鋁及鋁合金憑借優異的鑄造和加工性能，能夠加工成為各種狀態及形狀的結構件、零部件應用于航空、航天及船艦等追求裝備輕量化的領域，與鈦合金還有復合材料并稱三大輕質結構材料。

一、鋁及鋁合金簡介

1、定義

純鋁：銀白色輕金屬，密度小，導電性、導熱性好，化學性質活潑，易與氧反應形成致密的氧化膜，阻止其進一步氧化從而具有抗蝕性。

鋁合金：一般情況下工業純鋁難以滿足服役要求，通常會以鋁為基體，加入少量金屬或非金屬元素，采用合金化方式使其性能得到顯著提升，鋁合金具有比強度和比剛度高，彈性好、塑性好、抗沖擊性能良好的優勢，此外還具有優異的成形和加工性能，可進行精密鑄造和粉末冶金成形。

2、分類及牌號

鋁按其純度氛圍高純鋁、工業高純鋁和工業純鋁，純鋁的牌號用“鋁”字拼音首字母“L”和其后面的編號表示。

高純鋁的牌號有L01、L02、L03、L04、L05，后面的數字越大，純度越高，含鋁量在99.85%-99.99%之間。

工業純鋁的牌號有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、L6，后面的數字表示純度，數字越大，純度越低。

鋁合金一般通過其成分、組織和工藝等特點，可以將其分為鑄造鋁合金與變形鋁合金兩大類。

工程上常用鋁合金相圖大都與上圖類似，D點成分以左的合金在加熱至高溫時能形成單相固溶體組織，其塑性較高成為變形鋁和金；于D點成分以右的合金，因含有共晶組織，液態流動性較高適用于鑄造，稱為鑄造鋁合金。

對于變形鋁合金而言位于F點以左成分的合金不能進行熱處理強化，稱為熱處理不可強化的鋁合金；成分在F和D之間的鋁合金，由于合金元素在鋁中有溶解度的變化會析出第二相，可以通過熱處理使合金強度提高，稱為熱處理強化鋁合金。

表1 鋁合金分類及性能特點

 

按合金性能和用途分為：工業純鋁、光輝鋁合金、切削鋁合金、耐熱鋁合金、低強度鋁合金、中強度鋁合金、高強度鋁合金（硬鋁）、超高強度鋁合金 （超硬鋁）、鑄造鋁 合金及特殊鋁合金等 。

按合金中所含主要元素成分分為：工業純鋁 （(1XXX系），Al--Cu系合金 （(2XXX系），Al一Mn系合金 （3XXX系），Al一Si系合金 （(4XXX系），Al一Mg系合金 5XXX系），Al一Mg一Si系合金 （6XXX系），Al一Zn一Mg一Cu系合金 （7XXX系）， Al一Li系合金 （8XXX系）及備用合金組 （9XXX系）。

3、鋁合金的發展歷程

鋁合金的研究歷史只有兩百多年，其工業生產在20世紀初期才開始，主要發展經歷了以下幾個階段：

4、鋁的冶煉方法

工業生產原鋁的方法：霍爾-埃魯鋁電解法

鋁在生產過程中有四個環節構成完整的產業鏈：

鋁礦石開采---氧化鋁制取---電解鋁冶煉---鋁加工生產

鋁合金冶煉工藝

 

二、鋁合金牌號、狀態及表示方法

1、牌號表示方法概述

變形鋁合金牌號按照 GB/T16474-2011規定 ，采用 2XXX系一8XXX系列表示。牌號第一位數字組別，按銅 、錳 、硅、鎂、鋅、其他元素的順序來確定合金組別；牌號第 二位的字母表示原始合金的改型情況，如果牌號第二位的字母是 A，則表示為原始合金， 如果是 B-Y的其他字母，則表示為原始合金的改型合金；牌號的最后兩位數字沒有特殊意義 ，僅用來區分同一組中不同的鋁合金，例如 2A12（舊牌號 LY12）表示以銅為主要合金元素的鋁合金。

鑄造鋁合金采用國際標準命名，化學元素符號后加元素的百分含量，如 AI-Si12Mg表示 Si含量為12％,Mg含量小于 1％的鑄造鋁合金。合金代號由字母 ZL（鑄鋁） 及其后的3位阿拉伯數字組成，第1位數字表示合金系列，1為 Al-Si系，2為 Al-Cu系，3 為 AI-Mg系，4為 Al-Zn系；第 2位和第3位表示合金的順序號，數字后面的字母 A表示優質合金。

