二,、主合金元素在鋁合金中的作用和機(jī)理

在鋁合金中，主合金元素是合金強(qiáng)化的主體,，它們在鋁中的表現(xiàn)不盡相同,，于是有了鋁合金的分類和牌號。現(xiàn)將它們在鋁合金中的作用進(jìn)行介紹,。

1,、錳（Mn）的作用：

大多數(shù)鋁合金中都含有錳，自然狀態(tài)的錳為灰紅色金屬,，純電解錳為片狀,，密度7.20、熔點1244± 3℃、晶相結(jié)構(gòu)為體心立方或四方,、有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,，錳有三種形態(tài)、原子半徑各為α=1.24Ao,、γ=1.366Ao,、δ=1.334Ao（1Ao=0.1nm）。

在3xxx系合金中錳是主要合金元素,。在共晶溫度685℃時,，錳在鋁中的最大溶解度為1.82%、室溫時為0.06%,。錳在鋁合金中存在的形式：一是熔于固溶體，二是形成化合物MnAL６,。由于MnAL6的電極電位與鋁基體電位相當(dāng),。

因此，合金有很好的耐蝕性,，該系與部分AL-Mg系合金一起稱為防銹鋁,。合金強(qiáng)度隨溶解度增加而增加，但一般用量不超過１.６％,。當(dāng)錳含量為0.8%時,，合金的延伸率達(dá)到最大值，使合金具有優(yōu)良的深沖性和變薄拉伸性能,。如3004,、3105罐料合金，在包裝領(lǐng)域中大量使用．3xxx系合金也是世界上使用量最大的合金品種,。錳可以提高合金的再結(jié)晶溫度,，產(chǎn)生擠壓效應(yīng)。

在3系合金中鐵和硅是主要雜質(zhì),，鐵,、硅元素的含量對合金的相成分和顯微組織有很大影響。當(dāng)鋁合金中鐵和錳同時存在時,，互相有影響,，易生成鋁鐵錳粗大化合物（MnFe）AL6，惡化材料性能,。因此,，在鋁合金中當(dāng)鐵為合金元素時，不應(yīng)加錳,。3xxx系鋁錳合金易產(chǎn)生偏析組織,，材料加熱退火后容易產(chǎn)生粗大組織。嚴(yán)重影響合金性能，故鋁錳合金一般不進(jìn)行用來提高合金強(qiáng)度的熱處理,。實際生成中應(yīng)注意對鐵雜質(zhì)的控制,。另外，鋁錳合金在錠坯的半連續(xù)鑄造時,，冷卻水的冷卻速度不宜過大,，以防止產(chǎn)生成分偏析。

2,、鎂（Mg）的作用

鎂是5xxx系合金的主要元素,，鎂是銀白色金屬、有光澤,、密度1.74,、原子半徑1.60Аo（鋁的原子半徑為1.431?）、熔點648.8℃,、沸點1107℃,、密排六方結(jié)構(gòu)。商品鎂為塊狀（6-10Kg/塊）,、表面涂黃油或包油紙防銹,，鎂在鋁中的溶解度很大，在共晶溫度451℃時鎂的溶解度高達(dá)14.9%,，隨溫度降低,，溶解度很快下降，在室溫時約為0.34—1.7%,。但是,，鎂在過飽和固溶體中擴(kuò)散和析出很慢，在半連續(xù)鑄造時冷卻速度又很大,。因此,，Al-Mg合金（成分在鎂<6.0%時）在室溫下也極易生成過飽和的固溶體組織。而且在室溫下相當(dāng)穩(wěn)定,。

如果將合金進(jìn)行變形加工再進(jìn)行加熱,，過飽和固溶體將析出β（Al3Mg2）相化合物。由于β相強(qiáng)化效果不大（顯微硬度HRv﹦64.7）,，而且沿晶界或剪切帶析出惡化了合金的強(qiáng)度和抗蝕性,。β相不析出合金的性能反而更好。所以,，高鎂合金加工變形后,，一般不進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鎂在鋁中形成固溶體后,，固溶強(qiáng)化效果比錳高,。就強(qiáng)度而言,，加入0.8%的鎂相當(dāng)1.25%的錳。因此,，鋁-鎂系合金比鋁-錳系合金強(qiáng)度高,。

另外，鋁-鎂固溶體型合金抗蝕性好（在大氣及海洋條件下）,，有良好的焊接性能,，但隨著含鎂量的增加，合金強(qiáng)度提高,，抗蝕性,、焊接性和表面光澤變壞。

鎂在鋁合金的加入量<7.0%,，當(dāng)含鎂量>3.0%時稱為高鎂合金,，隨著含鎂量的增加合金表面氧化膜組成發(fā)生變化，使合金在熔煉時易氧化,、易吸氣,、易燒損、易產(chǎn)生夾渣,。在熔煉高鎂合金時加入微量的鈹（0.002-0.0002%）可改變氧化膜性質(zhì)，消除上述缺陷,。合金澆鑄溫度偏高時,，表面呈黑色，造成鑄錠表面質(zhì)量下降,。

