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1、金金 属属 材材 料料 学学 授课时间：授课时间：50 50 学时学时 主讲教师：金 永 中课程特点课程特点：综合性、应用性、经验性。课程要求课程要求：结合相图知识，掌握合金化基本理论，了解材料成分设计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工艺。q 课程特点和要求课程特点和要求q 课程要点及思路课程要点及思路性能要求材料成分零件服役条件处理工艺力学性能组织结构材料学主线示意图第二篇第二篇 有色金属材料有色金属材料 铝合金、镁合金和钛合金铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀，为航空结构件质轻又耐蚀，为航空结构件之优选材料。之优选
2、材料。铜和铜合金铜和铜合金有很好导电和导热性，为电气和有很好导电和导热性，为电气和仪表元器件之优选。仪表元器件之优选。金属分为金属分为黑色金属黑色金属和和有色金属有色金属两大类，两大类，黑色金属包括黑色金属包括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属以外。而黑色金属以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对于黑色的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对于黑色金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域尤其是高金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域尤其是高科技领域具有极为重要的地位。科技领域具有极为重要的地位。例如：铝、镁、钛、铍等轻金属具有相
3、对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的铀、镭、铍；用 于石油化工领域的钛、铜、镍等。本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特点，合金化及热处理以及材料一般用途等。第一节第一节 铝合金中的合金元素铝合金中的合金元素第二节第二节 变形铝合金变形铝合金第三节第三节 铸造铝合金铸造铝合金第八章第八章 铝铝 合合 金金1、产量占有色金属首位；成本低廉产量占
4、有色金属首位；成本低廉（地壳含量（地壳含量8.2%）；）；2 2、密度低密度低（2.632.85g/cm3 ），），比强度高比强度高；3 3、导电，导热性好导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au 而位居第四位，约为纯铜导电率的而位居第四位，约为纯铜导电率的60）；）；4、耐蚀性好耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；5 5、优良的工艺性能优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。（极好的铸造性能，良好的可塑性）。第一节第一节 铝合金中的合金元
5、素铝合金中的合金元素q 概述概述q 工业纯铝工业纯铝 工工业业纯纯铝铝有有银银白白色色光光泽泽，密密度度小小（2.72g/cm32.72g/cm3），熔熔点低（点低（660660），为非磁性材料。），为非磁性材料。固固态态铝铝具具有有面面心心立立方方晶晶体体结结构构，无无同同素素异异构构转转变变。因因此此铝铝具具有有良良好好的的塑塑性性和和韧韧性性，在在0253之之间间塑塑性性韧韧性性不不降低。降低。物理性能物理性能物理性能物理性能 工工业业纯纯铝铝强强度度低低，室室温温下下仅仅为为(45(4550)MPa50)MPa，故故一一般般不不宜宜用用作作结结构构材材料料。工工业业纯纯铝铝主主要要用用
6、作作配配制制铝铝基基合合金金；高高纯纯铝铝则则主主要要用用于于科科学学试试验验，化化学学工工业业和和其其他他特特殊殊领领域域。此此外外纯纯铝铝还还可可用用于于制制作作电电线线、铝铝箱箱、屏屏蔽蔽壳壳体体、反反射射器器、包包覆材料及化工容器等。覆材料及化工容器等。应应应应 用用用用 分分分分 类类类类 纯铝按其纯度分为纯铝按其纯度分为高纯高纯、工业高纯工业高纯和和工业纯工业纯，纯度依，纯度依次降低。次降低。为为改改善善铝铝的的机机械械性性能能，研研究究发发现现向向铝铝中中加加入入适适量量的的某某些些合合金金元元素素，并并进进行行冷冷变变形形加加工工或或热热处处理理，可可大大大大提提高高其其机械性