2、狀態及表示

我國制定了GB/T 16475-1996(2008年修訂為 GB/T16475-2008)規定加工鋁材狀態的表示方法，與美國鋁業協會（AA）基本一致 。狀態代號由拉丁字母與數字組成，用 連字符與合金牌號隔開，包含了基礎狀態代號和細分代號。

 

 

如下圖所示為經過不同生產工藝流程獲得的狀態：

圖1 不同生產工藝獲得的狀態

三、鋁合金材料成分及性能

1、常用鋁合金材料牌號及化學成分

常用變形鋁合金的牌號與化學成分見表2，參見國標 GB/T 3190一2008。常用鑄造鋁合金的牌號與化學成分見表3。

表2 常用變形鋁合金的牌號與化學成分

表3 常用鑄造鋁合金的牌號與化學成分

 

2、常用變形鋁合金材料的性能

變形鋁合金可以用鍛造、軋制、沖壓 、拉拔和擠壓的方法進行壓力加工。

1)1XXX系鋁合金

1XXX系列產品是純鋁系列。其特征是具有優良的抗腐蝕性能、導電性、導熱性及加工性，但是強度小，不適合用作結構材料，1XXX系鋁合金的典型室溫力學性能、熱學性能、電學性能見表4一表6。

表4 典型 1XXX系鋁合金的室溫力學性能

表5 典型 1XXX系鋁合金的熱學性能

表6 典型 1XXX系鋁合金的電學性能

2)2XXX系鋁合金

2XXX系鋁合金屬于熱處理強化型鋁合金，銅是該系合金的主要合金元素，由于含有較多的銅，因此耐蝕性較差，在某些情況下會受到晶間腐蝕，須另外做防蝕處理。該系鋁合金焊接性能也較差，在結合時，主要是用鉚接、螺栓結合、電阻焊接。但這一系列中多數合金具有優良的切削性能，特別是添加鉛 (Pb),鉍 (Bi）的2011合金，常用來制造機械零件。2XXX系鋁合金的電學性能見表7。

表7 2XXX系鋁合金的電學性能

3)3XXX系鋁合金

3XXX系鋁合金為非熱處理不可強化的鋁合金，含有的主要元素是 Mn。此系合金的最大優點是具有良好的耐蝕性能和焊接性能，在中性介質中耐蝕性能稍次于鋁，在其他介質中的耐蝕性能與純鋁接近。3XXX系鋁合金的熱學性能、電學性能及力學性能見表8一表10。

表8 3XXX系鋁合金的熱學性能

表9 3XXX系鋁合金的電學性能

表10 3XXX系鋁合金的力學性能

4)4XXX系鋁合金

4XXX系合金屬于 Al一Si系合金，這個系列的合金一般不可熱處理強化，硅能以較大含量（(12%）加到鋁中。Al一Si變形合金主要是加工成焊料，用于焊接鎂含量不高的所有變形鋁合金和鑄造鋁合金；其次是加工成鍛件，制造活塞和在高溫下工作 的零部件。用于軋制釬焊板的變形鋁合金的硅含量可達 12%。4XXX系鋁合金的熱學性能 、電學性能見表11和表12。

表 11 4XXX系鋁合金的熱學性能

表12 4XXX系鋁合金的電學性能

5)5XXX系鋁合金

5XXX系鋁合金屬于不可熱處理強化的鋁合金，應用較廣，Mg是該系合金中的主要合金元素，當Mg為主要元素或與Mn一起加入時，能形成具有中等強度或高強度的可加工硬化合金。這個系列的合金具有良好的焊接性能和加工性能，并在海洋空氣 中具有良好的抗蝕性能，又稱為“防銹鋁”。Al-Mg合金中通常還加入少量或微量的 Mn,Cr,Be,Ti等。Mn除少量固溶外， 大部分形成 MnAl6，可使含 Mg相沉淀均勻，不但提高合金強度 ，還使合金抗應力腐蝕能力進一步增強。5XXX系鋁合金電學性能見表13.

