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1、轻合金课件轻合金课件-第二、第二、三章三章 铝合金的组织与铝合金的组织与性能性能一、一、组织特点组织特点 初晶相是初晶相是 ，M n 以两种形式存在：一是形成化合物以两种形式存在：一是形成化合物,以以 +化合物二元共晶（离异共晶）形式存在于晶界或化合物二元共晶（离异共晶）形式存在于晶界或枝晶间；枝晶间；另一是在另一是在A l 中形成过饱和固溶体。中形成过饱和固溶体。1 12 21骨骼状共晶骨骼状共晶 2块状共晶块状共晶 两种共晶中的化合两种共晶中的化合物均为物均为A l(M n Fe Si)，但骨骼状共晶的但骨骼状共晶的Fe/M n 比略低于块状比略低于块状的。的。30043004合金合金50
2、0500 Mn虽可形成化合物，但在非平衡状态下，虽可形成化合物，但在非平衡状态下，Mn主要是主要是形成形成过饱和且晶内偏析严重过饱和且晶内偏析严重（晶粒外层（晶粒外层Mn高，中心高，中心Mn低）的固溶体。原因是结晶温度区间很小（液固相线几低）的固溶体。原因是结晶温度区间很小（液固相线几乎重合）以及乎重合）以及Mn在铝中的扩散系数低。在铝中的扩散系数低。300740的的3004铸锭同一枝晶内的铸锭同一枝晶内的Fe、Mn、Si含量含量 靠近枝晶边界的靠近枝晶边界的M n 高达高达1.03%,在枝晶内部在枝晶内部,最低含最低含量仅为量仅为0.481%。为了消除。为了消除M n 在枝晶内的严重偏析在枝
3、晶内的严重偏析,在在塑性变形前必须对塑性变形前必须对 铸锭进行均匀化处理。铸锭进行均匀化处理。Mn含量高的合金慢冷时可形成含含量高的合金慢冷时可形成含Mn的初晶化合物，的初晶化合物，导致周围母相导致周围母相Mn含量降低（贫含量降低（贫Mn），结果出现），结果出现“亮点亮点”（均匀化时有时也出现）。（均匀化时有时也出现）。快速冷却可使含快速冷却可使含Mn相细化；相细化；Mn过饱和易导致合过饱和易导致合金退火时（尤其加热金退火时（尤其加热速度慢时），高速度慢时），高Mn部部分刚再结晶，而低分刚再结晶，而低Mn部分晶粒已开始长大，部分晶粒已开始长大，结果退火板材组织不结果退火板材组织不均，均，局部晶
4、粒极为粗局部晶粒极为粗大大。均匀化组织中的亮点均匀化组织中的亮点防止方法：防止方法：铸锭均匀化退火铸锭均匀化退火（600640 ，8h）；）；退火时快速加热退火时快速加热，防止在不同浓度区域再结晶先后发生；，防止在不同浓度区域再结晶先后发生；常规退火常规退火 高温快速退火高温快速退火控制化学成分控制化学成分，如放宽杂质，如放宽杂质Fe的限制（的限制（0.50.65），），使使Mn形成不固溶的（形成不固溶的（FeMn）Al6，减少，减少Mn固溶量进而固溶量进而减少减少Mn偏析；偏析；Ti可细化晶粒，相对减小偏析等。可细化晶粒，相对减小偏析等。注注 在在Al-Mn合金中，当合金中，当Fe含量较高以
5、及含含量较高以及含Ti时，不用时，不用均匀化也能获得细晶粒板材，但当均匀化也能获得细晶粒板材，但当Mn和和Fe含量同时含量同时达到允许的上限时，会出现粗大的（达到允许的上限时，会出现粗大的（FeMn）Al6化合物，化合物，对轧制不利，一般对轧制不利，一般Mn、Fe总量低于总量低于1.72.0。二、二、性能特点性能特点 Mn含量与抗拉强度、延伸率以及热处理工艺间的关系：含量与抗拉强度、延伸率以及热处理工艺间的关系：随随Mn含量增加，含量增加，强度增加；强度增加；Mn含量为含量为0.8时延伸时延伸率最大；热处理对强度影响不大（率最大；热处理对强度影响不大（不能热处理强化）不能热处理强化）合金虽不能
