知識(shí)分享，一文了解合金元素對(duì)變形鋁合金的作用
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1.變形鋁合金分類
1×××表示為99%以上的純鋁系列；
2×××表示是鋁-銅合金系列；
3×××表示是鋁-錳合金系列；
4×××表示是鋁-硅合金系列；
5×××表示是鋁-鎂合金系列；
6×××表示是鋁-鎂-硅合金系列；
7×××表示是鋁-鋅合金系列；
8×××表示是上述以外的合金體系。
2.概述
1×××系
1×××系鋁合金屬于工業(yè)純鋁，具有密度小導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性高、熔解潛熱大，光反射系數(shù)大、熱中子吸收界面積較小及外表色澤美觀等特性。鋁在空氣中其表面能生成致密堅(jiān)固的氧化膜，阻止氧的侵入，因而具有較好的抗蝕性。1×××系鋁合金用熱處理方法不能強(qiáng)化，只能采用冷作硬化方法來提高強(qiáng)度，因此強(qiáng)度較低。
2×××系
2×××系鋁合金是以銅為主要合金元素的鋁合金，它包括了Al-Cu-Mg合金，Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等，這些合金均屬熱處理可強(qiáng)化鋁合金。2×××系鋁合金合金的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，通常稱為硬鋁合金，其耐熱性能和加工性能良好，但耐蝕性不好，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，因此，板材往往需要包覆一層純鋁，或一層對(duì)芯板有電化學(xué)保護(hù)的6×××系鋁合金，以大大提高其耐腐蝕性能。其中，Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金具有極為復(fù)雜的化學(xué)組成和相組成，它在高溫下有高的強(qiáng)度，并具有良好的工藝性能，主要用于鍛壓在150~250℃以下工作的耐熱零件；Al-Cu-Mn合金的室溫強(qiáng)度雖然低于Al-Cu-Mg合金2A12和2A14的，但在225~250℃或更高溫度下強(qiáng)度卻比二者的高，并且合金的工藝性能良好，易于焊接，主要應(yīng)用于耐熱可焊的結(jié)構(gòu)件及鍛件。該系合金廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域。
3×××系
3×××系鋁合金是以錳為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理不可強(qiáng)化鋁合金。它的塑性高，焊接性能好，強(qiáng)度比1×××系鋁合金高，而耐蝕性能與1×××系鋁合金相近，是一種耐腐蝕性能良好的中等強(qiáng)度鋁合金，它用途廣，用量大。
4×××系
4×××系鋁合金是以硅為主要合金元素的鋁合金，其大多數(shù)合金屬于熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，只有含銅、鎂和鎳的合金，以及與熱處理強(qiáng)化合金焊接后吸取了某些元素時(shí)，才可以通過熱處理強(qiáng)化。該系合金由于含硅量高、熔點(diǎn)低、熔體流動(dòng)性好、容易補(bǔ)縮，并且不會(huì)使***終產(chǎn)品產(chǎn)生脆性，因此主要用于制造鋁合金焊接的添加材料，如釬焊板、焊條和焊絲等。另外，由于該系一些合金的耐磨性能和高溫性能好，也被用來制造活塞及耐熱零件。含w(Si)=5%左右的合金，經(jīng)陽極氧化上色后呈黑灰色，因此適宜作建筑材料以及制造裝飾件。
5×××系
5×××系鋁合金是以鎂為主要合金元素的鋁合金，屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金。該系合金密度小，強(qiáng)度比1×××系和3×××系鋁合金的高，屬于中高強(qiáng)度鋁合金，疲勞性能和焊接性能良好，耐海洋大氣腐蝕性好。為了避免高鎂合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，對(duì)***終冷加工產(chǎn)品要進(jìn)行穩(wěn)定化處理，或控制***終冷加工量，并且***使用溫度 (不超過65℃)該系合金主要用于制作焊接結(jié)構(gòu)件和應(yīng)用在船舶領(lǐng)域。
6×××系
6×××系鋁合金是以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。該系合金具有中等強(qiáng)度，耐蝕性高，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，焊接性能良好，焊接區(qū)腐蝕性能不變，成型性和工藝性能良好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)合金中含銅時(shí)，合金的強(qiáng)度可接近2×××系鋁合金的，工藝性能優(yōu)于2×××系鋁合金，但耐蝕性變差，合金有良好的鍛造性能。該系合金中用得***廣的是6061和6063合金，它們具有***佳的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，主要產(chǎn)品為擠壓型材，是***佳擠壓合金，該合金應(yīng)用量***大的為建筑型材。
