汽車材料 鋁及鋁合金

1、目的：本章介紹鋁及其合金的制備方法、熱處理方面的基本知識，以及鑄造鋁合金、變形鋁合金的性能特點及典型應(yīng)用；討論成分、組織和熱處理對鋁合金的化學(xué)性能、力學(xué)性能的影響及其與應(yīng)用的關(guān)系。地殼中含量近地殼中含量近8.2%8.2%，列全部化學(xué)元素含量的列全部化學(xué)元素含量的第三位第三位( (僅次于氧和硅僅次于氧和硅) )，列全部金屬元素含量的列全部金屬元素含量的第一位第一位（Fe: 5.1%；Mg: 2.1%；Ti: 0.6%）。鋁以化合態(tài)存在于各種巖石或礦石中，如長石、鋁以化合態(tài)存在于各種巖石或礦石中，如長石、云母、高嶺土、鋁土礦、明礬。云母、高嶺土、鋁土礦、明礬。Bauxite鋁土礦Bauxite-p

2、ebbly 礬土卵石Kaolinite clay高嶺土 霞石（霞石（Nepheline）：巖漿礦物，長石類礦物。）：巖漿礦物，長石類礦物。氧化鋁（氧化鋁（Alumina ）菱鎂鈾礦（菱鎂鈾礦（Bayleyite ）明礬（明礬（Alunite） 資源資源 密度小密度小 高的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率高的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率 高的耐腐蝕性高的耐腐蝕性 優(yōu)異的機加工性能優(yōu)異的機加工性能 高的韌性、成形性高的韌性、成形性性能性能中國中國電解鋁產(chǎn)量產(chǎn)量 單位：萬噸單位：萬噸世界世界電解鋁產(chǎn)量產(chǎn)量 單位：萬噸單位：萬噸隔絕空氣蒸發(fā)隔絕空氣蒸發(fā)1807年：英國年：英國H維達(dá)用電化學(xué)法分離明礬時發(fā)現(xiàn)鋁的存在。維達(dá)用電化學(xué)法分離

3、明礬時發(fā)現(xiàn)鋁的存在。1825年：丹麥化學(xué)家奧斯德用電化學(xué)法分離出鋁。年：丹麥化學(xué)家奧斯德用電化學(xué)法分離出鋁。1827年：德國武勒重復(fù)奧斯德實驗，并加以改進。年：德國武勒重復(fù)奧斯德實驗，并加以改進。1854年：德國化學(xué)家德維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁，制得鋁錠，并于年：德國化學(xué)家德維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁，制得鋁錠，并于 1855年在巴黎世博會展出。年在巴黎世博會展出。1855年：法國年：法國圣圣克萊爾克萊爾德維爾德維爾 用鈉從氯化鋁中還原出鋁，于用鈉從氯化鋁中還原出鋁，于1859年生年生 產(chǎn)出產(chǎn)出1.9噸鋁。噸鋁。1886年：霍爾年：霍爾美及埃魯及埃魯法法用電解法生產(chǎn)金屬鋁用電解法生產(chǎn)金屬鋁（霍爾

4、埃魯工霍爾埃魯工 藝：用碳質(zhì)陽極電解熔于熔融藝：用碳質(zhì)陽極電解熔于熔融Na3AlF6中的中的Al2O3來制取鋁來制取鋁）1888年：澳大利亞卡爾年：澳大利亞卡爾約瑟夫約瑟夫拜耳發(fā)明了拜耳工藝拜耳發(fā)明了拜耳工藝 Bayer process：用：用240的氫氧化鈉溶液溶解破碎的鋁土礦的氫氧化鈉溶液溶解破碎的鋁土礦 1910年：鋁產(chǎn)量達(dá)年：鋁產(chǎn)量達(dá)45000噸噸1.2 鋁的制取鋁的制取制取方法的演化制取方法的演化木炭和鋁土（氧化鋁）木炭和鋁土（氧化鋁）氯氣氯氣氯化鋁氯化鋁鉀鉀汞齊汞齊鋁汞齊鋁汞齊一種金屬一種金屬主要公司主要公司: : （2007年）世界原鋁產(chǎn)地：世界原鋁產(chǎn)地： 北美、西歐（德、法）、

5、中、俄、澳大利亞、巴西。北美、西歐（德、法）、中、俄、澳大利亞、巴西。俄羅斯鋁業(yè)聯(lián)合公司【第一大鋁公司】俄羅斯鋁業(yè)聯(lián)合公司【第一大鋁公司】420萬噸（萬噸（12%）力拓公司（加鋁）：力拓公司（加鋁）： 【第二大鋁公司】【第二大鋁公司】 約約400萬噸萬噸美國鋁業(yè)公司美國鋁業(yè)公司【AlcoaAlcoa，第三大鋁公司，第三大鋁公司 】約】約380萬噸萬噸中國鋁業(yè)公司中國鋁業(yè)公司：【第四大鋁公司】【第四大鋁公司】 288 萬噸雷諾茲金屬公司雷諾茲金屬公司 美美 凱撒鋁及化學(xué)公司凱撒鋁及化學(xué)公司 美美 波施涅鋁工業(yè)公司波施涅鋁工業(yè)公司法法德國聯(lián)合工業(yè)公司德國聯(lián)合工業(yè)公司日本輕金屬公司日本輕金屬公司澳大

6、利亞科馬爾科鋁業(yè)公司澳大利亞科馬爾科鋁業(yè)公司APAAPA公司公司【加拿大鋁業(yè)公司、瑞士鋁集團、法國佩希公司加拿大鋁業(yè)公司、瑞士鋁集團、法國佩希公司 】氧化鋁制取原理氧化鋁制取原理拜耳法：高品位鋁土礦拜耳法：高品位鋁土礦堿石灰燒結(jié)法和拜耳燒結(jié)聯(lián)合法：中低品位鋁土礦堿石灰燒結(jié)法和拜耳燒結(jié)聯(lián)合法：中低品位鋁土礦拜耳法：氧化鋁生產(chǎn)總量的95堿石灰燒結(jié)法拜耳燒結(jié)聯(lián)合法霞石霞石（Nepheline）鋁土礦Bauxite高嶺石 kaolinite將粉碎的鋁土礦放入240的強 NaOH 溶液中提取出Al2O3第一步： 將含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，濾除Fe和Si 氧化物組成的不溶解于水的殘留物或紅

7、土。第三步： 調(diào)整煅燒溫度、壓力，除去Al2O3 3H2O中的水?？色@得不同形態(tài)的、或 Al2O3 。 400600煅燒，得到 Al2O3 。 1200煅燒，得到 Al2O3。拜耳法拜耳法第二步： 在50左右， NaAlO2 分解得到Al2O3 3H2O 。通過附加促結(jié)晶劑 ，促進(Al2O3 3H2O) 沉淀。拜耳工藝流程圖拜耳工藝流程圖若直接采用拜耳法時，拜耳法時，NaOH 與硅反應(yīng)生成Na2SiO3， Na2SiO3 與NaAlO2 反應(yīng)生成不溶于水的硅鋁酸鈉，將降低Al2O3的收得率。先用石灰石與鋁土礦反應(yīng)生成先用石灰石與鋁土礦反應(yīng)生成 Ca2SiO4，濾除后得到高含量，濾除后得到高含