6、热处理强化，但由于合金虽不能热处理强化，但由于MnAl6质点有一定的质点有一定的弥散硬化作用，故强度比纯铝高；弥散硬化作用，故强度比纯铝高；Mn能阻止再结晶过程和细化再结晶晶粒（能阻止再结晶过程和细化再结晶晶粒（MnAl6弥散弥散质点阻碍晶粒长大）、提高再结晶温度（固溶时可提高质点阻碍晶粒长大）、提高再结晶温度（固溶时可提高20100K）；）；含含Mn合金容易出现挤压效应；合金容易出现挤压效应；MnAl6的电位与的电位与Al相等（相等（0.85V），故对），故对Al的抗蚀性的抗蚀性能没有影响（与纯铝的抗蚀性相当，故称防锈能没有影响（与纯铝的抗蚀性相当，故称防锈Al）；）；MnAl6能溶解杂质能
7、溶解杂质Fe（形成（形成（FeMn）Al6），使针状的），使针状的含含Fe化合物变成块状，减小化合物变成块状，减小Fe的有害影响。的有害影响。三、三、杂质和添加元素杂质和添加元素对组织性能的影响对组织性能的影响 Fe能细化晶粒（在热变形温度能细化晶粒（在热变形温度400500 区间能加速区间能加速Mn过饱和固溶体的分解，形成的质点起再结晶核心或阻过饱和固溶体的分解，形成的质点起再结晶核心或阻碍晶粒长大作用）、降低碍晶粒长大作用）、降低Mn的固溶量，从而减小偏析；的固溶量，从而减小偏析；Si能形成能形成Al（FeMn）Si化合物，破坏化合物，破坏Fe的细化晶粒作的细化晶粒作用，是有害杂质，应限制
8、在用，是有害杂质，应限制在0.3以下；以下；Cu对抗蚀性不利（也有人认为微量对抗蚀性不利（也有人认为微量Cu对抗蚀性有利，对抗蚀性有利，可使点腐蚀变成均匀腐蚀）；可使点腐蚀变成均匀腐蚀）；Zn影响不大；影响不大；Mg损害表面质量，但有固溶强化作用，能使损害表面质量，但有固溶强化作用，能使Al-Mn合合金的强度提高金的强度提高10，目前已开始大量应用，目前已开始大量应用Al-Mn-Mg系合系合金。金。常规铸锭，晶界处第二相常规铸锭，晶界处第二相呈粗大鱼骨状或长针状，呈粗大鱼骨状或长针状，RE 元素处理后元素处理后,晶界处第晶界处第二相为短小的骨骼状二相为短小的骨骼状RE 能改变第二相或夹杂物的形
9、貌。能改变第二相或夹杂物的形貌。四、四、工艺性能工艺性能 不能热处理强化；不能热处理强化；冷、热成形性能好；冷、热成形性能好；耐蚀性好（有与纯铝相近的耐蚀性）；耐蚀性好（有与纯铝相近的耐蚀性）；焊接性好（可用所有的焊接方法焊接）；焊接性好（可用所有的焊接方法焊接）；切削性能不好（粘性大）；切削性能不好（粘性大）；熔炼温度：熔炼温度：720760；铸造温度：；铸造温度：710730；热轧温度：热轧温度：440520；热挤温度：；热挤温度：320450；退火温度：退火温度：200300（低温）或（低温）或300500（高温）。（高温）。（3004液、固相线温度分别为：液、固相线温度分别为：654
10、和和629 ）五、五、常用合金及应用常用合金及应用 有两个牌号有两个牌号3A21（LF21）和）和3004 牌号牌号 Mn Mg Fe Si Cu Zn3A21 1.01.6 0.05 0.7 0.6 0.2 0.13004 1.01.5 0.81.3 0.7 0.3 0.25 0.25 3004是目前产量最大的合金，主要用于：易拉罐罐身，是目前产量最大的合金，主要用于：易拉罐罐身，各种灯具零部件，化工产品生产与与储存装置等；各种灯具零部件，化工产品生产与与储存装置等；3A21主要用于：飞机油箱、油路导管，建筑材料与食主要用于：飞机油箱、油路导管，建筑材料与食品工业装备等。品工业装备等。六、六
11、、3004-H19铝合金罐用薄板生产铝合金罐用薄板生产 DI罐（罐（Drawn and Ironed Can）是用）是用3004薄板经深冲和薄板经深冲和变薄拉延而成的，对薄板材质要求很高，尤其是变薄拉延而成的，对薄板材质要求很高，尤其是制耳率制耳率和和强度强度指标。指标。薄板厚度一般为薄板厚度一般为0.30.45mm，厚度偏差为，厚度偏差为0.005mm，制耳率为制耳率为24，屈服强度达到，屈服强度达到270300MPa（3004退火退火态时的屈服强度为态时的屈服强度为70MPa），因此需以超硬的），因此需以超硬的H19状态使状态使用（用（80以上的冷变形）。以上的冷变形）。要达到这样的指标，
