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?cè)阡X中的表現(xiàn)不盡相同，于是有了鋁合金的分類和牌號(hào)?，F(xiàn)將它們?cè)阡X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(diǎn)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(shí)，錳在鋁中的最大溶解度為1.82%、室溫時(shí)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(shí)，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(duì)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(shí)存在時(shí)，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(shí)，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(shí)際生成中應(yīng)注意對(duì)鐵雜質(zhì)的控制。另外，鋁錳合金在錠坯的半連續(xù)鑄造時(shí)，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(diǎn)648.8℃、沸點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)冷卻速度又很大。因此，Al-Mg合金（成分在鎂<6.0%時(shí)）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(shí)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(shí)易氧化、易吸氣、易燒損、易產(chǎn)生夾渣。在熔煉高鎂合金時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(zhǎng)大，同時(shí)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执螅瑧?yīng)加入鈦來抵消鈹?shù)挠绊憽?/span>

鐵和硅對(duì)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(shí)，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(diǎn)1083.4℃、原子半徑1.278Ao。548℃時(shí)，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(shí)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?yàn)?，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(shí)的急冷，形成了過飽和α固溶體，通過淬火和時(shí)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(shí)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(shí)效強(qiáng)化機(jī)理：    

鋁銅合金的時(shí)效強(qiáng)化過程分為以下四個(gè)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(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，合金強(qiáng)度提高。
    第二階段：

隨時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(dú)立的穩(wěn)定相CuAl2，稱為θ相。此時(shí)，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(diǎn)的聚集長(zhǎng)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(shí)，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(diǎn)419.6℃、沸點(diǎn)907℃、原子半徑1.332Ao。鋅在鋁中的溶解度很大382℃時(shí)為82.8%、275℃時(shí)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(shí)，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(gè)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(guó)又稱超硬鋁（LC系）。7xxx系合金在≥465℃時(shí)淬火，然后進(jìn)行人工時(shí)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(shí)，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(shí)效狀態(tài)，應(yīng)力腐蝕比人工時(shí)效的合金嚴(yán)重，因此，該系合金均在人工時(shí)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(shí)；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(shí)，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(shí)效溫度在120℃時(shí)強(qiáng)度和塑性最好，160℃時(shí)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(diǎn)1410℃、密度2.33。硅在577℃時(shí)鋁中最大的溶解度為1.65%，室溫時(shí)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(duì)應(yīng)。