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1．我有一個問題 在機械設(shè)計中，我們經(jīng)常用到鋁合金。 比如，6061-T6和7075-T651就是使用最多的兩種鋁合金。 因為它們有很好的重量強度比，也就是說它們重量輕，而強度也不錯，所以深受歡迎，特別是對于重量比較敏感的地方，比如高速運動平臺，飛機結(jié)構(gòu)，自行車架等。 那么問題來了，6061－T6和7075－T651，具體有什么區(qū)別？6xxx和7xxx的含義是什么？T6和T651又表示什么意思？ 說到這里，不得不說起鋁合金的分類及其命名方法。 2.鋁合金的分類 （1）鍛造和鑄造鋁合金 我們知道，鋁合金是以鋁為基礎(chǔ)元素，并添加了一種或二種主要合金元素，有金屬特性的合金。 在大多數(shù)鋁合金中，鋁含量為90%－96%，合金元素包括銅，鋅，錳，鎂，硅等。 根據(jù)制作工藝類型，鋁合金可以分為鍛造鋁合金和鑄造鋁合金。 鍛造鋁合金，是以錠或方坯形式生產(chǎn)，隨后通過多種工藝，例如軋制，擠壓，變形，拉拔等工藝生產(chǎn)出的，終端用戶可以加工成零件的合金。 鑄造鋁合金，就是通過鑄造的方法，制作的鑄錠合金。 鍛造鋁合金和鑄造鋁合金 鑄造鋁合金的合金成分大于10%，而鍛造鋁合金的合金元素不超過4%。 因為合金元素含量越多，延展性就越低，不利于后期加工。 所以在實際工程中，多數(shù)情況都是使用鍛造鋁合金，比如常用的6061，7075，5083，1100，甚至AL-Li8090-T8771等，就是鍛造鋁合金。 （2）可熱處理鋁合金和不可熱處理鋁合金 根據(jù)是否可以熱處理，鋁合金又可以分為可熱處理鋁合金，和不可熱處理鋁合金。 可熱處理鋁合金，是在固溶熱處理以及時效過程中，其主要合金元素（及部分次要合金元素），可以提供顯著的固溶和沉淀硬化作用，從而可以提高強度和硬度的合金。 這里涉及到幾個概念，比如固溶熱處理，時效。 關(guān)于合金的強化，后續(xù)還會牽扯一些概念，比如冷加工，應(yīng)變硬化等，我就在這里一起把這幾個概念說了吧，省得到處找。 冷加工（Cold Working）：金屬在一定的溫度和速率下發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)應(yīng)變硬化。 例如通過滾壓，拉拔等塑性變形，來提高其強度。 其原理是，冷加工使得微觀結(jié)構(gòu)中形成位錯和空位，抑制了原子之間的相對運動，從而合金的強度得以提高。 應(yīng)變硬化（Strain Hardening）：通過冷加工對金屬結(jié)構(gòu)進行改性，從而使得強度和硬度增加，而延展性下降。可參考這篇文章中的圖4，來理解應(yīng)變硬化。 固溶熱處理（Solution Treatment）：一種熱處理方法，包括將產(chǎn)品加熱到合適的溫度，并在該溫度下保持足夠長的時間，以允許溶質(zhì)進入固體溶液，然后迅速冷卻，以將溶質(zhì)保持在固體溶液中。 對于鋁合金，固溶熱處理，就是將合金加熱至高溫440℃-530℃（具體溫度跟合金元素有關(guān)），目的是使合金元素溶于鋁中，這時材料會變軟。隨后通常在水中極速冷卻（淬火），以保持合金中溶質(zhì)元素的分布。 固溶熱處理，淬火，以及時效處理 時效（Ageing）：固溶熱處理后，溶質(zhì)原子在室溫下又結(jié)合（沉淀）在一起，這叫自然時效。如果是在低溫熔爐中，溶質(zhì)原子結(jié)合得更快，這叫人工時效。所以，時效其實就是提供了更精細的原子沉淀，所以可以提高強度。 對于鋁合金，時效是指從過飽固體溶液中，析出一部分合金元素或者化合物，以產(chǎn)生所需的機械性能。 固溶熱處理并淬火后，材料比較軟，這個時候很適合做拉伸，來強化材料。 如果淬火后，放置在空氣中自然時效，材料會變得越來越硬，只是這個變化非常緩慢，有的合金甚至幾年后才變成最硬的狀態(tài)。 