12、除采用先进的设备外（控制精度），要达到这样的指标，除采用先进的设备外（控制精度），还要求各种工艺参数（均匀化、退火、冷变形程度）的最还要求各种工艺参数（均匀化、退火、冷变形程度）的最佳配合。生产罐用板的水平能反映出铝加工行业的技术先佳配合。生产罐用板的水平能反映出铝加工行业的技术先进性。进性。工艺要点：工艺要点：使变形织构和再结晶织构平衡，即用再结晶织构来使变形织构和再结晶织构平衡，即用再结晶织构来抑制或补偿变形织构，从而控制制耳率。抑制或补偿变形织构，从而控制制耳率。措施：措施：大变形量冷轧；大变形量冷轧；高温快速退火；高温快速退火；最后快速冷轧（提高终轧温度，有利于自行退火），最后快速冷轧
13、（提高终轧温度，有利于自行退火），使板材实际上处于回复状态。使板材实际上处于回复状态。第三章 5XXX（Al-Mg）系合金）系合金 Mg2Al3 5XXX系合金系合金不能热处理强化不能热处理强化，有优秀的，有优秀的抗腐蚀抗腐蚀性能性能和和焊接焊接性能，故也称防锈铝合金（性能，故也称防锈铝合金（LF）。）。Mg2Al3（）是与）是与 固溶体固溶体相平衡的相，相平衡的相，溶解度变化虽溶解度变化虽较大，但无明较大，但无明显的强化作用。显的强化作用。一、一、组织性能特点组织性能特点 Mg含量与力学性能的关系：含量与力学性能的关系：Mg（6）显著）显著提高强度（每增加提高强度（每增加1Mg，抗拉强度升，
14、抗拉强度升高约高约34MPa）但不降）但不降低塑性，故一般加工低塑性，故一般加工铝合金的铝合金的含含Mg量均量均小于小于6。5456：4.75.5 虽然虽然Mg在在Al中的溶解度随温度的降低而迅速减小，但中的溶解度随温度的降低而迅速减小，但由于由于沉淀相形核困难，核心少，沉淀相尺寸大沉淀相形核困难，核心少，沉淀相尺寸大，合金时，合金时效效果差；效效果差；（Mg2Al3）有沿晶沉淀倾向有沿晶沉淀倾向，由于其电位（，由于其电位（1.1V）比）比 固溶体低（固溶体低（0.9V），在腐蚀介质中起阳极作），在腐蚀介质中起阳极作用，易导致合金产生晶间裂纹及应力腐蚀开裂（用，易导致合金产生晶间裂纹及应力腐蚀
15、开裂（SCC）倾）倾向。向。合金优秀的抗蚀性只有在合金优秀的抗蚀性只有在 相沿晶界和晶内均匀分相沿晶界和晶内均匀分布的情况下才能显现出来布的情况下才能显现出来。研究表明：研究表明：Mg含量含量3.5以后，特别是硬以后，特别是硬化态，随化态，随Mg量的升高，量的升高，SCC敏感性强烈升高，在室温长敏感性强烈升高，在室温长时间存放即能沿晶形成连续的时间存放即能沿晶形成连续的 相网膜，因为高相网膜，因为高Mg合金合金即使充分退火，即使充分退火，固溶体也不能完全分解，仍处于过饱固溶体也不能完全分解，仍处于过饱和状态，组织不稳定。和状态，组织不稳定。解决高解决高Mg合金组织性能稳定性的途径：合金组织性能
16、稳定性的途径：1 退火后进行大的冷变形（退火后进行大的冷变形（3050，增加位错密度，增加位错密度或或 相形核）并在相形核）并在200 以上沉淀处理，促进以上沉淀处理，促进 固溶体固溶体彻底分解和彻底分解和 相均匀分布相均匀分布；2 降低降低Mg含量（含量（3），加入适量能提高强度和再结），加入适量能提高强度和再结晶温度的晶温度的Mn和和Cr，也能避免，也能避免 相沿晶沉淀，得到与高相沿晶沉淀，得到与高Mg合金相当的强度，如合金相当的强度，如5454（2.7Mg-0.7Mn-0.12Cr）合）合金，既有金，既有Al-4Mg合金的强度，又无合金的强度，又无SCC敏感性敏感性。（这种（这种方法要使