7、能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。铝的合金化和强化方式铝的合金化和强化方式铝的合金化和强化方式铝的合金化和强化方式q 铝合金的分类及强化铝合金的分类及强化 目目前前铝铝中中主主要要可可能能加加入入的的合合金金元元素素有有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和和Li等等，它它们们可可单单独独加加入入，也也可可配配合合加加入入。由由此此得得到到多多种种不不同同工工程程应应用用的的铝铝合合金金。除除上上述述主主加加元元素素外外，许许多多Al合合金金还还常常常常要要加加入入一一些些辅辅助助的的微微量量元元素素，如如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金的
8、综合性能。、稀土等，进一步改善合金的综合性能。无无论论加加入入哪哪种种合合金金元元素素，各各类类Al合合金金的的相相图图一一般般都都具具有如下图的形式，相图靠有如下图的形式，相图靠Al端都具有共晶相图特点。端都具有共晶相图特点。以以相相图图上上合合金金元元素素在在Al中中的的最最大大饱饱和和溶溶解解度度D为为界界线线将将各种各种Al合金分为合金分为变形铝合金变形铝合金和和铸造铝合金铸造铝合金两大类。两大类。变形铝合金：变形铝合金：变形铝合金：变形铝合金：是是指指成成分分小小于于D D点点的的合合金金可可以以得得到到单单相相固固溶溶体体组组织织，塑性变形能力好，适合于冷热加工。塑性变形能力好，适
9、合于冷热加工。变变形形铝铝合合金金又又可可分分为为热热处处理理强强化化和和不不可可热热处处理理强强化化铝铝合合金金两两种种：成成分分小小于于F点点的的合合金金其其固固溶溶体体成成分分不不随随温温度度而而变变化化，故故不不能能用用热热处处理理强强化化；反反之之则则可可以以通通过过时时效效处处理理而而沉淀强化。沉淀强化。铸造铝合金：铸造铝合金：铸造铝合金：铸造铝合金：是是指指成成分分比比D点点高高的的合合金金属属铸铸造造铝铝合合金金。这这类类合合金金有有良良好好的的铸铸造造性性能能，熔熔液液流流动动性性好好，收收缩缩性性好好，抗抗热热裂裂性性高高，可可直直接接浇浇铸铸在在砂砂型型或或金金属属型型内
10、内，制制成成各各种种形形状状复复杂杂的的甚甚至至薄壁的零件或毛坯。薄壁的零件或毛坯。铝合金的强化方式铝合金的强化方式铝合金的强化方式铝合金的强化方式1 1 1 1、固溶强化：、固溶强化：、固溶强化：、固溶强化：铝铝合合金金中中常常加加入入的的主主要要合合金金元元素素Cu，Mg，Zn，Mn，Si，Li等等都都与与Al形形成成有有限限固固溶溶体体，有有较较大大的的固固溶溶度度（见见表表10-1），具有较好的固溶强化效果。），具有较好的固溶强化效果。相图分析相图分析：单单纯纯靠靠固固溶溶作作用用对对Al合合金金的的强强化化作作用用是是很很有有限限的的，另另一一种种更更为为有有效效的的强强化化方方式式
11、是是Al合合金金的的固固溶溶（淬淬火火）处处理理+时效热处理时效热处理。2 2 2 2、时效（沉淀）强化：、时效（沉淀）强化：、时效（沉淀）强化：、时效（沉淀）强化：铝合金中铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件较强的沉淀强化效果的基本条件：沉淀强化相是硬度高的质点；沉淀强化相是硬度高的质点；加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且 其随温度降低而显著减小；其随温度降低而显著减小；淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出 均匀，弥散的共格或半共格均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中的亚稳相，在基体中 能
12、形成强烈的应变场。能形成强烈的应变场。1 1）定定定定义义义义：当当合合金金元元素素加加入入量量超超过过其其极极限限溶溶解解度度时时，合合金金固固溶溶处处理理时时就就有有一一部部分分第第二二相相不不能能溶溶入入固固溶溶体体，这这部部分分第二相称作第二相称作过剩相过剩相。3 3 3 3、过剩相强化：、过剩相强化：、过剩相强化：、过剩相强化：2 2）过过过过剩剩剩剩相相相相对对对对合合合合金金金金性性性性能能能能的的的的影影影影响响响响 ：过过剩剩相相一一般般为为强强硬硬脆脆的的金金属属间间化化合合物物，当当其其数数量量一一定定且且分分布布均均匀匀，对对铝铝合合金金有有较较好好的的强强化化作作用用