而如果淬火后，立刻進行人工時效，也就是把材料又加熱至100-200°C，并保溫一段時間，那么材料會因為沉淀出硬化的化合物，而變得堅硬，強度也會大大提高。 不同的時效溫度對6160鋁合金強度和硬度的影響： 從圖中可以看出，較高的溫度，可以更快地使合金達到其最高強度。但是溫度越高，最后獲得的強度，不如低溫下獲得的高。 在時效過程中，溫度和時間的把握非常重要，高溫且過長的時效時間，會形成較大的沉淀元素，沉淀硬化效果大大降低。 相反，過低的時效溫度，會消耗過多的沉淀時間，才能產(chǎn)生好的強化效果，時間長就意味著效率低了，成本高了。 退火（Annealing）：加熱并緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。 回火（Temper）：淬火后再次加熱，回火英語是Temper，Temper有發(fā)脾氣的意思，平時火氣不大，發(fā)脾氣時火就大了，可以理解為發(fā)脾氣時，火就回來了，所以Temper叫回火（僅為方便記憶）。 好了，解釋了一堆概念，這下我們可以繼續(xù)往下說了。 不可熱處理鋁合金，在固溶熱處理以及時效過程中，其主要合金元素，不能提供顯著的固溶和沉淀硬化作用，所以只能通過應(yīng)變硬化，例如冷軋或拉絲等冷加工方法，來提高其強度。 比如1，3，5類鍛造鋁合金，是不可熱處理鋁合金，而2，6，7類則可以熱處理。 可熱處理及不可熱處理鍛造鋁合金 對于鑄造鋁合金，1，4，5類不可熱處理，而2，3，7，8類可以熱處理。 不可熱處理鋁合金，只能通過加工硬化（Work Hardening），例如滾壓，拉拔等，來提高其強度。 因為冷加工使得結(jié)構(gòu)中形成位錯和空位，抑制原子之間的相對運動，所以提高了合金的強度。 可熱處理鋁合金，能夠通過熱處理，也可以通過加工硬化，來提高其強度。 也就是說，是否能夠熱處理，決定了鋁合金的強化方式。 不同類型鋁合金的強化方式和強度范圍 3.鋁合金的表示方法 鋁合金由四位數(shù)字加一些符號來表示，比如5083-H112，7075-T73等。 在表示方法上，鍛造鋁合金和鑄造鋁合金區(qū)別也很明顯。 鑄造鋁合金前4位數(shù)中有小數(shù)點，而鍛造鋁合金中沒有小數(shù)點。 例如，1xxx，3xxx，5xxx，7xxx等表示鍛造鋁合金，而1xx.x，3xx.x，5xx.x，7xx.x等表示鑄造鋁合金。 因為實際工程中以鍛造鋁合金居多，所以接下來，我主要集中在鍛造鋁合金來說。 第一位數(shù)字表示鋁合金的類型，由1-9組成，不同的數(shù)字表示不同的合金成分。 第2個數(shù)字表示合金成分的改型，0表示原始成分，1表示第一次改型，2表示第二次改型，依次類推，表示不同的合金元素含量的差異。例如7075表示鋁－鋅原始合金， 7175和7475表示鋁－鋅改型合金，7175和7475是7075的改型牌號。 第3和第4位數(shù)字，表示該合金系列中的特定合金。這些數(shù)字的值沒有特別的意義。 如果用一張圖來表示鍛造鋁合金的話，就是下面這張。 鍛造鋁合金的表示方法，By羅羅，公眾號：羅羅日記。歡迎關(guān)注，一起學(xué)習(xí)，一起進步 1xxx系列 1類鋁合金其實并不是真正的鋁合金，因為它的鋁含量是99%，屬于商業(yè)純鋁。 機械方面，這類合金有很好的延展性，比如1100常用來做鈑金，還有常見的藥品和食物鋁箔包裝，也是用1類合金。 另外，1類合金有很好的抗腐蝕性，加工性，并且可以通過加工硬化來提高其強度。 這類合金，因為有出色的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，所以廣泛應(yīng)用于電力輸送領(lǐng)域。 2xxx系列 2類合金的主要合金元素是銅，還含有少量的鎂。 因為銅在高溫時可以溶解于鋁中，所以此類合金對固溶強化會有反應(yīng)，稱為可熱處理鋁合金。 