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1．我有一个问题 在机械设计中，我们经常用到铝合金。 比如，6061-T6和7075-T651就是使用最多的两种铝合金。 因为它们有很好的重量强度比，也就是说它们重量轻，而强度也不错，所以深受欢迎，特别是对于重量比较敏感的地方，比如高速运动平台，飞机结构，自行车架等。 那么问题来了，6061－T6和7075－T651，具体有什么区别？6xxx和7xxx的含义是什么？T6和T651又表示什么意思？ 说到这里，不得不说起铝合金的分类及其命名方法。 2.铝合金的分类 （1）锻造和铸造铝合金 我们知道，铝合金是以铝为基础元素，并添加了一种或二种主要合金元素，有金属特性的合金。 在大多数铝合金中，铝含量为90%－96%，合金元素包括铜，锌，锰，镁，硅等。 根据制作工艺类型，铝合金可以分为锻造铝合金和铸造铝合金。 锻造铝合金，是以锭或方坯形式生产，随后通过多种工艺，例如轧制，挤压，变形，拉拔等工艺生产出的，终端用户可以加工成零件的合金。 铸造铝合金，就是通过铸造的方法，制作的铸锭合金。 锻造铝合金和铸造铝合金 铸造铝合金的合金成分大于10%，而锻造铝合金的合金元素不超过4%。 因为合金元素含量越多，延展性就越低，不利于后期加工。 所以在实际工程中，多数情况都是使用锻造铝合金，比如常用的6061，7075，5083，1100，甚至AL-Li8090-T8771等，就是锻造铝合金。 （2）可热处理铝合金和不可热处理铝合金 根据是否可以热处理，铝合金又可以分为可热处理铝合金，和不可热处理铝合金。 可热处理铝合金，是在固溶热处理以及时效过程中，其主要合金元素（及部分次要合金元素），可以提供显著的固溶和沉淀硬化作用，从而可以提高强度和硬度的合金。 这里涉及到几个概念，比如固溶热处理，时效。 关于合金的强化，后续还会牵扯一些概念，比如冷加工，应变硬化等，我就在这里一起把这几个概念说了吧，省得到处找。 冷加工（Cold Working）：金属在一定的温度和速率下发生塑性变形，实现应变硬化。 例如通过滚压，拉拔等塑性变形，来提高其强度。 其原理是，冷加工使得微观结构中形成位错和空位，抑制了原子之间的相对运动，从而合金的强度得以提高。 应变硬化（Strain Hardening）：通过冷加工对金属结构进行改性，从而使得强度和硬度增加，而延展性下降。可参考这篇文章中的图4，来理解应变硬化。 固溶热处理（Solution Treatment）：一种热处理方法，包括将产品加热到合适的温度，并在该温度下保持足够长的时间，以允许溶质进入固体溶液，然后迅速冷却，以将溶质保持在固体溶液中。 对于铝合金，固溶热处理，就是将合金加热至高温440℃-530℃（具体温度跟合金元素有关），目的是使合金元素溶于铝中，这时材料会变软。随后通常在水中极速冷却（淬火），以保持合金中溶质元素的分布。 固溶热处理，淬火，以及时效处理 时效（Ageing）：固溶热处理后，溶质原子在室温下又结合（沉淀）在一起，这叫自然时效。如果是在低温熔炉中，溶质原子结合得更快，这叫人工时效。所以，时效其实就是提供了更精细的原子沉淀，所以可以提高强度。 对于铝合金，时效是指从过饱固体溶液中，析出一部分合金元素或者化合物，以产生所需的机械性能。 固溶热处理并淬火后，材料比较软，这个时候很适合做拉伸，来强化材料。 如果淬火后，放置在空气中自然时效，材料会变得越来越硬，只是这个变化非常缓慢，有的合金甚至几年后才变成最硬的状态。 而如果淬火后，立刻进行人工时效，也就是把材料又加热至100-200°C，并保温一段时间，那么材料会因为沉淀出硬化的化合物，而变得坚硬，强度也会大大提高。 不同的时效温度对6160铝合金强度和硬度的影响： 从图中可以看出，较高的温度，可以更快地使合金达到其最高强度。但是温度越高，最后获得的强度，不如低温下获得的高。 在时效过程中，温度和时间的把握非常重要，高温且过长的时效时间，会形成较大的沉淀元素，沉淀硬化效果大大降低。 相反，过低的时效温度，会消耗过多的沉淀时间，才能产生好的强化效果，时间长就意味着效率低了，成本高了。 退火（Annealing）：加热并缓慢冷却，消除内应力，提高韧性。 