铝及铝合金凭借优异的铸造和加工性能，能够加工成为各种状态及形状的结构件、零部件应用于航空、航天及船舰等追求装备轻量化的领域，与钛合金还有复合材料并称三大轻质结构材料。

一、铝及铝合金简介

1、定义

纯铝：银白色轻金属，密度小，导电性、导热性好，化学性质活泼，易与氧反应形成致密的氧化膜，阻止其进一步氧化从而具有抗蚀性。

铝合金：一般情况下工业纯铝难以满足服役要求，通常会以铝为基体，加入少量金属或非金属元素，采用合金化方式使其性能得到显著提升，铝合金具有比强度和比刚度高，弹性好、塑性好、抗冲击性能良好的优势，此外还具有优异的成形和加工性能，可进行精密铸造和粉末冶金成形。

2、分类及牌号

铝按其纯度氛围高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝，纯铝的牌号用“铝”字拼音首字母“L”和其后面的编号表示。

高纯铝的牌号有L01、L02、L03、L04、L05，后面的数字越大，纯度越高，含铝量在99.85%-99.99%之间。

工业纯铝的牌号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、L6，后面的数字表示纯度，数字越大，纯度越低。

铝合金一般通过其成分、组织和工艺等特点，可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。

工程上常用铝合金相图大都与上图类似，D点成分以左的合金在加热至高温时能形成单相固溶体组织，其塑性较高成为变形铝和金；于D点成分以右的合金，因含有共晶组织，液态流动性较高适用于铸造，称为铸造铝合金。

对于变形铝合金而言位于F点以左成分的合金不能进行热处理强化，称为热处理不可强化的铝合金；成分在F和D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相，可以通过热处理使合金强度提高，称为热处理强化铝合金。

表1 铝合金分类及性能特点

 

按合金性能和用途分为：工业纯铝、光辉铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金（硬铝）、超高强度铝合金 （超硬铝）、铸造铝 合金及特殊铝合金等 。

按合金中所含主要元素成分分为：工业纯铝 （(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）及备用合金组 （9XXX系）。

3、铝合金的发展历程

铝合金的研究历史只有两百多年，其工业生产在20世纪初期才开始，主要发展经历了以下几个阶段：

4、铝的冶炼方法

工业生产原铝的方法：霍尔-埃鲁铝电解法

铝在生产过程中有四个环节构成完整的产业链：

铝矿石开采---氧化铝制取---电解铝冶炼---铝加工生产

铝合金冶炼工艺

 

二、铝合金牌号、状态及表示方法

1、牌号表示方法概述

变形铝合金牌号按照 GB/T16474-2011规定 ，采用 2XXX系一8XXX系列表示。牌号第一位数字组别，按铜 、锰 、硅、镁、锌、其他元素的顺序来确定合金组别；牌号第 二位的字母表示原始合金的改型情况，如果牌号第二位的字母是 A，则表示为原始合金， 如果是 B-Y的其他字母，则表示为原始合金的改型合金；牌号的最后两位数字没有特殊意义 ，仅用来区分同一组中不同的铝合金，例如 2A12（旧牌号 LY12）表示以铜为主要合金元素的铝合金。

铸造铝合金采用国际标准命名，化学元素符号后加元素的百分含量，如 AI-Si12Mg表示 Si含量为12％,Mg含量小于 1％的铸造铝合金。合金代号由字母 ZL（铸铝） 及其后的3位阿拉伯数字组成，第1位数字表示合金系列，1为 Al-Si系，2为 Al-Cu系，3 为 AI-Mg系，4为 Al-Zn系；第 2位和第3位表示合金的顺序号，数字后面的字母 A表示优质合金。

2、状态及表示

我国制定了GB/T 16475-1996(2008年修订为 GB/T16475-2008)规定加工铝材状态的表示方法，与美国铝业协会（AA）基本一致 。状态代号由拉丁字母与数字组成，用 连字符与合金牌号隔开，包含了基础状态代号和细分代号。

 

 

