合金元素对变形铝合金的作用

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1变形铝合金分类

1×××表示为99%以上的纯铝系列；

2×××表示是铝-铜合金系列；

3×××表示是铝-锰合金系列；

4×××表示是铝-硅合金系列；

5×××表示是铝-镁合金系列；

6×××表示是铝-镁-硅合金系列；

7×××表示是铝-锌合金系列；

8×××表示是上述以外的合金体系。


2概述

1×××系

1×××系铝合金属于工业纯铝，具有密度小导电性好、导热性高、熔解潜热大，光反射系数大、热中子吸收界面积较小及外表色泽美观等特性。铝在空气中其表面能生成致密坚固的氧化膜，阻止氧的侵入，因而具有较好的抗蚀性。1×××系铝合金用热处理方法不能强化，只能采用冷作硬化方法来提高强度，因此强度较低。

2×××系

2×××系铝合金是以铜为主要合金元素的铝合金，它包括了Al-Cu-Mg合金，Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等，这些合金均属热处理可强化铝合金。2×××系铝合金合金的特点是强度高，通常称为硬铝合金，其耐热性能和加工性能良好，但耐蚀性不好，在一定条件下会产生晶间腐蚀，因此，板材往往需要包覆一层纯铝，或一层对芯板有电化学保护的6×××系铝合金，以大大提高其耐腐蚀性能。其中，Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金具有极为复杂的化学组成和相组成，它在高温下有高的强度，并具有良好的工艺性能，主要用于锻压在150~250℃以下工作的耐热零件；Al-Cu-Mn合金的室温强度虽然低于Al-Cu-Mg合金2A12和2A14的，但在225~250℃或更高温度下强度却比二者的高，并且合金的工艺性能良好，易于焊接，主要应用于耐热可焊的结构件及锻件。该系合金广泛应用于航空和航天领域。

3×××系

3×××系铝合金是以锰为主要合金元素的铝合金，属于热处理不可强化铝合金。它的塑性高，焊接性能好，强度比1×××系铝合金高，而耐蚀性能与1×××系铝合金相近，是一种耐腐蚀性能良好的中等强度铝合金，它用途广，用量大。

4×××系

4×××系铝合金是以硅为主要合金元素的铝合金，其大多数合金属于热处理不可强化铝合金，只有含铜、镁和镍的合金，以及与热处理强化合金焊接后吸取了某些元素时，才可以通过热处理强化。该系合金由于含硅量高、熔点低、熔体流动性好、容易补缩，并且不会使最终产品产生脆性，因此主要用于制造铝合金焊接的添加材料，如钎焊板、焊条和焊丝等。另外，由于该系一些合金的耐磨性能和高温性能好，也被用来制造活塞及耐热零件。含w(Si)=5%左右的合金，经阳极氧化上色后呈黑灰色，因此适宜作建筑材料以及制造装饰件。

5×××系

5×××系铝合金是以镁为主要合金元素的铝合金，属于不可热处理强化铝合金。该系合金密度小，强度比1×××系和3×××系铝合金的高，属于中高强度铝合金，疲劳性能和焊接性能良好，耐海洋大气腐蚀性好。为了避免高镁合金产生应力腐蚀，对最终冷加工产品要进行稳定化处理，或控制最终冷加工量，并且限制使用温度 (不超过65℃)该系合金主要用于制作焊接结构件和应用在船舶领域。

6×××系

6×××系铝合金是以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金，属于热处理可强化铝合金。该系合金具有中等强度，耐蚀性高，无应力腐蚀破裂倾向，焊接性能良好，焊接区腐蚀性能不变，成型性和工艺性能良好等优点。当合金中含铜时，合金的强度可接近2×××系铝合金的，工艺性能优于2×××系铝合金，但耐蚀性变差，合金有良好的锻造性能。该系合金中用得最广的是6061和6063合金，它们具有最佳的综合性能和经济性，主要产品为挤压型材，是最佳挤压合金，该合金应用量最大的为建筑型材。