經(jīng)過熱處理后，它可以擁有很好的強度，可與低碳鋼媲美。 當然，因為含銅，所以也更易于腐蝕。 2024是典型的，使用最廣泛的2類鋁合金。 3xxx系列 3類鋁合金的主要合金元素是錳。 此類合金具有中等強度，具有出色的加工性能。 比如，該等級中的3003鋁合金，因為有很好的可加工性，常用于散熱裝置。 再如3004鋁合金，延展性和加工性好，常用于制造易拉罐。 4xxx系列 4類鋁合金的主要合金元素是硅。 硅的加入可以降低熔點，但不影響延展性，所以，這類合金通常用作焊絲，用來連接其他的鋁。 另外，因為4系列合金的氧化層，在美學(xué)上令人賞心悅目，所以也通常使用于建筑中。最有代表性的是4047，它有很好的導(dǎo)熱，導(dǎo)電和抗腐蝕性能等。 此類合金通常是不能熱處理的，但是根據(jù)硅的含量，和其他合金元素的成分，有些又可以進行一定程度的熱處理。 5xxx系列 5xxx系列合金的主要元素是鎂，在特定合金中，還含有少量的錳。 這類合金可應(yīng)變硬化，易于焊接，并且具有極好的抗腐蝕性，所以可用于海洋環(huán)境，像船體，舷梯和其他海洋設(shè)備。 比如5052合金，具有良好的耐海水腐蝕性，和出色的可加工性，常用于海洋船只，而5083則可用于坦克戰(zhàn)機，5005常用于建筑結(jié)構(gòu)等。 6xxx系列 6系列鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，在固溶熱處理時，它們將會合成Mg2Si。 此類合金可以通過熱處理提高強度，雖然沒有2xxx和7xxx系列鋁合金的強度高，但是它融合了良好的強度，可加工性，焊接性，成型性及抗腐蝕性。 通過擠壓成型的6系列合金，是機械及建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的第一選擇。 比如，6061鋁合金，是可熱處理鋁合金中最靈活的，它同時保留了大多數(shù)鋁的出色特性，所以它也是我們在設(shè)計中，使用最頻繁的鋁合金。該牌號具有廣泛的機械性能和耐腐蝕性，在退火條件下具有優(yōu)異的可加工性，可以使用常規(guī)方法加工，而且它還可以進行焊接。 7xxx類鋁合金 7類鋁合金的主要合金元素是鋅，通常還有一定量的銅和鎂。 因為使用了鋅，所以此類合金是所有鍛造合金中最堅固的，其強度甚至可以超過某些鋼。 正因為如此，所以7類合金常用于飛機工業(yè)中。雖然鋅的添加也會降低其可加工性，但是其出色的強度彌補了這些缺點。 比如7075鋁合金，因為它具有出色的重量強度比，是高應(yīng)力零件的理想選擇。并且可以根據(jù)需要，進行成型加工，熱處理等操作。 8xxx系列鋁合金 8類鋁合金使用不常用的元素作為其合金元素，例如鋰，錫，或鐵等。 此類合金一般用于有特定要求的場合，例如高溫性能，較低的密度，較高的剛度等要求。 比如鋁鋰合金8090-T8771，用于高速轉(zhuǎn)動的，低轉(zhuǎn)動慣量高剛性的大轉(zhuǎn)盤。 8類合金也通常用于直升機部件，和其他航空航天應(yīng)用中。 4.鋁合金的回火處理 鋁合金組別，用四位數(shù)字表示，不同的數(shù)字表示不同的合金成分。 比如，2類合金的主要合金元素是銅，6類鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，7類鋁合金的主要元素是鋅。 而鋁合金的熱處理用大寫字母和數(shù)字來表示。 大寫字母，例如F，O，H， W，T等，表示不同的熱處理類型。 比如6061-T6：表示該鋁合金屬于第6類鋁合金，即鋁－鎂－硅鋁合金，并進行了固溶熱處理，以及人工時效：T6。 再比如，7075-T651，基本回火為T6，表示固溶熱處理，淬火，然后人工時效，5表示經(jīng)過了應(yīng)力釋放，1表示應(yīng)力釋放的拉伸量為0.5-2%。 