7×××系
7×××系鋁合金是以鋅為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。鋁合金中加鎂，則為Al-Zn-Mg合金，合金具有良好的熱變形性能，淬火范圍很寬，在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下能夠得到較高的強(qiáng)度，焊接性能良好，一般耐蝕性較好，有一定的應(yīng)力腐蝕傾向，是高強(qiáng)可焊的鋁合金。Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基礎(chǔ)上通過添加銅發(fā)展起來的，其強(qiáng)度高于2×××系鋁合金，一般稱為超高強(qiáng)鋁合金，合金的屈服強(qiáng)度接近于抗拉強(qiáng)度，屈強(qiáng)比高，比強(qiáng)度也很高，但塑性和高溫強(qiáng)度較低，宜作常溫、120℃以下使用的承力結(jié)構(gòu)件，合金易于加工，有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性。該系合金廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域，并成為這個(gè)領(lǐng)域中***重要的結(jié)構(gòu)材料之一。
8×××系
8×××系列鋁合金較為常用的為8011屬于其他系列，大部分應(yīng)用為鋁箔，生產(chǎn)鋁棒方面不太常用。
3.合金元素的作用
1×××系
1×××系鋁合金中的主要雜質(zhì)元素是鐵和硅，其次是銅、鎂、鋅、錳、鉻、鈦、硼等，以及一些稀土元素，這些微量元素在部分1×××系鋁合金中還起合金化的作用，并且對(duì)合金的組織和性能均有一定的影響。
添加元素和雜質(zhì)對(duì)1×××系鋁合金的電學(xué)性能影響較大，一般均使導(dǎo)電性能降低，其中鎳、銅、鐵、鋅、硅降低較少，而釩、鉻、錳、鈦則降低較多。此外，雜質(zhì)的存在會(huì)破壞鋁表面形成氧化膜的連續(xù)性，使鋁的抗蝕性降低。
Fe
鐵與鋁可以生成FeAl3，鐵與硅和鋁可以生成三元化合物α(Al,Fe,Si)和β(Al,Fe,Si)，它們是1×××系鋁合金中的主要相，硬而脆，對(duì)力學(xué)性能影響較大，一般是使強(qiáng)度略有提高，而塑性降低，并可以提高再結(jié)晶溫度。
Si
硅與鐵是鋁中的共存元素。當(dāng)硅過剩時(shí)，以游離硅狀態(tài)存在，硬而脆，使合金的強(qiáng)度略有提高，而塑性降低，并對(duì)高純鋁的二次再結(jié)晶晶粒度有明顯影響。
Cu
銅在1×××系鋁合金中主要以固溶狀態(tài)存在，對(duì)合金的強(qiáng)度有些貢獻(xiàn)，對(duì)再結(jié)晶溫度也有影響。
Mg
鎂在1×××系鋁合金中可以是添加元素，并主要以固溶狀態(tài)存在，其作用是提高強(qiáng)度，對(duì)再結(jié)晶溫度的影響較小。
Mn
錳可以明顯提高再結(jié)晶溫度，但對(duì)細(xì)化晶粒的作用不大。
Cr
同Mn的作用。
Ti
鈦是1×××系鋁合金的主要變質(zhì)元素，既可以細(xì)化鑄錠晶粒，又可以提高再結(jié)晶溫度并細(xì)化晶粒。但鈦對(duì)再結(jié)晶溫度的影響與鐵和硅的含量有關(guān)，當(dāng)含有鐵時(shí)，其影響非常顯著；若含有少量的硅時(shí)，其作用減??；但當(dāng)含w(Si)=0.48%時(shí)，鈦又可以使再結(jié)晶溫度顯著提高。
B
硼也是1×××系鋁合金的主要變質(zhì)元素，既可以細(xì)化鑄錠晶粒，又可以提高再結(jié)晶溫度并細(xì)化晶粒。
2×××系
Al-Cu-Mg合金
Al-Cu-Mg系合金的主要合金牌號(hào)有2A01、2A02、2A06、2A11、2A12等，主要添加元素有銅、鎂和錳，合金中添加的少量微量元素有鈦和鋯，雜質(zhì)元素主要是鐵、硅和鋅等。它們對(duì)合金有如下作用：
Mg
當(dāng)w(Mg)為1%~2%時(shí)，w(Cu)從1%增加到4%，淬火狀態(tài)的合金抗拉強(qiáng)度從200MPa提高到380MPa；淬火自然時(shí)效狀態(tài)下合金的抗拉強(qiáng)度從300MPa 增加到480MPa。w(Cu)在1%~4%內(nèi)，w(Mg)從0.5%增加到2.0%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度增加；繼續(xù)增加w(Mg)時(shí)，合金的強(qiáng)度降低。