7×××系

7×××系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，属于热处理可强化铝合金。铝合金中加镁，则为Al-Zn-Mg合金，合金具有良好的热变形性能，淬火范围很宽，在适当的热处理条件下能够得到较高的强度，焊接性能良好，一般耐蚀性较好，有一定的应力腐蚀倾向，是高强可焊的铝合金。Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基础上通过添加铜发展起来的，其强度高于2×××系铝合金，一般称为超高强铝合金，合金的屈服强度接近于抗拉强度，屈强比高，比强度也很高，但塑性和高温强度较低，宜作常温、120℃以下使用的承力结构件，合金易于加工，有较好的耐腐蚀性能和较高的韧性。该系合金广泛应用于航空和航天领域，并成为这个领域中最重要的结构材料之一。

8×××系

8×××系列铝合金较为常用的为8011属于其他系列，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。

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3

合金元素的作用



1×××系


1×××系铝合金中的主要杂质元素是铁和硅，其次是铜、镁、锌、锰、铬、钛、硼等，以及一些稀土元素，这些微量元素在部分1×××系铝合金中还起合金化的作用，并且对合金的组织和性能均有一定的影响。



添加元素和杂质对1×××系铝合金的电学性能影响较大，一般均使导电性能降低，其中镍、铜、铁、锌、硅降低较少，而钒、铬、锰、钛则降低较多。此外，杂质的存在会破坏铝表面形成氧化膜的连续性，使铝的抗蚀性降低。

Fe
铁与铝可以生成FeAl3，铁与硅和铝可以生成三元化合物α(Al,Fe,Si)和β(Al,Fe,Si)，它们是1×××系铝合金中的主要相，硬而脆，对力学性能影响较大，一般是使强度略有提高，而塑性降低，并可以提高再结晶温度。

Si
硅与铁是铝中的共存元素。当硅过剩时，以游离硅状态存在，硬而脆，使合金的强度略有提高，而塑性降低，并对高纯铝的二次再结晶晶粒度有明显影响。

Cu
铜在1×××系铝合金中主要以固溶状态存在，对合金的强度有些贡献，对再结晶温度也有影响。

Mg
镁在1×××系铝合金中可以是添加元素，并主要以固溶状态存在，其作用是提高强度，对再结晶温度的影响较小。

Mn
锰可以明显提高再结晶温度，但对细化晶粒的作用不大。

Cr
同Mn的作用。

Ti
钛是1×××系铝合金的主要变质元素，既可以细化铸锭晶粒，又可以提高再结晶温度并细化晶粒。但钛对再结晶温度的影响与铁和硅的含量有关，当含有铁时，其影响非常显著；若含有少量的硅时，其作用减小；但当含w(Si)=0.48%时，钛又可以使再结晶温度显著提高。

B
硼也是1×××系铝合金的主要变质元素，既可以细化铸锭晶粒，又可以提高再结晶温度并细化晶粒。



2×××系


Al-Cu-Mg合金



Al-Cu-Mg系合金的主要合金牌号有2A01、2A02、2A06、2A11、2A12等，主要添加元素有铜、镁和锰，合金中添加的少量微量元素有钛和锆，杂质元素主要是铁、硅和锌等。它们对合金有如下作用：

Mg
当w(Mg)为1%~2%时，w(Cu)从1%增加到4%，淬火状态的合金抗拉强度从200MPa提高到380MPa；淬火自然时效状态下合金的抗拉强度从300MPa 增加到480MPa。w(Cu)在1%~4%内，w(Mg)从0.5%增加到2.0%时，合金的抗拉强度增加；继续增加w(Mg)时，合金的强度降低。



w(Cu)=4.0%和w(Mg)=2.0%的合金抗拉强度值最大，w(Cu)=3%~4%和w(Mg)=0.5%~1.3%的合金，其淬火自然时效效果最好。w(Cu)=4%~6%和w(Mg)=1%~2%的Al-Cu-Mg三元合金，在淬火自然时效状态下，合金的抗拉强度可达490~510MPa。