17、强度显著提高有困难）；方法要使强度显著提高有困难）；合金冷变形后在室温发生合金冷变形后在室温发生“时效软化时效软化”现象，即经过一现象，即经过一段时间后强度降低（过程可持续一二十年），因此冷变段时间后强度降低（过程可持续一二十年），因此冷变形后应进行低温（形后应进行低温（120150 ）稳定化处理。（对防止）稳定化处理。（对防止高高Mg合金合金 相沿晶沉淀也有效。）相沿晶沉淀也有效。）相网状分布相网状分布 相在晶内均匀分布相在晶内均匀分布二、二、杂质和添加元素杂质和添加元素对组织性能的影响对组织性能的影响 Mn可补充强化（比等量的可补充强化（比等量的Mg效果好），使效果好），使Mg相沉淀相沉淀
18、均匀，改善合金的抗蚀性（尤其是抗均匀，改善合金的抗蚀性（尤其是抗SCC能力）和稳定能力）和稳定性，但性，但Mn量多时塑性显著下降，故加入量一般量多时塑性显著下降，故加入量一般1；Cr的作用与的作用与Mn相似，改善抗蚀性和可焊性，但加入量相似，改善抗蚀性和可焊性，但加入量一般一般0.35，否则会与其它元素如，否则会与其它元素如Mn、Fe等形成粗大的等形成粗大的金属间化合物（金属间化合物（MnCr）Al6、（CrFe）Al7），降低成形），降低成形性能；此外，性能；此外，Cr能抑制晶核形成，阻碍再结晶晶粒长大，能抑制晶核形成，阻碍再结晶晶粒长大，提高再结晶温度；提高再结晶温度；Ti、Zr能细化晶粒
19、，能细化晶粒，Zr还能使第二相球化；还能使第二相球化；Cu、Zn、Fe、Si是杂质，应严格限制，但是杂质，应严格限制，但Si改善焊接改善焊接性能，故性能，故5A03（LF3）加入）加入0.50.8Si；Be能防止高能防止高Mg合金熔铸、焊接以及热轧、热挤和锻合金熔铸、焊接以及热轧、热挤和锻造时的氧化，改善表面质量；（造时的氧化，改善表面质量；（Mg含量含量1时，时，则为氧化镁和氧化铝的混合物，致密性差，导致合金则为氧化镁和氧化铝的混合物，致密性差，导致合金的烧损和吸气增加，易形成夹杂。加入的烧损和吸气增加，易形成夹杂。加入0.005Be，由，由于于Be扩散至熔体表面，生成致密的氧化膜，起保护作
20、扩散至熔体表面，生成致密的氧化膜，起保护作用。由于用。由于Be有毒，不能加入到接触食品或饮料的铝合有毒，不能加入到接触食品或饮料的铝合金中。）金中。）Sc能细化晶粒，抑制再结晶，进一步提高合金的强能细化晶粒，抑制再结晶，进一步提高合金的强度、韧性、耐蚀性和可焊性。（度、韧性、耐蚀性和可焊性。（Al3Sc的晶格类型和晶的晶格类型和晶格尺寸与格尺寸与 -Al极为接近，熔点高且稳定，可成为极为接近，熔点高且稳定，可成为 -Al的非均质晶核）的非均质晶核）未加未加Sc，晶粒尺寸较大，晶内有，晶粒尺寸较大，晶内有明显的枝晶组织明显的枝晶组织加加Sc，晶粒尺寸细小，晶内没晶粒尺寸细小，晶内没有明显的枝晶组
21、织有明显的枝晶组织未加未加Sc；热轧态；部分再结晶；热轧态；部分再结晶组织组织加加Sc；热轧态；保持热加工态；热轧态；保持热加工态纤维状组织纤维状组织三、三、熔铸工艺要点熔铸工艺要点 1 减少合金的吸氢和氧化倾向减少合金的吸氢和氧化倾向 Mg 是合金的主要组元，由于是合金的主要组元，由于Mg 的化学活性很强，的化学活性很强，加入加入Mg 增大合金的吸氢和氧化倾向。（增大合金的吸氢和氧化倾向。（658 时，时，H2 在在Mg 中的溶解度是同温度下中的溶解度是同温度下H2 在在Al 中溶解度的中溶解度的92.5 倍；倍；Mg 是极易氧化的金属，且形成的氧化膜疏是极易氧化的金属，且形成的氧化膜疏松、