w(Cu)=4.0%和w(Mg)=2.0%的合金抗拉強(qiáng)度值***大，w(Cu)=3%~4%和w(Mg)=0.5%~1.3%的合金，其淬火自然時(shí)效效果***好。w(Cu)=4%~6%和w(Mg)=1%~2%的Al-Cu-Mg三元合金，在淬火自然時(shí)效狀態(tài)下，合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)490~510MPa。
由w(Mn)=0.6%的Al-Cu-Mg合金在200℃和160MPa應(yīng)力下的持久強(qiáng)度試驗(yàn)值可知，含w(Cu)=3.5%~6%和w(Mg)=1.2%~2.0%的合金，持久強(qiáng)度***高。則合金位于Al-S(Al2CuMg)偽二元截面上或這一區(qū)域附近。遠(yuǎn)離偽二元截面的合金，即當(dāng)w(Mg)<1.2%和w(Mg)>2.0%時(shí)，其持久強(qiáng)度降低。若w(Mg)提高到3.0%或更多時(shí)，合金持久強(qiáng)度將迅速降低。在250℃和100MPa應(yīng)力下試驗(yàn)，也得到了相似的規(guī)律。文獻(xiàn)指出，在300℃下持久強(qiáng)度***大的合金，位于鎂含量較高的Al-S二元截面以右的α+S相區(qū)中。
Cu
w(Cu)=3%~5%的Al-Cu二元合金，在淬火自然時(shí)效狀態(tài)下耐蝕性能很低。加入0.5%Mg，降低α固溶體的電位，可部分改善合金的耐蝕性。w(Mg)>1.0%時(shí)，合金的局部腐蝕增加，腐蝕后伸長率急劇降低。
w(Cu)>4.0%，w(Mg)>1.0%的合金，鎂降低了銅在鋁中的溶解度，合金在淬火狀態(tài)下有不溶解的CuAl2和S相，這些相的存在加速了腐蝕。w(Cu)=3%~5%和w(Mg)=1%~4%的合金，它們位于同一相區(qū)，在淬火自然時(shí)效狀態(tài)耐蝕性相差不多。α-S相區(qū)的合金比α-CuAl2-S區(qū)域的耐蝕性能差。晶間腐蝕是Al-Cu-Mg系合金的主要腐蝕傾向。
MnAl-Cu-Mg合金中加錳，主要是為了消除鐵的有害影響和提高耐蝕性。錳能稍許提高合金的室溫強(qiáng)度，但使塑性有所降低。錳能延遲和減弱 Al-Cu-Mg合金的人工時(shí)效過程，提高合金的耐熱強(qiáng)度。錳是使Al-Cu-Mg合金具有擠壓效應(yīng)的主要因素之一。w(Mn)一般低于1%，含量過高能形成粗大的(FeMn)Al6。脆性化合物，降低合金的塑性。Ti
鈦能細(xì)化鑄態(tài)晶粒，減少鑄造時(shí)形成裂紋的傾向性。
Zr
少量的鋯和鈦有相似的作用，細(xì)化鑄態(tài)晶粒，減少鑄造和焊接裂紋的傾向性，提高鑄錠和焊接接頭的塑性。加鋯不影響含錳合金冷變形制品的強(qiáng)度，對(duì)無錳合金強(qiáng)度稍有提高。
Si
w(Mg)低于1.0%的Al-Cu-Mg合金，w(Si)超過0.5%，能提高人工時(shí)效的速度和強(qiáng)度，而不影響自然時(shí)效能力。因?yàn)楣韬玩V形成Mg2Si相，有利于提高人工時(shí)效效果。但w(Mg)提高到1.5%時(shí)，經(jīng)淬火自然時(shí)效或人工時(shí)效處理后，合金的強(qiáng)度和耐熱性能隨w(Si)的增加而下降。因而，w(Si)應(yīng)盡可能地降低。除此以外，w(Si)增加將使2A12，2A06等合金鑄造形成裂紋傾向增加，鉚接時(shí)塑性下降。因此，合金中的w(Si)一般***在0.5%以下。要求塑性高的合金，w(Si)應(yīng)更低些。
Fe
鐵和鋁形成FeAl3化合物，鐵會(huì)溶入銅、錳，硅等元素所形成的化合物中，這些不溶入固溶體中的粗大化合物，會(huì)降低合金的塑性，使變形時(shí)合金易于開裂，并使強(qiáng)化效果明顯降低。而少量的鐵(低于0.25%)對(duì)合金力學(xué)性能影響很小，可改善鑄造、焊接時(shí)裂紋的形成傾向，但使自然時(shí)效速度降低。為獲得高塑性的材料，合金中的鐵和硅含量應(yīng)盡量低些。
Zn
少量的鋅(w(Zn)=0.1%~0.5%)對(duì)Al-Cu-Mg 合金的室溫力學(xué)性能影響很小，但使合金耐熱性降低。合金中w(Zn)應(yīng)***在0.3%以下。
Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金
Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金的主要合金牌號(hào)有2A70、2A80、2A90等，各合金元素有如下作用：
Cu銅含量對(duì)上述合金室溫強(qiáng)度和耐熱性能的影響與Al-Cu-Mg合金的相似。由于該系合金中銅含量比Al-Cu-Mg合金低，使合金位于α+S(Al2CuMg)兩相區(qū)中，因而合金具有較高的室溫強(qiáng)度和良好的耐熱性；另外，銅含量較低時(shí)，低濃度的固溶體分解傾向小，這對(duì)合金的耐熱性有利。Mg鎂含量對(duì)上述合金室溫強(qiáng)度和耐熱性能的影響與 Al-Cu-Mg合金的相似。由于該系合金中鎂含量比Al-Cu-Mg合金低，使合金位于α+S(Al2CuMg)兩相區(qū)中，因而合金具有較高的室溫強(qiáng)度和良好的耐熱性Ni