當(dāng)高鎂合金原料中含有金屬鈉時,，易產(chǎn)生“鈉脆”，在合金鑄造及熱軋工藝中毛坯出現(xiàn)裂紋,。為了防止“鈉脆”的產(chǎn)生,，在熔煉高鎂合金時，不能用鈉鹽做熔劑,。如把鈉鹽含量控制在<0.001%,，則不產(chǎn)生“鈉脆”性。

在所有的鋁鎂合金中都加有錳,，含量在0.15-0.8%之間,，錳的主要作用是防止合金的晶粒長大，同時還可增加合金強(qiáng)度,，用Cr,、V也可替代錳的作用。

鋁鎂系合金加入鈹是為了改善氧化膜的性質(zhì),，但是鈹?shù)募尤胍鸷辖鹁Я４执?，?yīng)加入鈦來抵消鈹?shù)挠绊憽?/span>

鐵和硅對鋁鎂合金的塑性,、抗蝕性、延伸率和強(qiáng)度有不良影響,，做拉伸或線材使用時,，要控制鐵、硅的含量,。但適當(dāng)增加硅的含量0.5-0.8%,，可改善合金的焊接性能。如5A03（LF3）合金,。銅和鋅都是降低合金抗蝕性的元素,。

3、銅（Cu）的作用

銅的顏色為紫紅色,，有光澤,。面心立方晶格、密度8.92、熔點1083.4℃、原子半徑1.278Ao,。548℃時,，銅在鋁中的最大溶解度為5.67%，室溫下為0.2%,。銅是熱處理可強(qiáng)化鋁合金中，最重要的基本合金元素。是2xxx系合金的主要組元,，銅在鋁合金中強(qiáng)化作用強(qiáng)大，比鎂強(qiáng)化效果大1.5-2.0倍,，含4.0%Cu,、1.0%Mg合金 經(jīng)過時效處理后，合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)470Mpa（2A12）,。鋁-銅為基的合金又稱為硬鋁,。因為，這種強(qiáng)化效果是用熱處理的方法得到的,。所以,，稱為可強(qiáng)化熱處理合金。

銅加入鋁合金后由于鑄造時的急冷,，形成了過飽和α固溶體,，通過淬火和時效處理，可溶解或析出金屬二元化合物θ相CuAl2（HRv547Kg/㎜2）,。在有鎂,、錳存在時形成三元的金屬化合物及強(qiáng)化相（S相Al2CuMg、T相Al6Mg4Cu,、β相Cu3Mg2）,，明顯地提高合金強(qiáng)度和耐熱性的作用,。其中θ相、S相強(qiáng)化效果最大,，β相,、T相強(qiáng)化效果微弱。2xxx系（Al-Cu-Mg）熱處理可強(qiáng)化合金就是人為控制強(qiáng)化相的析出,，來達(dá)到通過熱處理工藝提高合金強(qiáng)度的目的,。附鋁銅系合金時效強(qiáng)化機(jī)理：    

鋁銅合金的時效強(qiáng)化過程分為以下四個階段：

第一階段：

在過飽和α固溶體的某一晶面上產(chǎn)生銅原子偏聚現(xiàn)象，形成銅原子富集區(qū)（GP[Ⅰ]區(qū)）,，從而使α固溶體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變,，位錯運(yùn)動受到阻礙，合金強(qiáng)度提高,。
    第二階段：

隨時間延長,，GP[Ⅰ]區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，并發(fā)生有序化,，便形成有序的富銅區(qū),，稱為GP[Ⅱ]區(qū)，其成分接近CuAl2（θ相）,，成為中間狀態(tài),，常用θ″表示。θ″的析出,，進(jìn)一步加重了α相的晶格畸變,，使合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高。
    第三階段：

隨著時效過程的進(jìn)一步發(fā)展,，銅原子在GP[Ⅱ]區(qū)繼續(xù)偏聚,。當(dāng)銅與鋁原子之比為1:2時,，形成與母相保持共格關(guān)系的過渡相θ′,。θ′相出現(xiàn)的初期，母相的晶格畸變達(dá)到最大,，合金強(qiáng)度達(dá)到峰值,。
    第四階段：

時效后期，過渡相θ′從鋁基固溶體中完全脫落,，形成與基體有明顯相界面的獨立的穩(wěn)定相CuAl2,，稱為θ相。此時,，θ相與基體的共格關(guān)系完全破壞,，共格畸變也隨之消失，隨著θ相質(zhì)點的聚集長大,，合金明顯軟化,，強(qiáng)度,、硬度降低。為了保證強(qiáng)化效果,，應(yīng)在θ相脫溶前降低溫度結(jié)束熱處理過程,。

