1.我有一個(gè)問(wèn)題 在機(jī)械設(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈冇泻芎玫闹亓繌?qiáng)度比,也就是說(shuō)它們重量輕,而強(qiáng)度也不錯(cuò),所以深受歡迎,特別是對(duì)于重量比較敏感的地方,比如高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái),飛機(jī)結(jié)構(gòu),自行車架等。 那么問(wèn)題來(lái)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(shuō)到這里,不得不說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)4%。 因?yàn)楹辖鹪睾吭蕉,延展性就越低,不利于后期加工?/font> 所以在實(shí)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(shí)效過(guò)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(qiáng)度和硬度的合金。 這里涉及到幾個(gè)概念,比如固溶熱處理,時(shí)效。 關(guān)于合金的強(qiáng)化,后續(xù)還會(huì)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(gè)概念說(shuō)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(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化。 例如通過(guò)滾壓,拉拔等塑性變形,來(lái)提高其強(qiáng)度。 其原理是,冷加工使得微觀結(jié)構(gòu)中形成位錯(cuò)和空位,抑制了原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而合金的強(qiáng)度得以提高。 應(yīng)變硬化(Strain Hardening):通過(guò)冷加工對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性,從而使得強(qiáng)度和硬度增加,而延展性下降。可參考這篇文章中的圖4,來(lái)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(zhǎng)的時(shí)間,以允許溶質(zhì)進(jìn)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(duì)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(shí)材料會(huì)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(shí)效處理 時(shí)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(shí)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(shí)效。所以,時(shí)效其實(shí)就是提供了更精細(xì)的原子沉淀,所以可以提高強(qiáng)度。 對(duì)于鋁合金,時(shí)效是指從過(guò)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(jī)械性能。 固溶熱處理并淬火后,材料比較軟,這個(gè)時(shí)候很適合做拉伸,來(lái)強(qiáng)化材料。 如果淬火后,放置在空氣中自然時(shí)效,材料會(huì)變得越來(lái)越硬,只是這個(gè)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(jìn)行人工時(shí)效,也就是把材料又加熱至100-200°C,并保溫一段時(shí)間,那么材料會(huì)因?yàn)槌恋沓鲇不幕衔,而變得?jiān)硬,強(qiáng)度也會(huì)大大提高。 不同的時(shí)效溫度對(duì)6160鋁合金強(qiáng)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(dá)到其最高強(qiáng)度。但是溫度越高,最后獲得的強(qiáng)度,不如低溫下獲得的高。 在時(shí)效過(guò)程中,溫度和時(shí)間的把握非常重要,高溫且過(guò)長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)間,會(huì)形成較大的沉淀元素,沉淀硬化效果大大降低。 相反,過(guò)低的時(shí)效溫度,會(huì)消耗過(guò)多的沉淀時(shí)間,才能產(chǎn)生好的強(qiáng)化效果,時(shí)間長(zhǎng)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(yǔ)是Temper,Temper有發(fā)脾氣的意思,平時(shí)火氣不大,發(fā)脾氣時(shí)火就大了,可以理解為發(fā)脾氣時(shí),火就回來(lái)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(shuō)了。 不可熱處理鋁合金,在固溶熱處理以及時(shí)效過(guò)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(guò)應(yīng)變硬化,例如冷軋或拉絲等冷加工方法,來(lái)提高其強(qiáng)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(duì)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(guò)加工硬化(Work Hardening),例如滾壓,拉拔等,來(lái)提高其強(qiáng)度。 因?yàn)槔浼庸な沟媒Y(jié)構(gòu)中形成位錯(cuò)和空位,抑制原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以提高了合金的強(qiáng)度。 可熱處理鋁合金,能夠通過(guò)熱處理,也可以通過(guò)加工硬化,來(lái)提高其強(qiáng)度。 也就是說(shuō),是否能夠熱處理,決定了鋁合金的強(qiáng)化方式。 