8、量Al2O3。拜耳燒結(jié)聯(lián)合法拜耳燒結(jié)聯(lián)合法用用Na2CO3 代替代替 NaOH 。在。在800-1200 下，磨碎的鋁土礦與下，磨碎的鋁土礦與 Na2CO3 反應(yīng)，反應(yīng)， 生成鋁酸鈉生成鋁酸鈉 和和 CO2。鋁酸鈉經(jīng)進一步磨碎后溶解于鋁酸鈉經(jīng)進一步磨碎后溶解于90-95 水中，水中， Al(OH) 3 以沉以沉淀物析出，浸出液體后通過加熱脫水得到淀物析出，浸出液體后通過加熱脫水得到Al2O3 粉末。粉末。堿石灰燒結(jié)法堿石灰燒結(jié)法制取原理：直流電通過由氧化鋁、冰晶石組成的電解質(zhì)溶劑，制取原理：直流電通過由氧化鋁、冰晶石組成的電解質(zhì)溶劑，在在950950970970下使電解質(zhì)溶液中的氧化鋁分解為鋁

9、和氧。下使電解質(zhì)溶液中的氧化鋁分解為鋁和氧。陽極陽極析出析出CO2 ，陰極還原出，陰極還原出Al。霍爾埃魯工藝霍爾埃魯工藝: Hall-Hroult process電解槽包括：碳消耗陽極、熔融冰晶電解槽包括：碳消耗陽極、熔融冰晶石氧化鋁電解質(zhì)、鋁液池。石氧化鋁電解質(zhì)、鋁液池。電解條件：溫度950、電流250 kA、 電壓4.5V。生產(chǎn)能力：日產(chǎn)1800 Kg。Hall-Hroult電解槽陰極上析出的鋁液匯集于電解槽槽底，陽極上析出二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w；鋁液從電解槽中吸出，經(jīng)過凈化去除氫氣、非金屬和金屬雜質(zhì)并澄清后，鑄成鋁錠。電解質(zhì)：電解質(zhì)： 80-90%Na3AlF6, 2-8%Al2O3。

10、添加劑。添加劑AlF3、CaF3。鋁的制取原理鋁的制取原理陰極陰極陰離子在陰極表面失去電荷形成 NaF。電極反應(yīng)機理電極反應(yīng)機理陽極陽極溶于電解液中的Al2O3 在陽極區(qū)形成鋁離子和AlO33- ，鋁離子得到電荷形成金屬 Al 并放出氧 ， 氧與C 形成 CO2。鋁的凈化：鋁的凈化：電解鋁中通常含有碳粉、電解質(zhì)、氫氣等雜質(zhì)。用電解鋁中通常含有碳粉、電解質(zhì)、氫氣等雜質(zhì)。用石墨管將石墨管將 Cl2 吹入鋁的熔池中形成吹入鋁的熔池中形成 AlCl3 ，AlCl3與雜質(zhì)一起浮與雜質(zhì)一起浮出去除。出去除。1.3 鋁的物理冶金鋁的物理冶金密度密度 (20 ) ： 2.70 g.cm-3 熔點熔點 ： 66

11、0 100 時的熱容：時的熱容： 0.2241 cal.g-1K-1 （938 Jkg-1K-1）熔化潛熱：熔化潛熱： 94.7 cal.g-1 （ 397.0 kJ.kg-1） 20 時的電導(dǎo)率：時的電導(dǎo)率：64.94 (相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)退火銅的百分?jǐn)?shù)相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)退火銅的百分?jǐn)?shù)) 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 ： 0.5 cal.sec-1cm-1K-11.3.1 合金元素與鋁的作用合金元素與鋁的作用CaCoCuCrGeFeLiMgMnNiSiAgSnTiVZnZr最大溶解度：最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr發(fā)生在包晶溫度；其余元素在共晶溫度。發(fā)生在包晶溫度；其余元素在共晶溫度。室溫溶解度：室溫溶解度：Mg、Zn

12、約為約為2%；Ge、Li、Ag為為0.10.25%；其余小于；其余小于0.1%Zn（31.62）Mg（17.41）Cu（5.650.5）Li（4.2） Mn（1.82）Si （1.65）Ag（56.5）Ge（7.2）Ti（1.3）元素在鋁中的溶解度元素在鋁中的溶解度二元鋁合金相圖Al-CuAl-Cu共晶相圖共晶相圖Al-TiAl-Ti包晶相圖包晶相圖合金元素在鋁合金中的固溶強化效果合金元素在鋁合金中的固溶強化效果 Mn 和和 Cu 含量為含量為 0.5%時，強化效果最好，超過后將形成時，強化效果最好，超過后將形成 Al6Mn 相相 或不溶的或不溶的Al-Cu-Fe 化合物相?；衔锵?。 Mg

13、的強化效果最顯著；鋅的強化效果最差。的強化效果最顯著；鋅的強化效果最差。退火態(tài)高純鋁的屈服強度很低，為退火態(tài)高純鋁的屈服強度很低，為715 MPa。鋁合金的合金化鋁合金的合金化SiSi：提高鑄造與焊接性能，減少線收縮率，降低鑄件開裂傾向；與：提高鑄造與焊接性能，減少線收縮率，降低鑄件開裂傾向；與MgMg形形成化合物，形成熱處理強化；形態(tài)與分布影響合金的力學(xué)性能。成化合物，形成熱處理強化；形態(tài)與分布影響合金的力學(xué)性能。MgMg：鋁硅合金中的主要強化元素，熱處理加熱時：鋁硅合金中的主要強化元素，熱處理加熱時Si Si 與與MgMg的化合物分解，的化合物分解，時效時析出產(chǎn)生強化。時效時析出產(chǎn)生強化。

14、MnMn：可提高鋁銅合金的強度，降低塑性和沖擊值。其強化由兩部分組成：可提高鋁銅合金的強度，降低塑性和沖擊值。其強化由兩部分組成：溶入固溶體、形成溶入固溶體、形成MeMnMeMn（熱處理后（熱處理后MeMnMeMn質(zhì)點彌散分布產(chǎn)生彌散強化）。質(zhì)點彌散分布產(chǎn)生彌散強化）。ZrZr： ZrAlZrAl3 3起外來晶核作用，細(xì)化晶粒；起外來晶核作用，細(xì)化晶粒；ZrZr溶入固溶體中，產(chǎn)生固溶強化。溶入固溶體中，產(chǎn)生固溶強化。TiTi：變質(zhì)作用，細(xì)化固溶體；：變質(zhì)作用，細(xì)化固溶體； TiAlTiAl3 3也起外來晶核作用。也起外來晶核作用。CrCr：與鋁形成金屬化合物，細(xì)化晶粒，阻止再結(jié)晶的形核和長大；

15、改善：與鋁形成金屬化合物，細(xì)化晶粒，阻止再結(jié)晶的形核和長大；改善韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。ScSc：細(xì)化固溶體晶粒的最有效元素，：細(xì)化固溶體晶粒的最有效元素， 與與ZrZr同時加入，同時加入，顯著細(xì)化鑄態(tài)晶顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒；可阻止再結(jié)晶；改善腐蝕和焊接性能。粒；可阻止再結(jié)晶；改善腐蝕和焊接性能。典型合金元素作用典型合金元素作用：固溶強化：固溶強化：Cu、Mg、Mn異相強化：異相強化：Cd、Mn、Se 合金化作用合金化作用形成外來晶核細(xì)化晶粒：形成外來晶核細(xì)化晶粒：Ti、B、Zr、V 簡單二元系鋁合金，如簡單二元系鋁合金，如AlMg、AlSi和和AlMn等，加入