回火（Temper）：淬火后再次加热，回火英语是Temper，Temper有发脾气的意思，平时火气不大，发脾气时火就大了，可以理解为发脾气时，火就回来了，所以Temper叫回火（仅为方便记忆）。 好了，解释了一堆概念，这下我们可以继续往下说了。 不可热处理铝合金，在固溶热处理以及时效过程中，其主要合金元素，不能提供显著的固溶和沉淀硬化作用，所以只能通过应变硬化，例如冷轧或拉丝等冷加工方法，来提高其强度。 比如1，3，5类锻造铝合金，是不可热处理铝合金，而2，6，7类则可以热处理。 可热处理及不可热处理锻造铝合金 对于铸造铝合金，1，4，5类不可热处理，而2，3，7，8类可以热处理。 不可热处理铝合金，只能通过加工硬化（Work Hardening），例如滚压，拉拔等，来提高其强度。 因为冷加工使得结构中形成位错和空位，抑制原子之间的相对运动，所以提高了合金的强度。 可热处理铝合金，能够通过热处理，也可以通过加工硬化，来提高其强度。 也就是说，是否能够热处理，决定了铝合金的强化方式。 不同类型铝合金的强化方式和强度范围 3.铝合金的表示方法 铝合金由四位数字加一些符号来表示，比如5083-H112，7075-T73等。 在表示方法上，锻造铝合金和铸造铝合金区别也很明显。 铸造铝合金前4位数中有小数点，而锻造铝合金中没有小数点。 例如，1xxx，3xxx，5xxx，7xxx等表示锻造铝合金，而1xx.x，3xx.x，5xx.x，7xx.x等表示铸造铝合金。 因为实际工程中以锻造铝合金居多，所以接下来，我主要集中在锻造铝合金来说。 第一位数字表示铝合金的类型，由1-9组成，不同的数字表示不同的合金成分。 第2个数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，依次类推，表示不同的合金元素含量的差异。例如7075表示铝－锌原始合金， 7175和7475表示铝－锌改型合金，7175和7475是7075的改型牌号。 第3和第4位数字，表示该合金系列中的特定合金。这些数字的值没有特别的意义。 如果用一张图来表示锻造铝合金的话，就是下面这张。 锻造铝合金的表示方法，By罗罗，公众号：罗罗日记。欢迎关注，一起学习，一起进步 1xxx系列 1类铝合金其实并不是真正的铝合金，因为它的铝含量是99%，属于商业纯铝。 机械方面，这类合金有很好的延展性，比如1100常用来做钣金，还有常见的药品和食物铝箔包装，也是用1类合金。 另外，1类合金有很好的抗腐蚀性，加工性，并且可以通过加工硬化来提高其强度。 这类合金，因为有出色的导电性，导热性，所以广泛应用于电力输送领域。 2xxx系列 2类合金的主要合金元素是铜，还含有少量的镁。 因为铜在高温时可以溶解于铝中，所以此类合金对固溶强化会有反应，称为可热处理铝合金。 经过热处理后，它可以拥有很好的强度，可与低碳钢媲美。 当然，因为含铜，所以也更易于腐蚀。 2024是典型的，使用最广泛的2类铝合金。 3xxx系列 3类铝合金的主要合金元素是锰。 此类合金具有中等强度，具有出色的加工性能。 比如，该等级中的3003铝合金，因为有很好的可加工性，常用于散热装置。 再如3004铝合金，延展性和加工性好，常用于制造易拉罐。 4xxx系列 4类铝合金的主要合金元素是硅。 硅的加入可以降低熔点，但不影响延展性，所以，这类合金通常用作焊丝，用来连接其他的铝。 另外，因为4系列合金的氧化层，在美学上令人赏心悦目，所以也通常使用于建筑中。最有代表性的是4047，它有很好的导热，导电和抗腐蚀性能等。 此类合金通常是不能热处理的，但是根据硅的含量，和其他合金元素的成分，有些又可以进行一定程度的热处理。 5xxx系列 5xxx系列合金的主要元素是镁，在特定合金中，还含有少量的锰。 这类合金可应变硬化，易于焊接，并且具有极好的抗腐蚀性，所以可用于海洋环境，像船体，舷梯和其他海洋设备。 比如5052合金，具有良好的耐海水腐蚀性，和出色的可加工性，常用于海洋船只，而5083则可用于坦克战机，5005常用于建筑结构等。 6xxx系列 6系列铝合金的主要合金元素是镁和硅，在固溶热处理时，它们将会合成Mg2Si。 