如下图所示为经过不同生产工艺流程获得的状态：

图1 不同生产工艺获得的状态

三、铝合金材料成分及性能

1、常用铝合金材料牌号及化学成分

常用变形铝合金的牌号与化学成分见表2，参见国标 GB/T 3190一2008。常用铸造铝合金的牌号与化学成分见表3。

表2 常用变形铝合金的牌号与化学成分

表3 常用铸造铝合金的牌号与化学成分

 

2、常用变形铝合金材料的性能

变形铝合金可以用锻造、轧制、冲压 、拉拔和挤压的方法进行压力加工。

1)1XXX系铝合金

1XXX系列产品是纯铝系列。其特征是具有优良的抗腐蚀性能、导电性、导热性及加工性，但是强度小，不适合用作结构材料，1XXX系铝合金的典型室温力学性能、热学性能、电学性能见表4一表6。

表4 典型 1XXX系铝合金的室温力学性能

表5 典型 1XXX系铝合金的热学性能

表6 典型 1XXX系铝合金的电学性能

2)2XXX系铝合金

2XXX系铝合金属于热处理强化型铝合金，铜是该系合金的主要合金元素，由于含有较多的铜，因此耐蚀性较差，在某些情况下会受到晶间腐蚀，须另外做防蚀处理。该系铝合金焊接性能也较差，在结合时，主要是用铆接、螺栓结合、电阻焊接。但这一系列中多数合金具有优良的切削性能，特别是添加铅 (Pb),铋 (Bi）的2011合金，常用来制造机械零件。2XXX系铝合金的电学性能见表7。

表7 2XXX系铝合金的电学性能

3)3XXX系铝合金

3XXX系铝合金为非热处理不可强化的铝合金，含有的主要元素是 Mn。此系合金的最大优点是具有良好的耐蚀性能和焊接性能，在中性介质中耐蚀性能稍次于铝，在其他介质中的耐蚀性能与纯铝接近。3XXX系铝合金的热学性能、电学性能及力学性能见表8一表10。

表8 3XXX系铝合金的热学性能

表9 3XXX系铝合金的电学性能

表10 3XXX系铝合金的力学性能

4)4XXX系铝合金

4XXX系合金属于 Al一Si系合金，这个系列的合金一般不可热处理强化，硅能以较大含量（(12%）加到铝中。Al一Si变形合金主要是加工成焊料，用于焊接镁含量不高的所有变形铝合金和铸造铝合金；其次是加工成锻件，制造活塞和在高温下工作 的零部件。用于轧制钎焊板的变形铝合金的硅含量可达 12%。4XXX系铝合金的热学性能 、电学性能见表11和表12。

表 11 4XXX系铝合金的热学性能

表12 4XXX系铝合金的电学性能

5)5XXX系铝合金

5XXX系铝合金属于不可热处理强化的铝合金，应用较广，Mg是该系合金中的主要合金元素，当Mg为主要元素或与Mn一起加入时，能形成具有中等强度或高强度的可加工硬化合金。这个系列的合金具有良好的焊接性能和加工性能，并在海洋空气 中具有良好的抗蚀性能，又称为“防锈铝”。Al-Mg合金中通常还加入少量或微量的 Mn,Cr,Be,Ti等。Mn除少量固溶外， 大部分形成 MnAl6，可使含 Mg相沉淀均匀，不但提高合金强度 ，还使合金抗应力腐蚀能力进一步增强。5XXX系铝合金电学性能见表13.

表 13 5XXX系铝合金电学性能

6)6XXX系铝合金

6XXX系铝合金的主要合金元素是Mg与Si，强化相为Mg2Si，Mg与Si的质量比为 1.73:1，可形成 Al一MgtSi伪二元系。在实际生产中质量比很难控制如此精准，当Mg含量过剩时，会明显减少Mg2Si 的固溶度而降低沉淀强化效果，使强度与成形性降低，但合金的抗蚀性好；而适当的Si 过剩可以细化 Mg2Si，同时Si沉淀后具有强化效果，合金的强度高，但成形性能及焊接性能较低 ，过量的 Si易在晶界偏析引起合金脆化 ，降低塑性 ，加入Cr和 Mn有利于减小过剩Si的不良作用。