鎳與合金中的銅可以形成不溶解的三元化合物，鎳含量低時(shí)形成(AlCuNi)含鎳高時(shí)形成Al3(CuNi)2，因此鎳的存在能降低固溶體中銅的濃度，對(duì)淬火狀態(tài)晶格常數(shù)的測(cè)定結(jié)果也證明了合金固溶體中銅溶質(zhì)原子的貧化。當(dāng)鐵含量很低時(shí)，鎳含量增加能降低合金的硬度，減小合金的強(qiáng)化效果。
Fe
鐵和鎳一樣，也能降低固溶體中銅的濃度。當(dāng)鎳含量很低時(shí)，合金的硬度隨鐵含量的增加開始時(shí)明顯降低，但當(dāng)鐵含量達(dá)到某一數(shù)值后，又開始提高。
在AlCu2.2Mg1.65合金中同時(shí)添加鐵和鎳時(shí)，淬火自然時(shí)效、淬火人工時(shí)效、淬火和退火狀態(tài)下的硬度變化特點(diǎn)相似，均在鎳、鐵含量相近的部位出現(xiàn)一個(gè)***大值，相應(yīng)在此處其淬火狀態(tài)下的晶格常數(shù)出現(xiàn)一極小值。
當(dāng)合金中鐵含量大于鎳含量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)Al7Cu2Fe相。而當(dāng)合金中鎳含量大于鐵含量時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)AlCuNi相，上述含銅三元相的出現(xiàn)，降低了固溶體中銅的濃度，只有當(dāng)鐵，鎳含量相等時(shí)全部生成Al9FeNi相。在這種情況下，由于沒有過剩的鐵或鎳去形成不溶解的含銅相，故合金中的銅除形成S(Al2CuMg)相外，同時(shí)也增加了銅在固溶體中的濃度，這有利于提高合金強(qiáng)度及其耐熱性。
鐵、鎳含量可以影響合金耐熱性。Al9FeNi相是硬脆的化合物，在Al中溶解度極小，經(jīng)鍛造和熱處理后，當(dāng)它們彌散分布于組織中時(shí)，能夠顯著地提高合金的耐熱性。
Si
在2A80合金中加入w(Si)=0.5%~1.2%，可提高合金的室溫強(qiáng)度，但使合金的耐熱性降低。
Ti
2A70合金中加入w(Ti)=0.02%~0.1%，可細(xì)化鑄態(tài)晶粒，提高鍛造工藝性能，對(duì)耐熱性有利，但對(duì)室溫性能影響不大。
Al-Cu-Mn合金
Al-Cu-Mn系合金主要合金牌號(hào)有2A16，2A17等，合金中添加的微量元素有鎂、鈦和鋯，而主要雜質(zhì)元素有鐵、硅、鋅等，其影響如下:
Cu
在室溫和高溫下，隨著銅含量提高合金強(qiáng)度增加。w(Cu)達(dá)到5.0%時(shí)，合金強(qiáng)度接近***大值。另外銅能改善合金的焊接性能。
Mn
錳是提高耐熱合金的主要元素，它可提高固溶體中原子的激活能，降低溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)和固溶體的分解速度。當(dāng)固溶體分解時(shí)，析出T相 (Al20Cu2Mn3)的形成和長大過程也非常緩慢，所以合金在一定高溫下長時(shí)間受熱時(shí)性能也很穩(wěn)定。添加適當(dāng)?shù)腻i(w(Mn)=0.6%~0.8%)，能提高合金淬火和自然時(shí)效狀態(tài)的室溫強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。但錳含量過高，T相增多，會(huì)使界面增加，加速擴(kuò)散作用，降低合金的耐熱性。另外，錳也能降低合金焊接時(shí)的裂紋傾向。
Mg
在2A16合金中銅、錳含量不變的情況下，添加w(Mg)=0.25%~0.45%而成為2A17合金。鎂可以提高合金的室溫強(qiáng)度，并改善150~225℃以下的耐熱強(qiáng)度。然而溫度再升高時(shí)，合金的強(qiáng)度明顯降低。但加入鎂能使合金的焊接性能變壞，故在用于耐熱可焊的2A16合金中，雜質(zhì)w(Mg)<0.05%.
Ti
鈦能細(xì)化鑄態(tài)晶粒，提高合金的再結(jié)晶溫度，降低過飽和固溶體的分解傾向，使合金高溫下的組織穩(wěn)定。但w(Ti)>0.3%時(shí)，生成粗大針狀晶體TiAl，化合物會(huì)使合金的耐熱性有所降低。合金的w(Ti)規(guī)定為0.1%~0.2%.
Zr
在2219合金中加入w(Zr)=0.1%~0.25%時(shí)，能細(xì)化晶粒，并提高合金的再結(jié)晶溫度和固溶體的穩(wěn)定性，從而提高合金的耐熱性，改善合金的焊接性和焊縫的塑性。但w(Zr)高時(shí)，能生成較多的脆性化合物 ZrAl3。
Fe
合金中的w(Fe)>0.45%時(shí)，形成不溶解相Al7Cu2Fe，能降低合金淬火時(shí)效狀態(tài)的力學(xué)性能和300℃時(shí)的持久強(qiáng)度。所以***w(Fe)<0.3%。
Si
少量硅(w(Si)<0.4%)對(duì)室溫力學(xué)性能影響不明顯，但降低300℃時(shí)的持久強(qiáng)度；w(Si)>0.4%時(shí)還降低室溫力學(xué)性能。因此***w(Si)<0.3%。
Zn
少量鋅(w(Zn)=0.3%)對(duì)合金室溫性能沒有影響，但能加快銅在鋁中的擴(kuò)散速度,降低合金300℃時(shí)的持久強(qiáng)度，故***w(Zn)<0.1%。