13、，但但会会使使合合金金塑塑性性韧韧性性下下降降；数数量量过过多多还还会会脆化合金，其强度也会下降。脆化合金，其强度也会下降。3 3）变变变变质质质质处处处处理理理理 ：以以铝铝硅硅合合金金为为例例（如如图图所所示示），共共晶晶组组织织中的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低，中的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低，若若使使共共晶晶硅硅细细化化成成颗颗粒粒，可可以以显显著著改改善善组组织织的的塑塑性性。通通常常采采用用变变质质处处理理，加加入入钠钠盐盐变变质质剂剂，使使共共晶晶合合金金变变成成固固溶溶体体和和细细小小的的共共晶晶组组成成的的亚亚共共晶晶组组织织，共共晶晶中中
14、硅硅呈呈细细粒粒状。状。通通过过向向合合金金中中加加入入微微量量合合金金元元素素，或或改改变变加加工工工工艺艺及及热热处处理理工工艺艺，使使合合金金基基体体及及沉沉淀淀相相和和过过剩剩相相细细化化，既既提提高高合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。4 4 4 4、细晶强化：、细晶强化：、细晶强化：、细晶强化：如如：变变形形铝铝合合金金的的形形变变再再结结晶晶退退火火，铸铸造造铝铝合合金金通通过过改改变变铸铸造造工工艺艺（如如变变质质处处理理）及及加加入入微微量量元元素素（如如0.10.10.3%Ti0.3%Ti）的的方方法法（分分析析铝铝钛钛相相图图）都都
15、可可以达到细化组织的目的。以达到细化组织的目的。对对合合金金进进行行冷冷塑塑性性变变形形，利利用用金金属属的的加加工工硬硬化化提提高高合合金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。5 5 5 5、形变强化：、形变强化：、形变强化：、形变强化：沉淀强化相的脱溶过程沉淀强化相的脱溶过程 1 1 1 1、概述：、概述：、概述：、概述：1 1）定定定定义义义义：淬淬火火是是指指将将合合金金通通过过加加热热到到固固溶溶体体溶溶解解度度曲曲线线以以上上温温度度保保温温，然然后后以以大大于于临临界界冷冷却却速速度度急急速速冷冷却却，从从而而得得到到过过饱
16、饱和和固固溶溶体体的的热热处处理理方方法法。时时效效是是指指将将淬淬火火状状态态的的合合金金在在一一定定温温度度下下保保持持适适当当时时间间，使使淬淬火火得得到到的的过过饱饱和固溶体发生分解，从而大大提高合金的强度。和固溶体发生分解，从而大大提高合金的强度。2 2）淬火及时效的作用：）淬火及时效的作用：）淬火及时效的作用：）淬火及时效的作用：铝铝合合金金重重要要的的综综合合热热处处理理方方式式，提提高高铝铝合合金金强强度度的的重重要手段。要手段。对对铝铝合合金金及及大大多多数数有有色色金金属属合合金金而而言言：经经过过淬淬火火，不不同同合合金金的的性性能能变变化化也也大大不不相相同同。可可能能
17、有有四四种种情情况况：，或或；，或或；，或或；，或或基基本本无无变化变化。3 3）淬火后合金性能的变化）淬火后合金性能的变化）淬火后合金性能的变化）淬火后合金性能的变化 通通常常，变变形形铝铝合合金金在在保保持持高高塑塑性性的的情情况况下下强强度度提提高高，其其塑塑性性可可能能与与退退火火状状态态相相差差无无几几。铸铸造造铝铝合合金金淬淬火火后后强强度度和塑性通常都有所提高。和塑性通常都有所提高。合 金b（MN/m2）（）退火态或铸态淬火态退火态或铸态淬火态LY12200（退火）30025（退火）23ZL301150（铸态）3001（铸态）12ZL101160（铸态）2002（铸态）6表表81
18、 淬火前后不同合金的机械性能淬火前后不同合金的机械性能 固固溶溶强强化化与与第第二二相相（或或称称过过剩剩相相，表表示示与与固固溶溶体体平平衡衡的其他相）强化之间的差异造成的。的其他相）强化之间的差异造成的。（注：淬火加热时，第二相会出现溶解）（注：淬火加热时，第二相会出现溶解）4 4）淬火后性能出现差异的原因：淬火后性能出现差异的原因：淬火后性能出现差异的原因：淬火后性能出现差异的原因：若若淬淬火火前前第第二二相相的的强强化化效效果果 淬淬火火后后固固溶溶强强化化的的效效果果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度；若若淬淬火火前前第第二二相相的的强强化化效效果果 淬淬火火后后固固溶溶强强化化