16、等，加入的合金元素雖有明顯的溶解度變化，但熱處理強化效果不顯著，的合金元素雖有明顯的溶解度變化，但熱處理強化效果不顯著，只能以退火或冷加工狀態(tài)使用（即只能以退火或冷加工狀態(tài)使用（即非熱處理強化型鋁合金非熱處理強化型鋁合金）。）。 由由Zn、Mg、Cu、Si、Li等構(gòu)成的多元系鋁合金，如等構(gòu)成的多元系鋁合金，如AlZnMgCu系，加入的合金元素既可溶解于鋁中形成固溶體，系，加入的合金元素既可溶解于鋁中形成固溶體，又可與鋁形成二元或三元化合物，并且這些元素在又可與鋁形成二元或三元化合物，并且這些元素在Al中的溶解度中的溶解度隨溫度降低而劇烈減小，具有顯著的熱處理強化效果，故含有這隨溫度降低而劇烈減

17、小，具有顯著的熱處理強化效果，故含有這些元素的鋁合金可通過熱處理強化（即些元素的鋁合金可通過熱處理強化（即熱處理強化型鋁合熱處理強化型鋁合金）。金）。 Cr、Ti、Zr等在鋁中的溶解度很小，但明顯改善合金強度和等在鋁中的溶解度很小，但明顯改善合金強度和抗蝕性、抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒。但鋁合金的細(xì)晶強化效果不顯抗蝕性、抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒。但鋁合金的細(xì)晶強化效果不顯著。著。 Reh=Reh0+k/d0.5 式中式中 k = 68 MPa m 0.5固溶時效處理的一般步驟固溶時效處理的一般步驟固溶固溶： 將鋁合金加熱到單相固溶體區(qū)將鋁合金加熱到單相固溶體區(qū)（固溶線以上、固相線以下），使（固溶線以上、

18、固相線以下），使合金元素溶入，獲得成分均勻的固合金元素溶入，獲得成分均勻的固溶體。溶體。淬火淬火： 快冷到室溫獲得單相過飽和固快冷到室溫獲得單相過飽和固溶體。溶體。時效時效： 加熱到室溫以上某一溫度，使加熱到室溫以上某一溫度，使過飽和固溶體分解，形成細(xì)小沉淀過飽和固溶體分解，形成細(xì)小沉淀相分散于基體上。相分散于基體上。1.3.2 1.3.2 鋁合金的鋁合金的時效強化機制自然時效自然時效：室溫下時效：室溫下時效人工時效人工時效：在高于室溫進行時效：在高于室溫進行時效Al4%Cu鑄態(tài)組織及淬火態(tài)組織析出析出脫溶（或沉淀）脫溶（或沉淀）：過飽和固溶體中析出一過飽和固溶體中析出一個成分、結(jié)構(gòu)與基體均不

19、同的新相，或由溶質(zhì)原子富集形成亞個成分、結(jié)構(gòu)與基體均不同的新相，或由溶質(zhì)原子富集形成亞穩(wěn)過渡相的過程。屬于固態(tài)相變。穩(wěn)過渡相的過程。屬于固態(tài)相變。時效分解（析出析出）過程和產(chǎn)物過飽和固溶體過飽和固溶體分解產(chǎn)物分解產(chǎn)物GP區(qū)過渡相過渡相（中間沉淀相）（中間沉淀相）平衡相平衡相AlCu合金合金： 過飽和固溶體隨著時效時間的增加，將發(fā)生下列分解：過飽和固溶體隨著時效時間的增加，將發(fā)生下列分解： 過過 GP區(qū)區(qū) 其中其中 GP區(qū)、區(qū)、為亞穩(wěn)定相為亞穩(wěn)定相 （ 又稱為又稱為GP區(qū)）區(qū)） 隨著時效時間的延長，組織變化過程為：隨著時效時間的延長，組織變化過程為：過過 GP區(qū)區(qū) GP區(qū)：區(qū)：溶質(zhì)原子在基體溶質(zhì)

20、原子在基體 100面上偏聚構(gòu)成的面上偏聚構(gòu)成的 圓盤形片圓盤形片 A.Guinier和G.D.Prestor于1938年研究AlCu合金自然時效時發(fā)現(xiàn) 圓盤形片尺寸：510nm0.40.6nm，數(shù)，數(shù)量量10141016/cm3 晶體結(jié)構(gòu)： 與基體與基體相結(jié)構(gòu)相同（相結(jié)構(gòu)相同（fcc） 界面：與：與相完全共格。相完全共格。 G P區(qū)是區(qū)是溶質(zhì)原子富集的溶質(zhì)原子富集的、排列有序的排列有序的、與基體共格的與基體共格的原子束，均勻分布在基體上。其原子束，均勻分布在基體上。其數(shù)量完全取決于淬火后存在的空位濃度，與基數(shù)量完全取決于淬火后存在的空位濃度，與基體中非均勻分布的位錯無關(guān)。因為溶質(zhì)原子可體中非均

21、勻分布的位錯無關(guān)。因為溶質(zhì)原子可借助空位進行遷移富集，空位越多，富集遷移借助空位進行遷移富集，空位越多，富集遷移越易進行；凡能提高空位濃度的因素均能促進越易進行；凡能提高空位濃度的因素均能促進GP區(qū)的形成，如：提高固溶溫度，加快冷卻區(qū)的形成，如：提高固溶溫度，加快冷卻速度，淬火后固溶體中存在較多空位，這有利速度，淬火后固溶體中存在較多空位，這有利于獲得尺寸細(xì)小、數(shù)量多的于獲得尺寸細(xì)小、數(shù)量多的GP區(qū)區(qū)。 GP區(qū)附近基體晶格變化基體上析出GP區(qū)750000 GP 區(qū)尺寸分布隨時效時間的變化t1t2t3屈服強度隨時效時間的變化具有臨界尺寸且具有臨界尺寸且彌散分布的彌散分布的 GP 區(qū)或過渡相（中區(qū)

22、或過渡相（中間相）才能使鋁間相）才能使鋁合金達(dá)到最大時合金達(dá)到最大時效強化。效強化。 平衡相圖中，平衡相圖中， GP區(qū)脫區(qū)脫溶線決定了溶線決定了GP區(qū)穩(wěn)定存在區(qū)穩(wěn)定存在的最高極限溫度。的最高極限溫度。只有細(xì)小彌散分布于基體中只有細(xì)小彌散分布于基體中的的GP區(qū)才強化基體。區(qū)才強化基體。 相：相：圓碟片狀，圓碟片狀，30nm2nm；正方點正方點陣陣，ab0.404nm，c0.768nm。為均勻形。為均勻形核核、分布均勻，與基體完全共格，位向關(guān)系為分布均勻，與基體完全共格，位向關(guān)系為100/100基體基體；相周圍比相周圍比GP區(qū)存在更大區(qū)存在更大的共格應(yīng)變，故其強化效果大于的共格應(yīng)變，故其強化效果大

23、于GP區(qū)。區(qū)。 相：相：圓碟片狀，圓碟片狀，100nm幾十幾十 nm；正正方點陣方點陣，ab0.404nm，c0.58nm。與基體。與基體部分共格，位向關(guān)系為部分共格，位向關(guān)系為100/100基體基體；成分；成分為為Cu2Al3.6，接近于平衡相，接近于平衡相（CuAl2）。）。 過渡相：過渡相：時效時間增加時效時間增加，基體中依次析出，基體中依次析出、過渡相過渡相基體上析出”相300000 過渡相有確定的成分和晶體結(jié)構(gòu)，與基體共格或部分共格，有一定結(jié)晶學(xué)位過渡相有確定的成分和晶體結(jié)構(gòu)，與基體共格或部分共格，有一定結(jié)晶學(xué)位向關(guān)系，尺寸比向關(guān)系，尺寸比GPGP區(qū)稍大。區(qū)稍大。 過渡相結(jié)構(gòu)與基體存

