輕合金的組織與性能

1、輕合金的組織與性能輕合金概述 輕金屬是指密度小于3.50g/cm3的金屬材料。 鋁 和 鎂 的 密 度 分 別 為 2 . 7 0 g / c m 3 和1.74g/cm3，故以鋁和鎂為基的合金被稱為輕 金 屬 合 金 或 輕 合 金 。 鈦 的 密 度 為4.50g/cm3，現(xiàn)在也將其歸類于輕金屬。一般地說，輕合金的強(qiáng)度和剛度都比結(jié)構(gòu)鋼小。但它們的密度小，比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)和比剛度(彈性模量/密度)都比較大，與結(jié)構(gòu)鋼，甚至與超高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，所以與超高強(qiáng)度鋼一起在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，以減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，提高運(yùn)載能力和速度。輕合金的優(yōu)點(diǎn)高的比強(qiáng)度和比剛度高的比強(qiáng)度和比剛度優(yōu)良的耐高低溫性能

2、優(yōu)良的耐高低溫性能耐腐蝕耐腐蝕適應(yīng)空間環(huán)境適應(yīng)空間環(huán)境壽命和安全壽命和安全1.1鋁及鋁合金的組織與性能1）Fe與Si總是同時(shí)存在，因此Fe和Si在工業(yè)純鋁中基本呈三元化合物存在，出現(xiàn)FeAl3或游離Si的機(jī)會(huì)很少；2）當(dāng)FeSi時(shí)形成富Fe的化合物（Al12Fe3Si），而SiFe時(shí)形成富Si的化合物（Al9Fe2Si2）。二者都是脆性化合物，但相呈骨架狀或團(tuán)塊狀，而相呈粗大的針狀，故后者對塑性的危害更大。鋁合金強(qiáng)化元素：銅、鎂、鋅、錳、硅和稀土等強(qiáng)化元素：銅、鎂、鋅、錳、硅和稀土等按鋁合金所處相圖的位置分類：鋁合金:形變鋁合金、鑄造鋁合金形變鋁合金：相圖中D點(diǎn)以左的部分。該類鋁合金加熱至固溶

3、線FD以上時(shí)能形成單相固溶體，塑性好，適用于壓力加工成形。不能熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金：相圖中F點(diǎn)以左的部分，組織為單相固溶體，且其溶解度不隨溫度而變化，無法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；可熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金：相圖中F和D之間的形變鋁合金，固溶體的溶解度隨著溫度而顯著變化，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鑄造鋁合金：相圖中D點(diǎn)以右的部分，有共晶鋁合金、亞共晶鋁合金和過共晶鋁合金之分。1.Zn、Cu、Mg和Si四種元素與Al形成二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合物，在Al中的溶解度隨溫度的降低而劇烈地減少，能通過熱處理強(qiáng)化，稱為可熱處理強(qiáng)化型Al合金；2.AlMg、

4、AlSi、AlMn二元合金，加入的合金元素雖然也有明顯的溶解度變化，但熱處理強(qiáng)化效果不大，只能以退火或冷作硬化態(tài)應(yīng)用，稱為不可熱處理強(qiáng)化型Al合金；3.Cr、Mn、Zr等元素的溶解度雖小，但對合金的耐熱和耐蝕性改善有明顯作用，因?yàn)檫@些過渡族元素能明顯地抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒。鋁合金的強(qiáng)化1、固溶強(qiáng)化2、時(shí)效強(qiáng)化（析出強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化）淬火后的鋁合金，在室溫停留或加熱保溫后，在析出第二相過程中造成性能（如強(qiáng)度、硬度等）變化的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。鋁合金的時(shí)效過程及組織時(shí)效硬化現(xiàn)象1906年，德國WilmA發(fā)現(xiàn)時(shí)效硬化現(xiàn)象；1919年，弄清楚是由過飽和固溶體分解引起的；1935年，發(fā)現(xiàn)在平衡相析出前還有過渡

5、相；1938年，Guinier和Preston發(fā)現(xiàn)GP區(qū)。至此，完全弄清過飽和固溶體的分解過程為：2GP區(qū)過渡相平衡相鋁合金的時(shí)效過程及組織現(xiàn)以Al-Cu合金為例分析，Al-Cu合金的分解過程為：2GP區(qū)（1）GP區(qū)1938年，A.Guinier和G.D.Prestor各自獨(dú)立用X射線結(jié)構(gòu)分析方法發(fā)現(xiàn)：AlCu合金單晶體自然時(shí)效時(shí)在基體的100面上發(fā)生了銅原子偏聚，構(gòu)成了富銅的圓盤形片（約含銅90）即G.P區(qū)。G.P區(qū)的形狀與尺寸：在電子顯微鏡下呈圓盤狀，直徑約510nm，厚約0.40.6nm，數(shù)量約10141016/cm3Cu原子富集區(qū)（約含90Cu）；無獨(dú)立的晶格結(jié)構(gòu)（與基體的結(jié)構(gòu)相同）；

