氧化强度高，易强度高，易腐蚀，价格腐蚀，价格低低2.2.4 铸造铝合金铸造铝合金 又称又称硅铝明硅铝明。其中。其中ZL102(ZAlSi12)是含是含12%Si的铝硅二元合的铝硅二元合金，称为金，称为简

43、单硅铝明简单硅铝明. 57712.7%在普通铸造条件下，在普通铸造条件下， 组织几乎全部为共晶体，组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和由粗针状的硅晶体和 固溶体组成，强度和塑性都较固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均差。生产上用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次匀的共晶体加一次 固溶体组织，以提高性能。固溶体组织，以提高性能。未变质处理未变质处理 经变质处理经变质处理 ZL102的铸态组织的铸态组织活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金) )l用于制造飞机、仪用于制造飞机、仪表、电动机壳体、表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片汽缸体、风机

44、叶片、发动机活塞等。发动机活塞等。合金牌号合金牌号合金代合金代号号主要元素主要元素(质量分数质量分数)(%)SiCuMgZnMnTi其他其他AlZAlSi7MgZL1016.57.50.250.45余量余量ZAlSi7MgAZL101A6.57.50.250.450.080.20余量余量ZAlSi12ZL10210.013.0余量余量ZAlSi9MgZL1048.010.50.170.350.20.5余量余量ZAlSi5Cu1MgZL1054.55.51.01.50.40.6余量余量ZAlSi5Cu1MgAZL105A4.55.51.01.50.40.55余量余量ZAlSi8Cu1MgZL10

45、67.58.51.01.50.30.50.30.50.100.25余量余量ZAlSi7Cu4ZL1076.57.53.54.5余量余量ZAlSi12Cu2Mg1ZL10811.013.01.02.00.41.00.30.9余量余量ZAlSi12Cu1Mg1Ni1ZL10911.013.00.51.50.81.3Ni0.81.5余量余量ZAlSi5Cu6MgZL1104.06.05.08.00.20.5余量余量ZAlSi9Cu2MgZL1118.010.01.31.80.40.60.100.350.100.35余量余量ZAlSi7Mg1AZL114A6.57.50.450.600.100.20B

46、e0.040.07余量余量ZAlSi5Zn1MgZL1154.86.20.40.651.21.8Sb0.10.25余量余量ZAlSi8MgBeZL1166.58.50.350.550.100.30Be0.150.40余量余量牌号代号化学成分 w/% 铸造方法热处理方法力学性能用途举例SiMgMnb/MPa/%HBSZAlSi7MgZL1016.57.50.250.45金属型固溶处理+不完全时效205260 形状复杂的零件，如飞机仪表零件、抽水机壳体、柴油机零件等砂型195260固溶处理+完全时效砂型变质处理225170ZAlSi12ZL10210.013.0金属型退火145350 形状复杂的仪

47、表壳体、水泵壳体、工作温度在200以下高气密性、低载零件等砂型变质处理135450ZAlSi9MgZL1048.010.50.170.350.20.5金属型固溶处理+完全时效235270 在200以下工作的内燃机气缸头、活塞等典型铸造铝硅合金的成分、性能和应用汽缸头汽缸头 常用代号有常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。等。主要用于主要用于制造在较高温度下工作制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽缸头、汽车活塞等。合金牌号合金牌号合金代合金代号号主要元素主要元素(质量分数质量分数)(%)SiCuMgMnTi其他其

48、他AlZAlCu5MnZL2014.55.30.61.00.150.35余量余量ZAlCu5MnAZL201A4.85.30.61.00.150.35余量余量ZAlCu4ZL2034.05.0余量余量ZAlCu5MnCdAZL204A4.65.30.60.90.150.35Cd0.150.25余量余量ZAlCu5MnCdVAZL205A4.65.30.30.50.150.35Cd0.150.25V0.050.3Zr0.050.2B0.0050.06余量余量ZAlRE5Cu3Si2ZL2071.62.03.03.40.150.250.91.2Ni0.20.3Zr0.150.25RE4.45.0余

49、量余量典型铸造铝铜合金的成分、性能和应用牌号代号化学成分 w/% 铸造方法热处理方法力学性能用途举例CuMn其他b/MPa/%HBSZAlCu5MnZL2014.55.30.61.0Ti0.150.35砂型固溶处理+自然时效295870 在300以下工作的零件，如发动机机体、气缸体等固溶处理+不完全时效335490ZAlCu4ZL2034.05.0砂型固溶处理+不完全时效215370 形状简单的中载零件，如托架、在200以下工作并切削加工性好的零件等。 常用代号为常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等等. 主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介主要

50、用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机密封件等鼓风机密封件等(ZL102、301)合金牌号合金牌号合金代号合金代号主要元素主要元素(质量分数质量分数)(%)SiMgZnMnTi其他其他AlZAlMg10ZL3019.511.0余量余量ZAlMg5Si1ZL3030.81.34.55.50.10.4余量余量ZAlMg8Zn1ZL3057.59.01.01.50.10.2Be0.030.1余量余量ZAlZn11Si7ZL4016.08.00.10.39.013.0余量余量ZAlZn6MgZL4020.50.6