铝是地壳中含量最丰富的金属元素，约占地壳总质量的8.2%，超过铁（5.8%）。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，被世人称为第二金属，其产量及消费仅次于钢铁，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。我国首款按照国际先进适航标准研制的单通道大型干线客机C919飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件都使用了铝锂合金，其机体结构质量占比达到7.4%，获得综合减重7%的收益，在国际上属于领先水平，如图6-9所示为国产C919飞机。
图6-9 国产C919飞机
6.2.1 纯 铝
纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660 °C，有延展性。它的密度（2.72 g/cm3）小，除镁和铍外，铝在工程金属中最轻，具有很高的比强度和比刚度；导电性、导热性好，仅次于金、铜和银。虽然它的导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。纯铝的化学性质活泼，在大气中极易氧化，在表面形成一层牢固致密的氧化膜，有效地隔绝铝和氧的接触，从而阻止铝表面的进一步氧化，使它在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。纯铝在低温下，甚至在超低温下都具有良好的塑性（A＝80%）和韧性。铝的强度（Rm＝80～100 MPa）低，冷变形加工硬化后强度可提高到Rm＝150～250 MPa，但其塑性却降低到A＝50%～60%。
纯铝具有许多优良的工艺性能，易于铸造、切削，也易于通过压力加工，适合制造电缆以及要求具有导热性和抗大气腐蚀性而对强度要求不高的一些用品。
纯铝按纯度可分为三类。
（1）工业纯铝。工业纯铝中铝的质量分数为98.0%～99.0%，牌号有1070、1060、1050、1035、1200等。1070A、1060、1050A用于高导电体、电缆（见图6-10）、导电机件和防腐机械，1035、1200、8A06用于器皿、管材、棒材、型材和铆钉等。
（2）工业高纯铝。工业高纯铝中铝的质量分数为98.85%～99.90%，用于制造铝箔（见图6-11）、包铝，也是冶炼铝合金的原料。
图6-10 铝芯电缆
图6-11 铝箔
（3）高纯铝。高纯铝中铝的质量分数为99.93%～99.99%，主要用于制造特殊化学机械、电容器片等，也用于科学研究。
6.2.2 铝合金
纯铝的强度和硬度很低，不适宜作为工程结构材料使用。向铝中加入适量Si、Cu、Zn、Mn等主加元素和Cr、Ti、Zr、B、Ni等辅加元素组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。
1.铝合金的分类
铝合金一般具有图6-12所示的相图，从图中可以看出，以D点成分为界可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。D点以左的合金为变形铝合金，其特点是加热到固溶线DF以上时为单相α固溶体，具有塑性好的特点，适用于压力加工；D点以右的合金为铸造铝合金，其组织中存在共晶体，适用于铸造。在变形铝合金中，成分在F点以左的合金其固溶体成分不随温度变化而变化，不能通过热处理强化，为不可热处理强化的铝合金；成分在F、D两点之间的合金其固溶体成分随温度变化而变化，可通过热处理强化，为可热处理强化的铝合金。
图6-12 铝合金分类相图
2.铝合金的强化
铝合金的强化方式主要有固溶强化和时效强化两种。
（1）固溶强化。纯铝中加入合金元素形成铝基固溶体，造成晶格畸变，以阻碍位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得高的强度，还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的溶解度，因此具有较明显的固溶强化效果。
（2）时效强化。经过固溶处理的过饱和铝合金在室温下或加热到某一温度后放置一段时间，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。