表 13 5XXX系鋁合金電學性能

6)6XXX系鋁合金

6XXX系鋁合金的主要合金元素是Mg與Si，強化相為Mg2Si，Mg與Si的質量比為 1.73:1，可形成 Al一MgtSi偽二元系。在實際生產中質量比很難控制如此精準，當Mg含量過剩時，會明顯減少Mg2Si 的固溶度而降低沉淀強化效果，使強度與成形性降低，但合金的抗蝕性好；而適當的Si 過剩可以細化 Mg2Si，同時Si沉淀后具有強化效果，合金的強度高，但成形性能及焊接性能較低 ，過量的 Si易在晶界偏析引起合金脆化 ，降低塑性 ，加入Cr和 Mn有利于減小過剩Si的不良作用。

經過幾十年的實踐應用和篩選，證明6063,6082,6061和 6005等4種合金及其變種已經占據了 6XXX系鋁合金的統治地位 （80％以上），它們涵蓋了抗拉強度從180-360MPa整個范圍內的所有合金。

表 14 6XXX系鋁合金的熱學性能

表 15 6XXX系鋁合金的電學性能

表 16 典型6XXX系鋁合金型材的力學性能

7XXX系鋁合金包括 Al一Zn,Al一Zn一Mg和Al一Zn一Mg一Cu合金。含 Zn的變形鋁合金由于存在很強的應力腐蝕裂紋敏感性未能獲得商業應用。直至 20世紀 40年代初，研究者才發現在Al一Zn一Mg合金基礎上加入Cu,Mn,Cr等元素能顯著改善該系合金抗應力腐蝕和抗剝落腐蝕的性能，開發出7075合金，還有其他如7178合金、7079合金、7175合金和7475合金等。在 Al一Zn 一Mg合金基礎上加入Cu所形成的Al一Zn一Mg一Cu系合金，其強化效果在所有鋁合金中是最好的。

表17 7XXX系鋁合金的熱學性能

表18 7XXX系鋁合金的電學性能

表 19 7075合金在不同溫度下的典型力學性能

 

四、鋁合金材料中合金元素的作用

通常，加入量超過 1％的元素稱為主合金元素，對合金的組織性能產生決定性影響。微量合金元素能改變沉淀相的界面能 、提高空位濃度及均勻沉淀的臨界溫度，對時效和回復再結 晶產生很大影響，因此，微合金化成為進一 步挖掘傳統合金潛力和開發新型鋁合金的重要途徑。

1）Cu的作用

Cu在鋁中的極限固溶度為 5.67%，有 固溶強化和沉淀強化作用 ，當 Cu含量為 4％一 6％時，沉淀強化效果最好，大多數硬鋁合金的Cu含量在此范圍。Cu通常和 Mg同時加入， 形成 AI-Cu-Mg系硬鋁合金，Cu+Mg含量越高，Cu/Mg比值越高，合金的強化效果越好， 當Mg含量為 l％~2％時，Cu含量由 1％增加到 4％時，合金的抗拉強度持續增加，含 2% Mg和4％Cu合金的抗拉強度最大，當Mg含量大于2%時，AI-Cu-Mg合金的強度降低。

2）Mn的作用

Mn在鋁中的極限固溶度為 1.82％,Mn可以單獨加入鋁中形成不可熱處理強化的 Al-Mn二元合金。在大多數鋁合金 中，Mn是作為微合金元素加入的，隨著 Mn含量增加，鋁合金強度不斷增加 ，當 Mn含量為 0.8％時 ，伸長率達到最大值 。除了有固溶強化作用外， Mn還能抑制粗晶環的產生，能延緩 AI-Cu-Mg合金的人工時效進程，細小而彌散分布的 MnAl6產生彌散強化作用，且可抑制再結晶及晶粒長大，提高合金的耐熱強度。

3）Si和Fe的作用

Si在鋁中的極限固溶度為1.65％,Si在 AI-Mg-Si鍛鋁、Al-Si鑄造合金及 Al-Si焊料合金中是作為合金元素加入的，AI-Mg-Si系合金可熱處理強化，而 Al-Si鑄造合金和 Al-Si焊料合金具有極好的鑄造性能及耐蝕性能。Fe在 AI-Cu-Mg-Ni-Fe系合金中是作為合金元素加入的，可改善AI-Cu-Mg合金的耐熱性能。在其他鋁合金中，Fe,Si為雜質元素，對合金的力學性能 、電學性能、耐蝕性、可焊性均有不良影響。

4）Mg的作用

Mg在鋁中的極限固溶度為 14.9%, Mg可以單獨加入鋁中形成不可熱處理強化的 Al-Mg二元合金，也可以與其他合金元素一同加入，對鋁合金產生補充強化作用，一般變形鋁合金的Mg含量低于6%。