鋁合金的回火及強化方法 不同字母的具體含義如下： F＝As Fabricated，表示通過成型工藝方法制作的產(chǎn)品。 用于對于應(yīng)變硬化和熱處理沒有特別要求，僅在成型過程中獲得一些回火，對機械性能沒有限定的合金。 例如通過軋制，擠壓，鍛造，拉拔或鑄造等工藝方法，制造的鍛造或鑄造合金產(chǎn)品，這些工藝在加工或應(yīng)變硬化過程中，對熱條件沒有特殊控制。 比如，2014-F表示2014鋁合金的加工產(chǎn)品形式，加工工藝可以是軋制，擠壓，鍛造，或這些工藝的組合。 O：退火（Annealed） 退火的主要目的是提高可加工性，韌性，以及延展性，并使得鋁合金擁有最低強度的狀態(tài)。 例如5083-O表示5083的任意產(chǎn)品形式，其最近的處理是加熱到高溫345°C，然后自然冷卻到室溫。 H：應(yīng)變硬化（Strain Hardened） 對于不可熱處理的鋁合金，通常通過常溫下應(yīng)變硬化的方式，來提高其強度。 H后面通常會有2，3個符號，用來表示冷加工量，及隨后的熱處理。 比如H后面的第一個數(shù)，H1表示僅應(yīng)變硬化，H2表示應(yīng)變硬化和部分退火。H3表示應(yīng)變硬化，然后進行熱穩(wěn)定處理，H4表示應(yīng)變硬化及噴漆。 H1－H4的具體含義如下。 H1：無熱處理過程，僅通過應(yīng)變硬化來提高強度，這個代號后面的數(shù)值表示硬化程度。 H2: 應(yīng)變硬化并部分退火。用于：進行了超額的應(yīng)變硬化，然后通過部分退火，降低強度至需要水平的產(chǎn)品。H2后面的數(shù)字表示退火后剩下的應(yīng)變硬化量。 H3: 應(yīng)變硬化并低溫穩(wěn)定化。用于先通過應(yīng)變硬化，然后使用低溫穩(wěn)定化，來降低強度，提高延展性的產(chǎn)品。此符號后面的數(shù)字，表示應(yīng)變硬化并低溫穩(wěn)定化后，剩余的硬化量。 H后面的第二個數(shù)，例如H1X中的X，表示合金的實際應(yīng)變硬化量。 再如H2X中的X，表示金屬在超過所需的冷加工量，并進行部分退火后，剩余的有效冷加工量。 而H3X中的X，在冷加工和溫度穩(wěn)定化處理之后，剩余的有效冷加工。 H4X中的X，表示在冷加工和后續(xù)的成型，噴漆過程中涉及的熱暴露之后，剩余的有效冷加工。 如上所說，H后面的第二個數(shù)字，表示應(yīng)變硬化的程度，如果HX（X=1，2，3，4）后面跟了如下的數(shù)字，那么它的具體含義如下： 2: 1/4硬化量。 4: 1/2硬化量。 6: 3/4硬化量。 8: 全硬化量。 9: 超額硬化量。 總之，H后面的第二個數(shù)表示剩余的冷加工量。 H后面的第三位數(shù)，比如HXX1，是兩位數(shù)回火的變種，它用來表示機械性能或者精加工的控制，但是這種差異通常并不大。 比如，H111表示退火后，在拉伸中進行輕微應(yīng)變硬化，通常應(yīng)用于必須在退火后進行矯直，以達到直線度公差的擠壓型材。 H112用于通過高溫成型工藝，獲得了少許的回火，并且對應(yīng)變硬化量和熱處理量沒有特別的控制，但是對機械性能有一定要求的產(chǎn)品。 H111，H311及H321分別用于比H11，H31及H32硬化量要少些的合金。 W：固溶熱處理（Solution Heat Treated） 這是一種不穩(wěn)定回火，僅應(yīng)用于使用固溶熱處理后，又經(jīng)歷室溫自然時效的合金。僅當指定自然時效周期時，才使用此符號。 T：熱處理（Thermal Treated，Heat Treated） T表示熱處理，經(jīng)過熱處理，來產(chǎn)生除了F，O或H之外的穩(wěn)定回火。 T是熱處理合金中，使用最廣泛的符號，它可以用于任何可熱處理合金。 可熱處理合金在經(jīng)過固溶熱處理后，通常會進行快速淬火，并輔以自然或人工時效。 