6、與基體共格，界面能小；形狀可能是片狀、球狀和針狀，主要取決于共格應(yīng)變能（組元原子半徑差）；是合金中能用X射線測出的原子偏聚區(qū)。均勻固溶體GP區(qū)（Cu原子富集）碟形GP區(qū)針狀GP區(qū)球形GP區(qū)形成原因：G.P區(qū)的形核呈均勻分布，其形核率與晶體中非均勻分布的位錯(cuò)無關(guān)，而完全依賴于淬火所保留下來的空位濃度（因?yàn)槿苜|(zhì)原子可借助于空位進(jìn)行遷移）。凡是能增加空位濃度的因素均能促進(jìn)G.P區(qū)的形成。例如：固溶溫度越高，冷卻速度越快，則淬火后固溶體保留的空位就越多，有利于增加G.P區(qū)的數(shù)量并使其尺寸減小。1由于GP區(qū)與基體間沒有相界面（完全共格），界面能極小，形核功也小，因此在空位的幫助下在很低的溫度即能迅速形成

7、；2作為GP區(qū)晶核的微小偏聚區(qū)，數(shù)量非常大，形成速度極高，但只有長大到一定尺寸才能成為GP區(qū)；3偏聚區(qū)的長大需要原子擴(kuò)散遷移，因此以溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度可估計(jì)GP區(qū)的形成速度。（2）相是Cu原子在GP區(qū)中有序化后形成（也有人認(rèn)為是GP區(qū)重排），是Cu和Al混合交替層，有獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)（Cu2Al5，正方結(jié)構(gòu)），與基體共格。相結(jié)構(gòu)與基體已有差別，因此與GP相產(chǎn)生更大的共格應(yīng)變（更大的強(qiáng)化）（3）相的化學(xué)組成與CuAl2相當(dāng)（有人認(rèn)為Cu2Al3.6），也是正方結(jié)構(gòu)，與基體部分共格，是該系合金中第一種能在光學(xué)顯微鏡下觀察到的產(chǎn)物。是高溫時(shí)效產(chǎn)物，對硬化有一定貢獻(xiàn)，但最大硬化發(fā)生在數(shù)量處于最大值時(shí)，當(dāng)

8、質(zhì)點(diǎn)逐漸長大時(shí)，其數(shù)量逐漸減少，共格應(yīng)變逐漸降低，合金逐漸軟化（過時(shí)效）。（4）平衡相（CuAl2）是退火產(chǎn)物，具有正方結(jié)構(gòu)，與Al的晶格結(jié)構(gòu)差別更大，與基體無共格關(guān)系。相與基體無共格關(guān)系，因此共格應(yīng)變消失，同時(shí)隨著其粗化，數(shù)量減少，相鄰顆粒間的平均距離增大，合金軟化而遠(yuǎn)離其峰值強(qiáng)度狀態(tài)。（1）過飽和固溶體的分解雖可分幾個(gè)階段，但并不是截然分開的，只能說在一定溫度和時(shí)間內(nèi)以某一階段為主。如：Al-4Cu合金在130以下時(shí)效以形成GP區(qū)為主；在150175間時(shí)效以為主；在225250間時(shí)效以為主；高于300時(shí)效以為主。同一溫度，時(shí)效不同時(shí)間也可得到不同組織。如在130時(shí)效，不超過5天以GP區(qū)為主

9、；10天以為主，還能生成一部分相；超過100天則完全由相組成。（2）同系不同成分的合金，可能有不同的分解序列，過飽和大的合金更易出現(xiàn)GP區(qū)或過渡相。（3）由于多晶體各部分的能量條件不同，在同一時(shí)期可能出現(xiàn)不同的分解產(chǎn)物，一般在晶內(nèi)廣泛出現(xiàn)GP區(qū)或過渡相，而在晶界可能出現(xiàn)平衡相。（4）各個(gè)合金系的分解序列不一定相同，如Al-Cu合金可能出現(xiàn)兩種過渡相，而大部分合金系只存在一種過渡相。（5）改變合金的分解條件，第二相析出的情況可能發(fā)生改變。（6）添加元素會(huì)對合金的析出條件和組織產(chǎn)生影響。Cu原子聚集區(qū)單層片狀Cu富集區(qū)位于Al（200）面上的雙層Cu富集區(qū)GP(II)多層析出物相與基體半共格的相A

10、l-1.94%Cu合金在403K時(shí)效后析出物的高分辨圖像（a）6.0102s（b)6.0104(c)1.8107(d)1.8107(e)3.61071曲線隨時(shí)間呈峰值特征；2初期硬度升高很慢或不升高（有蘊(yùn)育期）；3提高溫度能提高硬化速率、縮短時(shí)效時(shí)間降低硬度峰值；降低溫度能阻礙或抑制硬化效應(yīng)；4固溶體的濃度越高，強(qiáng)化效果越大。鋁合金的時(shí)效規(guī)律強(qiáng)化機(jī)制時(shí)效溫度較低時(shí)，GP區(qū)析出，隨時(shí)效時(shí)間的增加，強(qiáng)度增加；相充分析出時(shí)，硬度達(dá)到最大；相和平衡相析出，硬度下降。時(shí)效溫度升高，可能沒有GP區(qū)析出，時(shí)效硬化的峰值時(shí)間縮短。Al-Cu合金時(shí)效硬化規(guī)律與析出相的關(guān)系對于不同時(shí)效階段，合金的強(qiáng)化機(jī)理是不相同