不同類型鋁合金的強(qiáng)化方式和強(qiáng)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(hào)來(lái)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(diǎn),而鍛造鋁合金中沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)。 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?yàn)閷?shí)際工程中以鍛造鋁合金居多,所以接下來(lái),我主要集中在鍛造鋁合金來(lái)說(shuō)。 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(gè)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(hào)。 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(méi)有特別的意義。 如果用一張圖來(lái)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(hào):羅羅日記。歡迎關(guān)注,一起學(xué)習(xí),一起進(jìn)步 1xxx系列 1類鋁合金其實(shí)并不是真正的鋁合金,因?yàn)樗匿X含量是99%,屬于商業(yè)純鋁。 機(jī)械方面,這類合金有很好的延展性,比如1100常用來(lái)做鈑金,還有常見(jiàn)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(guò)加工硬化來(lái)提高其強(qiáng)度。 這類合金,因?yàn)橛谐錾膶?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?yàn)殂~在高溫時(shí)可以溶解于鋁中,所以此類合金對(duì)固溶強(qiáng)化會(huì)有反應(yīng),稱為可熱處理鋁合金。 經(jīng)過(guò)熱處理后,它可以擁有很好的強(qiáng)度,可與低碳鋼媲美。 當(dāng)然,因?yàn)楹~,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(qiáng)度,具有出色的加工性能。 比如,該等級(jí)中的3003鋁合金,因?yàn)橛泻芎玫目杉庸ば,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(diǎn),但不影響延展性,所以,這類合金通常用作焊絲,用來(lái)連接其他的鋁。 另外,因?yàn)?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(jìn)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(jī),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(shí),它們將會(huì)合成Mg2Si。 此類合金可以通過(guò)熱處理提高強(qiáng)度,雖然沒(méi)有2xxx和7xxx系列鋁合金的強(qiáng)度高,但是它融合了良好的強(qiáng)度,可加工性,焊接性,成型性及抗腐蝕性。 通過(guò)擠壓成型的6系列合金,是機(jī)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(shí)保留了大多數(shù)鋁的出色特性,所以它也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中,使用最頻繁的鋁合金。該牌號(hào)具有廣泛的機(jī)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(jìn)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?yàn)槭褂昧虽\,所以此類合金是所有鍛造合金中最堅(jiān)固的,其強(qiáng)度甚至可以超過(guò)某些鋼。 正因?yàn)槿绱耍?類合金常用于飛機(jī)工業(yè)中。雖然鋅的添加也會(huì)降低其可加工性,但是其出色的強(qiáng)度彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。 比如7075鋁合金,因?yàn)樗哂谐錾闹亓繌?qiáng)度比,是高應(yīng)力零件的理想選擇。并且可以根據(jù)需要,進(jìn)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(chǎng)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(dòng)的,低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高剛性的大轉(zhuǎn)盤。 8類合金也通常用于直升機(jī)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(lái)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(jìn)行了固溶熱處理,以及人工時(shí)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(shí)效,5表示經(jīng)過(guò)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(qiáng)化方法 不同字母的具體含義如下: F=As Fabricated,表示通過(guò)成型工藝方法制作的產(chǎn)品。 用于對(duì)于應(yīng)變硬化和熱處理沒(méi)有特別要求,僅在成型過(guò)程中獲得一些回火,對(duì)機(jī)械性能沒(méi)有限定的合金。 例如通過(guò)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(guò)程中,對(duì)熱條件沒(méi)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(qiáng)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(duì)于不可熱處理的鋁合金,通常通過(guò)常溫下應(yīng)變硬化的方式,來(lái)提高其強(qiáng)度。 H后面通常會(huì)有2,3個(gè)符號(hào),用來(lái)表示冷加工量,及隨后的熱處理。 