5）Zn的作用

Zn在鋁中的極限固溶度為82.8％，在 125℃時 ，溶解度下降為 5.6%;Zn單獨加到鋁中會增大鋁合金的應力腐蝕開裂傾向，強化效果也不顯著。在鋁中同時加入Zn和 Mg，形成強化相 MgZn2，對合金產生明顯的強化作用，Mg含量超過形成 MgZn2相所需要的量時， 還會產生補充強化作用，但是，隨著 MgZn2含量的增加，應力腐蝕開裂和剝落腐蝕傾向明顯增加。為了使強度和應力腐蝕抗力有良好的匹配，可通過成分設計和熱處理控制 Zn/Mg 在 2.7左右。

6）Li的作用

Li在 Al中的極限固溶度為 4.2%，降溫到室溫后 ，Li在 Al中的固溶度小于 1％.Li的 密度僅為0.534g/cm3，添加 1％的 Li，可使合金密度下降 3%，彈性模量增加 6%；加入2％的 Li，鋁合金密度可下降 10％，彈性模量提高25%-35％。

7）Cr的作用

Cr是 Al-Mg系 、AI-Mg-Si系、AI-Mg-Zn系合金中常見的添加元素，600℃時，Cr在 Al中的溶解度為 0.77％，室溫時基本不溶解。Cr在 Al中形成 （CrFe)AI7和 （CrMn)Al12 等金屬間化合物，阻礙再結晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但是，Cr會增加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。Cr 在鋁合金 中的添加量一般不超過 0.35%，并隨合金中過渡元素含量的增加而降低 。

8）Zr的作用

Zr在 鋁中的極限固溶度 為 0.28%，微量Zr添加到鋁 中，有 固溶在α-Al中及形成A13Zr(D03）初生相、A13Zr(Ll2）亞穩相、A13Zr(D023）平衡相四種存在形式。Zr取代 α-Al晶格的部分 Al，形成置換型固溶體，會對鋁合金后續處理產生積極影響 。在高強鋁合金中，加入Zr可抑制與基體不共格的含 Mn,Cr的粗大相形成，有利于合金斷裂韌性的提高，還能改善合金的淬火敏感性及抗應力腐蝕性能。

9）Sc的作用

Sc既屬過渡元素，又屬稀土元素，既有稀土元素凈化熔體和改善鑄造組織的作用，又有過渡元素細化晶粒、抑制再結晶的作用，是鋁合金最有效的微合金化元素。Sc在鋁中的極 限固溶度為 0.32%，含 Sc 的鋁固溶體分解時，生成彌散度極高的 A13SC(Ll2)粒子 ，與 α-Al的結構和點陣常數幾乎完全一致，強化效果好且具有很強的熱穩定性，在高溫下仍與基體保持共格關系，能有效地改善合金的塑性、耐蝕性、疲勞斷裂性能等。此外，Sc可以細化鑄態組織和改善合金的焊接性能。

10）Ag的作用

Ag在鋁中的最大固溶度為35.6％，少量Ag對AI-Cu-Mg,AI-Cu-Li,AI-Zn-Mg-Cu系合金的抗拉強度、斷裂韌性、疲勞特性、應力腐蝕抗力均有積極的作用。在 AI-Cu-Mg系合金中，當Cu/Mg較高時，加入少量Ag就會形成片狀的。亞穩相，提高合金的時效強化效果，當溫度低于200℃時，Ω相可保持穩定，使合金有較好的抗蠕變性能。

11）Cd,Sn,In的作用

Cd,Sn和 In元素對 Al-Cu合金的時效過程產生顯著的影響。3種元素與淬火空位有較高的結合能，使 Al-Cu合金 GP區不易形成，從而抑制合金的低溫時效，在淬火或高溫時效早期形成的含Cd,Sn和In的沉淀相，可以作為θ'相的核心，從而增加高溫時效效果，使得合金時效硬化達到強度峰值的時間縮短，強度峰值提高。

五、鋁合金材料應用

鋁合金具有較高的比強度、比剛度、斷裂韌性、疲勞強度，同時還保持了純鋁良好的成形工藝性能和高耐蝕穩定性，成為重要的工程結構材料，廣泛應用于航空航天、坦克艦艇 、機械、船舶 、電子、電力 、汽車 、建筑等生產行業 。常用變形鋁合金材料的應用見表20。

表 20 常用變形鋁合金材料的應用