Al-Mg系合金添加Cu的组织与性能
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- 1 - 第一章 绪 论
1.1 Al-Mg合金概述：
1.1.1铝与铝合金的简介：
铝一种化学元素，化学符号Al，原子序数13，原子量26.981539，属周期系
ⅢA族。铝在地壳中的含量为8％，仅次于氧和硅。由于铝的化学性质活泼，在
自然界不以金属状态存在，而以硅酸铝形式广泛分布于岩石、土壤和动、植物体
内，矿物有铝土矿、刚玉、明矾、冰晶石。铝的电子构型为（Ne）3s23p1，在化
合物中通常表现为＋3价，如Al2O3、AlCl3、Al2(SO4)3；只有在高温下，才可能形
成一价化合物，如AlCl。铝容易形成矾，被称为铝矾，如KAl(SO4)2 *12H2O。
铝具有良好的强度和塑性。铝的导电率虽然只有铜的2／3，但铝的比重还不
到铜的1／3，相同重量的铝的导电效率大于铜，因此铝大量用于制造电线、电缆、
电器设备和电讯器材。铝还是冶金工业中的还原剂，将铝粉与Fe2O3（或Fe3O4）
粉末按一定比例混合，用引燃剂点燃，反应产生高温，可达3000℃，使还原出来的铁熔化，以焊接钢轨等，此法也用于冶炼镍、铬、锰、钒等难熔金属。铝也用
于制造精密仪器（如反射望远镜）的镜子，生产涂料和焰火。在日用品工业中大
量制造炊具和餐具[1]。正因为铝具有良好的性能，而且地壳中含量高，因此被广
泛应用于现代的工业生产中。 在铝中加入其它合金元素形成的以铝为基的合金总称为铝合金。铝合金中
主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、
铬、锂等[2]。
铝合金密度低，但比强度高，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，工业上广泛使
用，使用量仅次于钢。
铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合
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
处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来
实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。
可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机
械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等[3]。 太原科技大学毕业设计
- 2 - 铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金和
铝锌合金。 铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg
形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的
强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝
合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有
Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝，强度进一
步提高，而密度比普通硬铝减小15%，且能挤压成型，可用作摩托车
骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运
动器材[4]。
铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀
性能。
铝合金根据合金中主要元素成分、牌号可分为以下几类： 1）1XXX系列 工业纯铝；
2）2XXX系列 Al-Cu、Al-Cu-Mn合金，；
3）3XXX系列 Al-Mn合金；
4）4XXX系列 Al-Si合金；
5）5XXX系列 Al-Mg合金；
6）6XXX系列 Al-Mg-Si合金；
7）7XXX系列 Al-Mg-Si-Cu合金；
8）8XXX系列 其它。
本课题以研究5系Al-Mg合金为主。
1.1.2 Al-Mg合金简介：
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- 3 - 图1.1Al-Mg二元合金相图
镁是此系合金中的主要组分。从Al-Mg二元合金相图(图1.1)可看到:镁在
铝中有很大的固溶度，在共晶温度(723K)时其最大的固溶度达17.4%,而且镁原
子半径比铝大13%，镁大量溶于固溶体后，就使得晶格产生较大的畸变，故Al-Mg
合金有很高的固溶强化作用。随着镁量的增加，合金机械性能亦显著增加(图
1.2).由于 Al- Mg合金表面有一层抗蚀性的尖晶石(AI2O3.Mg0)膜，而且通常是
