本科生培训--铝合金型材加工及强化课件

铝合金型材加工及强化铝合金型材加工及强化南通爱康金属科技有限公司南通爱康金属科技有限公司南通爱康金属科技有限公司南通爱康金属科技有限公司 丁浩丁浩丁浩丁浩1.1 1.1 1.1 1.1 概述概述铝呈银白色，密度铝呈银白色，密度2.702g/cm3，熔点，熔点660.37，沸点沸点2467。高温下铝也与非金属反应，亦溶于酸或碱中。但高温下铝也与非金属反应，亦溶于酸或碱中。但与水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及与水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及一切有机酸类均无作用一切有机酸类均无作用。纯铝大量用于电缆纯铝大量用于电缆、日用器皿；其合金质轻而坚日用器皿；其合金质轻而坚韧，是制造飞机、火箭、汽车的结构材料。韧，是制造飞机、火箭、汽车的结构材料。1.1 1.1 1.1 1.1 概述概述。良好的低温性能、无低温脆性良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。高的导电性高的导电性：位于银、铜、金之后位于银、铜、金之后。高的导热性高的导热性：热交换器。热交换器。无磁性无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。器材等。低强度、高塑性低强度、高塑性：强度为强度为 80MPa130MPa，延伸率延伸率3050%，铝箔，铝箔。1.1 1.1 1.1 1.1 概述概述高的耐大气腐蚀性高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为50100，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。环境中是抗蚀的。Al2O3膜具有酸、碱两重性，膜具有酸、碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸(8098)中有中有极高的稳定性外极高的稳定性外(优于优于NiCr系不锈钢系不锈钢)，在硫酸、，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。2.1 2.1 铝合金铝合金按铝合金所处相图按铝合金所处相图的位置分类的位置分类：铝合金铝合金:形变铝合形变铝合金、铸造铝合金金、铸造铝合金纯铝中加入适量其它元素如纯铝中加入适量其它元素如SiSi、CuCu、MgMg、ZnZn等等即为即为铝合金铝合金2.1 2.1 铝合金铝合金形变铝合金形变铝合金：相图中相图中D D点以左的部点以左的部分。该类铝合金加分。该类铝合金加热至固溶线热至固溶线FDFD以上以上时能形成单相时能形成单相固固溶体，塑性好，适溶体，塑性好，适用于压力加工成形。用于压力加工成形。2.1 2.1 铝合金铝合金不能热处理强化的不能热处理强化的形变铝合金形变铝合金：相图中相图中F F点以左的部点以左的部分，组织为单相固分，组织为单相固溶体，且其溶解度溶体，且其溶解度不随温度而变化，不随温度而变化，无法进行热处理强无法进行热处理强化；化；2.1 2.1 铝合金铝合金可热处理强化的形可热处理强化的形变铝合金变铝合金：相图中相图中F F和和D D之间的之间的形变铝合金，固溶形变铝合金，固溶体的溶解度随着温体的溶解度随着温度而显著变化，可度而显著变化，可进行热处理强化。进行热处理强化。铸造铝合金铸造铝合金：相图中相图中D D点以右的部点以右的部分，有共晶铝合金、分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。共晶铝合金之分。2.1 2.1 铝合金铝合金变形铝合金结晶过程2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.2.2 2.2 铝合金的加工状态铝合金的加工状态我们常见的热处理强化型铝合金后面的状态代号一般是字母T加添加一位或多位阿拉伯数字表示T的细分状态 在T后面添加010的阿拉伯数字，表示细分状态（称作TX状态）。T后面的数字表示对产品的热处理程序。T0 固溶热处理后，经自然时效再通过冷加工的状态。适用于经冷加工提高强度的产品。T1 由高温成型过程冷却，然后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成型过程冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。T2 由高温成型过程冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成型过程冷却后，进行冷加工、或矫直、矫平以提高强度的产品。T3 固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态。适用于在固溶热处理后，进行冷加工、或矫直、矫平以提高强度的产品。2.2 2.2 铝合金的加工状态铝合金的加工状态T4 固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态。适用于固溶热处理后，不在进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。T5 由高温成型过程冷却，然后进行人工时效的状态。适用于由高温成型过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），予以人工时效的产品。T6 由固溶热处理后进行人工时效的状态。适用于由固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。T7 由固溶热处理后进行人工时效的状态。适用于由固溶热处理后，为获取某些重要特性，在人工时效时，强度在时效曲线上越过了最高峰点的产品。T8 固溶热处理后经冷加工，然后进行人工时效的状态。适用于经冷加工、或矫直、矫平以提高产品强度的产品。2.2 2.2 铝合金的加工状态铝合金的加工状态T9 固溶热处理后人工时效，然后进行冷加工的状态。适用于经冷加工提高产品强度的产品。T10 由高温成型过程冷却后，进行冷加工，然后进行人工时效的状态。适用于经冷加工、或矫直、矫平以提高产品强度的产品。