变形铝合金

二、变形铝合金变形铝合金1．铝合金的分类及牌号铝与锰、镁、铜、硅、铁、镍、锌等合金元素组成的铝合金具有较高的强度，能用于制作承受载荷的机械零件。根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。可用铝合金相图来说明。铝合金一般都具有如图3所示的相图。凡位于D′左边的合金，在加热时能形成单相固溶体组织，其塑性较高，适于压力加工，因此称为变形铝合金。成分位于D′右边的合金，具有共晶组织，塑性差，不适于压力加工而适于铸造，因而称为铸造铝合金。应该指出，根据相图只能算是大致划分。变形铝合金按热处理强化的能力分为两组，位于图3中F点左边的合金，因不能进行热处理强化，称为热处理不能强化的铝合金；成分在F和D′点之间的合金则称为热处理能强力的铝合金。变形铝合金还可按其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝等。按国家标准规定，防锈铝用“LF”两个字母和一组顺序号表示，如LF21，LF5等。硬铝、锻铝及超硬铝分别用“LY”，“LD”及“LC”字母及一组顺序号表示。一些常用铝合金的分类、牌号、化学成分及机械性能见表2。表2常用铝合金的化学成分和机械性能类别代号化学成分/（%）机械性能*CuMgMnZn其他σb/MPaδ/(%)HB防锈铝LF22.0～2.80.15～0.4Cr0.15～0.4165～22516LF33.2～3.80.3～0.6Si0.5～0.819615LF54.0～5.50.3～0.6Fe0.50Si0.502802070LF65.8～6.80.5～0.8Be0.0001～0.00531415LF210.051.0～1.6Ti0.15Fe0.71302030硬铝LY12.2～3.00.2～0.53002470LY63.8～4.31.7～2.30.5～1.0Be0.001～0.005Ti0.03～0.1544019LY103.9～4.50.15～0.30.3～0.520LY113.8～4.80.4～0.80.4～0.842018100LY123.8～4.91.2～1.80.3～0.947017105LY166.0～7.00.050.4～0.8Fe(或Si)0.30Ti0.10～0.2360锻铝LD20.2～0.60.45～0.90.15～0.35Si0.5～1.23001085LD51.8～2.60.4～0.80.4～0.8Si0.7～1.242013105LD61.8～2.60.4～0.80.4～0.8Si0.7～1.2Ti0.02～0.138010100LD71.9～2.51.4～1.80.20Ti0.02～0.10Fe与Ni各1.0～1.541513120LD81.9～2.51.4～1.80.200.30Fe1.1～1.6Si0.5～1.24406120LD103.9～4.80.4～0.80.4～1.0Si0.5～1.248019135超硬铝LC41.4～2.01.8～2.80.2～0.65.0～7.0Cr0.10～0.25Si0.5060012150LC62.2～2.82.5～3.20.2～0.57.6～8.6Cr0.10～0.25Si0.506807190LC91.2～2.02.0～3.05.1～6.1Cr0.16～0.30Si0.505306*防锈铝为退火状态性能指标；硬铝为淬火+自然时效状态性能指标；锻铝和超硬铝均为淬火+人工时效状态性能指标。变形铝合金在合金牌号后常附有加工和热处理状态代号，其规定见表3表3变形铝合金的产品状态及代号名称代号名称代号退火固溶处理（淬火）固溶处理+自然时效固溶处理+人工时效冷作硬化MCCZCSY半冷作硬化热加工（热轧、热挤）优质表面退火优质表面不包铝Y2ROMOB图3铝合金相图的一般类型2．各类变形铝合金的特点及其合金元素的作用（1）防锈铝由表2可看出，在防锈铝中的主要合金元素是锰和镁，属Al-Mn和Al-Mg系合金。这类铝合金属不能时效强化的铝合金，锻造退火后是单相固溶体，故抗腐蚀性能高，塑性好。锰在铝中能通过固溶强化提高铝合金的强度，但其主要的作用是能提高铝合金的抗蚀能力，Al-Mn系合金中的第二相MnAl6与铝的化学性质接近，故含锰合金抗蚀性好。镁对铝合金的抗蚀性损伤较小，而且有较好的固溶强化效果。防锈铝承受压力加工的能力很强，可施以冷压力加工使之产生加工强化。它的可焊性也很好，可切削性较差（因太软）。防锈铝被用来制作抗腐蚀及受力不大的零部件，如油管、油箱、铆钉等。（2）硬铝由表2可知，硬铝基本上是Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的锰。加入铜和镁，除固溶强化作用外，还形成CuAl2(θ相)，Al2CuMg(S相)等强化相。锰的加入主要是为了改善合金的抗蚀性，也有一定的固溶强化作用，但锰的析出倾向小，故不参与时效过程。