24、在較大差異，需要較大的形核功才能形核。為了降低形過渡相結(jié)構(gòu)與基體存在較大差異，需要較大的形核功才能形核。為了降低形核功（應(yīng)變能、界面能），過渡相常在位錯、小角晶界、層錯、空位團以及核功（應(yīng)變能、界面能），過渡相常在位錯、小角晶界、層錯、空位團以及GPGP區(qū)區(qū)等處不均勻形核。因此，其形核速率與基體中位錯密度有關(guān)。等處不均勻形核。因此，其形核速率與基體中位錯密度有關(guān)。平衡相平衡相： ：正方點陣：正方點陣：ab0.905nm，c0.486nm，一般與基體不共格，但存在一定的晶體學(xué)位向一般與基體不共格，但存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，其界面能高，形核功也高。為減小形核關(guān)系，其界面能高，形核功也高。為減小形

25、核功，常在晶界處形核，所以平衡相形核是不均功，常在晶界處形核，所以平衡相形核是不均勻的。勻的。 平衡相在較高的時效溫度出現(xiàn)，平衡相尺平衡相在較高的時效溫度出現(xiàn)，平衡相尺寸粗大寸粗大，降低了強化效果。降低了強化效果。淬火態(tài)，單相固淬火態(tài)，單相固溶體，銅原子在溶體，銅原子在基體中混亂分布基體中混亂分布時效初期，單相固時效初期，單相固溶體中形成保持共溶體中形成保持共格界面的格界面的GPGP區(qū)區(qū)時效中期，形成時效中期，形成半共格界面的過半共格界面的過渡相渡相高溫時效，固溶高溫時效，固溶體中析出非共格體中析出非共格界面的平衡相界面的平衡相基體上析出及 15400Sn顆粒降低了界面能，促進了 過渡相的析出

26、 (Al2Cu) 鋁合金中的微量元素將嚴(yán)重影響沉淀物的成核和生長，由鋁合金中的微量元素將嚴(yán)重影響沉淀物的成核和生長，由于這些微量元素：于這些微量元素：優(yōu)先與空位產(chǎn)生交互作用，削弱了淬火空位對時效的影響；優(yōu)先與空位產(chǎn)生交互作用，削弱了淬火空位對時效的影響；提高了提高了GPGP區(qū)脫溶曲線溫度；區(qū)脫溶曲線溫度； 促進自發(fā)形核；促進自發(fā)形核； 促進形成不同的沉淀物；促進形成不同的沉淀物； 促進異質(zhì)形核；促進異質(zhì)形核；提高了固溶體的過飽和溶解度。提高了固溶體的過飽和溶解度。微量元素對時效過程的影響微量元素對時效過程的影響Al4Cu工藝過程相同：加熱、保溫和快冷。工藝過程相同：加熱、保溫和快冷。共析鋼退火

27、態(tài)組織為珠光體；加熱時共析鋼退火態(tài)組織為珠光體；加熱時，珠光體轉(zhuǎn)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體，晶體結(jié)構(gòu)已變變?yōu)閱蜗鄪W氏體，晶體結(jié)構(gòu)已變；淬火快冷淬火快冷，奧氏奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，晶體結(jié)構(gòu)又變；馬氏體強度因固晶體結(jié)構(gòu)又變；馬氏體強度因固溶強化而大幅度提高溶強化而大幅度提高，但脆性大但脆性大。鋁合金退火態(tài)組織為固溶體及分布其上的第二相；鋁合金退火態(tài)組織為固溶體及分布其上的第二相；加熱時，第二相溶入基體而引起成分變化，但基體加熱時，第二相溶入基體而引起成分變化，但基體的晶體結(jié)構(gòu)未變；冷卻過程中，高溫過飽和固溶體的晶體結(jié)構(gòu)未變；冷卻過程中，高溫過飽和固溶體因快冷而凍結(jié)到室溫因快冷而凍結(jié)到室溫，

28、但晶體結(jié)構(gòu)不變但晶體結(jié)構(gòu)不變；第二相溶第二相溶入基體形成單一過飽和固溶體組織入基體形成單一過飽和固溶體組織，其塑性優(yōu)于原其塑性優(yōu)于原二相組織，強度因固溶強化而提高。二相組織，強度因固溶強化而提高。鋁合金的固溶處理與鋼淬火處理的異同鋁合金的固溶處理與鋼淬火處理的異同固溶強化、沉淀強化、過剩相強化、細(xì)晶強化、冷變形強化 固溶強化： 無限互溶合金系的組元間物理化學(xué)性質(zhì)相似、原子尺寸差異小，無限互溶合金系的組元間物理化學(xué)性質(zhì)相似、原子尺寸差異小，固溶體晶格畸變程度較低，因而固溶強化效果低。如鋁鋅、鋁銀簡單固溶體晶格畸變程度較低，因而固溶強化效果低。如鋁鋅、鋁銀簡單二元合金系，固溶強化作用小，無實用價值

29、；溶解度大于二元合金系，固溶強化作用小，無實用價值；溶解度大于1 1的的Al-MgAl-Mg、Al-CuAl-Cu、A1-MnA1-Mn、A1-SiA1-Si合金系，固溶強化作用較大，有實用價值。但固合金系，固溶強化作用較大，有實用價值。但固溶強化效果有限溶強化效果有限。時效強化時效強化( (沉淀強化沉淀強化) ) ： 合金元素在鋁中要有較大的極限溶解度，其溶解度隨溫度的降低而合金元素在鋁中要有較大的極限溶解度，其溶解度隨溫度的降低而急劇減小，時效過程中形成均勻、彌散分布的共格或半共格過渡相，這急劇減小，時效過程中形成均勻、彌散分布的共格或半共格過渡相，這種相在基體中能造成較強烈的應(yīng)變場，提高

30、對位錯運動的阻力，從而產(chǎn)種相在基體中能造成較強烈的應(yīng)變場，提高對位錯運動的阻力，從而產(chǎn)生強化。生強化。 多組元少量合金化多組元少量合金化（ A1-Cu-MgA1-Cu-Mg、Al-Mg-SiAl-Mg-Si和和Al-Zn-MgAl-Zn-Mg ）形成新的形成新的強化相強化相, ,改變沉淀硬化特性，使強化效果更大，如改變沉淀硬化特性，使強化效果更大，如Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系，可形成系，可形成CuAlCuAl2 2(相相) )、AlAl，CuMg(SCuMg(S相相) )等強化相，強化合金更顯著。等強化相，強化合金更顯著。時效強化機理鋁合金的強化方式過剩相強化過剩相強化：合金元素加入量