此类合金可以通过热处理提高强度，虽然没有2xxx和7xxx系列铝合金的强度高，但是它融合了良好的强度，可加工性，焊接性，成型性及抗腐蚀性。 通过挤压成型的6系列合金，是机械及建筑结构领域的第一选择。 比如，6061铝合金，是可热处理铝合金中最灵活的，它同时保留了大多数铝的出色特性，所以它也是我们在设计中，使用最频繁的铝合金。该牌号具有广泛的机械性能和耐腐蚀性，在退火条件下具有优异的可加工性，可以使用常规方法加工，而且它还可以进行焊接。 7xxx类铝合金 7类铝合金的主要合金元素是锌，通常还有一定量的铜和镁。 因为使用了锌，所以此类合金是所有锻造合金中最坚固的，其强度甚至可以超过某些钢。 正因为如此，所以7类合金常用于飞机工业中。虽然锌的添加也会降低其可加工性，但是其出色的强度弥补了这些缺点。 比如7075铝合金，因为它具有出色的重量强度比，是高应力零件的理想选择。并且可以根据需要，进行成型加工，热处理等操作。 8xxx系列铝合金 8类铝合金使用不常用的元素作为其合金元素，例如锂，锡，或铁等。 此类合金一般用于有特定要求的场合，例如高温性能，较低的密度，较高的刚度等要求。 比如铝锂合金8090-T8771，用于高速转动的，低转动惯量高刚性的大转盘。 8类合金也通常用于直升机部件，和其他航空航天应用中。 4.铝合金的回火处理 铝合金组别，用四位数字表示，不同的数字表示不同的合金成分。 比如，2类合金的主要合金元素是铜，6类铝合金的主要合金元素是镁和硅，7类铝合金的主要元素是锌。 而铝合金的热处理用大写字母和数字来表示。 大写字母，例如F，O，H， W，T等，表示不同的热处理类型。 比如6061-T6：表示该铝合金属于第6类铝合金，即铝－镁－硅铝合金，并进行了固溶热处理，以及人工时效：T6。 再比如，7075-T651，基本回火为T6，表示固溶热处理，淬火，然后人工时效，5表示经过了应力释放，1表示应力释放的拉伸量为0.5-2%。 铝合金的回火及强化方法 不同字母的具体含义如下： F＝As Fabricated，表示通过成型工艺方法制作的产品。 用于对于应变硬化和热处理没有特别要求，仅在成型过程中获得一些回火，对机械性能没有限定的合金。 例如通过轧制，挤压，锻造，拉拔或铸造等工艺方法，制造的锻造或铸造合金产品，这些工艺在加工或应变硬化过程中，对热条件没有特殊控制。 比如，2014-F表示2014铝合金的加工产品形式，加工工艺可以是轧制，挤压，锻造，或这些工艺的组合。 O：退火（Annealed） 退火的主要目的是提高可加工性，韧性，以及延展性，并使得铝合金拥有最低强度的状态。 例如5083-O表示5083的任意产品形式，其最近的处理是加热到高温345°C，然后自然冷却到室温。 H：应变硬化（Strain Hardened） 对于不可热处理的铝合金，通常通过常温下应变硬化的方式，来提高其强度。 H后面通常会有2，3个符号，用来表示冷加工量，及随后的热处理。 比如H后面的第一个数，H1表示仅应变硬化，H2表示应变硬化和部分退火。H3表示应变硬化，然后进行热稳定处理，H4表示应变硬化及喷漆。 H1－H4的具体含义如下。 H1：无热处理过程，仅通过应变硬化来提高强度，这个代号后面的数值表示硬化程度。 H2: 应变硬化并部分退火。用于：进行了超额的应变硬化，然后通过部分退火，降低强度至需要水平的产品。H2后面的数字表示退火后剩下的应变硬化量。 H3: 应变硬化并低温稳定化。用于先通过应变硬化，然后使用低温稳定化，来降低强度，提高延展性的产品。此符号后面的数字，表示应变硬化并低温稳定化后，剩余的硬化量。 H后面的第二个数，例如H1X中的X，表示合金的实际应变硬化量。 再如H2X中的X，表示金属在超过所需的冷加工量，并进行部分退火后，剩余的有效冷加工量。 而H3X中的X，在冷加工和温度稳定化处理之后，剩余的有效冷加工。 H4X中的X，表示在冷加工和后续的成型，喷漆过程中涉及的热暴露之后，剩余的有效冷加工。 如上所说，H后面的第二个数字，表示应变硬化的程度，如果HX（X=1，2，3，4）后面跟了如下的数字，那么它的具体含义如下： 2: 1/4硬化量。 4: 1/2硬化量。 6: 3/4硬化量。 8: 全硬化量。 