（3）过剩相强化。当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶于固溶体的第二相出现，称之为过剩相。这些过剩相多为金属间化合物，它们在合金中阻碍位错运动，使铝合金强度、硬度增大，而塑性、韧性降低，这种强化称为过剩相强化。实际生产中常采用这种方法来强化铸造铝合金和耐热铝合金。但过剩相太多，会使强度降低，合金变脆。
（4）细晶强化。对于不能进行时效强化或时效强化效果不好的铝合金，在浇注时，常采用加入微量合金元素（如Ti、Zr、Be或稀土元素等）的方法来进行变质处理，通过提高形核率，获得细小均匀的组织，可显著提高合金的强度和塑性。
3.铝合金的代号、牌号表示方法
（1）变形铝合金的分类和牌号。按性能特点和用途不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。
根据国家标准规定，变形铝合金命名有两种体系牌号，即国际四位数字体系牌号和四位字符体系牌号。国际四位数字体系牌号是由四位数字或四位数字后缀英文大写字母A、B或其他数字组成的，如3004、2017A、6101B等；四位字符体系牌号表示法的第一、三、四位是数字，第二位是大写英文字母A、B或其他字母，如7C04、2D70等。
两种表示方法中，第一位数字均表示变形铝合金的组别，具体见表6-4。第二位的数字或字母表示铝合金的改型情况，字母A或数字0表示原始合金，B～Y或1～9表示原始合金改型情况。牌号最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金，纯铝则表示铝的最低百分含量。
表6-4 常用变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途
续表
常用变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表6-4。(www.xing528.com)
（2）铸造铝合金的分类和牌号。按主加元素的不同，铸造铝合金可分为Al-Si系铸造铝合金、Al-Cu系铸造铝合金、Al-Mg系铸造铝合金和Al-Zn系铸造铝合金。
铸造铝合金的代号由“ZL＋三位数字”组成。其中，“ZL”是“铸铝”二字的汉语拼音首字母，其后第一位数字表示合金类别，如1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金；第二、三位数字表示顺序号，顺序号不同，化学成分也不同。例如，ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。优质合金在牌号后加“A”，压铸合金在牌号前面用字母“YZ”表示。
铸造铝合金的牌号是由“Z＋基体金属的元素符号＋合金元素符号＋数字”组成的。其中，“Z”是“铸”字的汉语拼音首字母，合金元素符号后的数字表示该元素的质量分数。例如，ZAlSi12表示硅的质量分数为12%的铸造铝合金。
4.常用的变形铝合金
（1）不可热处理强化的铝合金。
① Al-Mn系合金。Al-Mn系合金，如3A21，其强度高于纯铝，又有高的塑性、抗蚀性和优良的焊接性及压力加工性能，但因太软而切削加工性能不良，常以管、板和型材形式应用于飞机油箱、油管等焊接用品方面，国外还大量应用于饮料罐、炊具及建筑用屋面板。
② Al-Mg系合金。Al-Mg系合金，如5A05、5A11，是应用最广的一类铝合金，其密度比纯铝小，强度比Al-Mn系合金高，具有高的耐蚀性和良好的塑性，焊接性良好，但切削加工性能差。Al-Mg系合金主要用于焊接容器、管道以及承受中等载荷的零件及制品，也可用于制作铆钉。图6-13为飞机制造蒙皮用铝合金铆钉。
图6-13 铝合金铆钉
③ Al-Zn-Mg-Cu系合金。Al-Zn-Mg-Cu系合金抗拉强度较高，具有优良的耐海水腐蚀性、较高的断裂韧度及良好的成型工艺性能，适用于制造水上飞机蒙皮及其他要求耐腐蚀的高强度钣金零件。
（2）可热处理强化的铝合金。
① 硬铝合金（Al-Cu-Mg系）。Cu和Mg的时效强化可使抗拉强度达到420 MPa。铆钉用硬铝合金典型牌号为2A01、2A10，淬火后冷态下塑性极好，时效强化速度慢，时效后切削加工性能也较好，可利用孕育期进行铆接，主要用于制作铆钉。