鋁--銅--鎂系耐熱性能比較好，如α+θ+S相區(qū),，含3.8--4.9%Cu,、1.2—1.8%Mg（2A12、LY12）合金在150℃以下,，具有最高強(qiáng)度,。α+S相區(qū)含3.2%--4.3%Cu（2A02、2A06）合金可在150℃--250℃有較高的強(qiáng)度,。在航空領(lǐng)域有廣泛用途,。含銅合金抗蝕性較差，板材加工時,，在板坯大面兩端包覆純鋁,，稱為“包鋁”工藝。另外,，鋁銅合金的焊接性不好,。

4、鋅（Zn）的作用

鋅是青白色金屬,，有光澤,。晶體結(jié)構(gòu)為密排六方、密度7.14,、熔點419.6℃,、沸點907℃、原子半徑1.332Ao,。鋅在鋁中的溶解度很大382℃時為82.8%,、275℃時為31.6%、室溫下為5.6%,。鋅是7xxx系(Al-Zn-Mg) 合金的主要強(qiáng)化元素,。當(dāng)加入少量鎂時，合金的強(qiáng)化效果更佳,，所以鋁鋅合金都含有1.0-3.0%的鎂,。

鋅只在7xxx系合金大量加入，但加入量都<5.6%,。其它系鋁合金為增加強(qiáng)度也有少量加入,，一般加入量<0.25%。由于鋁-鎂-鋅三個元素之間可行成金屬化合物M相（MgZn2）,、T相（Al2Mg3Zn3）,，M相,、T相在鋁中不僅有高的溶解度，而且還有很大的溶解度變化,。

所以,，有極高的熱處理強(qiáng)化效果。7xxx系合金是常用鋁合金中強(qiáng)度最高的合金,，在我國又稱超硬鋁（LC系）,。7xxx系合金在≥465℃時淬火，然后進(jìn)行人工時效,。得到的過飽和固溶體分解,，過程如下：    

↗M，-M（MgZn2）

——過飽和固溶體→G-P區(qū)↘T,，-T（Al2Mg3Zn3）

M,、T相形態(tài)接近于固溶體，原子間的結(jié)合力不甚牢固,，比較容易分解,，特別是高溫時，因此該系列合金高溫性能不高,。僅在較低溫度或<100℃以下使用,。

另外，7xxx系合金應(yīng)力腐蝕傾向比較嚴(yán)重,，尤其是在自然時效狀態(tài),，應(yīng)力腐蝕比人工時效的合金嚴(yán)重，因此,，該系合金均在人工時效狀態(tài)下使用,。

7xxx系合金中鋅、鎂添加量與強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系：

當(dāng)鋅鎂添加量總和≤5.5%（Mg≥1.0%）,；

抗拉強(qiáng)度≮300MPa

當(dāng)鋅+鎂總和≤6.0-7.0%時,；抗拉強(qiáng)度≮450MPa

當(dāng)鋅+鎂總和≤7.0-8.0%； 抗拉強(qiáng)度≮500MPa

當(dāng)鋅+鎂總和>8.0%,； 抗拉強(qiáng)度≯600Mpa,。

但合金的可焊性,、抗應(yīng)力腐蝕性能隨強(qiáng)度提高迅速下降,。此時，添加微量的銅,，能顯著地提高合金的抗應(yīng)力腐蝕,、塑性和強(qiáng)度。特別是加入少量的鋯,，能大幅度提高抗應(yīng)力腐蝕性能,。所以該系合金一般還都含有銅,、鋯。此外,，微量的錳,、釩、銀等,，用來提高合金的綜合性能,。

該系合金淬火溫度不能太高和太低，一般在460-480℃,，最佳為475℃,。淬火后時效溫度在120℃時強(qiáng)度和塑性最好，160℃時抗應(yīng)力腐蝕性和抗疲勞強(qiáng)度好,，強(qiáng)度,、塑性稍差。

5,、硅（Si）的作用

硅只在 6xxx系合金（Al-Mg-Si）和4xxx系（Al-Si）,，以及鑄造合金中以合金元素加入。其余諸合金中都視其為雜質(zhì),，屬控制成分,。

硅屬于半金屬，鋼灰色有光澤,、晶體結(jié)構(gòu)為金剛石立方,、熔點1410℃、密度2.33,。硅在577℃時鋁中最大的溶解度為1.65%,，室溫時為0.5%。

由于硅幾乎不熔于鋁,，與鋁不形成金屬化合物,。室溫下以鋁硅共晶體析出。析出的硅在鋁中呈游離狀態(tài),，惡化了合金的基體組織,。但硅與鎂能形成強(qiáng)化相Mg2Si，是6xxx系合金的強(qiáng)化相,，其金相組織是鋁鎂形成的固溶體和硅鎂化合物Mg2Si,。硅在該系合金中的加入量為0.5-1.2%，與加入的鎂量相互對應(yīng),。