1.我有一個問題在機械設計中,我們經常用到鋁合金。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,特別是對於重量比較敏感的地方,比如高速運動平臺,飛機結構,自行車架等。
那麼問題來了,6061-T6和7075-T651,具體有什麼區別?6xxx和7xxx的含義是什麼?T6和T651又表示什麼意思?
說到這裏,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元素,並添加了一種或二種主要合金元素,有金屬特性的合金。
在大多數鋁合金中,鋁含量為90%-96%,合金元素包括銅,鋅,錳,鎂,矽等。
根據製作工藝類型,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,隨後通過多種工藝,例如軋製,擠壓,變形,拉拔等工藝生產出的,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,製作的鑄錠合金。
鍛造鋁合金和鑄造鋁合金
鑄造鋁合金的合金成分大於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,不利於後期加工。
所以在實際工程中,多數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澱硬化作用,從而可以提高強度和硬度的合金。
這裏涉及到幾個概念,比如固溶熱處理,時效。
關於合金的強化,後續還會牽扯一些概念,比如冷加工,應變硬化等,我就在這裏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生塑性變形,實現應變硬化。
例如通過滾壓,拉拔等塑性變形,來提高其強度。
其原理是,冷加工使得微觀結構中形成位錯和空位,抑製了原子之間的相對運動,從而合金的強度得以提高。
應變硬化(Strain Hardening):通過冷加工對金屬結構進行改性,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,來理解應變硬化。
固溶熱處理(Solution Treatment):一種熱處理方法,包括將產品加熱到合適的溫度,並在該溫度下保持足夠長的時間,以允許溶質進入固體溶液,然後迅速冷卻,以將溶質保持在固體溶液中。
對於鋁合金,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),目的是使合金元素溶於鋁中,這時材料會變軟。隨後通常在水中極速冷卻(淬火),以保持合金中溶質元素的分布。
固溶熱處理,淬火,以及時效處理
時效(Ageing):固溶熱處理後,溶質原子在室溫下又結合(沉澱)在一起,這叫自然時效。如果是在低溫熔爐中,溶質原子結合得更快,這叫人工時效。所以,時效其實就是提供了更精細的原子沉澱,所以可以提高強度。
對於鋁合金,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,以產生所需的機械性能。
固溶熱處理並淬火後,材料比較軟,這個時候很適合做拉伸,來強化材料。
如果淬火後,放置在空氣中自然時效,材料會變得越來越硬,隻是這個變化非常緩慢,有的合金甚至幾年後才變成最硬的狀態。
而如果淬火後,立刻進行人工時效,也就是把材料又加熱至100-200°C,並保溫一段時間,那麼材料會因為沉澱出硬化的化合物,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,最後獲得的強度,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,會形成較大的沉澱元素,沉澱硬化效果大大降低。
相反,過低的時效溫度,會消耗過多的沉澱時間,才能產生好的強化效果,時間長就意味著效率低了,成本高了。
退火(Annealing):加熱並緩慢冷卻,消除內應力,提高韌性。
回火(Temper):淬火後再次加熱,回火英語是Temper,Temper有發脾氣的意思,平時火氣不大,發脾氣時火就大了,可以理解為發脾氣時,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澱硬化作用,所以隻能通過應變硬化,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
對於鑄造鋁合金,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,隻能通過加工硬化(Work Hardening),例如滾壓,拉拔等,來提高其強度。
因為冷加工使得結構中形成位錯和空位,抑製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範圍
3.鋁合金的表示方法
鋁合金由四位數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別也很明顯。
鑄造鋁合金前4位數中有小數點,而鍛造鋁合金中沒有小數點。
