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https://mp.weixin.qq.com/s/ClDjatMLfMR-1u1l8W9d8A  铝合金是铝与其他元素如铜、镁、锌、硅等的合金，铝合金具有轻质、高强度、良好的导电性和优异的耐腐蚀性等特性。由于这些特性，铝合金广泛用于航空航天、汽车制造、建筑业、电子器件和包装材料等多种领域。 铝合金分类 铝合金通常按成分和生产工艺分为两大类： 铸造铝合金：适用于铸造工艺的铝合金，常用于制造复杂形状的零件。 变形铝合金：适用于通过机械加工（如压延、挤压）进行成型的铝合金。 根据是否可以通过热处理来增强进行分类： 可热处理铝合金：这些合金可以通过解决处理、淬火和时效来增强其性能。常见的系列包括2xxx（铝-铜合金）、6xxx（铝-镁-硅合金）、7xxx（铝-锌合金）等。这些合金通常用于要求高强度的应用，如航空航天和运输。 不可热处理铝合金：这些合金的强度主要通过工作硬化或通过添加合金元素如锰和镁来增强。包括1xxx（纯铝）、3xxx（铝-锰合金）、5xxx（铝-镁合金）系列。这些材料通常用于包装、建筑和海洋应用。 1XXX系铝合金 1xxx系列铝合金，也称为纯铝系列，主要特点是铝含量很高，通常在99%以上。这些合金因其纯度高而具有一些特定的物理和化学性能，使它们在特定应用中非常有用。 应用领域 电气导线：纯铝具有良好的导电性，广泛用于电力线路和电缆制造。 食品和化学品包装：由于其优异的耐腐蚀性，常用于制作罐头和其他包装容器。 热交换器和散热器：良好的热传导性使其适合用于散热片和冷却装置。 装饰板：因其天然的光泽和加工便利性，用于装饰性面板和反光镜面。 服役条件 1xxx系列铝合金通常在不需要特别高强度但要求良好导电性、热导性或耐腐蚀性的环境中使用。 常见牌号及合金成分 1050：含铝量约为99.5%，非常适合用于化学和食品加工设备。 1100：最常见的商业纯铝牌号，含铝量约99.0%，广泛用于导电和热交换设备。 1199：含铝量高达99.99%，主要用于导电性极佳的电气应用。 微观结构 1xxx系列铝合金的微观结构主要是由纯铝晶体组成，晶粒通常较大，内部应力较小。由于几乎没有合金化元素，没有显著的第二相或强化相。  1100牌号铝合金光镜图 力学性能范围 抗拉强度：约90-130 MPa，取决于具体牌号和加工硬化状态。 延展性：30-40%。 常见的失效因素 蠕变：在较高温度下，纯铝容易发生蠕变现象，导致性能下降。 疲劳：在反复加载和卸载的情况下，即使是轻微的负载也可能导致疲劳裂纹。 耐腐蚀性问题：虽然纯铝本身具有良好的耐腐蚀性，但在某些特殊环境下（如高度盐分或酸性环境）仍可能腐蚀。 2xxx系列铝合金，通常被称为铝铜合金，以铜作为主要合金元素。这种合金系列以其高强度和良好的机械性能而闻名，尤其适用于航空航天工业。 应用领域 航空航天工业：飞机结构件、机身框架、机翼部件等。 军事：军用飞机和装甲车辆的部件。 运动器材：高性能自行车和棒球棒。 高性能汽车部件：比如赛车的一些结构部件。 服役条件 这些合金通常在需要高强度、良好的疲劳抵抗和适度的抗腐蚀性的应用中使用。虽然其耐腐蚀性不如其他铝合金，但通过涂层和特殊处理可以得到改善。 常见牌号及合金成分 2024：铝-铜-镁，含少量锰，是最广泛使用的2xxx系列合金之一。 