机械工程材料及成型基础第6章有色金属及其合金

机械工程材料及成型基础

第六章有色金属及其合金

机械工程材料及成型基础

6.1 铝与铝合金6.1.1 铝 铝是银灰色金属，熔化温度658 C,铝具有面 心立方晶格。密度小(2.7g/cm3)是铝的最重要 特征。铝具有高的导电性。取决于铝的纯度，工 业纯铝分成了L1,L2,L3 L6。 工业纯铝可加工成板材、型材、棒材、线材 及其它半成品。Fe、Si、Cu、Mn、Zn作为铝中的 杂质存在。由于在铝的表面上能形成一层薄的， 并且和基体结合很牢的Al2O3的保护膜，因此， 铝具有高的抗腐蚀性。铝的纯度愈高，它的抗腐 蚀性也愈好。

机械工程材料及成型基础

高纯度退火铝的机械性能： b=50 MN/M2, 0.2=50 MN/M2, =50%,而工业纯铝的 b=80 MN/M2, 0.2=30 MN/M2, =35%。冷塑性变形 能提高工业纯铝的强度极限到150 MN/M2,但相 对延伸率下降到6%。铝容易进行压力加工，但切 削加工困难，可以用各种焊接方法进行焊接。 由于工业纯铝的低强度，可以加工成需要高 塑性，好的焊接性能，抗腐蚀，高导热性和高的 电传导性的零件和结构元件。例如，用工业纯铝 加工成各种导管、电缆、电线等，但更广泛使用 的还是铝合金。

机械工程材料及成型基础

6.1.2 铝合金 最广泛使用的铝合金是：Al-Cu;Al-Si; Al-Mg;Al-Cu-Mg;Al-Cu-Mg-Si;Al-MgSi;以及Al-Zn-Mg-Cu。在平衡状态下，这 些合金都是低合金固溶体和金属间化合物 相CuAl2( 相),Mg2Si,Al2CuMg(S-相), Al6CuMg4,和Al2Mg3Zn3(T-相),Al3Mg2 等。 所有的铝合金可分为两大类：变形铝合 金和铸造铝合金。变形铝合金又分为热处 理不能强化的变形铝合金和热处理能够强 化的变形铝合金(图6.1)。

机械工程材料及成型基础

机械工程材料及成型基础

变形铝合金可以加工成半成品(薄板、 厚板、棒材、型材、管材等),以及自由 锻件和模锻件。铸造铝合金用于浇注成型。 铝合金具有好的工艺性，密度小，高的 耐腐蚀性，具有足够的强度、塑性和韧性， 因此，广泛用于飞机、导弹、船舶、汽车、 建筑等领域。

机械工程材料及成型基础

1. 变形铝合金 1)能热处理强化的变形铝合金 (1)硬铝。 Al-Cu-Mg-Mn合金称为“硬铝”。LY1 是典型的硬铝合金，但由于比较低的机械 性能，LY1的使用就明显地减少。LY1合金 的板材和型材可用LY16合金取代。硬铝的 热处理由于能形成复杂成分的GP区，或亚 稳定相 和S,能达到强化的目的。

机械工程材料及成型基础

锰能提高硬铝的抗腐蚀稳定性，而T相 (Al12Mn2Cu)以弥散微粒的形式存在，能提高 再结晶温度，并能改善机械性能。在硬铝中，铁 和硅作为杂质存在。铁能形成Al3Fe化合物和 (Mn,Fe)Al6化合物，结晶成粗大的片状形式。除 此之外，铁还能形成不溶解到Al中的化合物 Al7Cu12Fe。在这种化合物中，铁结合铜，由此 就要降低时效的强化效应。 硅形成Mg2Si相和W(AlxMg5Cu4Si4),它 们都能溶解在Al中，并在随后的时效

中强化合金。 但由于Mg2Si和W相引起的强化作用不大，Fe和Si 同时存在时，能降低基本强化相S和 数量，从而 降低硬铝的时效强化效果。

机械工程材料及成型基础

能形成粗大的，不溶解的金属化合物相 的铁和硅要降低断裂韧性Kic,即在拉应力 作用下，裂纹容易扩展。因此，在合金中 只允许含有0.5%Fe和0.5%Si。Fe和Si的含量 降低到0.1~0.3%和更少，能大幅度地提高断 裂韧性Kic。 加工成板材的硬铝，为了避免腐蚀，进 行包铝，即覆盖上一层高纯度铝(不低于 99.5%),覆盖层的厚度是板材厚度的4%。 包铝要明显地降低硬铝的强度。