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。
第一位數字表示鋁合金的類型,由1-9組成,不同的數字表示不同的合金成分。
第2個數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位數字,表示該合金系列中的特定合金。這些數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
(話說,我花了好多功夫畫這張圖,你不點個讚,或者留個言再走嗎)
1xxx系列
1類鋁合金其實並不是真正的鋁合金,因為它的鋁含量是99%,屬於商業純鋁。
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,並且可以通過加工硬化來提高其強度。
這類合金,因為有出色的導電性,導熱性,所以廣泛應用於電力輸送領域。
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於鋁中,所以此類合金對固溶強化會有反應,稱為可熱處理鋁合金。
經過熱處理後,它可以擁有很好的強度,可與低碳鋼媲美。
當然,因為含銅,所以也更易於腐蝕。
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,常用於散熱裝置。
再如3004鋁合金,延展性和加工性好,常用於製造易拉罐。
4xxx系列
4類鋁合金的主要合金元素是矽。
矽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,在美學上令人賞心悅目,所以也通常使用於建築中。最有代表性的是4047,它有很好的導熱,導電和抗腐蝕性能等。
此類合金通常是不能熱處理的,但是根據矽的含量,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。
這類合金可應變硬化,易於焊接,並且具有極好的抗腐蝕性,所以可用於海洋環境,像船體,舷梯和其他海洋設備。
比如5052合金,具有良好的耐海水腐蝕性,和出色的可加工性,常用於海洋船隻,而5083則可用於坦克戰機,5005常用於建築結構等。
6xxx系列
6系列鋁合金的主要合金元素是鎂和矽,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,是機械及建築結構領域的第一選擇。
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鋁的出色特性,所以它也是我們在設計中,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異的可加工性,可以使用常規方法加工,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類合金常用於飛機工業中。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,是高應力零件的理想選擇。並且可以根據需要,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。
此類合金一般用於有特定要求的場合,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,用於高速轉動的,低轉動慣量高剛性的大轉盤。
8類合金也通常用於直升機部件,和其他航空航天應用中。
4.鋁合金的回火處理
鋁合金組別,用四位數字表示,不同的數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矽,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:表示該鋁合金屬於第6類鋁合金,即鋁-鎂-矽鋁合金,並進行了固溶熱處理,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,然後人工時效,5表示經過了應力釋放,1表示應力釋放的拉伸量為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製作的產品。
用於對於應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。
例如通過軋製,擠壓,鍛造,拉拔或鑄造等工藝方法,製造的鍛造或鑄造合金產品,這些工藝在加工或應變硬化過程中,對熱條件沒有特殊控製。
比如,2014-F表示2014鋁合金的加工產品形式,加工工藝可以是軋製,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,並使得鋁合金擁有最低強度的狀態。
例如5083-O表示5083的任意產品形式,其最近的處理是加熱到高溫345°C,然後自然冷卻到室溫。
H:應變硬化(Strain Hardened)
對於不可熱處理的鋁合金,通常通過常溫下應變硬化的方式,來提高其強度。
H後面通常會有2,3個符號,用來表示冷加工量,及隨後的熱處理。