31、超過其極限溶解度后，固溶加熱時剩有部分不能溶合金元素加入量超過其極限溶解度后，固溶加熱時剩有部分不能溶入固溶體的第二相即為過剩相。入固溶體的第二相即為過剩相。 過剩相多為硬而脆的金屬間化合物過剩相多為硬而脆的金屬間化合物，可阻礙位錯運動，從而提高強可阻礙位錯運動，從而提高強度、硬度，但降低塑性、韌性。度、硬度，但降低塑性、韌性。 Al-SiAl-Si鑄造合金的主要強化手段是過剩相強化。隨著硅含量增加，鑄造合金的主要強化手段是過剩相強化。隨著硅含量增加，過剩相的數(shù)量增多，合金的強度、硬度相應(yīng)提高。但硅含量不能超過共過剩相的數(shù)量增多，合金的強度、硬度相應(yīng)提高。但硅含量不能超過共晶成分太多，以免出現(xiàn)

32、急劇降低強度和塑性的多角形初晶硅。晶成分太多，以免出現(xiàn)急劇降低強度和塑性的多角形初晶硅。細(xì)晶強化細(xì)晶強化： 鋁合金中添加微量合金元素使鋁合金固溶體基體和過剩相組織細(xì)化，鋁合金中添加微量合金元素使鋁合金固溶體基體和過剩相組織細(xì)化，以提高鋁合金強韌性以提高鋁合金強韌性細(xì)晶強化。細(xì)晶強化。 鑄造鋁合金：對不能熱處理強化或強化效果不大的鋁合金進行變質(zhì)鑄造鋁合金：對不能熱處理強化或強化效果不大的鋁合金進行變質(zhì)處理，細(xì)化鑄態(tài)組織。如鑄造鋁硅合金中加入微量鈉或鈉鹽或銻等，可處理，細(xì)化鑄態(tài)組織。如鑄造鋁硅合金中加入微量鈉或鈉鹽或銻等，可細(xì)化晶粒，顯著提高強度和塑性；鑄造鋁合金中加入少量錳、鉻或鈷等細(xì)化晶粒，顯

33、著提高強度和塑性；鑄造鋁合金中加入少量錳、鉻或鈷等細(xì)化鐵的夾雜物細(xì)化鐵的夾雜物AlFeSiAlFeSi，從而提高塑性。，從而提高塑性。 變形鋁合金中添加微量鈦、鋯、鈹及稀土元素，能形成難熔化合物，變形鋁合金中添加微量鈦、鋯、鈹及稀土元素，能形成難熔化合物，合金結(jié)晶過程時作為非自發(fā)晶核，以細(xì)化晶粒，提高合金的強度和塑性。合金結(jié)晶過程時作為非自發(fā)晶核，以細(xì)化晶粒，提高合金的強度和塑性。如鋁錳合金中添加如鋁錳合金中添加0.020.020.30.3TiTi可細(xì)化晶粒?？杉?xì)化晶粒。 時效強化機理時效強化機理 時效強化機理是基于彌散強化，強化效果受位錯與彌散相交互作用的制約時效強化機理是基于彌散強化，強化

34、效果受位錯與彌散相交互作用的制約 GP GP區(qū)與基體保持共格關(guān)系，位錯易切過尺寸細(xì)小的區(qū)與基體保持共格關(guān)系，位錯易切過尺寸細(xì)小的GPGP區(qū)，產(chǎn)生面滑區(qū)，產(chǎn)生面滑移和在晶界的位錯塞積，對位錯運動產(chǎn)生一定阻力，導(dǎo)致屈服強度提高，移和在晶界的位錯塞積，對位錯運動產(chǎn)生一定阻力，導(dǎo)致屈服強度提高，但提高幅度不大。但提高幅度不大。 時效時間進一步延長，時效時間進一步延長，、將轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^大、數(shù)量較少和將轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^大、數(shù)量較少和間距間距較遠(yuǎn)的較遠(yuǎn)的相，相，位錯可繞過位錯可繞過相相而留下而留下位錯環(huán)，此時，位錯環(huán)，此時，相對位錯運動的阻力相對位錯運動的阻力小，因此，小，因此，屈服強度較低。屈服強度較低。 時

35、效時間的延長，將在位錯、小角晶界、層錯、空位團以及時效時間的延長，將在位錯、小角晶界、層錯、空位團以及GPGP區(qū)等區(qū)等處析出共格相處析出共格相、半共格相、半共格相，、尺寸較尺寸較GPGP區(qū)大，位錯切過區(qū)大，位錯切過、時，產(chǎn)生時，產(chǎn)生較大的阻力，導(dǎo)致屈服強度大幅度提高。較大的阻力，導(dǎo)致屈服強度大幅度提高。時效強化合金中，強度隨時效時間（影響彌散相尺寸）增加發(fā)生先增加、后降低的變化。時效強化合金的強度與析出相時效強化合金的強度與析出相顆粒尺寸之間的關(guān)系顆粒尺寸之間的關(guān)系 下列工藝均能促進可阻礙位錯運動的彌散相的析出下列工藝均能促進可阻礙位錯運動的彌散相的析出兩次時效工藝（先在兩次時效工藝（先在GP

36、GP區(qū)脫溶溫度以下時效、再在脫溶溫度以區(qū)脫溶溫度以下時效、再在脫溶溫度以上時效）：可獲得更細(xì)小彌散分布的析出相。上時效）：可獲得更細(xì)小彌散分布的析出相。預(yù)處理工藝：分別形成粗、細(xì)共沉淀相，前者可提高屈服強度，預(yù)處理工藝：分別形成粗、細(xì)共沉淀相，前者可提高屈服強度，后者提高均勻塑性變形能力。后者提高均勻塑性變形能力。 采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使二種以上的、具有不同晶向的中間采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使二種以上的、具有不同晶向的中間相發(fā)生共沉淀，從而阻礙位錯運動。相發(fā)生共沉淀，從而阻礙位錯運動。 加入一些特殊微量元素促進中間相的均勻彌散形核。加入一些特殊微量元素促進中間相的均勻彌散形核。適合的熱處理工藝

37、可提高強度適合的熱處理工藝可提高強度4040倍。倍。1.3.3 鋁合金的腐蝕 鋁是活潑金屬，大氣中表鋁是活潑金屬，大氣中表面很快氧化，形成致密氧化膜，面很快氧化，形成致密氧化膜，可阻止內(nèi)層金屬進行氧化。氧可阻止內(nèi)層金屬進行氧化。氧化膜在化膜在pHpH為為4.5-8.54.5-8.5的的水溶液中水溶液中是穩(wěn)定的，但在強酸或強堿中是穩(wěn)定的，但在強酸或強堿中不穩(wěn)定。不穩(wěn)定。 鋁鋁在水溶液中的腐蝕產(chǎn)物在水溶液中的腐蝕產(chǎn)物是氫氧化鋁，然后轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲜菤溲趸X，然后轉(zhuǎn)變?yōu)樗涎趸X；水合氧化鋁粘附力小，氧化鋁；水合氧化鋁粘附力小，對大氣中的鋁表面無保護作用。對大氣中的鋁表面無保護作用。 氧化膜厚度約氧化膜

38、厚度約2 23nm 3nm ，主，主要成分為要成分為AlAl2 2O O3 3，膜厚度與時間、膜厚度與時間、天氣狀況有關(guān)。天氣狀況有關(guān)。表面氧化膜表面氧化膜轉(zhuǎn)化膜轉(zhuǎn)化膜：膜厚約：膜厚約1 12 2微米。氧微米。氧化鋁膜溶解于熱酸或堿性溶液化鋁膜溶解于熱酸或堿性溶液中。膜主要由中。膜主要由AlAl2 2O O3 3 與提高耐與提高耐蝕性的鉻酸鹽組成。用于飛機蝕性的鉻酸鹽組成。用于飛機結(jié)構(gòu)中，但鉻有毒。結(jié)構(gòu)中，但鉻有毒。陽極氧化膜陽極氧化膜：厚約：厚約10-20m10-20m。制作的零件作為陽極置于制作的零件作為陽極置于15% 15% H H2 2SOSO4 4 電解質(zhì)中即可形成電解質(zhì)中即可形成A

