金属材料学第8章铝合金课件.ppt
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- 金属材料 铝合金 课件
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1、一、概述一、概述1.有色合金概述有色合金概述有色金属有色金属定义定义:除除Fe、Cr、Mn之外的所有金属。之外的所有金属。有色金属分类有色金属分类重金属重金属(密度密度4.5):Cu、Ni 等。等。轻金属轻金属(密度密度4.5):Al、Mg 等。等。贵重金属贵重金属:Au、Ag、Pt 等。等。稀有金属稀有金属:W、Ti、Nb 等。等。半金属半金属:Si、Te、B 等。等。o本篇重点介绍铝合金、铜合金、钛合金本篇重点介绍铝合金、铜合金、钛合金o 有色金属的产量和有色金属的产量和用量不如黑色金属用量不如黑色金属多,但由于其具多,但由于其具有有许多优良的特性,许多优良的特性,如特殊的电、磁、如特殊的
2、电、磁、热性能,耐蚀性能热性能,耐蚀性能及高的比强度及高的比强度(强度强度与密度之比与密度之比)等,等,已已成为现代工业中不成为现代工业中不可缺少的金属材料可缺少的金属材料.各种材料在先进汽车中占的重量百分比各种材料在先进汽车中占的重量百分比地壳中含量最高的金属元素地壳中含量最高的金属元素铝铝目前世界年产量最高的金属目前世界年产量最高的金属铁铁导电、导热性最好的金属导电、导热性最好的金属银银人体中含量最高的金属元素人体中含量最高的金属元素钙钙硬度最高的金属硬度最高的金属铬铬熔点最高的金属熔点最高的金属钨钨(3380)3380)熔点最低的金属熔点最低的金属汞汞(-38.87-38.87)密度最大
3、的金属密度最大的金属锇锇(1 1立方米锇重立方米锇重22.4822.48吨吨)密度最小的金属密度最小的金属锂锂(0.5340.534克克/厘米厘米3)3)人类历史上使用最早的金属元素人类历史上使用最早的金属元素铜铜2.铝合金性能特点铝合金性能特点四大工程材料之一:四大工程材料之一:钢铁、钢铁、铝铝、塑料、水泥塑料、水泥(1)优良的物理性能)优良的物理性能 l 密度小,熔点低,导电性、导热性好,磁化率低。密度小,熔点低,导电性、导热性好,磁化率低。纯铝的密度纯铝的密度2.72g/cm3,仅为铁的,仅为铁的1/3;熔点为;熔点为660.4;导电性仅次于导电性仅次于Cu、Au、Ag,是,是Cu的的6
4、2%。铝合金的密度。铝合金的密度也很小,熔点更低,但导电、导热性不如纯铝也很小,熔点更低,但导电、导热性不如纯铝,铝及铝合铝及铝合金的磁化率极低,属于非铁磁材料。金的磁化率极低,属于非铁磁材料。(2)抗大气腐蚀性能好)抗大气腐蚀性能好 在大气中,铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜,在大气中,铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜,防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中,氧化膜易破防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中,氧化膜易破坏;在热的稀硝酸、稀硫酸中也极易溶解。坏;在热的稀硝酸、稀硫酸中也极易溶解。(3)压力加工性能好,比强度高)压力加工性能好,比强度高l 纯铝为纯铝为fcc结构,结构,无
5、同素异构转变无同素异构转变,具有较高的塑性,具有较高的塑性(=3040%),易于压力加工成型,并有良好的低),易于压力加工成型,并有良好的低温性能。纯铝的强度低,温性能。纯铝的强度低,b=90-120Mpa,不能直接,不能直接用于制作受力的结构件,而用于制作受力的结构件,而铝合金铝合金通过冷成型和热处通过冷成型和热处理,其抗拉强度可达到理,其抗拉强度可达到500600Mpa,相当于低合金,相当于低合金钢的强度,比强度高,成为飞机的主要结构材料。钢的强度,比强度高,成为飞机的主要结构材料。铝合金分类铝合金分类变形铝合金变形铝合金(1):成分小于成分小于B点的合金,点的合金,塑性好,能进行压力加工
6、成塑性好,能进行压力加工成形。形。铸造铝合金铸造铝合金(2):成分大于成分大于B点的合金,点的合金,由于凝固时发生共晶反应,由于凝固时发生共晶反应,熔点低、流动性好,铸造性熔点低、流动性好,铸造性能好,能进行铸造成形。能好,能进行铸造成形。3.铝合金分类铝合金分类l 变形铝合金又分变形铝合金又分p 不可热处理强化不可热处理强化(3)p 可热处理强化可热处理强化(4)二、二、铝的合金强化铝的合金强化l 合金元素主要强化作用有:合金元素主要强化作用有:固溶强化固溶强化,沉淀强化沉淀强化,过过剩相强化剩相强化和和细化组织强化细化组织强化1.固溶强化固溶强化 合金元素加入到纯铝中,形成铝基固溶体,导致