经过几十年的实践应用和筛选，证明6063,6082,6061和 6005等4种合金及其变种已经占据了 6XXX系铝合金的统治地位 （80％以上），它们涵盖了抗拉强度从180-360MPa整个范围内的所有合金。

表 14 6XXX系铝合金的热学性能

表 15 6XXX系铝合金的电学性能

表 16 典型6XXX系铝合金型材的力学性能

7XXX系铝合金包括 Al一Zn,Al一Zn一Mg和Al一Zn一Mg一Cu合金。含 Zn的变形铝合金由于存在很强的应力腐蚀裂纹敏感性未能获得商业应用。直至 20世纪 40年代初，研究者才发现在Al一Zn一Mg合金基础上加入Cu,Mn,Cr等元素能显著改善该系合金抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀的性能，开发出7075合金，还有其他如7178合金、7079合金、7175合金和7475合金等。在 Al一Zn 一Mg合金基础上加入Cu所形成的Al一Zn一Mg一Cu系合金，其强化效果在所有铝合金中是最好的。

表17 7XXX系铝合金的热学性能

表18 7XXX系铝合金的电学性能

表 19 7075合金在不同温度下的典型力学性能

 

四、铝合金材料中合金元素的作用

通常，加入量超过 1％的元素称为主合金元素，对合金的组织性能产生决定性影响。微量合金元素能改变沉淀相的界面能 、提高空位浓度及均匀沉淀的临界温度，对时效和回复再结 晶产生很大影响，因此，微合金化成为进一 步挖掘传统合金潜力和开发新型铝合金的重要途径。

1）Cu的作用

Cu在铝中的极限固溶度为 5.67%，有 固溶强化和沉淀强化作用 ，当 Cu含量为 4％一 6％时，沉淀强化效果最好，大多数硬铝合金的Cu含量在此范围。Cu通常和 Mg同时加入， 形成 AI-Cu-Mg系硬铝合金，Cu+Mg含量越高，Cu/Mg比值越高，合金的强化效果越好， 当Mg含量为 l％~2％时，Cu含量由 1％增加到 4％时，合金的抗拉强度持续增加，含 2% Mg和4％Cu合金的抗拉强度最大，当Mg含量大于2%时，AI-Cu-Mg合金的强度降低。

2）Mn的作用

Mn在铝中的极限固溶度为 1.82％,Mn可以单独加入铝中形成不可热处理强化的 Al-Mn二元合金。在大多数铝合金 中，Mn是作为微合金元素加入的，随着 Mn含量增加，铝合金强度不断增加 ，当 Mn含量为 0.8％时 ，伸长率达到最大值 。除了有固溶强化作用外， Mn还能抑制粗晶环的产生，能延缓 AI-Cu-Mg合金的人工时效进程，细小而弥散分布的 MnAl6产生弥散强化作用，且可抑制再结晶及晶粒长大，提高合金的耐热强度。

3）Si和Fe的作用

Si在铝中的极限固溶度为1.65％,Si在 AI-Mg-Si锻铝、Al-Si铸造合金及 Al-Si焊料合金中是作为合金元素加入的，AI-Mg-Si系合金可热处理强化，而 Al-Si铸造合金和 Al-Si焊料合金具有极好的铸造性能及耐蚀性能。Fe在 AI-Cu-Mg-Ni-Fe系合金中是作为合金元素加入的，可改善AI-Cu-Mg合金的耐热性能。在其他铝合金中，Fe,Si为杂质元素，对合金的力学性能 、电学性能、耐蚀性、可焊性均有不良影响。

4）Mg的作用

Mg在铝中的极限固溶度为 14.9%, Mg可以单独加入铝中形成不可热处理强化的 Al-Mg二元合金，也可以与其他合金元素一同加入，对铝合金产生补充强化作用，一般变形铝合金的Mg含量低于6%。