39、lAl2 2O O3 3膜。膜是多孔的，要加以密封。膜。膜是多孔的，要加以密封。這種膜可賦予建筑物以豐富的這種膜可賦予建筑物以豐富的色彩。色彩。氧化物涂層氧化物涂層鋁陽極氧化用于裝飾，英國伯明翰 Al Al電極電位為電極電位為-0.85 V-0.85 V， 鋁合金的電極電位為鋁合金的電極電位為- -0.690.69 -0.99 V -0.99 V。電腐蝕傾。電腐蝕傾向既與電極電位高低有關(guān)，向既與電極電位高低有關(guān)，也與總電阻、極化有關(guān)。也與總電阻、極化有關(guān)。 氧化膜的性質(zhì)在金屬氧化膜的性質(zhì)在金屬溶液界面影響極化溶液界面影響極化 ，這將，這將影響了腐蝕狀況。影響了腐蝕狀況。 根據(jù)電極電位差大小，根

40、據(jù)電極電位差大小，鋁與鋼接觸產(chǎn)生的腐蝕比與鋁與鋼接觸產(chǎn)生的腐蝕比與銅接觸產(chǎn)生的腐蝕少。銅接觸產(chǎn)生的腐蝕少。電極電位電極電位合金元素和雜質(zhì)的影響合金元素和雜質(zhì)的影響 鋁的固態(tài)溶解度、顯微成鋁的固態(tài)溶解度、顯微成分和化合物如硅、分和化合物如硅、AlAl2 2CuMgCuMg、MgMg2 2SiSi具有不同的電極電位，在具有不同的電極電位，在合金內(nèi)各自形成微電池。總的合金內(nèi)各自形成微電池?？偟膩碚f，來說，固態(tài)溶解度對耐蝕性影固態(tài)溶解度對耐蝕性影響最大。響最大。 Al-MgAl-Mg合金具有較高合金具有較高的耐蝕性；的耐蝕性；Al-ZnAl-Zn合金常用于某合金常用于某些鋁合金的覆層，以及海水中些鋁合

41、金的覆層，以及海水中鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護用電極。鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護用電極。鋁合金的表面點蝕和剝落鋁合金的表面點蝕和剝落 顯微成分是表面電化學(xué)腐蝕的根本原因，在某些區(qū)域產(chǎn)生不顯微成分是表面電化學(xué)腐蝕的根本原因，在某些區(qū)域產(chǎn)生不均勻侵蝕。均勻侵蝕。 表層剝落腐蝕就是由鐵、硅形成的表層剝落腐蝕就是由鐵、硅形成的AlAl3 3FeFe雜質(zhì)物引起，這些雜質(zhì)物引起，這些雜質(zhì)物作為陰極，而鋁作為陽極，促進了表面氧化膜的電化學(xué)腐雜質(zhì)物作為陰極，而鋁作為陽極，促進了表面氧化膜的電化學(xué)腐蝕。蝕。AlAl6 6MnMn，MgMg2 2SiSi也有類似的電極電位。也有類似的電極電位。鋁合金板的表層剝落腐蝕高強度鋁合金表面的

42、點蝕 時效和回火處理改變微時效和回火處理改變微結(jié)構(gòu)成分、尺寸和分布，影結(jié)構(gòu)成分、尺寸和分布，影響耐腐蝕性能。響耐腐蝕性能。 熱機械處理可引起的殘熱機械處理可引起的殘余應(yīng)力可導(dǎo)致零件的應(yīng)力腐余應(yīng)力可導(dǎo)致零件的應(yīng)力腐蝕開裂。蝕開裂。 諸如焊接時的熱處理引諸如焊接時的熱處理引起的溫度梯度導(dǎo)致焊縫區(qū)、起的溫度梯度導(dǎo)致焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母體合金的組織熱影響區(qū)及母體合金的組織差異。差異。 在鍛造或擠壓或拉伸過在鍛造或擠壓或拉伸過程中，非再結(jié)晶和再結(jié)晶的程中，非再結(jié)晶和再結(jié)晶的混合組織沿著三個維方向存混合組織沿著三個維方向存在差異。在差異。Cracks may form along the Three pr

43、incipal directions熱處理對耐蝕性的影響熱處理對耐蝕性的影響1.3.4 鋁合金的力學(xué)行為鋁合金的力學(xué)行為 鋁合金中微結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響粗晶粒間的化合物或枝晶間共晶體粗晶粒間的化合物或枝晶間共晶體： 共晶合金凝固時形成的枝晶間化合物。分為可溶解（Al2CuMg 、 Al2Cu、 Mg2Si）和不可溶解Al3Fe、 Al7Cu2Fe 、(Al6(Fe,Mn) 、 Al(Fe,Mn,Si)。這些粒子對高強度鍛造鋁合金是有害的，并且沿加工方向以線串狀排列。要消除種缺陷需要較多的成本。沿鋁軋制方向排列的線串狀化合物細(xì)小的亞微顆?；蚣?xì)小的亞微顆?；?.050.050.5m0.5m彌散相彌

44、散相在鑄錠均勻化處理時析出。這些化合物含一種過渡金屬，如Al20Mn3Cu2 、Al12Mg2Cr和Al3Zr。它們將延緩加工和熱處理過程中的再結(jié)晶和晶粒生長；還影響位錯運動，從而影響力學(xué)性能。晶粒尺寸和形狀晶粒尺寸和形狀大熱塑性變形時的動態(tài)回復(fù)產(chǎn)生網(wǎng)狀亞晶。厚斷面上變形量小，不發(fā)生再結(jié)晶。形成的織構(gòu)仍保留下來。位錯結(jié)構(gòu)位錯結(jié)構(gòu)：由冷加工引起，對時效硬化無作用。晶體織構(gòu)晶體織構(gòu)存在于軋制產(chǎn)品中。顯著影響產(chǎn)品的成形性，力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性。細(xì)小沉淀相（細(xì)小沉淀相（0.1m0.1m）時效時形成：對強化產(chǎn)生最明顯的貢獻。拉伸性能 沉淀強化程度對鋁合金拉伸性能的影響分為兩類： 沉淀強化效果顯著沉淀強化

45、效果顯著: 主要是提高主要是提高 Reh和和Rm ，這取決于最終的彌，這取決于最終的彌散沉淀相。散沉淀相。沉淀強化效果不顯著：沉淀強化效果不顯著： Reh 和和 Rm 僅僅與冷加工時的位錯有關(guān)。與冷加工時的位錯有關(guān)。 粗大的金屬間化合物降低塑性；纖維組織或晶體織構(gòu)導(dǎo)致縱粗大的金屬間化合物降低塑性；纖維組織或晶體織構(gòu)導(dǎo)致縱向性能最好，橫向性能最差。向性能最好，橫向性能最差。（76厚鋁合金板）厚鋁合金板）韌性韌性 韌性是材料抵抗斷韌性是材料抵抗斷裂的能力（當(dāng)有裂紋裂的能力（當(dāng)有裂紋時），時），韌性在很大程度韌性在很大程度上取決于微觀結(jié)構(gòu)。裂上取決于微觀結(jié)構(gòu)。裂紋形成的原因是在第二紋形成的原因是在第