2.3 铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化方式有固溶强化、时效强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化结合爱康实际，我们仅对固溶和时效两个强化方式做探讨 2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化：无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用差，因此，化作用差，因此，Al-ZnAl-Zn、Al-AgAl-Ag简单二元合金没有实简单二元合金没有实用价值。用价值。固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显，采用溶解度超过明显，采用溶解度超过1 1的其他几个元素，如的其他几个元素，如Al-MgAl-Mg，Al-CuAl-Cu、A1-MnA1-Mn、A1-SiA1-Si，Al-Mg-SiAl-Mg-Si合金系有实用价值。合金系有实用价值。2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化定义：将将铝铝合合金金加加热热到到固固溶溶线线以以上上保保温温后后快快冷冷，使使第第二二相相来来不不及及析析出出，得得到到过过饱饱和和、不不稳稳定定的的单单一一固固溶溶体体。淬火后铝合金具有很好的塑性，淬火后铝合金具有很好的塑性，强度和硬度不高强度和硬度不高。LL+2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化机理：合合金金元元素素加加入入纯纯铝铝之之后后，形形成成铝铝基基固固溶溶体体，导导致致晶晶格格发发生生畸畸变变，增增加加了了位位错错运运动动的的阻阻力力，由由此此提提高高铝铝的的强强度度。但但是是组组元元之之间间常常常常具具有有相相似似的的物物理理化化学学性性能能和和原原子子尺尺寸寸，晶晶格格畸畸变变程程度度低低，固固溶溶强强化化效效果果不不高高。因因此此，铝铝的的强强化化不不能能单单纯纯依依靠靠合合金金元元素素的的固固溶溶强强化化作作用。用。2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化机方法：在线淬火 主要是为了得到过饱和固溶体，为时效处理做好组织上的准备。淬火工艺三要素1.1.淬火加热温度2.2.淬火加热保温时间 3.3.淬火冷却速度 2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化机方法：在线淬火 1.淬火加热温度 上限为开始熔化温度 下限为固溶度曲线（ab线)2.淬火加热保温时间 在保证强化相全部溶解的前提下，尽量采用快速加热及短的保温时间2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化机方法：在线淬火 3.淬火冷却C曲线n淬火冷却速度 取决于过饱和固溶体的稳定性 Vc-临界冷却速度：即可防止固溶体在冷却过程中发生分解的最小冷却速度。Vc与合金系、合金元素含量和淬火前合金组织有关。2.3 铝合金的强化铝合金的强化固溶强化机总结：通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相在冷却过程中重新析出，以获得后快冷以抑制强化相在冷却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程铝基过饱和固溶体的过程。2.3 铝合金的强化铝合金的强化时效强化时效强化：铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化处理。合金元素在铝中要有配以时效强化处理。合金元素在铝中要有较大的极限溶较大的极限溶解度解度，其，其溶解度随温度的降低而急剧减小溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。，从而提高合金的强度。可热处理强化铝合金可热处理强化铝合金：A1-Cu-MgA1-Cu-Mg、Al-Mg-SiAl-Mg-Si和和Al-Al-Zn-MgZn-Mg系。系。2.3 铝合金的强化铝合金的强化时效强化时效强化：过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间后，基体中析出新相的过程温度保温一定时间后，基体中析出新相的过程。自然时效自然时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的时效时效 人工时效人工时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定时间的时效时间的时效2.3 铝合金的强化铝合金的强化时效强化时效强化 实质：时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一固溶体时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一固溶体中析出和长大，由于第二相与母相的共格程度不同，使中析出和长大，由于第二相与母相的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化母相产生晶格畸变而强化。脱脱溶溶（或或沉沉淀淀）：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由由溶溶质质 原原子子富富集集形形成成的的亚亚稳稳区区过过渡渡相相的过程，属于固态相变。的过程，属于固态相变。过饱和固溶体的时效分解产物过饱和固溶体的时效分解产物过饱和固溶体的时效分解产物过饱和固溶体的时效分解产物铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会具有固溶度变化的相图，从单相区进入到两相区时都会发生脱溶沉淀发生脱溶沉淀脱溶过程极为复杂，不是所有的合金均按同一顺序进行。（1）不同合金脱溶序列不同：合金系 脱溶序列及平衡脱溶相 Al-Cu GP区（片状）”（CuAl2)Al-Zn-Mg GP区（球状）（MgZn2),GP区（球状）T T（Al2Mg3Zn3）Al-Mg-Si GP区（杆状）（Mg2Si）Al-Cu-Mg GP区（杆或球状）S S（Al2CuMg）铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化以以Al-Mg-Si合金为例合金为例：过饱和固溶体随着时效时间的延长，将发生下列析过饱和固溶体随着时效时间的延长，将发生下列析出过程：出过程：过过 GP区区 其中其中 GP区、区、为亚稳定相为亚稳定相 （也可称为也可称为GP2区）区）随着时效时间的延长，组织变化过程为：随着时效时间的延长，组织变化过程为：过过 GP区区 铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化G.P区区：1938年年，A.Guinier和和G.D.Prestor各各自自独独立立用用X射射线线结结构构分分析析方方法法发发现现：AlCu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100面面上上发发生生了了铜铜原原子子偏偏聚聚，构构成成了了富富铜铜的的圆圆盘盘形形片片（约约含含铜铜90）即即G.P区。