铝及铝合金种类和性能介绍

1.铝及铝合金的分类

铝具有热容量和熔化潜热高、耐蚀性好，在低温下能保持良好的力学性能等特点。铝及铝合金分为工业纯铝、变形铝合金（分为非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金）和铸造铝合金。铝合金的分类及性能特点见表11-1。

表11-1铝合金的分类及性能特点

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（1）非热处理强化铝合金 通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝。Al-Mn合金和Al-Mg合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并具有优异的耐蚀性和良好的焊接性，是焊接结构中应用广泛的铝合金。

（2）热处理强化铝合金 通过固溶、淬火、时效等提高力学性能。经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能（主要是抗拉强度）严重下降。热处理强化铝合金包括硬铝、超硬铝、锻铝等。

1）硬铝。Cu、Mn是硬铝的主要成分，为了得到高强度，Cu的质量分数一般控制在4.0％～4.8％。Mn的主要作用是消除Fe对耐蚀性的不利影响，还能细化晶粒、加速时效硬化。在硬铝合金中，Cu、Si、Mg等元素能形成化合物，促使硬铝合金在热处理时强化。退火状态下硬铝的抗拉强度为160～220MPa，经过淬火及时效后抗拉强度增加至312～460MPa。但硬铝的耐蚀性差。

2）超硬铝。合金中Zn、Mg、Cu的总质量分数可达9.7％～13.5％，在当前航空航天工业中仍是强度最高（抗拉强度达500～600MPa）和应用最多的一种轻合金材料。超硬铝的塑性和焊接性差，接头强度远低于母材。由于合金中Zn含量较多，形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大。

3）锻铝。具有良好的热塑性，而且Cu含量越少热塑性越好，适于作铝合金锻件用。具有中等强度和良好的耐蚀性，在工业生产中得到广泛应用。

铝锂合金是近代铝合金的一个重大发展。这些低密度的铝锂合金是为了取代常规铝合金、减轻飞机重量、节省燃料开发的。用铝锂合金替代常规铝合金可使结构重量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，适于用作航空航天结构材料。20世纪70～80年代能源危机给航空业带来的压力推动了铝锂合金的发展，提出用新的铝锂合金取代传统高强2000和7000系列铝合金的目标。80年代以后又开发了高强度的Al-Li-Cu和Al-Li-Cu-Mg合金系并获得应用。

2.铝及铝合金的性能

铝及铝合金密度小、塑性好、易于加工、耐蚀性好。铝的电导率较高，导电性好。铝具有面心立方结构，无同素异构转变，无“延—脆”转变，具有优异的低温韧性，在低温下能保持良好的力学性能。铝及铝合金塑性好，可承受各种压力加工，可用铸造、轧制、冲压、拉拔和滚轧等各种工艺方法制成形状各异的制品。

经过冷加工变形后铝的强度增高，塑性下降。当铝的变形度达到60％～80％时，抗拉强度可达150～180MPa，而断后伸长率下降至1％～1.5％。因此可通过冷作硬化来提高铝的强度。经过冷作硬化的铝材，在250～300℃温度区间可引起再结晶过程，使冷作硬化消除。铝的退火温度为400℃，经过退火处理的铝称为退火铝或软铝。(www.xing528.com)

铝及铝合金具有优异的耐蚀性和较高的比强度（强度／密度）。铝在大气中的耐蚀性很好，由于铝比较活泼，与空气接触时表面生成致密的难熔Al₂O₃膜（熔点2050℃），保护铝材不被继续氧化。铝在浓硝酸中因表面钝化而非常稳定，但铝对碱类和带有氯离子的盐类耐蚀性较差。铝及铝合金的物理性能见表11-2。

表11-2铝及铝合金的物理性能

工业纯铝主要用于不承受载荷，但要求具有某种特性（如塑性、耐蚀性或高的导电、导热性等）的结构件。高纯铝主要用于科学研究、化学工业及特殊用途。防锈铝（铝锰合金、铝镁合金）主要用于要求高的塑性和焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、液体容器和其他用拉深制作的小载荷零件等。铝及铝合金广泛用于航空航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化学工业等领域，在飞机制造中铝合金是主要的结构材料，大部分关键部件，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等都是由铝合金制造的。

铝及铝合金熔焊时有如下困难和特点：

1）铝和氧的亲和力很大，在铝及铝合金表面有一层难熔的氧化铝膜，远远超过铝的熔点，这层氧化铝膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接或钎焊过程中应将氧化膜清除或破坏。

图11-1 铝合金的裂纹敏感性

2）铝的导热性和导电性约为低碳钢的5倍，焊接时应使用大功率或能量集中的热源，有时还要求预热。

3）铝的线胀系数约为低碳钢的2倍，凝固时收缩率比低碳钢大2倍。因此，焊接变形大，若工艺措施不当，易产生裂纹。熔焊时，铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上。在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响如图11-1所示。

4）铝及铝合金的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时难以控制熔池温度；铝在高温时强度很低，焊接时易引起接头处金属塌陷或下漏。

5）铝从液相凝固时体积缩小6％，由此形成的应力会引起接头的过量变形。

6）焊后焊缝易产生气孔，焊接接头区易发生软化。