46、二相粒子與基體界面結(jié)合相粒子與基體界面結(jié)合被破壞而導(dǎo)致裂紋開始被破壞而導(dǎo)致裂紋開始形核、擴展。形核、擴展。 未時效的韌性最大，未時效的韌性最大，時效達(dá)到峰值強度時的時效達(dá)到峰值強度時的韌性最低。韌性最低。 減少減少FeFe和和SiSi雜質(zhì)可雜質(zhì)可大大改善韌性。大大改善韌性。Al-Cu-Mg平面應(yīng)變斷裂韌性疲勞疲勞 提高有色金屬合金的拉伸強度并提高有色金屬合金的拉伸強度并不總是能同時提高疲勞強度。合金的不總是能同時提高疲勞強度。合金的拉伸強度越依賴于沉淀硬化，疲勞強拉伸強度越依賴于沉淀硬化，疲勞強度就越低。由于在循環(huán)應(yīng)力作用下應(yīng)度就越低。由于在循環(huán)應(yīng)力作用下應(yīng)變集中在沉淀相附近，時效硬化鋁合變集

47、中在沉淀相附近，時效硬化鋁合金具有較低的疲勞性能，通過改進彌金具有較低的疲勞性能，通過改進彌散相的均勻性可防止寬滑移帶形成；散相的均勻性可防止寬滑移帶形成；由熱機械工藝增加位錯密度有助于改由熱機械工藝增加位錯密度有助于改善疲勞性能。善疲勞性能。 粗、細(xì)顆粒并存的復(fù)相結(jié)構(gòu)可同粗、細(xì)顆粒并存的復(fù)相結(jié)構(gòu)可同時滿足高的抗拉強度和時滿足高的抗拉強度和高高的的疲勞強度疲勞強度的要求，因為具有細(xì)顆粒帶來高的抗的要求，因為具有細(xì)顆粒帶來高的抗拉強度、粗顆粒改善疲勞強度拉強度、粗顆粒改善疲勞強度 ( (產(chǎn)生產(chǎn)生可動位錯可動位錯) )。冶金因素對疲勞性能的影響冶金因素對疲勞性能的影響高純Al - Zn - Mg合

48、金中沉淀析出造成的貧化區(qū)在疲勞時形成了滑移帶 含有高密度的粗滑移帶導(dǎo)致疲勞性能降低在疲勞循環(huán)時,粗大的第二相周圍產(chǎn)生分散的位錯，這有助于改善疲勞性能 在腐蝕環(huán)境中，如含有微量在腐蝕環(huán)境中，如含有微量鐵的鹵化物水蒸汽，承受拉應(yīng)力鐵的鹵化物水蒸汽，承受拉應(yīng)力的合金將發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的合金將發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCCSCC）：）：失效應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強度。失效應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強度。 冶金組織類型、應(yīng)力大小和腐冶金組織類型、應(yīng)力大小和腐蝕環(huán)境決定著應(yīng)力腐蝕開裂。蝕環(huán)境決定著應(yīng)力腐蝕開裂。銅、鎂、鋅、硅和鋰作為溶質(zhì)銅、鎂、鋅、硅和鋰作為溶質(zhì)元素具有反作用。元素具有反作用。 注意：應(yīng)避免橫向應(yīng)力，因為變注意：應(yīng)

49、避免橫向應(yīng)力，因為變形織構(gòu)而產(chǎn)生腐蝕。形織構(gòu)而產(chǎn)生腐蝕。應(yīng)力腐蝕斷裂A7075-A6065焊接拉伸試樣的應(yīng)力腐蝕試驗時的點蝕和裂紋擴展冶金因素對應(yīng)力腐蝕裂紋擴展的影響冶金因素對應(yīng)力腐蝕裂紋擴展的影響對晶粒心部而言，對晶粒心部而言， PFZPFZ或晶界看作陽極或晶界看作陽極 ，將導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。，將導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。 GPGP區(qū)增加了基體與沉淀相對應(yīng)力腐蝕的敏感性。區(qū)增加了基體與沉淀相對應(yīng)力腐蝕的敏感性。在在GBsGBs中的彌散沉淀相中的彌散沉淀相-靠近靠近GBsGBs顆粒將促進顆粒將促進SCCSCC。在在GBsGBs中的溶質(zhì)富集改變了電極電位。中的溶質(zhì)富集改變了電極電位。因在因在GBsGBs中的快速

50、擴散導(dǎo)致氫脆。中的快速擴散導(dǎo)致氫脆?；瘜W(xué)吸附裂紋表面降低了強度化學(xué)吸附裂紋表面降低了強度. .暴露于實驗室大氣下三個月后，人工時效的 Al-Zn-Mg 合金中位于晶界沉淀相的氫氣泡 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 循環(huán)應(yīng)力和腐蝕同時存在將使循環(huán)應(yīng)力和腐蝕同時存在將使疲勞強度顯著降低，降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)疲勞強度顯著降低，降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一存在的情形。大于單一存在的情形。 金屬零件表面的保護膜常在循環(huán)金屬零件表面的保護膜常在循環(huán)應(yīng)力作用下而破裂。應(yīng)力作用下而破裂。 諸如蝕坑位置是疲勞裂紋的發(fā)源諸如蝕坑位置是疲勞裂紋的發(fā)源地。地。 注：腐蝕條件下疲勞強度降低與材注：腐蝕條件下疲勞強度降低與材料對介質(zhì)的耐蝕性有關(guān)。料對

51、介質(zhì)的耐蝕性有關(guān)。Corrosion pits as the cause ofcorrosion fatigue failure蠕變?nèi)渥?蠕變斷裂（高溫）通常從晶界開始，尤其是在鋁合蠕變斷裂（高溫）通常從晶界開始，尤其是在鋁合金中。金中。 持續(xù)高溫作用導(dǎo)致過時效和軟化。工作溫度必須低持續(xù)高溫作用導(dǎo)致過時效和軟化。工作溫度必須低于時效溫度，以避免強度降低。鋁合金中亞微尺寸金屬于時效溫度，以避免強度降低。鋁合金中亞微尺寸金屬間化合物如間化合物如AlAl9 9FeNiFeNi或顆粒有助于改善使用溫度恒定時的或顆粒有助于改善使用溫度恒定時的蠕變抗力。蠕變抗力。 短纖維增強的鋁合金也可提高蠕變抗力。短纖

52、維增強的鋁合金也可提高蠕變抗力。 垂直方式的直接激冷鑄造比水平方式更易得到均勻鑄錠組織。垂直方式的直接激冷鑄造比水平方式更易得到均勻鑄錠組織。熔融合金注入帶有可重復(fù)使用的底部引出塊的水冷銅模中。熔融合金注入帶有可重復(fù)使用的底部引出塊的水冷銅模中。 在凝固過程中，金屬在底部引出塊上凝固，同時，伴隨其余金屬在凝固過程中，金屬在底部引出塊上凝固，同時，伴隨其余金屬液體因冷卻水的作用而快速凝固。液體因冷卻水的作用而快速凝固。直接激冷鑄造直接激冷鑄造該工藝連續(xù)生產(chǎn)具有最終尺寸要求的薄板產(chǎn)品。由于軋輥區(qū)域該工藝連續(xù)生產(chǎn)具有最終尺寸要求的薄板產(chǎn)品。由于軋輥區(qū)域和噴射區(qū)域的變化，使連鑄鋁合金表面冷卻模式復(fù)雜化