7、晶合金元素加入到纯铝中,形成铝基固溶体,导致晶格发生畸变,增加位错运动阻力,从而提高强度。格发生畸变,增加位错运动阻力,从而提高强度。固溶强化效果不高,得结合其他强化手段共同强化固溶强化效果不高,得结合其他强化手段共同强化2.沉淀强化(时效强化)沉淀强化(时效强化)Al中添加在高温下有较高溶解度极限的合金元素,中添加在高温下有较高溶解度极限的合金元素,这些合金元素随温度的降低,溶解度急剧下降,沉淀这些合金元素随温度的降低,溶解度急剧下降,沉淀析出,均匀、弥散的共格或半共格强化相,在基体中析出,均匀、弥散的共格或半共格强化相,在基体中形成较强的应变场,增加位错运动的阻力形成较强的应变场,增加位错
8、运动的阻力 常用沉淀合金元素有:常用沉淀合金元素有:Cu,Mg,Zn,Si,Li等等3.过剩相强化过剩相强化 当当Al中加入的合金元素超过其溶解度时,合金在中加入的合金元素超过其溶解度时,合金在淬火加热时便有一部分不能溶于固溶体,而以第二淬火加热时便有一部分不能溶于固溶体,而以第二相形式存在,为过剩相,它们在铝合金中阻碍位错相形式存在,为过剩相,它们在铝合金中阻碍位错运动和滑移。运动和滑移。4.细化组织强化细化组织强化 添加微量合金元素细化固溶体基体或细化过剩相添加微量合金元素细化固溶体基体或细化过剩相来强化来强化Al合金。合金。不能通过加热、冷却发生相变再结晶细化组织。不能通过加热、冷却发生
9、相变再结晶细化组织。l 铝中常加元素及作用铝中常加元素及作用 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等,此外还有Li,Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。Cu:固溶强化沉淀强化,提高室温强固溶强化沉淀强化,提高室温强度及耐热性,是铝合金的主加元素;度及耐热性,是铝合金的主加元素;Mg:固溶强化,降低密度,提高耐蚀性,固溶强化,降低密度,提高耐蚀性,不能作高强铝合金的主添加元素单不能作高强铝合金的主添加元素单独加入。独加入。Mn:提高耐蚀性提高耐蚀性Si:过剩相强化过剩相强化Zn:固溶强化,沉淀强化,提高耐蚀性固溶强化,沉淀强化,提高耐蚀性Li:现在广泛关注的合金元素,提高弹现在广
10、泛关注的合金元素,提高弹性模量,降低密度,形成性模量,降低密度,形成Al3Li的强的强烈沉淀强化烈沉淀强化超轻结构材料,如超轻结构材料,如Al-Mg-Li系。系。三、三、铝合金相图及热处理铝合金相图及热处理1.铝合金重要的二元相图铝合金重要的二元相图 Al-Si,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn,Al-Mnl 相图特点:二元共晶转变相图特点:二元共晶转变L+以铝为基的固溶体以铝为基的固溶体包括:包括:CuAl2,Si,Mg5Al8,MnAl6LL+AB2.Al合金结晶过程合金结晶过程l 变形铝合金结晶过程变形铝合金结晶过程l 铸造铝合金结晶过程铸造铝合金结晶过程Al-Si合金亚共晶组织:合金
11、亚共晶组织:+(+Si)共晶体)共晶体3.铝合金的热处理铝合金的热处理 o 为获得优良的综合力学性能,铝合金一般需进行热处理为获得优良的综合力学性能,铝合金一般需进行热处理o 热处理工艺包括:退火,固溶处理,时效热处理工艺包括:退火,固溶处理,时效(1)退火)退火u 再结晶退火(完全退火)再结晶退火(完全退火)将经变形的工件加热到再结晶温度以上,保温一段时间,将经变形的工件加热到再结晶温度以上,保温一段时间,消除加工硬化,改善塑性。消除加工硬化,改善塑性。u 低温退火低温退火 消除内应力,提高塑性。消除内应力,提高塑性。u 均匀化退火(扩散退火)均匀化退火(扩散退火)消除合金铸锭的成分偏析和内
12、应力,提高塑性。消除合金铸锭的成分偏析和内应力,提高塑性。(2)固溶处理)固溶处理 将合金加热到固溶线以上,并将合金加热到固溶线以上,并保温,快冷。得到过饱和不稳定保温,快冷。得到过饱和不稳定的固溶体组织,为后续的时效处的固溶体组织,为后续的时效处理作准备。理作准备。强度强度/硬度变化小,塑性明显硬度变化小,塑性明显(3)时效处理)时效处理u时效:指淬火后得到的铝合金时效:指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度下,过饱和固溶体在一定温度下,随时间增长而分解,导致合金随时间增长而分解,导致合金强度和硬度升高的现象。强度和硬度升高的现象。u时效实质是沉淀强化相从过饱时效实质是沉淀强化相从过饱和
13、固溶体中析出和长大和固溶体中析出和长大加热固溶加热固溶淬火过饱和淬火过饱和时效析出时效析出 在室温下进行的时效称在室温下进行的时效称自然时效自然时效;在加热条件下进行的;在加热条件下进行的时效称时效称人工时效人工时效。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淬火淬火+时效组织形成示意图时效组织形成示意图4.4.铝合金时效析出过程铝合金时效析出过程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相同,相同,与基体形成共格应变区,引与基体形成共格应变区,引起点阵畸变。起点阵畸变。强度、硬度强度、硬