19、的的效效果果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度。大大多多数数铝铝合合金金，淬淬火火后后强强度度有有所所提提高高，但但幅幅度度不不大大；要要想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。5 5）淬火后进行时效处理的必要性：淬火后进行时效处理的必要性：淬火后进行时效处理的必要性：淬火后进行时效处理的必要性：在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。6 6）淬火及时效处理的优越性：淬火及时效处理的优越性：淬火及时效处理的优越性：淬火及时效处理的优越性：2 2 2 2、脱溶过程中系统自由能的变化：、
20、脱溶过程中系统自由能的变化：、脱溶过程中系统自由能的变化：、脱溶过程中系统自由能的变化：1 1）定定定定义义义义：脱脱溶溶（或或沉沉淀淀）是是指指：从从过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出一一个个成成分分不不同同的的新新相相或或溶溶质质原原子子富富集集的的亚亚稳稳区区过过渡渡相相的的过程，属于固态相变的范畴。过程，属于固态相变的范畴。2 2）脱溶时的能量变化：脱溶时的能量变化：脱溶时的能量变化：脱溶时的能量变化：若脱溶过程能够进行，则必有若脱溶过程能够进行，则必有G G0 0（其中（其中G G表示表示新相和母相的自由能差）。新相和母相的自由能差）。G G G GV V V VG G G GV
21、V V VS S S S V V V VG G G Ge e e e 式式式式中中中中：V V为为为为新新新新相相相相体体体体积积积积；S S为为为为新新新新、旧旧旧旧相相相相的的的的界界界界面面面面积积积积；GGV V和和和和GGe e分分分分别别别别表表表表示示示示形形形形成成成成单单单单位位位位体体体体积积积积新新新新相相相相时时时时自自自自由由由由能能能能和和和和应应应应变变变变能能能能；表表表表示示示示新新新新、旧旧旧旧相相相相界界界界单单单单位位位位面面面面积的界面能。（液态形核只有前两项）积的界面能。（液态形核只有前两项）积的界面能。（液态形核只有前两项）积的界面能。（液态形核只
22、有前两项）脱脱溶溶过过程程（以以及及其其他他固固态态相相变变）中中，相相变变的的阻阻力力除除了了界界面面能能外外，还还包包括括弹弹性性应应变变能能。界界面面能能和和应应变变能能的的大大小小，不不但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。表表82 界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关系界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关系界面状态界面状态新旧相晶新旧相晶体结构，体结构，点阵常数点阵常数界面界面能能应变应变能能新相形状新相形状（弹性应变）（弹性应变）共格共格接近接近低低高高薄片状或盘状薄片状或盘状半共格半共格较接近较接近中中中中针状等针状等非共
23、格非共格差异大差异大高高低低球状或等轴状球状或等轴状 注注：1）共共格格界界面面不不可可能能完完全全共共格格，只只有有在在产产生生高高的的弹弹性性应应变变的的前前提提下下，才才形形成成共共格格界界面面。2）非非共共格格界界面面两两侧原子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。侧原子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。凡凡是是有有固固溶溶度度变变化化的的相相图图，从从单单相相区区进进行行两两相相区区时时都都会会发生脱溶沉淀。发生脱溶沉淀。3 3 3 3、脱溶的一般序列：、脱溶的一般序列：、脱溶的一般序列：、脱溶的一般序列：现现以以AlCu合合金金为为例例说说明明脱脱溶溶转转变变的的过
24、过程程：从从AlCu合合金金相相图图可可知知，该该合合金金室室温温组组织织由由固固溶溶体体和和相相（CuAl2）构构成成，加加热热到到550保保温温，使使溶溶入入，得得单单相相固固溶溶体体，如如果果淬淬火火快快冷冷，便便得得到到过过饱饱和和固固溶溶体体，然然后后再再加加热热到到130保保温温进进行行时时效效处处理理，随随时时间间的的延延长长，将将发发生生下下列列析析出过程（析出序列）：出过程（析出序列）：GP区区 /其中其中GP区、区、/、/为亚稳定相。为亚稳定相。G.PG.P区区的的发发现现：19381938年年，A.GuinierA.Guinier和和用用X X射射线线结结构构分分析析方方