各种硬铝都可以进行时效强化，合金中的铜、镁含量越高，时效强化效果越显著，强度就越高，但塑性和抗蚀性则下降。根据合金的合金化程度、机械性能和工艺性能，硬铝可分为铆接硬铝（LY1，LY10）、中强硬铝（LY11），高强硬铝（LY12，LY6）和耐热硬铝（LY2）等。硬铝是目前航空工业中应用最广泛的一类变形铝合金，时效硬化能力强，热处理后强度最高可达500MPa，被用来制作飞行器中的各种承力构件等。硬铝的抗蚀性差，特别在海水中尤甚。这是因为它含有较高的铜，而含铜的固溶体和化合物的电极电位比晶粒边界高，易引起晶间腐蚀。（3）超硬铝超硬铝以Al-Cu-Mg-Zn系为主，如LC4，LC6等。其时效强化相除θ相和S相外，尚有强化效果很强烈的MgZn2(η相)及Al2Mg3Zn3(T相)。淬火时效处理后的室温强度可超过600MPa，是强度最高的一种变形铝合金。这种合金的缺点是抗疲劳性能差，对应力集中敏感，有明显的应力腐蚀倾向，耐热性也低于硬铝。（4）锻铝锻铝属于Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。由表2可看出，在这类铝合金中合金元素的种类虽多，但每种元素的含量都较少，因而具有良好的热塑性，适宜制作航空用各类锻件，特别是形状复杂的大型锻件。铜、镁、硅等元素的加入，在合金中可以形成Mg2Si，Al2CuMg，CuAl2等化合物。加入铁和镍时，可以提高合金的使用温度，故称做耐热锻造合金。常用的锻造铝合金有LD2，LD5，LD6和LD10等。其供应状态一般是淬火加人工时效。对于需要在高温下工作的铝合金，通常加入少量的过渡族元素锰、铬、锆、钛，这类元素溶入基体能强烈提高再结晶温度，当弥散的第二相析出时，可有效地阻止再结晶过程及晶粒长大。再结晶温度也是反映耐热性的一项指标。变形铝合金中过多的合金元素含量，会引起合金工艺塑性和抗蚀性能严重下降，甚至使合金的压力加工难于进行。所以变形铝合金中的铜含量一般不超过5%，镁含量不超过2.5%～5%,锌含量范围为3%～8%，硅含量一般为0.5%～1.2%。铁、硅等元素是变形铝合金中的有害杂质。3．变形铝合金铸态组织的特点纯铝或铝合金在结晶时，容易形成粗大晶粒。为了细化铝合金铸锭的晶粒并消除柱状晶，在工业生产中，除了少数几个有特殊要求的合金外，都毫无例外地人工加入0.02%～0.1%的钛。在铝合金中加钛所以能细化晶粒，是因为它为铝合金铸锭结晶提供了大量的非自发晶核，这些晶核可能是TiAl3，TiB2或TiC等。在其他条件相同的情况下，通常铸锭的晶粒愈粗大，则机械性能愈低，塑性愈差，压力加工性能愈坏，塑性变形时容易产生裂纹。所以，在实际生产中，为了保证产品性能和加工性能的稳定，对铸锭的晶粒度必须进行控制。变形铝合金铸锭的晶粒度在检查时都是根据五级标准图片对照评级的。对重要用途的铸锭，要求晶粒度较细，一般允许2级；对于其他用途的铸锭，晶粒度可以大一些，一般允许3级（图4）。图5和图6分别为防锈铝LF21和超硬铝LC4的铸态高倍组织。变形铝合金铸态组织的共同特点是，硬脆化合物相呈断续或连续的网状分布于α晶粒的晶界上，所以铝合金铸锭的塑性往往很低。随着各类铝合金中合金元素含量的不同，它们的铸态组织和塑性也有明显的不同。例如防锈钢LF21中仅含1.0%～1.6%的锰元素，所以高倍组织中只有MnAl6相呈薄的断续网状分布于α晶粒的晶界上（图5），故对铸锭的塑性影响较小。LC4超硬铝，它的合金元素总含量约为10.4%（为LF21防锈铝的6～10倍），合金中的化合物相有MgZn2，S相和T相等，且各化合物相的数量增多，在晶界上呈封闭网状分布，晶界上的脆性化合物层相当厚（图6）。和LF21的铸态组织相比较，显然LC4合金铸锭的塑性要低得多。图4铝合金铸锭低倍组织（a）2级晶粒度；（b）3级晶粒度图5防锈铝LF21铸态高倍组织×250白色—α固溶体；暗色—MnAl6图6超硬铝LC4铸态高倍组织×250白色—α固溶体；暗色—S相（Al2CuMg）;暗色—MgZn2和T相（Al2Zn3Mg3）4．变形铝合金的比强度、比刚度变形铝合金具有高的比强度（强度与与密度的比值）和比刚度（弹性模量与密度的比值）。各种轻合金与钢的比强度、比刚度的比较，见表4。纯铝本身的强度较低，但经过合金化、热处理、加工硬化等方法强化后，强度明显提高，其比强度甚至超过优质合金钢。因此，在制件重量相同的情况下，许多铝合金比铬钢还能承受更大的负荷。对飞行器来说，比强度是最有意义的参数。表4轻合金与结构钢的比强度、比刚度比较合金类型密度ρ/(g·cm-3)抗拉强度σb/MPa比强度σb/ρ弹性模量E/MPa比刚度E/ρ铝合金2.8490～58818～217056025200镁合金1.8245～27414～164410024500钛合金～4.5980～117622～2711074024609结构钢～7.9980～117612.7～1520580026051超高强度钢～7.91568～196020.3～2520580026051返回