2014：铝-铜-硅-镁合金，适用于高温应用。 2219：铝-铜-钒，优异的高温强度和焊接性能。 微观结构 基体相：主要由铝组成，含有少量铜和其他合金元素。 强化相：主要是铜铝化合物（如Al2Cu），这些第二相颗粒通过时效处理形成，从而显著增强强度。 固溶强化：铝合金中的铜主要以固溶体的形式存在于铝的晶格中。固溶强化发生在铜原子溶解在铝基体中时，这些铜原子替代了一些铝原子的位置，从而略微扰乱了晶体的原子排列。这种微小的晶格畸变会增加位错移动的难度，从而提高材料的屈服强度和抗拉强度。 沉淀强化：2xxx系列合金中最重要的强化机制是通过形成沉淀相来实现的，这些沉淀相在时效处理过程中形成。主要的沉淀相是Al2Cu（称为θ相），这种金属间化合物在微观尺度上非常硬和脆，可以有效地阻碍位错的运动。 时效过程：将合金先加热到一定温度使合金元素充分固溶，然后快速冷却（淬火），此后进行时效处理（在较低的温度下加热一段时间）。这个过程会使得过饱和固溶体中的铜逐渐析出形成细小的θ相。 分布状态：在早期阶段，沉淀物通常以非常细小的形式分散在基体中（称为GP区或θ''相），随着时效时间的延长，这些沉淀物会长大并转变成更稳定的θ'和θ相。 晶粒细化：虽然2xxx系列合金的强化主要依靠固溶和沉淀强化，晶粒细化也可以在一定程度上提高合金的强度。加工过程中的变形和随后的退火处理可以用来控制晶粒大小，较小的晶粒能更有效地阻碍位错的运动，从而提高材料的屈服强度和抗疲劳性能。 第二相颗粒：除了主要的θ相沉淀外，2xxx系列合金中可能还包含其他类型的第二相颗粒，如Al2CuMg（S相）。这些颗粒进一步增强了合金的性能，尤其是在提高抗疲劳裂纹扩展能力方面。  热压烧结2024牌号铝合金纵截面的光镜和SEM图 力学性能范围 抗拉强度：通常在300到500 MPa之间，某些热处理状态下可达更高。 屈服强度：约280到400 MPa。 延展性：3-18%。 常见的失效因素 应力腐蚀开裂（SCC）：2xxx系列铝合金特别敏感于应力腐蚀，尤其是在某些环境下，如含氯环境。 疲劳破裂：在循环应力下，可能会发生疲劳破裂，特别是在航空航天应用中。 蠕变：在高温环境下长时间服役时，部分合金可能会表现出蠕变现象。 3xxx系列铝合金，也称为铝锰系列，是一种通过添加锰来强化的非热处理铝合金。这种合金系列以其良好的耐腐蚀性、加工性和中等强度而广泛应用于各种领域。 应用领域 建筑业：用于屋顶覆盖材、侧板等建筑装饰。 化工和食品处理设备：由于其出色的耐腐蚀性，常用于制造化学处理设备和食品容器。 热交换器：良好的导热性能使其适用于空调系统、汽车散热器和冷凝器。 厨具：如烹饪器具和烤盘等。 服役条件 3xxx系列合金通常用于需要良好耐腐蚀性和中等强度的环境中。它们适用于温和到中等的化学和氧化环境，可以承受湿润和多变的气候条件。 常见牌号及合金成分 3003：最常用的3xxx系列铝合金，含有约1.2%的锰。 3004：比3003含有更高的锰含量和镁，增强了强度，常用于制作罐头。 3105：含有稍微增加的锰和镁含量，用于制造建筑材料和车辆部件。 微观结构 基体相：主体为铝，微量的锰、镁等元素通过固溶强化作用提高其性能。 强化相：不同于2xxx和7xxx系列，3xxx系列不依赖于明显的沉淀相来增强强度。锰主要通过固溶强化和晶粒细化的形式存在，提高合金的强度和耐蚀性。 