22、多孔，不能阻止松、多孔，不能阻止Mg的继续氧化）的继续氧化）因此，为了减少合金在熔铸生产中的吸氢和氧化倾因此，为了减少合金在熔铸生产中的吸氢和氧化倾向，提高铸锭的品质，熔铸时应采取适当的措施。向，提高铸锭的品质，熔铸时应采取适当的措施。1）采用性能优良的采用性能优良的熔剂熔剂保护熔体保护熔体 铝合金熔铸时广泛采用的保护性熔剂是以铝合金熔铸时广泛采用的保护性熔剂是以KCl、NaCl 为基础成分的熔剂，而对于为基础成分的熔剂，而对于Al-Mg 系合金则需用以系合金则需用以KCl、Mg Cl2 为基础成分的熔剂。（避免为基础成分的熔剂。（避免Na脆）脆）2）对熔体进行特殊的对熔体进行特殊的合金化合金
23、化保护保护 对于含对于含 Mg 3%的的Al-Mg系合金，单纯采用熔剂保护系合金，单纯采用熔剂保护是不够的，还必须进行合金化保护。实践表明，加入是不够的，还必须进行合金化保护。实践表明，加入Be 对减少对减少Mg 的烧损、准确控制的烧损、准确控制Mg 含量、提高铸锭表面质含量、提高铸锭表面质量和防止铸锭裂纹非常有效。量和防止铸锭裂纹非常有效。3）选择合理的工艺流程）选择合理的工艺流程 在允许的条件下，尽量不采用火焰炉熔炼，因为火焰在允许的条件下，尽量不采用火焰炉熔炼，因为火焰炉炉气中的炉炉气中的H2 O 和和CO2使合金的吸氢和氧化加重。使合金的吸氢和氧化加重。2 降低铸锭裂纹倾向降低铸锭裂纹
24、倾向 Al-Mg 系合金的裂纹倾向居中等，并随合金中系合金的裂纹倾向居中等，并随合金中Mg 含量的增加和铸锭规格的增大而增加。化学成分对铸含量的增加和铸锭规格的增大而增加。化学成分对铸锭裂纹影响很大。锭裂纹影响很大。1）控制合金中的）控制合金中的Mn 含量含量 Mn 含量增加，合含量增加，合金的抗裂力降低，热金的抗裂力降低，热裂倾向增大。因此，裂倾向增大。因此，应将应将Mn 控制在允许控制在允许范围的下限。范围的下限。2）控制合金中的）控制合金中的Si 含量含量 随随Si 含量增加，抗裂能力含量增加，抗裂能力降低。除了以降低。除了以Si 为主要成分为主要成分的的5A03 合金外，其它牌号的合金
25、外，其它牌号的合金，在标准允许的含量内合金，在标准允许的含量内都有一定的裂纹倾向。因此都有一定的裂纹倾向。因此需限制需限制Si含量。含量。3）控制）控制Fe、Si 比比 Fe、Si 比增加，抗裂能力比增加，抗裂能力增加。增加。此外此外，与其它各系合金一，与其它各系合金一样，还需从调整铸造应力、样，还需从调整铸造应力、提高熔体质量等方面采取措提高熔体质量等方面采取措施。施。Al-Mg Al-Mg合金合金的应用与的应用与Al-Mn合金相似，如焊接结构，合金相似，如焊接结构，油管、焊接油箱、易拉罐盖、化工产品储存容器等，如油管、焊接油箱、易拉罐盖、化工产品储存容器等，如5A66用高纯用高纯Al生产，
26、制造高反射能力和装饰制品；生产，制造高反射能力和装饰制品；5052、5154用于要求良好的工艺塑性和耐蚀性的低载荷用于要求良好的工艺塑性和耐蚀性的低载荷焊接结构；焊接结构；5182用于生产易拉罐盖、汽车车身等。用于生产易拉罐盖、汽车车身等。与与Al-Mn合金相比，具有低的密度和更高的强度；缺合金相比，具有低的密度和更高的强度；缺点是生产工艺复杂（高点是生产工艺复杂（高Mg合金需稳定化处理）。合金需稳定化处理）。四、四、常用合金常用合金 5052 2.25052 2.22.82.8 0.1 0.15 0.1 0.150.35 0.25 0.40.35 0.25 0.4 牌号牌号 Mg Mn Cr Si Fe Mg Mn Cr Si Fe 5154 3.15154 3.13.93.9 0.1 0.15 0.1 0.150.35 0.25 0.40.35 0.25 0.45182 4.05182 4.05.05.0 0.2 0.20.5 0.050.5 0.050.25 0.2 0.350.25 0.2 0.355A66 1.55A66 1.52.02.0 0.005 0.01 0.005 0.01