14、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,超过200就不再出现就不再出现G.P.区。区。第一阶段:第一阶段:形成铜原子富集区形成铜原子富集区(1 1)以)以Al-CuAl-Cu合金为例合金为例Al-Cu合金合金G.P.区模型区模型第二阶段:第二阶段:铜原子富集区有序化铜原子富集区有序化随时间延长,或温度随时间延长,或温度提高,提高,G.P.区急剧长区急剧长大,大,G.P.区铜原子有区铜原子有序化,形成序化,形成”相相”相与基体仍然保相与基体仍然保持完全共格,具有正持完全共格,具有正方点阵方点阵 点阵常数点阵常数a=b=0.404nm,c=
15、0.768nm。它比。它比G.P.区周围的畸变更大,因此时效强化作用更大区周围的畸变更大,因此时效强化作用更大相周围基体应变模型相周围基体应变模型第三阶段:第三阶段: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,点阵是正方点阵,点阵常数发生变化,成分常数发生变化,成分接近接近CuAl2完全共格完全共格局部局部共格,共格畸变共格,共格畸变减弱减弱强度、硬度开始降低,强度、硬度开始降低,合金此时进入合金此时进入过时效过时效状态状态第四阶段:第四阶段:形成稳定的形成稳定的过渡相过渡相完全脱溶,完全脱溶,形成稳定形成稳定相相相相与基体失去共格关与基体失去共格关系,共格畸变消失系,共
16、格畸变消失合金的强度、硬度进一步下合金的强度、硬度进一步下降,降,即所谓即所谓“过时效过时效”与基体完全共与基体完全共格,具有正方格,具有正方点阵,畸变最点阵,畸变最大,强度最高大,强度最高畸变消失,强度畸变消失,强度下降。下降。G.P.区区 过渡相过渡相 过渡相过渡相 平衡相平衡相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.区区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形成镁、硅富集区形成镁、硅富集区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
17、、镁富集区G.P.区区形成过渡相形成过渡相S S Al2CuMgAl-Mg-Zn形成镁、锌富集区形成镁、锌富集区G.P.区区形成过渡相形成过渡相M M (MgZn2)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(2 2)影响时效析出相的因素)影响时效析出相的因素l 合金的种类不同,形成的合金的种类不同,形成的G.P.区、过渡相以及最后析出区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同,时效强化效果也不一样的稳定相各不相同,时效强化效果也不一样l 同一成分合金,时效温度不同,脱溶序列也不一样。同一成分合金,时效温度不同,脱溶序列也不一样。一般,时效温度很高,预脱溶阶段或过
18、渡相可能不一般,时效温度很高,预脱溶阶段或过渡相可能不出现或出现的过渡结构较少。温度低时,则可能只出现或出现的过渡结构较少。温度低时,则可能只停留在停留在G.P.区或过渡阶段。区或过渡阶段。各种脱溶相的相互关系(三种情况)各种脱溶相的相互关系(三种情况)a)各种脱溶相均独立成核。在较稳定的脱溶相形核各种脱溶相均独立成核。在较稳定的脱溶相形核时,较不稳定的脱溶相逐渐溶解,所偏聚的溶质时,较不稳定的脱溶相逐渐溶解,所偏聚的溶质转移到较稳定的相中。转移到较稳定的相中。b)稳定性较小的脱溶相经晶格改组转变成更稳定的稳定性较小的脱溶相经晶格改组转变成更稳定的脱溶相。例如脱溶相。例如Al-Cu中的中的GP
19、区改组为区改组为”,改组改组为为 c)较稳定的相在较不稳定的相中成核,然后在基体较稳定的相在较不稳定的相中成核,然后在基体中长大。中长大。(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 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水冷却水冷却化学
20、化学成分成分取决于溶质元素的取决于溶质元素的固溶度、固溶度随温度的变化固溶度、固溶度随温度的变化程度,及析出相与基体结构的差异。程度,及析出相与基体结构的差异。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:单级单级和和多级多级时效。高强合金常用分级时效时效。高强合金常用分级时效u分级时效:先在分级时效:先在G.P.G.P.区溶解度线以下时效,再在较高温区溶解度线以下时效,再在较高温度下时效。弥散的度下时效。弥散的G.P.G.P.区能成为后续脱溶的非均匀形核区能成为后续脱溶
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