25、法法各各自自独独立立发发现现，AlAlCuCu合合金金单单晶晶体体自自然然时时效效时时在在基基体体的的100100面面上上偏偏聚聚了了一一些些铜铜原原子子，构构成成了了富富铜铜的的碟碟状状薄薄片片（约约含含铜铜9090），其其厚厚度度为为0.30.30.6nm0.6nm，直直径径为为0.40.40.8nm0.8nm。1 1）G.PG.P区：区：区：区：为为纪纪念念这这两两位位发发现现者者，将将这这种种两两维维原原子子偏偏聚聚区区命命名名为为G.PG.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.PG.P区。区。G.P区区的的形形状状与与尺尺寸寸：在在电电子子
26、显显微微镜镜下下观观察察呈呈圆圆盘盘状状，直直径约为径约为8nm，厚度约为，厚度约为0.30.6nm。G.P区区形形成成的的原原因因：G.P区区的的形形核核是是均均匀匀分分布布的的，其其形形核核率率与与晶晶体体中中非非均均匀匀分分布布的的位位错错无无关关，而而强强烈烈依依赖赖于于淬淬火火所所保保留留下下来来的的空空位位浓浓度度（因因为为空空位位能能帮帮助助溶溶质质原原子子迁迁移移）。凡凡凡凡是是是是能能能能增增增增加加加加空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度的的的的因因因因素素素素均均均均能能能能促促促促进进进进G.PG.P区区区区的的的的形形形形成成成成。例例如如：固固溶溶温温度度越越高高，冷冷
27、却却速速度度越越快快，则则淬淬火火后后固固溶溶体体保保留留的的空空位就越多，有利于增加位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。区的数量并使其尺寸减小。G.P区区的的晶晶体体结结构构与与界界面面：Wcu为为0.90时时，是是溶溶质质原原子子富富集集区区，它它在在母母相相的的100晶晶面面上上形形成成，点点阵阵与与基基体体相相相相同同（fcc）并与）并与相完全共格。相完全共格。过过渡渡相相的的形形状状与与尺尺寸寸：Al-Cu合合金金中中有有和和两两种种过过渡渡相相。呈呈圆圆片片状状或或碟碟形形，直直径径为为30nm，厚厚度度为为2nm。而而是是光光学学显显微微镜镜下下观观察察到到的的第第
28、一一个个脱脱溶溶产产物物，也呈圆片状或碟形，尺寸为也呈圆片状或碟形，尺寸为100nm数量级。数量级。2 2）过渡相过渡相过渡相过渡相 ：过过渡渡相相的的晶晶体体结结构构与与界界面面：过过渡渡相相往往往往与与基基体体共共格格或或部部分分共共格格，且且有有一一定定的的结结晶晶学学位位向向关关系系。由由于于过过渡渡相相与与基基体体之之间间的的结结构构存存在在差差异异，因因而而其其形形核核功功较较大大。为为了了降降低低应应变变能能和和界界面面能能，过过渡渡相相往往往往会会在在位位错错，小小角角晶晶界界、层层错错以以及及空空位位团团等等处处不不均均匀匀形形核核。因因因因此此此此，其其其其形形形形核核核核
29、速速速速率率率率将将将将受受受受材材材材料料料料中中中中位位位位错密度的影响错密度的影响错密度的影响错密度的影响。此外，过渡相还可能在此外，过渡相还可能在G.PG.P区中形核。区中形核。相相为为正正方方点点阵阵：a ab b0.404nm0.404nm，c c0.768nm0.768nm，相相基基本本是是均均匀匀形形核核，分分布布均均匀匀且且与与基基体体完完全全共共格格，它它与与基基体体的的位位向向关关系系为为100100/100/100基基体体。与与G.PG.P区区相相比比，在在相相周周围围会会产产生生更更大大的的共共格格应应变变，故故其其强强化化效效果也比果也比G.PG.P区大。区大。相相
30、为为正正方方点点阵阵：a ab b0.404nm0.404nm，c c0.58nm0.58nm，它它与与基基体体部部分分共共格格，与与基基体体的的位位向向关关系系为为100100/100/100基基体体。相相的的具具体体成成分分为为CuCu2 2AlAl3.63.6，很很接接近近平平衡衡相相（CuAlCuAl2 2）。）。也也是是正正方方点点阵阵：ab0.606nm，c0.487nm，一一般般与与基基体体不不共共格格，但但亦亦存存在在一一定定的的结结晶晶学学位位向向关关系系，其其界界面面能能高高，形形核核功功也也高高。为为减减小小形形核核功功，往往往往在在晶晶界界处处形形核核，所以平衡相形核是
31、不均匀的。所以平衡相形核是不均匀的。2 2）平衡相平衡相平衡相平衡相 ：课课堂堂提提问问：实实验验研研究究指指出出，不不少少合合金金时时效效时时，往往往往先先析析出出亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？提示：提示：从能量与相的稳定性方面考虑。从能量与相的稳定性方面考虑。解解 答答：这这是是因因为为平平衡衡相相与与基基体体相相之之间间往往往往是是非非共共格格界界面面，而而过过渡渡相相和和基基体体相相之之间间是是共共格格或或半半共共格格。由由于于共共格格相相界界的的界界面面能能最最低低，且且相相变变初初期期界界面面能能是是抑抑制制相相变变的的