标准硬铝的典型牌号为2A11，强度较高，塑性较好，退火后冲压性能好，主要用于形状较复杂、载荷较轻的结构件。
高强度硬铝的典型牌号为2A12，强度、硬度高，塑性及焊接性较差，主要用于高强度结构件，如飞机翼肋、翼梁等。
硬铝合金耐蚀性不如纯铝和防锈铝合金，尤其不耐海水腐蚀，所以硬铝板材的表面常包有一层纯铝，以提高其耐蚀性，包铝板材在热处理后强度降低。
② 超硬铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系）。超硬铝合金是工业上使用的室温力学性能最高的变形铝合金，抗拉强度可达600 MPa，既可通过热处理强化，又可采用冷变形强化，其时效强化效果最好。其强度、硬度高于硬铝合金，故称为超硬铝合金，但其耐蚀性、耐热性较差。超硬铝合金主要用于要求质量轻、受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架、桁架等。
③ 锻铝合金（Al-Cu-Mg-Si系）。锻铝合金的力学性能与硬铝合金相近，但热塑性及耐蚀性较高，适于锻造，故称为锻铝合金。锻铝合金主要用于制造形状复杂并能承受中等载荷的各类大型锻件和模锻件，如叶轮、框架、支架、活塞、气缸头等，如图6-14所示为铝合金活塞。中国长征系列运载火箭贮箱就是用2A14合金制造的，是一种Al-Cu-Mg-Mn-Si合金。2021年4月29日，长征五号B运载火箭搭载空间站天和核心舱，在海南文昌航天发射场发射升空。长征五号的研制历时10年，突破了247项关键技术，新技术比例几乎达到100%，核心技术全部是自创的，实现了长征火箭的跨越式升级换代。如图6-15所示为长征五号B运载火箭，图6-16所示为长征系列火箭贮箱的铝合金锻环。
图6-14 铝合金活塞
图6-15 长征五号B运载火箭
图6-16 西南铝生产的铝合金锻环
④ 铝锂合金（Al-Li系）。Al-Li系合金具有密度小、比强度高、比刚度大、疲劳性能良好、耐蚀性及耐热性好等优点，可进行热处理强化。但AI-Li系合金的塑性和韧性差，缺口敏感性大，材料加工及产品生产困难。铝锂合金主要为航空航天设备的减重而研制，因此主要应用于航空航天领域，用Al-Li合金制作飞机结构件，可使飞机减重10%～20%，大大提高了飞机的飞行速度和承载能力。此外，还应用于军械和核反应堆用材、坦克穿甲弹、鱼雷和其他兵器结构件方面，同时在汽车、机器人等领域也有充分运用。
5.常用的铸造铝合金
（1）铝硅合金（Al-Si系）。铝硅合金密度小，有优良的铸造性（如流动性好、收缩及热裂倾向小）、一定的强度和良好的耐蚀性，但塑性较差。在生产中对它采用变质处理，可显著改善其塑性和强度。例如，ZAlSi12是一种典型的铝硅合金，属于共晶成分，通常称为简单硅铝明，致密性较差，且不能热处理强化。若在铸造铝合金中加入Cu、Mg、Mn等合金元素，可获得多元铝硅合金（也称为特殊硅铝明），经固溶时效处理后强化效果更为显著。铝硅合金适用于制造质轻、耐蚀、形状复杂且有一定力学性能要求的铸件或薄壁零件。
（2）铝铜合金（Al-Cu系）。铝铜合金的优点是室温、高温下力学性能都很高，加工性能好，表面粗糙度小，耐热性好，可进行时效硬化。在铸铝中，它的强度最高，但铸造性和耐蚀性差，主要用来制造要求较高强度或高温下不受冲击的零件。
（3）铝镁合金（Al-Mg系）。铝镁合金密度小，强度和塑性均高，耐蚀性优良，但铸造性差，耐热性低，时效硬化效果甚微，主要用于制造在腐蚀性介质中工作的零件。
（4）铝锌合金（Al-Zn系）。铝锌合金铸造性好，经变质处理和时效处理后强度较高，价格便宜，但耐蚀性、耐热性差。铝锌合金主要用于制造工作温度不超过200 °C、结构形状复杂的汽车、仪表、飞机零件等。
部分铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表6-5。
表6-5 部分铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途
续表
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