3×××系
合金元素和雜質(zhì)元素在3×××鋁合金中的作用主要有：
Mn
錳是3×××系鋁合金中***的主合金元素，其含量一般在1%~1.6%范圍內(nèi)，合金的強(qiáng)度、塑性和工藝性能良好，錳與鋁可以生成MnAl6相。合金的強(qiáng)度隨錳含量的增加而提高，當(dāng)w(Mn)>1.6%時(shí)，合金強(qiáng)度隨之提高，但由于形成大量脆性化合物 MnAl6，合金變形時(shí)容易開裂。隨著w(Mn)的增加，合金的再結(jié)晶溫度相應(yīng)地提高。該系合金由于具有很大的過冷能力，因此在快速冷卻結(jié)晶時(shí)，產(chǎn)生很大的晶內(nèi)偏析，錳的濃度在枝晶的中心部位低，而在邊緣部位高，當(dāng)冷加工產(chǎn)品存在明顯的錳偏析時(shí)，在退火后易形成粗大晶粒。
Fe
鐵能溶于MnAl6中形成 (FeMn)Al6化合物，從而降低錳在鋁中的溶解度。在合金中加入w(Fe) =0.4%~0.7%，但要保證w(Fe+Mn)<1.85%，可以有效地細(xì)化板材退火后的晶粒，否則形成大量的粗***狀(FeMn)Al6化合物，會(huì)顯著降低合金的力學(xué)性能和工藝性能。
Si
硅是有害雜質(zhì)。硅與錳形成復(fù)雜三元相T(Al12Mn3Si2)，該相也能溶解鐵，形成(Al,Fe,Mn,Si) 四元相。若合金中鐵和硅同時(shí)存在，則先形成α(Al12Fe3Si2)或β(Al9Fe2Si2)相，破壞鐵的有利影響。故應(yīng)控制合金中w(Si)<0.6%。硅也能降低錳在鋁中的溶解度，而且比鐵的影響大。鐵和硅可以加速錳在熱變形時(shí)從過飽和固溶體中的分解過程，也可以提高一些力學(xué)性能。
Mg
少量的鎂(w(Mg)≈0.3%)能顯著地細(xì)化該系合金退火后的晶粒，并稍許提高其抗拉強(qiáng)度。但同時(shí)也會(huì)損害退火材料的表面光澤。鎂也可以是Al-Mg合金中的合金化元素，添加w(Mg)=0.3%~1.3%，合金強(qiáng)度提高，伸長率(退火狀態(tài))降低，因此發(fā)展出Al-Mg-Mn系合金。
Cu
合金中w(Cu)=0.05%~0.5%時(shí)可以顯著提高其抗拉強(qiáng)度。但含有少量的銅(w(Cu)=0.1%)會(huì)使合金的耐蝕性能降低，故應(yīng)控制合金中w(Cu)<0.2%。
Zn
w(Zn)<0.5%時(shí)對(duì)合金的力學(xué)性能和耐蝕性能無明顯影響，考慮到合金的焊接性能，***w(Zn)<0.2%。
4×××系
合金元素和雜質(zhì)元素在4×××系鋁合金中的作用主要有：
Si
硅是該系合金中的主要合金成分，含量w(Si)=4.5%~13.5%，硅在合金中主要以α+Si共晶體和β(Al5FeSi)形式存在，硅含量增加，其共晶體增加，合金熔體的流動(dòng)性增加，同時(shí)合金的強(qiáng)度和耐磨性也隨之提高。
Ni鎳可以形成不溶于鋁的金屬間化合物，能提高合金的高溫強(qiáng)度和硬度，而又不降低其線膨脹系數(shù)。Fe同Ni的作用。Cu
銅可生成CuAl2和S相，提高合金的強(qiáng)度。
Mg鎂可生成Mg2Si和S相，提高合金的強(qiáng)度。Cr
鉻可以細(xì)化晶粒，改善合金的氣密性。
Ti同Cr的作用。
5×××系
5×××系鋁合金的主要成分是鎂，并添加少量的錳、鉻、鈦等元素，而雜質(zhì)元素主要有鐵、硅、銅、鋅等。具體作用介紹如下：
Mg
鎂主要以固溶狀態(tài)和β(Mg2Al3或Mg5Al8) 相存在，雖然鎂在合金中的溶解度隨溫度降低而迅速減小，但由于析出形核困難，核心少，析出相粗大，因而合金的時(shí)效強(qiáng)化效果低，一般都是在退火或冷加工狀態(tài)下使用。因此，該系合金也稱為不可強(qiáng)化鋁合金。該系合金的強(qiáng)度隨鎂含量的增加而提高，塑性則隨之降低，其加工工藝性能也隨之變差。
鎂含量對(duì)合金的再結(jié)晶溫度影響較大，當(dāng)w(Mg)<5%時(shí)，再結(jié)晶溫度隨鎂含量的增加而降低; 當(dāng)w(Mg)>5%時(shí)，再結(jié)晶溫度則隨鎂含量的增加而升高。鎂含量對(duì)合金的焊接性能也有明顯影響，當(dāng)w(Mg)<6%時(shí)，合金的焊接裂紋傾向隨鎂含量的增加而降低，當(dāng)w(Mg)>6%時(shí)，則相反；當(dāng)w(Mg)<9%時(shí)，焊縫的強(qiáng)度隨鎂含量的增加而顯著提高，此時(shí)塑性和焊接系數(shù)雖逐漸略有降低，但變化不大，當(dāng)鎂含量大于9%時(shí)，其強(qiáng)度、塑性和焊接系數(shù)均明顯降低。
Mn
5×××系鋁合金中通常w(Mn)<1.0%。合金中的錳部分固溶于基體，其余以MnAl6相的形式存在于組織中。錳可以提高合金的再結(jié)晶溫度，阻止晶粒粗化，并使合金強(qiáng)度略有提高，尤其對(duì)屈服強(qiáng)度更為明顯。在高鎂合金中，添加錳可以使鎂在基體中的溶解度降低，減少焊縫裂紋傾向，提高焊縫和基體金屬的強(qiáng)度。
Cr