由w(Mn)=0.6%的Al-Cu-Mg合金在200℃和160MPa应力下的持久强度试验值可知，含w(Cu)=3.5%~6%和w(Mg)=1.2%~2.0%的合金，持久强度最高。则合金位于Al-S(Al2CuMg)伪二元截面上或这一区域附近。远离伪二元截面的合金，即当w(Mg)<1.2%和w(Mg)>2.0%时，其持久强度降低。若w(Mg)提高到3.0%或更多时，合金持久强度将迅速降低。在250℃和100MPa应力下试验，也得到了相似的规律。文献指出，在300℃下持久强度最大的合金，位于镁含量较高的Al-S二元截面以右的α+S相区中。

Cu
w(Cu)=3%~5%的Al-Cu二元合金，在淬火自然时效状态下耐蚀性能很低。加入0.5%Mg，降低α固溶体的电位，可部分改善合金的耐蚀性。w(Mg)>1.0%时，合金的局部腐蚀增加，腐蚀后伸长率急剧降低。



w(Cu)>4.0%，w(Mg)>1.0%的合金，镁降低了铜在铝中的溶解度，合金在淬火状态下有不溶解的CuAl2和S相，这些相的存在加速了腐蚀。w(Cu)=3%~5%和w(Mg)=1%~4%的合金，它们位于同一相区，在淬火自然时效状态耐蚀性相差不多。α-S相区的合金比α-CuAl2-S区域的耐蚀性能差。晶间腐蚀是Al-Cu-Mg系合金的主要腐蚀倾向。

Mn
Al-Cu-Mg合金中加锰，主要是为了消除铁的有害影响和提高耐蚀性。锰能稍许提高合金的室温强度，但使塑性有所降低。锰能延迟和减弱 Al-Cu-Mg合金的人工时效过程，提高合金的耐热强度。锰是使Al-Cu-Mg合金具有挤压效应的主要因素之一。w(Mn)一般低于1%，含量过高能形成粗大的(FeMn)Al6。脆性化合物，降低合金的塑性。
Ti
钛能细化铸态晶粒，减少铸造时形成裂纹的倾向性。

Zr
少量的锆和钛有相似的作用，细化铸态晶粒，减少铸造和焊接裂纹的倾向性，提高铸锭和焊接接头的塑性。加锆不影响含锰合金冷变形制品的强度，对无锰合金强度稍有提高。

Si
w(Mg)低于1.0%的Al-Cu-Mg合金，w(Si)超过0.5%，能提高人工时效的速度和强度，而不影响自然时效能力。因为硅和镁形成Mg2Si相，有利于提高人工时效效果。但w(Mg)提高到1.5%时，经淬火自然时效或人工时效处理后，合金的强度和耐热性能随w(Si)的增加而下降。因而，w(Si)应尽可能地降低。除此以外，w(Si)增加将使2A12，2A06等合金铸造形成裂纹倾向增加，铆接时塑性下降。因此，合金中的w(Si)一般限制在0.5%以下。要求塑性高的合金，w(Si)应更低些。

Fe
铁和铝形成FeAl3化合物，铁会溶入铜、锰，硅等元素所形成的化合物中，这些不溶入固溶体中的粗大化合物，会降低合金的塑性，使变形时合金易于开裂，并使强化效果明显降低。而少量的铁(低于0.25%)对合金力学性能影响很小，可改善铸造、焊接时裂纹的形成倾向，但使自然时效速度降低。为获得高塑性的材料，合金中的铁和硅含量应尽量低些。

Zn
少量的锌(w(Zn)=0.1%~0.5%)对Al-Cu-Mg 合金的室温力学性能影响很小，但使合金耐热性降低。合金中w(Zn)应限制在0.3%以下。



Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金

Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金的主要合金牌号有2A70、2A80、2A90等，各合金元素有如下作用：