5）Zn的作用

Zn在铝中的极限固溶度为82.8％，在 125℃时 ，溶解度下降为 5.6%;Zn单独加到铝中会增大铝合金的应力腐蚀开裂倾向，强化效果也不显著。在铝中同时加入Zn和 Mg，形成强化相 MgZn2，对合金产生明显的强化作用，Mg含量超过形成 MgZn2相所需要的量时， 还会产生补充强化作用，但是，随着 MgZn2含量的增加，应力腐蚀开裂和剥落腐蚀倾向明显增加。为了使强度和应力腐蚀抗力有良好的匹配，可通过成分设计和热处理控制 Zn/Mg 在 2.7左右。

6）Li的作用

Li在 Al中的极限固溶度为 4.2%，降温到室温后 ，Li在 Al中的固溶度小于 1％.Li的 密度仅为0.534g/cm3，添加 1％的 Li，可使合金密度下降 3%，弹性模量增加 6%；加入2％的 Li，铝合金密度可下降 10％，弹性模量提高25%-35％。

7）Cr的作用

Cr是 Al-Mg系 、AI-Mg-Si系、AI-Mg-Zn系合金中常见的添加元素，600℃时，Cr在 Al中的溶解度为 0.77％，室温时基本不溶解。Cr在 Al中形成 （CrFe)AI7和 （CrMn)Al12 等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但是，Cr会增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。Cr 在铝合金 中的添加量一般不超过 0.35%，并随合金中过渡元素含量的增加而降低 。

8）Zr的作用

Zr在 铝中的极限固溶度 为 0.28%，微量Zr添加到铝 中，有 固溶在α-Al中及形成A13Zr(D03）初生相、A13Zr(Ll2）亚稳相、A13Zr(D023）平衡相四种存在形式。Zr取代 α-Al晶格的部分 Al，形成置换型固溶体，会对铝合金后续处理产生积极影响 。在高强铝合金中，加入Zr可抑制与基体不共格的含 Mn,Cr的粗大相形成，有利于合金断裂韧性的提高，还能改善合金的淬火敏感性及抗应力腐蚀性能。

9）Sc的作用

Sc既属过渡元素，又属稀土元素，既有稀土元素净化熔体和改善铸造组织的作用，又有过渡元素细化晶粒、抑制再结晶的作用，是铝合金最有效的微合金化元素。Sc在铝中的极 限固溶度为 0.32%，含 Sc 的铝固溶体分解时，生成弥散度极高的 A13SC(Ll2)粒子 ，与 α-Al的结构和点阵常数几乎完全一致，强化效果好且具有很强的热稳定性，在高温下仍与基体保持共格关系，能有效地改善合金的塑性、耐蚀性、疲劳断裂性能等。此外，Sc可以细化铸态组织和改善合金的焊接性能。

10）Ag的作用

Ag在铝中的最大固溶度为35.6％，少量Ag对AI-Cu-Mg,AI-Cu-Li,AI-Zn-Mg-Cu系合金的抗拉强度、断裂韧性、疲劳特性、应力腐蚀抗力均有积极的作用。在 AI-Cu-Mg系合金中，当Cu/Mg较高时，加入少量Ag就会形成片状的。亚稳相，提高合金的时效强化效果，当温度低于200℃时，Ω相可保持稳定，使合金有较好的抗蠕变性能。

11）Cd,Sn,In的作用

Cd,Sn和 In元素对 Al-Cu合金的时效过程产生显著的影响。3种元素与淬火空位有较高的结合能，使 Al-Cu合金 GP区不易形成，从而抑制合金的低温时效，在淬火或高温时效早期形成的含Cd,Sn和In的沉淀相，可以作为θ'相的核心，从而增加高温时效效果，使得合金时效硬化达到强度峰值的时间缩短，强度峰值提高。

五、铝合金材料应用

铝合金具有较高的比强度、比刚度、断裂韧性、疲劳强度，同时还保持了纯铝良好的成形工艺性能和高耐蚀稳定性，成为重要的工程结构材料，广泛应用于航空航天、坦克舰艇 、机械、船舶 、电子、电力 、汽车 、建筑等生产行业 。常用变形铝合金材料的应用见表20。

表 20 常用变形铝合金材料的应用