铝及铝合金材料论文

2.1铝的简介

铝是自然界中分布最广的金属元素，地壳中铝占地壳总量的8.8%（重量），仅次于氧和硅。铝通常以复杂的硅酸盐形态存在，铝元素在地壳中的含量居金属首位。据报道，地球上的某些石英矿脉中以及月球土壤中含有少量自然铝。已知的含铝矿物有250多种，其中最常见的是铝硅酸盐类。

相对于其他金属，铝的发现比较晚。铝的发展历史至今也不过200年。1825年丹麦化学家汉斯·奥斯特成功用钾从氯化铝中还原出铝：

1906年德国A.维尔姆发明硬铝合金，20世纪初开始规模生产铝及铝合金，并应用于日常生活用品和交通运输等工业部门。自从电解炼铝法问世以来，铝的生产量和消费量大约以平均每10年增长1倍的规模发展。

2.1.1铝的原子结构

铝原子核内有13个质子，则铝原子的结构示意图中，核外应有13个电子，最外层电子数为3，核外有3个电子层。

2.1.2铝材的性能

① 物理性能

铝是一种轻金属，具有银白色的金属光泽。主要特性是轻，相对密度只有钢铁的1/3。某些合金的机械强度甚至超过结构钢。因此，铝合金具有很大的强度-重量比。铝在低温下的强度特性引人注目，它的强度随温度降低而增大。即使温度降低到-198℃铝并不变脆。

铝是一种优良的导电材料。铝的导电能力虽然只有铜的60%~70%，但是按重量计算，铝能够更好地导电。以传导等量电流而论，铝的导电截面积大约是铜的1.6倍，然而铝的重量只有铜的50%。换言之，铝可节省用量。况且铝的价格远低于铜。故用铝代铜做导电材料可以节省投资费用。

铝具有良好的导热性能。铝的热导率大约是不锈钢的10倍。铝还具有良好的光和热的反射能力。铝没有磁性它不会产生附加的磁场，在精密仪器中不会起干扰作用。铝易于加工，可压成薄板或铝箔，或拉成铝线，挤压成各种异形的材料。

铝的电阻率，在温度50K以下时，低于高纯度的铜和银。铝在1.2K以下成为超导体。在100K以下，铝的电阻率对其纯度很敏感。利用这种特性，可从室温下电阻率对液氦沸点时电阻率来测定铝的纯度。对于99.999%铝，电阻率比值可达到30000以上。氧化薄膜又使铝不易被腐蚀。铝能够与稀的强酸（如稀盐酸，稀硫酸等）进行反应。

② 化学性能 虽然铝是一种非常活泼的常用金属，它在一般的氧化环境中却是很稳定的。这是因为暴露在氧气、水和其他氧化剂的新鲜铝表面上生成一薄层连续的氧化铝膜，它具有很大的稳定性。铝与酸生成氢气和相应的铝盐，但要将其氧化膜去掉或快速摩擦后放入酸液中。与一般的金属不同的是，它也可以和强碱进行反应，形成四羟基合铝酸盐和氢气。因此认为铝是两性金属。在常温下，铝在浓硝酸和浓硫酸中被钝化，不与它们反应，所以浓硝酸是用铝罐运输的。

2.1.3铝材生产及应用

① 铝的生产

铝锭的生产是由铝土矿开采、氧化铝生产、铝的电解等生产环节所构成。在经济和技术的推动下，目前全球铝工业已经形成了一个完整的产业系统：

铝土矿——氧化铝——电解铝——铝加工——铝应用——再生铝

② 铝的应用概述

铝是第二大金属，产量和用量仅次于钢铁。铝的密度小，导电、导热和反光性能良好，铝有良好的抗腐蚀性能，铝和多种铝合金有很好的延展性，可以进行各种塑性加工，铝有熔点低、铸造性能好等特性。

中国铝的消费市场简介如下：

（1）轻工业（2）电气行业（3）机械制造业（4）电子行业（5）汽车行业

（6）冶金行业（8）包装材料（7）建筑行业（9）其他行业

2.2铝合金概述

2.2.1铝合金简介

以铝为基的合金总称。对铝进行合金化，铝合金保持了纯铝的基本物化性能。如相对密度小、导电、导热、耐蚀性好等，且强度有了大幅度上升。 纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，不宜作结构材料。

通过长期的生产实践和科学实验，人们常加入的主要合金元素有铜、镁、硅、锌、锰、锂，辅加的微量元素有钛、钒、硼、镍、铬、稀土金属等，杂质元素有铁等合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。这样使得其胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上.不同的合金元素在铝合金中形成不同的合金相，起着不同的作用。

主要合金元素在铝中的极限溶解度w

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，铝合金冷变形和热处理后，抗拉强度可达500-600Mpa，相当于低合金钢，广泛应用于结构材料，使用量仅次于钢。在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多。