9: 超额硬化量。 总之，H后面的第二个数表示剩余的冷加工量。 H后面的第三位数，比如HXX1，是两位数回火的变种，它用来表示机械性能或者精加工的控制，但是这种差异通常并不大。 比如，H111表示退火后，在拉伸中进行轻微应变硬化，通常应用于必须在退火后进行矫直，以达到直线度公差的挤压型材。 H112用于通过高温成型工艺，获得了少许的回火，并且对应变硬化量和热处理量没有特别的控制，但是对机械性能有一定要求的产品。 H111，H311及H321分别用于比H11，H31及H32硬化量要少些的合金。 W：固溶热处理（Solution Heat Treated） 这是一种不稳定回火，仅应用于使用固溶热处理后，又经历室温自然时效的合金。仅当指定自然时效周期时，才使用此符号。 T：热处理（Thermal Treated，Heat Treated） T表示热处理，经过热处理，来产生除了F，O或H之外的稳定回火。 T是热处理合金中，使用最广泛的符号，它可以用于任何可热处理合金。 可热处理合金在经过固溶热处理后，通常会进行快速淬火，并辅以自然或人工时效。 T后面总是有一个或多个数字，用来定义后续不同的处理。 T1：高温成型并冷却后，自然时效至基本稳定状态。 应用于高温成型（例如浇铸或挤压）工艺后，按照足以提高强度的冷却速度，进行的室温时效处理产品。 适用于在高温成型并冷却后，未进行冷加工的产品，或冷加工，例如展平或拉直，对机械性能的影响不明显的产品。 T2: 高温成型并冷却，然后进行冷加工，并自然时效至稳态。 T3: 固溶热处理，然后进行冷加工，最后自然时效至稳定状态。应用于通过冷加工，例如展平或者拉直，可以提高强度的产品。 T4: 固溶热处理，然后自然时效至稳定状态。应用于固溶热处理之后，未进行冷加工的产品，或者冷加工不能提高强度的产品。 T5：高温成型并冷却，然后人工时效。应用于高温成型（例如浇铸或挤压）并冷却后，进行人工时效，以提高机械强度和尺寸稳定性的产品。 T6: 固溶热处理，然后人工时效。应用于固溶热处理之后，不进行冷加工，或者冷加工不能提高强度的产品。 T7: 固溶热处理，然后在熔炉中时效至稳态化。稳态化的目的是提高其抗拉强度。 T8: 固溶热处理，然后冷加工硬化，最后人工时效处理。应用于通过冷加工，例如展平或者拉直，可以提高强度的产品。 T9: 固溶热处理，然后人工时效硬化，最后冷加工提高强度。 T10：高温成型冷却后进行冷加工，然后人工时效实现沉淀硬化。 5. 6061－T6和7075－T651的区别 OK，到这里，我们对铝合金系统有了一个全局的认识。 那么现在，我们再来说说6061和7075，应该就比较容易理解了。 还是先上结果，再细说。 铝合金6061和7075的性能对比 6061-T6：表示该铝合金属于第6类铝合金，即铝－镁－硅铝合金，并进行了固溶热处理，以及人工时效处理：T6。 其中T6表示，该铝合金使用了回火热处理。 该热处理分两步，第一步加热合金，第二步实效处理。 在第一步中，铝合金被放入恒定温度为527℃左右的温度之中，并保持大约1小时，目的是让铝合金中的合金元素溶解，并均匀分布在铝中。 之后取出，在冷水中快速淬火，淬火的目的是让合金元素镁和硅等，保留在固定位置。 因为如果将零件缓慢冷却，通常会发生合金元素析出。 第二步，时效处理，就是将工件重新加热到177℃，并保温1-18小时（具体保温时间，按照工件尺寸，形状，应用等因素来确定）。 这一步的目的，是让硬化元素Mg2Si沉淀析出，增强铝合金的强度。 7075-T651：这是典型的7系列合金，也就是以锌为主要合金元素的铝合金。 它的热处理类型和6061-T6雷同，基本回火为T6，表示固溶热处理，然后淬火，最后人工时效，时效的强化元素是Mg和ZnAlCu2。 还有一点不同的是，5表示经过了拉伸来释放应力，1表示应力释放的拉伸量为0.5-2%。 看够了没？ 没看够的话，来我公众号：罗罗日记 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发表于 2020-11-3 21:49:59
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