区。G.P区的形状与尺寸区的形状与尺寸：在在电电子子显显微微镜镜下下呈呈圆圆盘盘状状，直直径径约约510nm，厚厚约约0.40.6nm，数量约，数量约10141016/cm3铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化G.P区形成的原因区形成的原因：G.P区的形核呈均匀分布，其区的形核呈均匀分布，其形核率与晶体中非均匀分布的位形核率与晶体中非均匀分布的位错无关，而完全依赖于淬火所保错无关，而完全依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为溶质原留下来的空位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）子可借助于空位进行迁移）。凡凡是能增加空位浓度的因素均能促是能增加空位浓度的因素均能促进进G.P区的形成区的形成。铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化对于6063铝合金,其脱溶序列为过饱和固溶体G.P区”相相相。时效初期Mg、Si原子在铝基体的晶面上聚集,形成溶质原子富集区即G.P区,与基体保持共格关系,边界上的原子为母相和G.P区所共有。为了同时适应两种不同原子排列形式,共格边界附近产生弹性应变,正是这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动,从而提高了合金的强度。随着时效时间的延长,Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化,迅速长大成针状或棒状即为”相,其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大,它的弹性应力也最高。当”相长大到一定尺寸,它的应力场遍布整个基体,应变区几乎相连,此时合金的强度较高,随着时效过程的进一步发展。铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化在”相的基础上,Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的过渡相,其周围基体的弹性应变有所减轻,对位错运动的阻碍减少,此时强度达到最大值,强度已有所下降。时效后期在相与基体界面上形成稳定的相,失去了与基体之间的共格联系,完全从基体中脱离出来,共格应变消失,强度下降。从上述脱溶过程来看,G.P区、”相和相都能有效地提高6063铝合金的强度,但强化效果有所不同,以”相的强化效果最大,而一旦出现了相,合金强度将下降,因而如何提高G.P区和”相的密度就成为提高6063铝合金强度的关键铝合金的固溶时效强化铝合金的固溶时效强化2.3 铝合金的强化铝合金的强化如何提高GP区密度和”相的密度？提高固溶温度，加强冷却速度2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化共析钢淬火与铝合金固溶的共析钢淬火与铝合金固溶的区别区别工艺操作相同，即加热、保工艺操作相同，即加热、保温和快冷。温和快冷。共析钢退火态组织为珠光体，共析钢退火态组织为珠光体，淬火加热时转变为单相奥氏淬火加热时转变为单相奥氏体，淬火过程中奥氏体转变体，淬火过程中奥氏体转变为马氏体。为马氏体。共析钢淬火后形成的马氏体共析钢淬火后形成的马氏体硬而脆，硬而脆，共析钢的共析钢的淬火淬火铝合金的固溶铝合金的固溶处理处理2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化共析钢淬火与铝合金固溶的区共析钢淬火与铝合金固溶的区别别铝合金退火态组织为固溶体及铝合金退火态组织为固溶体及分布其上的强化相，固溶加热分布其上的强化相，固溶加热时固溶体基体因强化相的溶入时固溶体基体因强化相的溶入而引起成分变化，其晶体结构而引起成分变化，其晶体结构并未改变，固溶冷却过程中，并未改变，固溶冷却过程中，晶体结构也完全不发生变化，晶体结构也完全不发生变化，仅是将高温固溶体强制冻结到仅是将高温固溶体强制冻结到室温。室温。铝合金固溶后的基体仍保持了铝合金固溶后的基体仍保持了铝合金原有的良好塑性，并原铝合金原有的良好塑性，并原有的强化相溶入基体使塑性进有的强化相溶入基体使塑性进一步提高，强度因基体合金元一步提高，强度因基体合金元素浓度的提高而提高素浓度的提高而提高共析钢的共析钢的淬火淬火铝合金的固溶铝合金的固溶处理处理2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化影响时效的因素影响时效的因素 组成合金的元素能否溶于固溶体以及时效析出相的情况。例如：Fe、Ni基本上不溶解于固态铝中，故铝-铁，铝-镍系合金不能进行时效处理。如果在铝中加入某些合金元素能形成结构与成分复杂的化合物（第二相），如CuAl2()、Mg2Si()、Al2CuMg(S)、Mg2Zn()等，则在时效析出过程中形成的GP区的结构就比较复杂，与基体共格关系引起的畸变亦较严重。因此，合金的时效强化效果就较为显著。2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化影响时效的因素影响时效的因素 正确控制合金的固溶处理（淬火）工艺，是保证获得良好时效强化效果的前提。在不发生过热、过烧的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些比较好，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。淬火冷却时要保证淬火过程中不析出第二相。时效温度和时间是决定合金时效过程与时效强化效果的重要工艺参数。2.32.3铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化铝合金的强化影响时效的因素影响时效的因素 Log t强强度度或或硬硬度度GP区区时效组织（时间）时效组织（时间）与性能的关系与性能的关系Overaging=过时效谢谢！