固溶强化：在3xxx系列合金中，锰主要通过固溶强化机制作用。锰原子溶解在铝的晶格中，略微扰动铝原子的排列。这种扰动虽然微小，但足以阻碍位错的运动，从而增强材料的机械强度。 晶粒细化：锰的加入也有助于晶粒的细化。晶粒细化是通过控制铝合金在固态变形和随后的热处理过程中晶粒的生长实现的。细小的晶粒可以更有效地阻碍位错的运动，增加合金的屈服强度和抗疲劳性能。晶粒细化是通过控制合金的冷加工和退火条件来实现的。 第二相：虽然3xxx系列铝合金不依赖于复杂的沉淀强化过程，锰的存在可以形成微小的第二相粒子，这些粒子通常是Al(Mn,Fe)Si相。这些第二相粒子在铝基体中通常均匀分布，有助于阻止位错运动，并提供额外的强化作用。这些颗粒主要在合金的熔炼和铸造过程中形成，并在后续的热处理和加工中被进一步细化和均匀分布。 位错结构：由于3xxx系列铝合金通常经历一定程度的冷加工，其位错结构也较为复杂。冷加工会增加材料内部的位错密度，从而提高其强度。然而，这也会降低材料的延展性，因此通常需要通过退火来恢复其延展性。 力学性能范围 抗拉强度：通常在145到290 MPa之间。 屈服强度：大约为90到200 MPa。 延展性：10-25%。 常见的失效因素 腐蚀：虽然3xxx系列具有良好的耐腐蚀性，但在极端或腐蚀性更强的化学环境中，长期暴露仍可能导致腐蚀。 疲劳：在反复应力作用下，可能经历疲劳失效，特别是在应力集中的地方。 应力腐蚀开裂（SCC）：在特定环境下，尽管不常见，但3xxx系列有可能出现应力腐蚀开裂。 4xxx系列铝合金主要是以硅为主要合金元素的系列。这种合金系列特别适用于焊接材料和铸造体，硅的加入显著降低了铝的熔点，增强了流动性，同时也提高了耐磨性。 应用领域 焊接材料：用作焊条和焊丝，适用于铝合金的焊接过程。 铸件：用于制造汽车部件、机器部件和其他需要高耐磨性的铸造产品。 散热片材料：在电子行业中，用于制作散热片和散热器。 服役条件 这些合金通常在需要良好的耐热性和耐磨性的环境中使用，且通常作为铸造材料，需要有较好的流动性和较低的热膨胀系数。 常见牌号及合金成分 4043：硅含量约为5%，是最常用焊接合金之一。 4032：硅含量高达12%，通常用于制造高性能的活塞和其他机械部件。 微观结构 基体相：铝合金基体，含有一定比例的硅。 强化相：硅颗粒，通常以分散的形式存在，这些硅颗粒提供了一定的强化效果，增加了材料的硬度和耐磨性。  4043-The optical microstructure of the two as cast alloys (a)(c) Al-Si alloy; (b)(d) Al-Si-Sc-Zr alloy. 力学性能范围 抗拉强度：约100到350 MPa，取决于具体的合金成分和热处理状态。 屈服强度：约50到250 MPa。 延展性：延伸率一般在5%到25%之间，这取决于硅的含量和热处理状态。高硅含量的合金（如4032）延展性较低，通常在5%以下，而低硅含量的合金（如4043）延展性较好，可以达到20%以上。 常见的失效因素 热裂：在铸造和焊接过程中，由于硅的存在改变了合金的热性能，可能导致热裂。 磨损：虽然硅提高了耐磨性，但在高负载下合金可能仍然经历磨损。 腐蚀：特定环境下，如含盐水环境，铝硅合金可能比其他铝合金系列更易腐蚀。 5xxx系列铝合金以镁为主要合金元素，被广泛认为是具有优秀的耐腐蚀性、高强度和良好焊接性能的合金。