11、的，但都和位錯(cuò)與第二相的交互作用有關(guān)。對鋁合金而言，小于臨界尺寸的可變形粒子，位錯(cuò)切過產(chǎn)生的強(qiáng)化由五部分構(gòu)成。1.共格強(qiáng)化；2.模量強(qiáng)化；3.化學(xué)強(qiáng)化；4.有序強(qiáng)化；5.層錯(cuò)強(qiáng)化。粒子長大超過某一臨界尺寸，位錯(cuò)不能切割粒子滑移，其強(qiáng)化作用按繞過機(jī)制進(jìn)行。1.2鎂及鎂合金的組織結(jié)構(gòu)與性能鎂合金合金化元素Al、Zn、Li、Ce、Zr、Th、Ag等，起到固溶強(qiáng)化作用。（1）比強(qiáng)度高，高于鋁合金（2）減振性好（3）切削加工性好（4）抗蝕性差鎂合金的組織特點(diǎn)鎂合金組織與合金種類和熱加工條件有關(guān)。-Mg：Al的Mg固溶體基體-Mg：Mg17Al12（大塊）+：共晶組織，層狀，非連續(xù)析出，沿晶界形成網(wǎng)狀組織

12、形態(tài)鑄態(tài)AZ91（Mg-9%Al-1%Zn-0.2%Mn）合金的組織鎂合金的組織特點(diǎn)Mg-7%Zn合金的鑄態(tài)組織Mg-Zn合金中1和2析出形態(tài)（TEM）及位向關(guān)系示意圖Mg-Zn合金固溶時(shí)效過程中，析出相的變化為：過飽和固溶體Zn原子團(tuán)簇GP區(qū) 2 1鎂合金的蠕變性能蠕變：應(yīng)力不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間的延長而增加的現(xiàn)象，是一種緩慢變形。注意與塑變的區(qū)別。在合金中加入Si，Sb以后形成Mg2Si和Mg3Sb2，分布在晶界和晶內(nèi)，這兩種金屬間化合物在較高溫度下比Mg17Al12更穩(wěn)定，提高了蠕變性能。鎂合金的蠕變性能鈦合金的組織鈦的合金化主要取決于加入的合金元素是穩(wěn)定相的，還是穩(wěn)定相的。根據(jù)加入的合金元

13、素種類和含量的不同，按組織類型分，將鈦合金分為三類：型鈦合金，型鈦合金和+型鈦合金。：全、近和+化合物合金。以鋁、錫、鋯為主要合金元素，在近型鈦合金中還添加少量穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等：熱力學(xué)穩(wěn)定型合金、亞穩(wěn)定型合金和近型合金：以Ti-Al為基再加適量穩(wěn)定元素鈦合金的組織合金元素穩(wěn)定元素間歇元素CNO置換元素AlCa中性元素置換元素Zr、Sn、Hf、Ge、Ce、La、Mg穩(wěn)定元素間隙元素H置換元素同晶元素V、Nb、Mo、Ta共析元素慢速分解Cr、Mn、Fe、Co快速分解Si、Cu、Ag、Ni、Y、W、B鈦合金兼有、兩類鈦合金的優(yōu)點(diǎn)：從化學(xué)成分看，即有穩(wěn)定元素，又有穩(wěn)定元素；從

14、組織結(jié)構(gòu)看，包含和兩種固溶體；從熱處理方法看，即可以在退火狀態(tài)下使用，又可在淬火、時(shí)效狀態(tài)下使用；從力學(xué)性能看，即有較高的室溫強(qiáng)度，又有較高的高溫強(qiáng)度，塑性也好。鈦合金(a)Ti-6Al-4V(b)-CEZ+層狀組織鈦合金雙態(tài)組織相冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變根據(jù)合金成分和冷卻條件，加熱到相區(qū)的鈦合金可能發(fā)生下列轉(zhuǎn)變：+TixMy或：密排六方晶格，為六方馬氏體：斜方晶格，為斜方馬氏體：亞穩(wěn)定六方晶格亞穩(wěn)合金1000固溶處理，300等溫析出的相組織形貌，TEM（暗場）相冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變相在慢冷時(shí)的轉(zhuǎn)變：合金加熱到相區(qū)后緩冷：將從相中析出。隨著溫度降低，相不斷增多，相不斷減少，穩(wěn)定化組元濃度連續(xù)增高。當(dāng)達(dá)到室溫時(shí)，兩相分別達(dá)到各自平衡濃度，室溫得到+平衡組織。緩冷時(shí)，先在原晶界開始形核長大，形成晶界，然后從晶界向晶內(nèi)呈集束狀擴(kuò)展，直至互相接觸為止。相互平行位向一致的一組片狀構(gòu)成一個(gè)群體，稱為集束，相處于片狀相之間，呈連續(xù)的或間斷的層片狀，冷卻后形成(+)。加熱溫度愈高