鉻和錳有相似的作用，可以提高基體金屬和焊縫的強(qiáng)度，減少焊接熱裂傾向，提高耐應(yīng)力腐蝕性能，但使塑性略有降低。某些合金中可以用鉻代替錳。就強(qiáng)化效果來說，鉻不如錳，若兩元素同時(shí)加入，其效果比單一加入的大。
Be
在高鎂合金中加入微量的鈹(w(Be)=0.0001%~0.005%)，能降低鑄錠的裂紋傾向和改善軋制板材的表面質(zhì)量，同時(shí)減少熔煉時(shí)鎂的燒損，并且還能減少在加熱過程中材料表面形成的氧化物。
Ti
高鎂合金中加入少量的鈦，主要是細(xì)化晶粒。
Fe
鐵與錳和鉻能形成難溶的化合物，從而降低錳和鉻在合金中的作用，當(dāng)鑄錠組織中形成較多硬脆化合物時(shí)，容易產(chǎn)生加工裂紋。此外鐵還會(huì)降低該系合金的耐腐蝕性能，因此一般應(yīng)控制w(Fe)<0.4%，對(duì)于焊絲材料***好***w(Fe)<0.2%。
Si
硅是有害雜質(zhì)(5A03合金除外)，硅與鎂形成Mg2Si相，由于鎂含量過剩，降低了Mg2Si相在基體中的溶解度，所以不但強(qiáng)化作用不大，而且降低了合金的塑性。軋制時(shí)，硅比鐵的負(fù)作用更大些,因此一般應(yīng)***w(Si)<0.5%。
5A03合金中w(Si)=0.5%~0.8%，可以減低焊接裂紋傾向，改善合金的焊接性能。
Cu
微量的銅就能使合金的耐蝕性能變差，因此應(yīng)***w(Cu)<0.2%，有的合金***得更嚴(yán)格些。
Zn
w(Zn)<0.2%時(shí)，對(duì)合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能沒有明顯影響。在高鎂合金中添加少量的鋅，抗拉強(qiáng)度可以提高10~20MPa，應(yīng)***合金中的雜質(zhì)w(Zn)<0.2%。
Na
微量雜質(zhì)鈉能強(qiáng)烈損害合金的熱變形性能，出現(xiàn)“鈉脆性”，在高鎂合金中更為突出。消除鈉脆性的辦法是使富集于晶界的游離鈉變成化合物，可以采用氯化方法使之產(chǎn)生NaCl并隨爐渣排出，也可以采用添加微量銻的方法。
6×××系
6 ×××系鋁合金的主要合金元素有鎂、硅、銅，合金中的微量元素有錳、鉻、鈦，而雜質(zhì)元素主要有鐵、鋅等，其作用如下：
Mg
鎂、硅含量的變化對(duì)退火狀態(tài)的Al-Mg-Si合金抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響不明顯。隨著鎂、硅含量的增加，Al-Mg-Si合金淬火自然時(shí)效狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度提高，伸長率降低。當(dāng)鎂、硅總含量一定時(shí)，鎂、硅含量之比對(duì)性能也有很大影響。固定鎂含量，合金的抗拉強(qiáng)度隨著硅含量的增加而提高。固定 Mg2Si相的含量，增加硅含量，合金的強(qiáng)化效果提高，而伸長率稍有提高。固定硅含量，合金的抗拉強(qiáng)度隨著鎂含量的增加而提高。含硅量較小的合金，抗拉強(qiáng)度的***大值位于α(Al)-Mg2Si-Mg2Al3三相區(qū)內(nèi)。Al-Mg-Si合金三元合金抗拉強(qiáng)度的***大值位于α(Al)-Mg2Si-Si三相區(qū)內(nèi)。
鎂、硅對(duì)淬火人工時(shí)效狀態(tài)合金的力學(xué)性能的影響規(guī)律，與淬火自然時(shí)效狀態(tài)合金的基本相同，但抗拉強(qiáng)度有很大提高，***大值仍位于α(Al)-Mg2Si-Si三相區(qū)內(nèi)，同時(shí)伸長率相應(yīng)降低。
合金中存在剩余Si和Mg2Si時(shí)，隨其數(shù)量的增加，耐蝕性能降低。當(dāng)合金位于α(Al)-Mg2Si兩相區(qū)以及Mg2Si相全部固溶于基體的單相區(qū)內(nèi)的合金，耐蝕性***好。所有合金均無應(yīng)力腐蝕破裂傾向。
合金在焊接時(shí)，焊接裂紋傾向性較大，但在α(Al)-Mg2Si兩相區(qū)中，w(Si)=0.2%~0.4%，w(Mg)=1.2%~1.4%的合金和在α(Al)-Mg2Si-Si三相區(qū)中，w(Si)=1.2%~2.0%，w(Mg)=0.8%~2.0%的合金，其焊接裂紋傾向較小。
Si見Mg元素作用描述。Cu
Al-Mg-Si合金中添加銅后，銅在組織中的存在形式不僅取決于銅含量，而且受鎂、硅含量的影響。
當(dāng)銅含量很少，w(Mg):w(Si)比為1.73：1時(shí)，則形成Mg2Si相銅全部固溶于基體中；當(dāng)銅含量較多，w(Mg):w(Si)比小于1.08時(shí)，可能形成W(Al4CuMg5Si4)相，剩余的銅則形成CuAl2；當(dāng)銅含量多，w(Mg):w(Si)比大于1.73時(shí)，可能形成S(Al2CuMg)和CuAl2相。W相與S相，CuAl2相和Mg2Si相不同，固態(tài)下只部分溶解參與強(qiáng)化，其強(qiáng)化作用不如Mg2Si相的大。
合金中加入銅，不僅顯著改善了合金在熱加工時(shí)的塑性，而且增加了熱處理強(qiáng)化效果，還能抑制擠壓效應(yīng)，降低合金因加錳后所出現(xiàn)的各向異性。