这些特性使得5xxx系列合金特别适合用于海洋环境和要求高耐腐蚀性的应用。 应用领域 海洋应用：船舶结构、海上平台、以及其他要求耐盐水腐蚀的设备。 运输工具：汽车车身、铁路车厢、卡车车厢和拖车。 建筑：屋顶覆盖材料、外墙覆层和窗框。 压力容器：用于制造要求无焊接缺陷的压力容器和储罐。 服役条件 这些合金通常用于要求良好耐腐蚀性、中高强度和优异焊接性能的环境中，尤其是海洋和湿润气候。 常见牌号及合金成分 5052：含镁约2.5%，广泛用于制造船舶和车辆部件。 5083：含镁4.0%-4.9%，是强度最高的非热处理铝合金之一，常用于船舶和其他高强度应用。 5754：含镁约3%，具有良好的焊接性，常用于汽车工业。 微观结构 基体相：主体为铝，其次是镁。镁在铝中的固溶提供了固溶强化。 强化相：不像2xxx或7xxx系列，5xxx系列不依赖于可见的沉淀相来提供强化。强化主要来自镁的固溶强化和晶粒细化。 力学性能范围 抗拉强度：约100到350 MPa，具体取决于合金的具体牌号和热处理状态。 屈服强度：约50到250 MPa。 延展性：延伸率通常在12%到25%之间。 常见的失效因素 应力腐蚀开裂（SCC）：尽管5xxx系列的耐腐蚀性很好，但在某些环境（特别是高温和高应力环境）下仍可能发生应力腐蚀开裂。 疲劳：在循环负载的应用中，如车辆的车身和结构部件，疲劳可能是一个问题。 腐蚀：虽然通常具有很好的耐腐蚀性，但在极端腐蚀环境中或由于合金元素如铁和硅的不当控制，可能导致局部腐蚀。 6xxx系列铝合金是一种广泛使用的铝合金系列，主要以镁和硅为主要合金元素。这个系列的合金具有良好的机械性能、出色的耐蚀性和优异的可挤压性，使其成为建筑和工业应用的热门选择。 应用领域 建筑业：用于建筑结构件、门窗框架、幕墙系统等。 汽车行业：用于汽车车身结构件、散热器、车框等。 航空航天：虽不如7xxx或2xxx系列常用，但在一些非结构应用中使用。 工业应用：各种类型的机器零件、电子设备外壳和运输轨道。 服役条件 这些合金通常在需要中等强度和高耐腐蚀性的环境中使用，也要求良好的加工性和焊接性。 常见牌号及合金成分 6061：含镁约1.0%，硅约0.6%，是最通用的6xxx系列合金之一，广泛用于结构性应用。 6063：含镁约0.45%-0.9%，硅约0.2%-0.6%，被广泛用于建筑型材和窗框，具有良好的表面处理特性。 6082：含镁约0.6%-1.2%，硅约0.7%-1.3%，较6061含有稍多的镁和硅，常用于要求更高强度的应用。 微观结构 基体相（铝基体）：6xxx系列合金的基体主要是铝，在此基体中镁和硅作为主要的合金元素通过固溶强化机制增强材料性能。固溶处理通常在高温下进行，使得镁和硅完全溶解于铝中，形成均匀的固溶体。 强化机制 固溶强化：镁和硅原子溶解在铝的晶格中，增加了晶体结构的畸变能，这使得位错的运动受到阻碍，从而提高材料的屈服强度和抗拉强度。 沉淀强化：6xxx系列合金的主要强化机制是通过形成Mg2Si沉淀相来实现的。这些沉淀相在合金的时效处理过程中形成，极大地提高了合金的力学性能。 时效过程：包括溶解处理后的快速冷却以形成过饱和固溶体，随后在中温下进行时效，使过饱和的镁和硅析出，形成细小的Mg2Si沉淀物，通常以非常细小的形式出现，分布在铝基体中。这些细小的沉淀物均匀分布在铝基体中，有效阻碍位错的运动。 