T后面總是有一個或多個數(shù)字，用來定義后續(xù)不同的處理。 T1：高溫成型并冷卻后，自然時效至基本穩(wěn)定狀態(tài)。 應(yīng)用于高溫成型（例如澆鑄或擠壓）工藝后，按照足以提高強度的冷卻速度，進行的室溫時效處理產(chǎn)品。 適用于在高溫成型并冷卻后，未進行冷加工的產(chǎn)品，或冷加工，例如展平或拉直，對機械性能的影響不明顯的產(chǎn)品。 T2: 高溫成型并冷卻，然后進行冷加工，并自然時效至穩(wěn)態(tài)。 T3: 固溶熱處理，然后進行冷加工，最后自然時效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強度的產(chǎn)品。 T4: 固溶熱處理，然后自然時效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于固溶熱處理之后，未進行冷加工的產(chǎn)品，或者冷加工不能提高強度的產(chǎn)品。 T5：高溫成型并冷卻，然后人工時效。應(yīng)用于高溫成型（例如澆鑄或擠壓）并冷卻后，進行人工時效，以提高機械強度和尺寸穩(wěn)定性的產(chǎn)品。 T6: 固溶熱處理，然后人工時效。應(yīng)用于固溶熱處理之后，不進行冷加工，或者冷加工不能提高強度的產(chǎn)品。 T7: 固溶熱處理，然后在熔爐中時效至穩(wěn)態(tài)化。穩(wěn)態(tài)化的目的是提高其抗拉強度。 T8: 固溶熱處理，然后冷加工硬化，最后人工時效處理。應(yīng)用于通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強度的產(chǎn)品。 T9: 固溶熱處理，然后人工時效硬化，最后冷加工提高強度。 T10：高溫成型冷卻后進行冷加工，然后人工時效實現(xiàn)沉淀硬化。 5. 6061－T6和7075－T651的區(qū)別 OK，到這里，我們對鋁合金系統(tǒng)有了一個全局的認識。 那么現(xiàn)在，我們再來說說6061和7075，應(yīng)該就比較容易理解了。 還是先上結(jié)果，再細說。 鋁合金6061和7075的性能對比 6061-T6：表示該鋁合金屬于第6類鋁合金，即鋁－鎂－硅鋁合金，并進行了固溶熱處理，以及人工時效處理：T6。 其中T6表示，該鋁合金使用了回火熱處理。 該熱處理分兩步，第一步加熱合金，第二步實效處理。 在第一步中，鋁合金被放入恒定溫度為527℃左右的溫度之中，并保持大約1小時，目的是讓鋁合金中的合金元素溶解，并均勻分布在鋁中。 之后取出，在冷水中快速淬火，淬火的目的是讓合金元素鎂和硅等，保留在固定位置。 因為如果將零件緩慢冷卻，通常會發(fā)生合金元素析出。 第二步，時效處理，就是將工件重新加熱到177℃，并保溫1-18小時（具體保溫時間，按照工件尺寸，形狀，應(yīng)用等因素來確定）。 這一步的目的，是讓硬化元素Mg2Si沉淀析出，增強鋁合金的強度。 7075-T651：這是典型的7系列合金，也就是以鋅為主要合金元素的鋁合金。 它的熱處理類型和6061-T6雷同，基本回火為T6，表示固溶熱處理，然后淬火，最后人工時效，時效的強化元素是Mg和ZnAlCu2。 還有一點不同的是，5表示經(jīng)過了拉伸來釋放應(yīng)力，1表示應(yīng)力釋放的拉伸量為0.5-2%。 看夠了沒？ 沒看夠的話，來我公眾號：羅羅日記 更多原創(chuàng)文章，等你來讀。一起學(xué)習(xí)，一起進步。 2 X( {7 J- V# T% n9 |/ q: Q* D
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發(fā)表于 2020-11-3 21:49:59
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