Mn
合金中加錳可以提高強(qiáng)度，改善耐蝕性、沖擊韌性和彎曲性能。在AlMg0.7Si1.0合金中添加銅、錳，當(dāng)w(Mn)<0.2%時(shí)，隨著錳含量的增加合金的強(qiáng)度提高很高.錳含量繼續(xù)增加，錳與硅形成AlMnSi相，損失了一部分形成Mg2Si相所必須的硅，而AlMnSi相的強(qiáng)化作用比Mg2Si相小。因而合金強(qiáng)化效果下降。
錳和銅同時(shí)加入時(shí)，其強(qiáng)化效果不如單獨(dú)加錳的好，但可使伸長率提高，并改善退火狀態(tài)制品的晶粒度。
當(dāng)合金中加入錳后，由于錳在α相中產(chǎn)生嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析，影響了合金的再結(jié)晶過程，會(huì)造成退火制品的晶粒粗化。為獲得細(xì)晶粒材料，鑄錠必須進(jìn)行高溫均勻化(550℃)以消除錳偏析。退火時(shí)以快速升溫為好。
Cr
鉻和錳有相似的作用。鉻可抑制Mg2Si相在晶界的析出，延緩自然時(shí)效過程，提高人工時(shí)效后的強(qiáng)度。鉻可細(xì)化晶粒，使再結(jié)晶后的晶粒呈細(xì)長狀，因而可提高合金的耐蝕性，適宜的w(Cr)=0.15%~0.3%。
Ti
6×××系鋁合金中添加w(Ti)=0.02%~0.1%和w(Cr)=0.01%~0.2%，可以減少鑄錠的柱狀晶組織，改善合金的鍛造性能，并細(xì)化制品的晶粒。
Fe
含少量的鐵(w(Fe)<0.4%時(shí))對(duì)力學(xué)性能沒有壞影響，并可以細(xì)化晶粒。
w(Fe)>0.7%時(shí)，生成不溶的(AlMnFeSi)相，會(huì)降低制品的強(qiáng)度、塑性和耐蝕性能。合金中含有鐵時(shí)，能使制品表面陽極氧化處理后的色澤變壞。
Zn
少量雜質(zhì)鋅對(duì)合金的強(qiáng)度影響不大，其w(Zn)<0.3%。
7×××系
Al-Zn-Mg合金
Al-Zn-Mg合金中的鋅、鎂是主要合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不大于7.5%。該合金隨著鋅、鎂含量的增加，其抗拉強(qiáng)度和熱處理效果一般也隨之增加。
合金的應(yīng)力腐蝕傾向與鋅，鎂含量的總和有關(guān)，高鎂低鋅或高鋅低鎂的合金，只要鋅、鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和不大于7%，合金就具有較好的耐應(yīng)力腐蝕性能。合金的焊接裂紋傾向隨鎂含量的增加而降低。
Al-Zn-Mg 系合金中的微量元素有錳、鉻、銅、鋯和鈦，雜質(zhì)元素主要有鐵和硅，具體作用如下：
Mn
添加錳和鉻能提高合金的耐應(yīng)力腐蝕性能，w(Mn)=0.2%~0.4%時(shí)，效果顯著。加鉻的效果比加錳大，如果錳和鉻同時(shí)加入，對(duì)減少應(yīng)力腐蝕傾向的效果就更好，w(Cr)=0.1%~0.2%為宜。
Cr見Mn元素的作用描述。Zr
鋯能顯著地提高Al-Zn-Mg系合金的可焊性。在AlZn5Mg3Cu0.35C0.35合金中加入0.2%Zr時(shí)，焊接裂紋顯著降低。鋯還能夠提高合金的再結(jié)晶終了溫度。
在AlZn4.5Mg1.8Mn0.6合金中，w(Zr)>0.2%時(shí)，合金的再結(jié)晶終了溫度在500℃以上，因此材料在淬火以后仍保留著變形組織。含錳的Al-Zn-Mg合金添加w(Zr)=0.1% ~0.2%，還可提高合金的耐應(yīng)力腐蝕性能，但鋯比鉻的作用低些。
Ti
合金中添加鈦能細(xì)化合金在鑄態(tài)時(shí)的晶粒，并可改善合金的可焊性，但其效果比鋯低。若鈦和鋯同時(shí)加入效果更好。
在w(Ti)=0.12%的AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3合金中，w(Zr)>0.15%時(shí)，合金即有較好的可焊性和伸長率，可獲得與單獨(dú)加入w(Zr)>0.2%時(shí)相同的效果。鈦也能提高合金的再結(jié)晶溫度。
Cu
Al-Zn-Mg系合金中加少量的銅，能提高耐應(yīng)力腐蝕性能和抗拉強(qiáng)度，但合金的可焊性有所降低。
Fe
鐵能降低合金的耐蝕性和力學(xué)性能，尤其對(duì)錳含量較高的合金更為明顯。所以，鐵含量應(yīng)盡可能低，應(yīng)***w(Fe)<0.3%。
Si
硅能降低合金強(qiáng)度，并使彎曲性能稍降，焊接裂紋傾向增加，應(yīng)***w(Si)<0.3%。
Al-Zn-Mg-Cu合金
Al-Zn-Mg-Cu 合金為熱處理可強(qiáng)化合金，起主要強(qiáng)化作用的元素為鋅和鎂，銅也有一定強(qiáng)化效果，但其主要作用是為了提高材料的抗腐蝕性能。合金中還有少量的錳、鉻、鋯、釩、鈦、硼等微量元素，鐵和硅在合金中是有害雜質(zhì)，其相互作用如下：
Mg