53、。和噴射區(qū)域的變化，使連鑄鋁合金表面冷卻模式復(fù)雜化。 成對水冷輥的旋轉(zhuǎn)可不斷生產(chǎn)板坯。成對水冷輥的旋轉(zhuǎn)可不斷生產(chǎn)板坯。Continuous casting process連續(xù)鑄造連續(xù)鑄造影響鋁熔化的冶金因素影響鋁熔化的冶金因素鋁熔體容易：鋁熔體容易： 過量吸收氫氣（脆化）過量吸收氫氣（脆化） 熔體氧化形成片狀、顆粒狀的鎂、鈉、熔體氧化形成片狀、顆粒狀的鎂、鈉、鈣、鍶等復(fù)雜氧化物（影響力學(xué)性能）鈣、鍶等復(fù)雜氧化物（影響力學(xué)性能）以硼化物、氧化物、碳化物和非金屬以硼化物、氧化物、碳化物和非金屬顆粒形式存在的夾雜物如顆粒形式存在的夾雜物如AlAl2 2C C3 3 （存在（存在于所有鋁合金）于所有鋁

54、合金） 將引起應(yīng)力集中。將引起應(yīng)力集中。冶金組織的控制冶金組織的控制樹枝晶尺寸或枝晶臂間距；樹枝晶尺寸或枝晶臂間距；微觀組織的組成和分布；微觀組織的組成和分布；晶粒度晶粒度: :細(xì)晶粒尺寸或組織可以改善：撕裂強度、機械性細(xì)晶粒尺寸或組織可以改善：撕裂強度、機械性能、氣密性、可熱處理、化學(xué)、電化學(xué)和機械加工等性能。能、氣密性、可熱處理、化學(xué)、電化學(xué)和機械加工等性能。鑄造組織及質(zhì)量的控制鑄造組織及質(zhì)量的控制孕育處理細(xì)化晶粒孕育處理細(xì)化晶粒TiAl3晶體作為晶粒成長的晶核。晶體作為晶粒成長的晶核。 每個顆粒平均有每個顆粒平均有8個位置進行復(fù)合形核。個位置進行復(fù)合形核。 TiB2相還具有晶粒細(xì)化的效果

55、。相還具有晶粒細(xì)化的效果。晶粒細(xì)化劑晶粒細(xì)化劑 ：中間合金：中間合金：Al-35%Ti 精煉劑精煉劑Al-Ti-0.21%B (Ti:B 5:50)直接激冷鑄錠的均勻化處理 直接激冷鑄造的鋁合金鑄錠常預(yù)先在直接激冷鑄造的鋁合金鑄錠常預(yù)先在450450600600進行均進行均勻處理，其勻處理，其目的目的是：是：減小微觀偏析；消除后續(xù)加工時可能引減小微觀偏析；消除后續(xù)加工時可能引起裂紋的非平衡相、低熔點共晶組織；控制凝固時溶解的過起裂紋的非平衡相、低熔點共晶組織；控制凝固時溶解的過量沉淀物。量沉淀物。 均勻化處理時均勻化處理時, , 合金元素將合金元素將從晶界和其它溶質(zhì)偏析區(qū)域擴散從晶界和其它溶質(zhì)

56、偏析區(qū)域擴散到晶粒其它部位；擴散時間取決到晶粒其它部位；擴散時間取決于擴散距離和合金元素的擴散速于擴散距離和合金元素的擴散速度度 ( (晶粒尺寸、枝晶臂間距晶粒尺寸、枝晶臂間距) ) 。直接激冷鑄錠的加工直接激冷鑄錠的加工： 均勻化處理后，后續(xù)熱加工可打碎鑄錠中的粗大組織，得均勻化處理后，后續(xù)熱加工可打碎鑄錠中的粗大組織，得到成分分布、晶粒大小更均勻的組織。對無沉淀強化的鋁合金到成分分布、晶粒大小更均勻的組織。對無沉淀強化的鋁合金所進行的冷加工可得到強化，冷加工過程中可能還需進行所進行的冷加工可得到強化，冷加工過程中可能還需進行345345415 415 的中間退火。的中間退火。1.3.7 1

57、.3.7 鋁合金的熱處理工藝鋁合金的熱處理工藝 固溶處理應(yīng)在理想溫度下固溶處理應(yīng)在理想溫度下進行，以使大部分合金元素完進行，以使大部分合金元素完全固溶獲得單相組織。固溶溫全固溶獲得單相組織。固溶溫度不能超過固相線溫度，度不能超過固相線溫度， 以免以免過熱，甚至出現(xiàn)熔融化合物、過熱，甚至出現(xiàn)熔融化合物、晶粒長大將影響機械性能晶粒長大將影響機械性能 。吸收的氫原子可與內(nèi)部空洞結(jié)吸收的氫原子可與內(nèi)部空洞結(jié)合，形成小氣孔或起泡。應(yīng)該合，形成小氣孔或起泡。應(yīng)該盡量減少爐內(nèi)或熔池內(nèi)的水蒸盡量減少爐內(nèi)或熔池內(nèi)的水蒸汽。汽。Liquation along GBs due to overheatingof an

58、 Al-Cu-Mg alloy during STBlistering on Al alloy surface, heat-treated in a humid atmosphere固溶處理固溶處理固溶處理后的合金淬火到室溫，以實現(xiàn)最大過飽和度，為隨后固溶處理后的合金淬火到室溫，以實現(xiàn)最大過飽和度，為隨后的時效做準(zhǔn)備。的時效做準(zhǔn)備。 冷水淬火：用于要求高冷卻速度特別是厚斷面冷水淬火：用于要求高冷卻速度特別是厚斷面; ; 薄斷面將發(fā)薄斷面將發(fā)生扭曲（因快冷產(chǎn)生殘余應(yīng)力），這在時效時可松馳生扭曲（因快冷產(chǎn)生殘余應(yīng)力），這在時效時可松馳20204040。The effect of minor add

59、itions of Cr and Zr onthe quench sensitivityTensile strength as a function ofquenching rate淬火熱或沸水淬火以及風(fēng)冷淬火：冷卻速熱或沸水淬火以及風(fēng)冷淬火：冷卻速度較低，淬火應(yīng)力較小，其后的時效效度較低，淬火應(yīng)力較小，其后的時效效果主要取決于合金系的淬火敏感性。果主要取決于合金系的淬火敏感性。但但這可能導(dǎo)致粗顆粒的這可能導(dǎo)致粗顆粒的非均相成核非均相成核。鹽浴淬火鹽浴淬火 : (180: (180保溫一定時間然保溫一定時間然后冷卻到室溫后冷卻到室溫) ) 對高強度對高強度 Al-Zn-Mg-Cu Al-Zn-

60、Mg-Cu 合金可實現(xiàn)快冷而降低殘余應(yīng)力。合金可實現(xiàn)快冷而降低殘余應(yīng)力。Heterogeneous nucleation oflarge particles in slow-quenchedand aged Al-Mg-Si alloy.時效強化時效強化可熱處理強化鋁合金優(yōu)化性能的最后步驟：可熱處理強化鋁合金優(yōu)化性能的最后步驟：自然時效自然時效 室溫下進行室溫下進行人工時效人工時效 在在100100190190進行進行時效溫度和時間取決于合金系和最終的性能時效溫度和時間取決于合金系和最終的性能要求。要求。一步時效一步時效: : 適用于高強度合金，適用于高強度合金，8 824h24h；多步時效多