比如H後面的第一個數,H1表示僅應變硬化,H2表示應變硬化和部分退火。H3表示應變硬化,然後進行熱穩定處理,H4表示應變硬化及噴漆。
H1-H4的具體含義如下。
H1:無熱處理過程,僅通過應變硬化來提高強度,這個代號後面的數值表示硬化程度。
H2: 應變硬化並部分退火。用於:進行了超額的應變硬化,然後通過部分退火,降低強度至需要水平的產品。H2後面的數字表示退火後剩下的應變硬化量。
H3: 應變硬化並低溫穩定化。用於先通過應變硬化,然後使用低溫穩定化,來降低強度,提高延展性的產品。此符號後面的數字,表示應變硬化並低溫穩定化後,剩餘的硬化量。
H後面的第二個數,例如H1X中的X,表示合金的實際應變硬化量。
再如H2X中的X,表示金屬在超過所需的冷加工量,並進行部分退火後,剩餘的有效冷加工量。
而H3X中的X,在冷加工和溫度穩定化處理之後,剩餘的有效冷加工。
H4X中的X,表示在冷加工和後續的成型,噴漆過程中涉及的熱暴露之後,剩餘的有效冷加工。
如上所說,H後面的第二個數字,表示應變硬化的程度,如果HX(X=1,2,3,4)後面跟了如下的數字,那麼它的具體含義如下:
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後面的第二個數表示剩餘的冷加工量。
H後面的第三位數,比如HXX1,是兩位數回火的變種,它用來表示機械性能或者精加工的控製,但是這種差異通常並不大。
比如,H111表示退火後,在拉伸中進行輕微應變硬化,通常應用於必須在退火後進行矯直,以達到直線度公差的擠壓型材。
H112用於通過高溫成型工藝,獲得了少許的回火,並且對應變硬化量和熱處理量沒有特別的控製,但是對機械性能有一定要求的產品。
H111,H311及H321分別用於比H11,H31及H32硬化量要少些的合金。
W:固溶熱處理(Solution Heat Treated)
這是一種不穩定回火,僅應用於使用固溶熱處理後,又經曆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,經過熱處理,來產生除了F,O或H之外的穩定回火。
T是熱處理合金中,使用最廣泛的符號,它可以用於任何可熱處理合金。
可熱處理合金在經過固溶熱處理後,通常會進行快速淬火,並輔以自然或人工時效。
T後面總是有一個或多個數字,用來定義後續不同的處理。
T1:高溫成型並冷卻後,自然時效至基本穩定狀態。
應用於高溫成型(例如澆鑄或擠壓)工藝後,按照足以提高強度的冷卻速度,進行的室溫時效處理產品。
適用於在高溫成型並冷卻後,未進行冷加工的產品,或冷加工,例如展平或拉直,對機械性能的影響不明顯的產品。
T2: 高溫成型並冷卻,然後進行冷加工,並自然時效至穩態。
T3: 固溶熱處理,然後進行冷加工,最後自然時效至穩定狀態。應用於通過冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強度的產品。
T4: 固溶熱處理,然後自然時效至穩定狀態。應用於固溶熱處理之後,未進行冷加工的產品,或者冷加工不能提高強度的產品。
T5:高溫成型並冷卻,然後人工時效。應用於高溫成型(例如澆鑄或擠壓)並冷卻後,進行人工時效,以提高機械強度和尺寸穩定性的產品。
T6: 固溶熱處理,然後人工時效。應用於固溶熱處理之後,不進行冷加工,或者冷加工不能提高強度的產品。
T7: 固溶熱處理,然後在熔爐中時效至穩態化。穩態化的目的是提高其抗拉強度。
T8: 固溶熱處理,然後冷加工硬化,最後人工時效處理。應用於通過冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強度的產品。
T9: 固溶熱處理,然後人工時效硬化,最後冷加工提高強度。
T10:高溫成型冷卻後進行冷加工,然後人工時效實現沉澱硬化。
5.6061-T6和7075-T651的區別
OK,到這裏,我們對鋁合金系統有了一個全局的認識。
那麼現在,我們再來說說6061和7075,應該就比較容易理解了。
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還是先上結果,再細說。
鋁合金6061和7075的性能對比
6061-T6:表示該鋁合金屬於第6類鋁合金,即鋁-鎂-矽鋁合金,並進行了固溶熱處理,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,並保持大約1小時,目的是讓鋁合金中的合金元素溶解,並均勻分布在鋁中。
之後取出,在冷水中快速淬火,淬火的目的是讓合金元素鎂和矽等,保留在固定位置。
因為如果將零件緩慢冷卻,通常會發生合金元素析出。
第二步,時效處理,就是將工件重新加熱到177℃,並保溫1-18小時(具體保溫時間,按照工件尺寸,形狀,應用等因素來確定)。
這一步的目的,是讓硬化元素Mg2Si沉澱析出,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,然後淬火,最後人工時效,時效的強化元素是Mg和ZnAlCu2。
還有一點不同的是,5表示經過了拉伸來釋放應力,1表示應力釋放的拉伸量為0.5-2%。