32、主主要要因因素素，所所以以形形核核功功小小，这这就就意意味味着着时时效效过过程程中中容容易易先先析析出出过过渡渡相相，只只有有在在一一定定的的条条件件下下才才由由亚亚稳稳定定的的过过渡渡相相转转变变为为稳稳定定的的平平衡衡相相。另另外外，过过渡渡相相在在成成分分上上更更接接近近于于基基体体相相，形形核核时时所所需的成分起伏小需的成分起伏小，这也是过渡相容易形成的原因之一。，这也是过渡相容易形成的原因之一。4 4 4 4、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：1 1）同同同同一一一一时
33、时时时效效效效温温温温度度度度下下下下不不不不同同同同成成成成分分分分合合合合金金金金的的的的脱脱脱脱溶溶溶溶序序序序列列列列的的的的差差差差异异异异：当当时时效效温温度度为为t1时时，C3、C2和和C1三三种种成成分分的的合合金金分分别别处处于于G.P区稳定区、过渡相稳定区以及平衡相稳定区。也就是，区稳定区、过渡相稳定区以及平衡相稳定区。也就是，说说，在在t1温温度度下下时时效效，C3合合金金可可能能析析出出G.P区区、过过渡渡相相和和平平衡衡相相；C2合合金金可可能能析析出出过过渡渡相相和和平平衡衡相相；C1合合金金只能析出平衡相。只能析出平衡相。二二 元元 亚亚 稳稳 相相 图图结结论论
34、：同同一一时时效效温温度度下下，溶溶质质浓浓度度高高的的合合金金容容易易析析出出G.PG.P区和过渡相。区和过渡相。2 2）同一成分的合金在不同时效温度下脱溶序列的差异同一成分的合金在不同时效温度下脱溶序列的差异同一成分的合金在不同时效温度下脱溶序列的差异同一成分的合金在不同时效温度下脱溶序列的差异：二二 元元 亚亚 稳稳 相相 图图时时，t1温温度度下下，三三种种结结构构的的脱脱溶溶产产物物均均可可析析出出；t2温温度度下下，只只能能析析出出过过渡渡相相和和平平衡衡相相；t3温温度度下下，只只能能析析出出平平衡衡相相。结结论论：同同一一成成分分的的合合金金，时时效效温温度度越越高高，越越容容
35、易易析出平衡相。析出平衡相。如图所示，将如图所示，将C3合金分别在合金分别在t1、t2和和t3三种温度时效三种温度时效5 5 5 5、脱溶产物的空间共存性和时间共存性问题：、脱溶产物的空间共存性和时间共存性问题：、脱溶产物的空间共存性和时间共存性问题：、脱溶产物的空间共存性和时间共存性问题：同同一一成成分分的的合合金金在在一一定定的的合合金金下下时时效效时时，由由于于多多晶晶体体各各部部位位的的晶晶体体完完善善程程度度和和能能量量水水平平不不同同，故故在在同同一一时时期期不不同同晶晶体体部部位位可可能能出出现现不不同同的的脱脱溶溶产产物物。例例如如，在在晶晶内内广广泛泛出现出现G.PG.P区和
36、过渡相的同时，晶界等处可能出现平衡相。区和过渡相的同时，晶界等处可能出现平衡相。6 6 6 6、时效时间对脱溶过程的影响：、时效时间对脱溶过程的影响：、时效时间对脱溶过程的影响：、时效时间对脱溶过程的影响：如如图图所所示示：在在130130时时效效时时，随随着着时时效效时时间间的的延延长长，不不同同脱脱溶溶时时期期的的产产物物与与硬硬度度的的对对应应关关系系。开开始始时时，G.P.G.P.区区形形成后硬度上升，然后达到稳定。成后硬度上升，然后达到稳定。长长时时间间时时效效后后，G.P.G.P.区区溶溶解解，/相相形形成成使使硬硬度度有有重重新新上上升升。当当/相相溶溶解解而而形形成成/相相时时
37、，硬硬度度开开始始下下降降，出出现现过过时时效。效。铝铜合金铝铜合金130时效时的硬度与时间的关系时效时的硬度与时间的关系实例：实例：两级时效在制备高强度合金中的应用两级时效在制备高强度合金中的应用两级时效在制备高强度合金中的应用两级时效在制备高强度合金中的应用：首首先先低低温温时时效效获获得得弥弥散散的的G.P.G.P.区区；然然后后高高温温时时效效，过过渡渡相相将将以以弥弥散散的的G.P.G.P.区区内内非非均均匀匀形形核核。这这样样，更更容容易易得得到到弥散程度极佳的时效相组织分布。弥散程度极佳的时效相组织分布。7 7 7 7、时效温度对时效强化效果的影响：、时效温度对时效强化效果的影响
38、：、时效温度对时效强化效果的影响：、时效温度对时效强化效果的影响：铝合金的时效强化与淬火后的时效温度密切有关。铝合金的时效强化与淬火后的时效温度密切有关。1 1）时效温度高：）时效温度高：脱溶沉淀过程加快，合金达到最高强度所脱溶沉淀过程加快，合金达到最高强度所 需的时效时间缩短，但过高时最高强度值会降低，强化需的时效时间缩短，但过高时最高强度值会降低，强化 效果不佳；效果不佳；2 2）时效温度过低：）时效温度过低：如当如当Al-CuAl-Cu合金时效温度低于室温时，合金时效温度低于室温时，原子扩散困难，时效过程极慢，效率低。原子扩散困难，时效过程极慢，效率低。时效在室温下自然进行，称为时效在室