Cu
铜含量对上述合金室温强度和耐热性能的影响与Al-Cu-Mg合金的相似。由于该系合金中铜含量比Al-Cu-Mg合金低，使合金位于α+S(Al2CuMg)两相区中，因而合金具有较高的室温强度和良好的耐热性；另外，铜含量较低时，低浓度的固溶体分解倾向小，这对合金的耐热性有利。
Mg
镁含量对上述合金室温强度和耐热性能的影响与 Al-Cu-Mg合金的相似。由于该系合金中镁含量比Al-Cu-Mg合金低，使合金位于α+S(Al2CuMg)两相区中，因而合金具有较高的室温强度和良好的耐热性
Ni
镍与合金中的铜可以形成不溶解的三元化合物，镍含量低时形成(AlCuNi)含镍高时形成Al3(CuNi)2，因此镍的存在能降低固溶体中铜的浓度，对淬火状态晶格常数的测定结果也证明了合金固溶体中铜溶质原子的贫化。当铁含量很低时，镍含量增加能降低合金的硬度，减小合金的强化效果。

Fe
铁和镍一样，也能降低固溶体中铜的浓度。当镍含量很低时，合金的硬度随铁含量的增加开始时明显降低，但当铁含量达到某一数值后，又开始提高。



在AlCu2.2Mg1.65合金中同时添加铁和镍时，淬火自然时效、淬火人工时效、淬火和退火状态下的硬度变化特点相似，均在镍、铁含量相近的部位出现一个最大值，相应在此处其淬火状态下的晶格常数出现一极小值。



当合金中铁含量大于镍含量时，会出现Al7Cu2Fe相。而当合金中镍含量大于铁含量时，则会出现AlCuNi相，上述含铜三元相的出现，降低了固溶体中铜的浓度，只有当铁，镍含量相等时全部生成Al9FeNi相。在这种情况下，由于没有过剩的铁或镍去形成不溶解的含铜相，故合金中的铜除形成S(Al2CuMg)相外，同时也增加了铜在固溶体中的浓度，这有利于提高合金强度及其耐热性。



铁、镍含量可以影响合金耐热性。Al9FeNi相是硬脆的化合物，在Al中溶解度极小，经锻造和热处理后，当它们弥散分布于组织中时，能够显著地提高合金的耐热性。

Si
在2A80合金中加入w(Si)=0.5%~1.2%，可提高合金的室温强度，但使合金的耐热性降低。

Ti
2A70合金中加入w(Ti)=0.02%~0.1%，可细化铸态晶粒，提高锻造工艺性能，对耐热性有利，但对室温性能影响不大。



Al-Cu-Mn合金

Al-Cu-Mn系合金主要合金牌号有2A16，2A17等，合金中添加的微量元素有镁、钛和锆，而主要杂质元素有铁、硅、锌等，其影响如下:

Cu
在室温和高温下，随着铜含量提高合金强度增加。w(Cu)达到5.0%时，合金强度接近最大值。另外铜能改善合金的焊接性能。

Mn
锰是提高耐热合金的主要元素，它可提高固溶体中原子的激活能，降低溶质原子的扩散系数和固溶体的分解速度。当固溶体分解时，析出T相 (Al20Cu2Mn3)的形成和长大过程也非常缓慢，所以合金在一定高温下长时间受热时性能也很稳定。添加适当的锰(w(Mn)=0.6%~0.8%)，能提高合金淬火和自然时效状态的室温强度和持久强度。但锰含量过高，T相增多，会使界面增加，加速扩散作用，降低合金的耐热性。另外，锰也能降低合金焊接时的裂纹倾向。

Mg
在2A16合金中铜、锰含量不变的情况下，添加w(Mg)=0.25%~0.45%而成为2A17合金。镁可以提高合金的室温强度，并改善150~225℃以下的耐热强度。然而温度再升高时，合金的强度明显降低。但加入镁能使合金

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