鋅、鎂是主要強(qiáng)化元素，它們共同存在時(shí)會(huì)形成η(MgZn2)和T(Al2Mg2Zn3)相。η相和T相在鋁中溶解度很大，且隨溫度升降劇烈變化，MgZn2在共晶溫度下的溶解度達(dá)28%，在室溫下降低到4%~5%，有很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果，鋅和鎂會(huì)量的提高可使強(qiáng)度、硬度大大提高，但會(huì)使塑性、抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性降低。
Zn見Mg元素作用描述。Cu
當(dāng)w(Zn)：w(Mg)>2.2，且銅含量大于鐵合量時(shí)，銅與其他元素能產(chǎn)生強(qiáng)化相S(CuMgAl2) 而提高合金的強(qiáng)度，但在與之相反的情況下S相存在的可能性很小。銅能降低晶界與晶內(nèi)電位差，還可以改變沉淀相結(jié)構(gòu)和細(xì)化晶界沉淀相，但對(duì)PFZ的寬度影響較?。凰梢种蒲鼐ч_裂的趨勢(shì)，因而改善合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。然而當(dāng)w(Cu)約3%時(shí)，合金的抗蝕性反而變壞。銅能提高合金過飽和程度，加速合金在100~200℃人工時(shí)效時(shí)效過程，擴(kuò)大GP區(qū)的穩(wěn)定溫度范圍，提高抗拉強(qiáng)度塑性和疲勞強(qiáng)度。
此外，美國E.S.Lin等入研究了銅的含量對(duì)7×××系鋁合金疲勞強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)銅含量在不大的范圍內(nèi)隨著銅含量的增加提高了周期應(yīng)變疲勞抗力和斷裂韌性，并在腐蝕介質(zhì)中降低刻紋擴(kuò)展速率，但銅的加入有產(chǎn)生晶間腐蝕和點(diǎn)腐蝕的傾向。另有資料介紹，銅對(duì)斷裂韌性的影響與w(Zn)：w(Mg)值有關(guān)，當(dāng)比值較小時(shí)，銅含量越高韌性越差；當(dāng)比值大時(shí)，即使銅含量較高，韌性仍然很好。
Mn
添加少量的過渡族元素錳、鉻等對(duì)合金的組織和性能有明顯的影響。這些元素可在鑄錠均勻化退火時(shí)產(chǎn)生彌散的質(zhì)點(diǎn)，阻止位錯(cuò)及晶界的遷移，從而提高再結(jié)晶溫度，有效地阻止晶粒的長大;可細(xì)化晶粒，并保證組織在熱加工及熱處理后保持未再結(jié)晶或部分再結(jié)晶狀態(tài)，使強(qiáng)度提高的同時(shí)具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。在提高抗應(yīng)力腐蝕性能方面，加鉻比加錳效果好，加入w(Cr)=0.45%的抗應(yīng)力腐蝕開裂壽命比加同量錳的長幾十***百倍。
Cr見Mn元素作用描述。Zr
鋯可大大提高合金的再結(jié)晶溫度，無論是熱變形還是冷變形，在熱處理后均可得到未再結(jié)晶組織，鋯還可提高合金的淬透性，可焊性，斷裂韌性，抗應(yīng)力腐蝕性能等，是A1-Zn-Mg-Cu 系合金中很有發(fā)展前途的微量添加元素。
Ti
鈦能細(xì)化合金在鑄態(tài)時(shí)的晶粒，并提高合金的再結(jié)晶溫度。
B同Ti元素。Fe
鐵和硅在7×××系鋁合金中是不可避免存在的有害雜質(zhì)，其主要來自原材料以及熔煉、鑄造中使用的工具和設(shè)備。這些雜質(zhì)主要以硬而脆的 FeAl3和游離的硅形式存在，這些雜質(zhì)還與錳、鉻形成(FeMn)Al6、(FeMn)Si2Al5、Al(FeMnCr)等粗大化合物，F(xiàn)eAl3有細(xì)化晶粒的作用，但對(duì)抗蝕性影響較大，隨著不溶相含量的增加，不溶相的體積分?jǐn)?shù)也在增加，這些難溶的第二相在變形時(shí)會(huì)破碎并拉長，出現(xiàn)帶狀組織，粒子沿變形方向呈直線狀排列，由短的互不相連的條狀組成。由于雜質(zhì)顆粒分布在晶粒內(nèi)部或者晶界上，在塑性變形時(shí)，在部分顆粒-基體邊界上發(fā)生孔隙，產(chǎn)生微細(xì)裂紋，成為宏觀裂紋的發(fā)源地，同時(shí)它也會(huì)促使裂紋的過早發(fā)展。此外，它對(duì)疲勞裂紋的成長速度有較大的影響，在破壞時(shí)它具有一定的減少局部塑性的作用，這可能和由于雜質(zhì)數(shù)量增加使顆粒之間距離縮短，從而減少裂紋尖端周圍塑性變形的流動(dòng)性有關(guān)。因?yàn)楹F、硅的相在室溫下很難溶解，起到缺口作用，容易成為裂紋源而使材料發(fā)生斷裂，對(duì)伸長率，特別對(duì)合金斷裂韌性有非常不利的影響。因此，新型合金在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)時(shí)，對(duì)鐵、硅的含量控制較嚴(yán)，除采用高純金屬原料外，在熔鑄過程中也采取一些措施，避免這兩種元素混入合金中。
Si見Fe元素作用描述。
來源：材易通
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