2.2.2铝合金的分类

铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类：

① 变形铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。 形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。根据合金的特性，形变铝合金分为：防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四类。

（1）防锈铝合金

主要是Al-Mn、Al-Mg合金，该合金耐蚀性很高，有良好的塑性和焊接性能，不能热处理强化。

（2）硬铝合金

硬铝属于Al-Cu-Mg-Mn系合金，合金中的铜和镁形成CuAl2和CuMgAl2，锰的作用是改善合金的耐蚀性，中和铁的有害影响，同时，锰可在基体中部分固溶，提高热处理后的合金强度，而且对耐热性也有一定影响。硬铝分为低强度硬铝、标准硬铝、高强度硬铝、耐热硬铝等四种。

（3）超硬铝合金

这类合金属于Al-Cu-Mg-Zn系合金，另外加入少量铬、锰等元素。该合金中有CuAl2、CuMgAl2、MnZn2、Al2Mg3Zn3等四种强化相，强化相多，强度在铝合金中最高。

（4）锻铝合金

锻铝合金分Al-Cu-Mn-Si系普通锻造铝合金和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻造铝合金，具有良好的锻造性能，可作形状复杂的大型锻件和膜锻件。 普通锻铝中Mg和Si的主要作用是形成强化相Mg2Si,这类合金除具有良好的耐热加工性能外，腐蚀倾向也很小。耐热锻铝中的Fe和Ni元素的主要作用是形成耐热强化相Al9FeNi。

② 铸造铝合金

造铝合金（ZL）按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金，特殊铝硅合金，铸造铝合金在铸态下使用。

为了获得各种形状与规格的优质精密铸件，用于铸造的铝合金一般具有以下特性：

（1）有填充狭槽窄缝部分的良好流动性；

（2）有比一般金属低的熔点，但能满足极大部分情况的要求；

（3）导热性能好，熔融铝的热量能快速向铸模传递，铸造周期较短；

（4）熔体中的氢气和其他有害气体可通过处理得到有效的控制；

（5）铝合金铸造时，没有热脆开裂和撕裂的倾向；

（6）化学稳定性好，抗蚀性能强；

（7）不易产生表面缺陷，铸件表面有良好的表面光洁度和光泽，而且易于进行表面处理等。

2.2.3 铝合金性能

① 铝合金的典型机械性能

铝合金的典型机械性能

② 铝合金铸造工艺性能，通常理解为在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。流动性、收缩性、气密性、铸造应力、吸气性。铝合金这些特性取决于合金的成分，但也与铸造因素、合金加热温度、铸型的复杂程度、浇冒口系统、浇口形状等有关

2.2.4铝合金强化

铝合金强化的主要方式有： 铝合金牌号及状态 拉伸强度(25°C MPa) 屈服强度(25°C MPa) 硬度500kg力10mm球 延伸1.6mm(1/16in)厚度

5052-H112 175 195 60 12

5083-H112 180 211 65 14

6061-T651 310 276 95 12

7050-T7451 510 455 135 10

7075-T651 572 503 150 11

2024-T351 470 325 120 20 ① 变形强化（加工硬化）：对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷压力加工，产生加工硬化而强化。

② 变质处理（细晶强化）：适合铸造铝合金

③ 固溶强化：铝合金都有，如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形成有限固溶体。

④ 时效强化： 可热处理强化铝合金

铝合金淬火后在室温或者较低温度下加热保温一段时间，随时间延长其强度硬度显著增加的现象，称为时效强化。

2.2.5形变铝合金组织结构的简介

形变铝合金经热处理等工序后会得到化学成分均匀稳定，密度高，晶粒细小，综合性能优良的组织结构，如等轴晶粒，铸态组织，回复与再结晶组织，纤维组织等，这些组织形成各种各样的结构，包括亚结构、形变结构和各向异性等。铝材的塑性加工会大大强化铝合金组织的性能。

形变铝合金经冷形变后会最大限度的拉长、拉细、压扁晶粒，得到纤维组织；冷形变过程中，亚晶结构对铝合金加工硬化起重要作用，晶块的方位不同，其边界又有大量位错缠结，阻碍晶间滑移，从而提高铝合金材料的强度。

2.2.6形变铝合金的生产工艺

① 板材生产工艺流程

如：熔炼—铸造—铣面—均热—热粗轧—热精轧—卷取—冷轧（中间退火）—板—拉矫—切断—最终退火—板材0，H2n

② 圆板片生产工艺流程

熔炼—铸造—铣面—均热—热粗轧—热精轧—卷取—冷轧（中间退火）—圆板—纵切—落料—最终退火—圆板片0，H2n

③ 卷材生产工艺流程

熔炼—铸造—铣面—均热—热粗轧—热精轧—卷取—冷轧（中间退火）—条—纵切与切边—最终退火—卷材

④ 厚板生产工艺流程

熔炼—铸造—铣面—均热—热粗轧—热精轧—厚板—冷轧—拉伸矫直—切断—厚板