机械工程材料及成型基础

淬火和时效可以对硬铝进行强化。淬火硬铝 的组织是过饱和的 固溶体和没有溶解的铁化合物。 硬铝淬火后进行自然时效，因为自然时效后 硬铝具有更高的抗腐蚀性。温度降低阻挡时效， 而提高温度就加快时效过程的速度，但要降低塑 性和抗腐蚀性。LY1和LY16合金挤压成半成品比 轧制成板材的强度更高，这是由于挤压效应的原 因。为了提高抗腐蚀性能，硬铝要进行电化学氧 化(阳极化)。硬铝在淬火状态，时效状态都好 进行切削加工，但在退火状态不好切削加工，很 好进行点焊，而不好进行熔化焊，因为有产生裂 纹的倾向。用LY16加工成飞机的蒙皮、隔框、桁 条和机翼梁，受力骨架等。

机械工程材料及成型基础

(2)超硬铝。 这些合金的强度极限达到550~700 MN/M2, 但塑性比硬铝低。有代表性的高强度铝合金是 LC4。 在这种合金中，MgZn2,T相(Al2Mg2Zn2), 和S相(Al2CuMg)是强化相。锌和镁的含量增多 时，合金的强度提高，而它们的塑性和抗腐蚀性 降低。加锰和铬能改善抗腐蚀性。合金从 460~470 C淬火(冷水或热水中冷却),并进行 135~145 C 16小时的人工时效。和硬铝相比，这 些合金具有大的应力集中敏感性，和低的抗应力 腐蚀性。它们的疲劳极限( -1)比硬铝低。LC4 的型材比板材的强度高，这都是由于合金中存在 锰和铬所引起的挤压效应。

机械工程材料及成型基础

这些合金在加热状态下具有好的塑性， 而在退火后的冷状态下也比较容易变形。 为了提高抗腐蚀性，LC4合金板材要用含有 0.9~1.3%Zn的铝合金包覆。LC4铝合金很好 切削加工和点焊。这种合金用于飞机制造 的在温度低于120 C下的长时间工作的受力 结构中(蒙皮、隔框、桁条，受力骨架 等)。

机械工程材料及成型基础

(3)锻造铝合金。 这种类型的合金是高塑性和能得到优质 铸锭的合格的铸造性能。 LD6合金用于加工在加热状态下(管接 头、支架件、叶片等)要求高塑性，复杂 形状和中等强度的零件。LD8合金用于重载 荷的模锻件(接插件、直升机的螺旋桨 等)。LD8的工艺性能比LD6差。

机械工程材料及成型基础

在450~475 C的温度下进行合金的自由 锻和模锻。要

进行淬火和150~165 C 6~15小 时的时效。Mg2Si,CuAl2,和 相 (AlxMg5Cu5Si4)化合物是时效时的强化 相。LD6和LD8合金很好切削加工，可以合 格地进行接触焊和氩弧焊。这种合金倾向 于应力腐蚀和晶界腐蚀。

机械工程材料及成型基础

2)不能热处理强化的变形铝合金 铝锰或铝镁合金属于这一类合金。由于形成 固溶体和少量的剩余相能使合金强化。 铝锰合金是锰在铝中的 固溶体，其中也有一 点Al6Mn化合物微粒。铝镁型合金冷却后，平衡 状态是两相 + (Al3Mg2)(图6.2)。但是由于固 溶体的高稳定性，和镁在铝中的扩散速度很小， 甚至在缓慢冷却后，它们也不含有多余相，也只 有 固溶体组成。到12~14%Mg塑性变化很小，而 然后，急剧下落。Al-Mg合金，再加锰合金化， 就能形成弥散的Al6Mn微粒，能强化合金，并能 细化晶粒。铝镁和铝锰合金的淬火和时效效应不 大，也都在退火状态下使用它们。

机械工程材料及成型基础