单相组织，故它在海水等介质中有很高的抗蚀性(但在硝酸中其抗蚀性却低于
Al-Si合金)。
Al-Mg合金的熔铸工艺性较差，铝液中含有镁含量为4%-6%时，由于不平
衡结晶温度范围不断减少，因此铸态组织中的共晶体量不断增加，使铸造性能亦
逐步改善;当至9%-10%时可有较好的充型能力，其热裂倾向亦显著下降，但缩松
倾向仍较大，从铸造性能来看，希望合金中镁量大于9%为好。铝液中含有镁时
将显著增加其化学活性，而且当镁大于1.5%时就会使液面的氧化膜由致密变为
疏松，不再起防止氧化的作用。因此，Al-Mg合金在熔铸时很易氧化，也很易与
水汽发生反应，工艺上需采用专门的防护措施[5]。
图1.2镁对AI- Mg合金机械性能的影响
Al- Mg合金的机械性能壁厚效应是比较大的，因此合金缩松倾向较大,铸件
厚大处由于冷却凝固较慢，易产生缩松和晶粒粗大:同时，由于厚大处在液态停
留时间较长，易氧化和与水汽反应，而产生晶间氧化和气孔，缩松的存在促进了
晶间氧化的发展，故Al-Mg合金在壁厚增加时，机械性能下降。 太原科技大学毕业设计
- 4 - Al- Mg合金自然时效严重，在长期使用中β相沿晶界不断析出，使塑性大
大降低，甚至开裂。在铸造Al-Mg系合金中，加入Zn,Cu,Ag等元素，将降低Mg
原子的扩散速度，控制了析出相的形状和尺寸，从而改善了合金的自然时效稳定
性。
1.1.3 Al-Mg合金的主要性能及用途：
在5系铝镁合金中，镁在铝中的最大固溶度可达17.4%，但在工业常用的5XXX
系合金中，镁的含量一般不超过5.5%。该系为金属不可热处理强化的铝合金，
虽然镁在铝中的固溶度随着温度的降低而迅速减小，但由于沉淀相形核困难，核
心少，沉淀相尺寸大，所以合金的时效效果差。镁优先呈阳极相Mg5Al8或Mg5Al3
在晶界沉淀，从而使合金产生晶界裂纹及应力腐蚀的倾向。镁能显著提高铝的强
度但又不会使其塑性过分降低。Al-Mg合金具有良好的抗腐蚀与可焊性能。
Al-Mg合金还含有少量的锰、铬、铍、钛等。合金中的锰除少量固溶外，大
部分形成MnAl6。加入锰的益处是：可使含镁相沉淀均匀，提高合金的抗腐蚀性，
特别是抗应力腐蚀开裂的能力；不但提高和金强度的效果比镁大，而且能确保合
金具有更高的稳定性，向铝中每增加1%的Mg，强度提高约35MPa，而加入同量
锰的效果则几乎大一倍；提高合金的再结晶温度，抑制晶粒长大。但是锰的含量
多时，提高强度不多，反而使塑性显著降低，尤其是微量钠存在的情况下，在热
轧时产生“钠脆”现象，所以，5XXX系合金的锰含量均〈1.0%[6]。
在5XXX合金中铬的作用与锰相似，既提高抗应力腐蚀开裂能力，提高基体
金属和焊缝强度，降低焊接裂纹倾向，但其含量一般不超过0.35%，否则铬会与
其他合金元素或杂质诸如锰、铁、钛等形成粗大的金属间化合物，降低成型性能
与断裂韧性等力学性能。铬的扩散速度低，在压力加工过程中形成细小的分散相，
能抑制晶核形成和晶粒长大，因此可用铬控制合金的纤维组织。铬可使阳极氧化
膜呈黄色。
向镁含量高的Al-Mg合金中加入0.0001%-0.005%的Be，能降低熔炼烧损，
减少铸锭的裂纹倾向，改善板材的表面质量。钛细化合金的晶粒。铁、硅、铜、
锌等为杂质元素，应严格控制在标准规定的范围内。
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- 5 - 5XXX系常用合金的密度见表1.1，其他性能见系列表。
表1.1 5XXX系合金的密度 合金 密度/kg·m-3 合金 密度/kg·m-3 合金 密度/kg·m-3
5005
5050
5052
5056
5083
5086
5154
5183 2700
2690
2680
2640
2660
2660
2660
2660 5252
5254
5356
5454
5456
5457
5554
5556 2670
2660
2640
2690
2660
2690
2690
2660 5652
5654
5657
5A02
5A03
5A05
5A06
5A12 2670
2660
2690
2680
2670
2650
2640
2610
表1.2 5XXX系合金的模量 合金 弹性模量E/GPa 剪切模量G/GPa 压缩模量/GPa 泊松比μ
5005
5050
5052
5056
5083
5086
5154
5182
5252
5254
5454
5456
5457
5652 68.2
68.9
69.3
71.7
70.3
71
69.3
69.6
68.3
70.3
69.6
70.3
68.2
68.2 25.9
25.9
25.9
25.9
26.4
26.4
25.9
-
-
-
-
-
25.9
25.9 69.5
-
70.7
73.1
71.7
72.4
70.7
70.9
69.7
70.9
71
71.7
69.6
69.6 0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