晶粒大小：通过控制合金的冷却速率和热处理参数，可以优化晶粒的大小和形态，从而进一步提高材料的力学性能和抗疲劳性能。  牌号6061铝合金光镜图 力学性能范围 抗拉强度：约240到320 MPa，具体取决于具体的合金和热处理状态。 屈服强度：约140到290 MPa。 延展性：延伸率一般在8%到16%之间。 常见的失效因素 应力腐蚀开裂（SCC）：在特定的应力和腐蚀环境下，6xxx系列合金可能会经历应力腐蚀开裂。 疲劳：在循环负载的应用中，6xxx系列合金可能会出现疲劳问题，尤其是在未进行适当热处理或设计不当的情况下。 腐蚀：虽然具有良好的耐腐蚀性，但在极端或腐蚀性更强的环境中，如海洋盐雾环境，还是可能出现腐蚀问题。 7xxx系列铝合金是一种高强度的铝合金系列，主要由锌作为主要合金元素，通常还含有镁和铜，使得这些合金具有优秀的机械性能和良好的抗疲劳特性。这些特性使得7xxx系列铝合金在航空航天和军事领域特别受欢迎。 应用领域 航空航天：用于飞机结构件、直升机部件、火箭和航天器的构件。 军事：制造军用车辆的装甲板和其他结构件。 高性能运动设备：如自行车框架、攀岩设备和高尔夫球杆头。 工业应用：高性能模具和机械零件。 服役条件 这些合金通常在需要极高强度、良好抗疲劳性能和适度抗腐蚀性的环境中使用。 常见牌号及合金成分 7075：含锌约5.6%，镁约2.5%，铜约1.6%，是7xxx系列中最著名的合金，因其优秀的综合性能而广泛使用。 7068：被认为是最强大的商业铝合金，含锌约8.4%，镁约2.85%，铜约1.2%，具有更高的强度和更好的耐磨性。 7050：含锌约6.2%，镁约2.3%，铜约2.3%，用于航空领域，具有优异的抗应力腐蚀裂纹能力。 微观结构 基体相（铝基体）：合金的主体结构，其中锌、镁和铜等合金元素通过固溶强化机制溶解于铝晶格中。固溶强化提高了晶格畸变，从而提升了合金的强度。 强化相：7xxx系列合金的主要强化机制是通过沉淀强化，特别是含锌和镁的沉淀物。最重要的强化相包括： MgZn2（ζ相）：这是在时效过程中形成的主要沉淀物，非常细小，均匀分布在铝基体中，有效地阻碍位错的运动，大幅增强合金的强度。 其他次要沉淀物：如Σ相（Al2CuMg）和η相（MgZn2），它们也对合金的性能有所贡献。 沉淀相的形成 时效硬化：涉及溶体处理（加热至高温使合金元素完全固溶，然后迅速冷却形成过饱和固溶体）和时效处理（在较低温度下长时间保温，促使过饱和固溶体中的元素析出形成微小沉淀相）。 过饱和固溶体：快速冷却后，锌和镁在铝晶格中形成过饱和状态，这是形成沉淀相的前提。 微细沉淀相：在时效过程中，析出的微细MgZn2相分布在铝基体中，这些沉淀物极大地增加了合金的屈服强度和抗拉强度。  牌号7075铝合金光镜图  牌号7075铝合金SEM图 力学性能范围 抗拉强度：一般在500到700 MPa之间。 屈服强度：约430到630 MPa。 延展性：延伸率通常在5%到11%之间。 常见的失效因素 应力腐蚀开裂（SCC）：7xxx系列合金对应力腐蚀开裂特别敏感，尤其是在某些腐蚀性环境中。 疲劳：虽然具有良好的抗疲劳性能，但在高循环负载下，疲劳裂纹的生成和扩展仍是失效的因素。 分 割 线 公众号 ｜南草 bilibili ｜北林-_- Wayne |
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