39、温下自然进行，称为自然时效自然时效；时效加热至一定温度下进行，称时效加热至一定温度下进行，称人工时效人工时效。8 8 8 8、几种铝合金的时效、几种铝合金的时效、几种铝合金的时效、几种铝合金的时效 （沉淀）强化相：（沉淀）强化相：（沉淀）强化相：（沉淀）强化相：1）-CuAl2 相相2）-MgZn2 相相 左左图图表表示示Al-MgZn2系系合合金金G.P.区区和和相相介介稳稳溶溶解解度曲线度曲线3）相（相（Mg2Si）4）相（相（AlLi）在在上上述述几几种种主主要要合合金金元元素素中中，CuCu的的沉沉淀淀强强化化效效果果最最好好，其他元素比较一般。其他元素比较一般。因因此此，为为了了获获
40、得得好好的的性性能能，一一般般二二元元铝铝合合金金常常加加入入第第三三或或第第四四合合金金组组元元，构构成成了了三三元元以以上上的的多多元元合合金金系系列列。如如AlAl2 2MgMg3 3ZnZn3 3相的强化。相的强化。按按照照性性能能和和使使用用特特点点不不同同，变变形形铝铝合合金金可可分分为为防防锈锈铝铝、硬硬铝铝、超超硬硬铝铝和和锻锻铝铝四四大大类类。除除防防锈锈铝铝外外，变变形形铝铝合合金都是可热处理强化的铝合金。金都是可热处理强化的铝合金。第二节第二节 变形铝合金变形铝合金q 变形铝合金的分类：变形铝合金的分类：根根据据国国标标GB3190-82GB3190-82，变变形形铝铝合
41、合金金的的牌牌号号采采用用汉汉语语拼拼音音字字母母加加顺顺序序号号表表示示，如如防防锈锈铝铝为为LFLF，后后跟跟顺顺序序号号（如如LF2LF2等等）；而而硬硬铝铝，超超硬硬铝铝和和锻锻铝铝则则分分列列表表示示为为LYLY、LCLC和和LDLD，后跟顺序号，如，后跟顺序号，如LY12LY12、LC4LC4和和LD5LD5等。等。q 防锈铝合金：防锈铝合金：分类分类分类分类 该该类类合合金金主主要要是是Al-MgAl-Mg系系和和Al-MnAl-Mn系系两两种种，大大多多为为单单相相合金，不可热处理强化。合金，不可热处理强化。抗蚀性，焊接和塑性好，并有良好的低温性能。抗蚀性，焊接和塑性好，并有良
42、好的低温性能。主要特点主要特点主要特点主要特点 Al-MnAl-MnAl-MnAl-Mn系合金系合金系合金系合金 MnMn在在AlAl中中的的最最大大溶溶解解度度仅仅为为1.821.82，形形成成的的MnAlMnAl6 6沉沉淀淀相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。1 1 1 1、MnMnMnMn对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响 Al-MnAl-Mn合合金金典典型型的的显显微微组组织织是是含含MnMn的的固固溶溶体体和和弥弥散散分布的分布的MnAlMnAl6 6质点，有较高的强度和优良的塑性。质点，
43、有较高的强度和优良的塑性。2 2 2 2、MnMnMnMn对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响 MnAlMnAl6 6相相与与基基体体的的电电极极电电位位相相近近，故故产产生生的的腐腐蚀蚀电电流流较较小小。另另外外MnMn还还可可与与有有害害杂杂质质FeFe形形成成（MnMn，FeFe）AlAl6 6相相，避避免免FeAlFeAl3 3相的腐蚀作用。相的腐蚀作用。Al-MgAl-MgAl-MgAl-Mg系合金系合金系合金系合金 Mg Mg在在AlAl中的固溶强化显著，其强度高于中的固溶强化显著，其强度高于Al-MnAl-Mn合金。合金。1 1 1 1、MgM
44、gMgMg对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响对合金力学性能的影响 W(MgW(Mg）5 5时时：获获得得单单相相合合金金，热热处处理理后后组组织织成成分分均均匀匀，耐蚀性能良好。耐蚀性能良好。2 2 2 2、MgMgMgMg对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响对合金耐蚀性的影响 W(MgW(Mg）5 5时时：晶晶界界上上连连续续析析出出MgMg5 5AlAl8 8相相，有有晶晶界界腐腐蚀蚀和和应应力力腐腐蚀蚀的的倾倾向向。（可可在在退退火火前前施施加加2 2的的变变形形，促促进进退火时退火时MgMg5 5AlAl8 8相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾
45、向）相以颗粒状在晶界析出，减轻腐蚀倾向）3 3 3 3、其他元素对合金性能的影响、其他元素对合金性能的影响、其他元素对合金性能的影响、其他元素对合金性能的影响 SiSi：改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。MnMn：增加固溶强化，改善耐蚀性。增加固溶强化，改善耐蚀性。V V或或TiTi：细化晶粒，提高强度和塑性。细化晶粒，提高强度和塑性。稀土元素：稀土元素：减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高热塑性。热塑性。FeFe、CuCu和和ZnZn等：等：对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制
46、。主主要要是是指指Al-Cu-MgAl-Cu-Mg系系合合金金，其其可可时时效效形形成成CuAlCuAl2 2及及CuMgAlCuMgAl2 2强化相而强化相而强化合金，比强强化合金，比强度与钢接近。度与钢接近。相：相：CuAl CuAl2 2S S相：相：CuMgAl CuMgAl2 2T T相：相：AlAl6 6CuMgCuMg4 4相：相：MgMg5 5AlAl6 6 q 硬铝合金：硬铝合金：强化效果：强化效果：S S相相 相相相相硬铝中添加硬铝中添加MnMn的作用：的作用：中中和和FeFe的的有有害害作作用用，改改善善耐耐蚀蚀性性。同同时时，起起到到固固溶溶强强化和抑制再结晶的效果。化
47、和抑制再结晶的效果。但但W W（MnMn）1 1，会会产产生生粗粗大大脆脆性性相相（MnMn，FeFe）AlAl6 6，降低合金塑性。降低合金塑性。LY12LY12是是 强强 度度 最最 高高 的的 硬硬 铝铝，W(Cu)4.3W(Cu)4.3，W(Mg)1.4W(Mg)1.4，W(Mn)0.6W(Mn)0.6，W(FeW(Fe，Si)Si)0.50.5，主主要用于制作飞机蒙皮、翼肋等。要用于制作飞机蒙皮、翼肋等。LY12LY12合金合金合金合金热处理制度：热处理制度：固溶处理固溶处理固溶处理固溶处理水冷水冷水冷水冷人工时效人工时效人工时效人工时效自然时效自然时效自然时效自然时效共晶温度为50
48、7495495503503190190150以上工作的耐热材料G.P.G.P.区区区区SS相相相相 LY11LY11是是中中强强硬硬铝铝，CuCu含含量量于于LY12LY12相相当当，而而MgMg含含量量较较低低，W(Mg)0.6W(Mg)0.6，塑性好，可生产锻件。，塑性好，可生产锻件。热处理采用自然时效。热处理采用自然时效。LY11LY11合金合金合金合金 超超硬硬铝铝是是在在Al-Zn-MgAl-Zn-Mg系系合合金金基基础础上上发发展展起起来来的的。由由于于-MgZn-MgZn2 2、T-AlT-Al2 2MgMg3 3ZnZn3 3两两种种沉沉淀淀强强化化相相在在固固溶溶体体中中有有
49、较较大大的的溶溶解解度度，因因此此固固溶溶强强化化效效果果十十分分显显著著。（其其其其中中中中-MgZnMgZnMgZnMgZn2 2 2 2、T-AlT-AlT-AlT-Al2 2 2 2MgMgMgMg3 3 3 3ZnZnZnZn3 3 3 3相的形成见相图相的形成见相图相的形成见相图相的形成见相图8-78-78-78-7、8-88-88-88-8）当当W(Zn+Mg)=9%W(Zn+Mg)=9%时时，强强度度最最高高；超超过过这这一一值值后后，因因在在晶界析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。晶界析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。q 超硬铝合金：超硬铝合金：主加元素主加元素MgMg、Z
50、nZn的作用：的作用：改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。这这是是因因为为CuCu除除了了加加强强固固溶溶强强化化外外，还还出出现现S-CuMgAlS-CuMgAl2 2沉沉淀淀强强化化相相。另另外外，CuCu还还提提高高沉沉淀淀相相弥弥散散度度，消消除除晶晶界界网网状状脆性相，改善晶界腐蚀倾向。脆性相，改善晶界腐蚀倾向。主加元素主加元素CuCu的作用：的作用：其他元素对合金性能的影响其他元素对合金性能的影响其他元素对合金性能的影响其他元素对合金性能的影响：CrCr或或TiTi：形形成成弥弥散散的的金金属属间间化化合合物物AlAl2 2MgMg2 2CrCr、A