比如H后面的第一個(gè)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(jìn)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(wú)熱處理過(guò)程,僅通過(guò)應(yīng)變硬化來(lái)提高強(qiáng)度,這個(gè)代號(hào)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(jìn)行了超額的應(yīng)變硬化,然后通過(guò)部分退火,降低強(qiáng)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(guò)應(yīng)變硬化,然后使用低溫穩(wěn)定化,來(lái)降低強(qiáng)度,提高延展性的產(chǎn)品。此符號(hào)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(gè)數(shù),例如H1X中的X,表示合金的實(shí)際應(yīng)變硬化量。 再如H2X中的X,表示金屬在超過(guò)所需的冷加工量,并進(jìn)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(guò)程中涉及的熱暴露之后,剩余的有效冷加工。 如上所說(shuō),H后面的第二個(gè)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(gè)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(lái)表示機(jī)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(jìn)行輕微應(yīng)變硬化,通常應(yīng)用于必須在退火后進(jìn)行矯直,以達(dá)到直線度公差的擠壓型材。 H112用于通過(guò)高溫成型工藝,獲得了少許的回火,并且對(duì)應(yīng)變硬化量和熱處理量沒(méi)有特別的控制,但是對(duì)機(jī)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(shí)效的合金。僅當(dāng)指定自然時(shí)效周期時(shí),才使用此符號(hào)。 T:熱處理(Thermal Treated,Heat Treated) T表示熱處理,經(jīng)過(guò)熱處理,來(lái)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(hào),它可以用于任何可熱處理合金。 可熱處理合金在經(jīng)過(guò)固溶熱處理后,通常會(huì)進(jìn)行快速淬火,并輔以自然或人工時(shí)效。 T后面總是有一個(gè)或多個(gè)數(shù)字,用來(lái)定義后續(xù)不同的處理。 T1:高溫成型并冷卻后,自然時(shí)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(qiáng)度的冷卻速度,進(jìn)行的室溫時(shí)效處理產(chǎn)品。 適用于在高溫成型并冷卻后,未進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品,或冷加工,例如展平或拉直,對(duì)機(jī)械性能的影響不明顯的產(chǎn)品。 T2: 高溫成型并冷卻,然后進(jìn)行冷加工,并自然時(shí)效至穩(wěn)態(tài)。 T3: 固溶熱處理,然后進(jìn)行冷加工,最后自然時(shí)效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于通過(guò)冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。 T4: 固溶熱處理,然后自然時(shí)效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于固溶熱處理之后,未進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品,或者冷加工不能提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。 T5:高溫成型并冷卻,然后人工時(shí)效。應(yīng)用于高溫成型(例如澆鑄或擠壓)并冷卻后,進(jìn)行人工時(shí)效,以提高機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性的產(chǎn)品。 T6: 固溶熱處理,然后人工時(shí)效。應(yīng)用于固溶熱處理之后,不進(jìn)行冷加工,或者冷加工不能提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。 T7: 固溶熱處理,然后在熔爐中時(shí)效至穩(wěn)態(tài)化。穩(wěn)態(tài)化的目的是提高其抗拉強(qiáng)度。 T8: 固溶熱處理,然后冷加工硬化,最后人工時(shí)效處理。應(yīng)用于通過(guò)冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。 T9: 固溶熱處理,然后人工時(shí)效硬化,最后冷加工提高強(qiáng)度。 T10:高溫成型冷卻后進(jìn)行冷加工,然后人工時(shí)效實(shí)現(xiàn)沉淀硬化。 5. 6061-T6和7075-T651的區(qū)別 OK,到這里,我們對(duì)鋁合金系統(tǒng)有了一個(gè)全局的認(rèn)識(shí)。 那么現(xiàn)在,我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)6061和7075,應(yīng)該就比較容易理解了。 還是先上結(jié)果,再細(xì)說(shuō)。 鋁合金6061和7075的性能對(duì)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(jìn)行了固溶熱處理,以及人工時(shí)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(shí)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(shí),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?yàn)槿绻麑⒘慵徛鋮s,通常會(huì)發(fā)生合金元素析出。 第二步,時(shí)效處理,就是將工件重新加熱到177℃,并保溫1-18小時(shí)(具體保溫時(shí)間,按照工件尺寸,形狀,應(yīng)用等因素來(lái)確定)。 這一步的目的,是讓硬化元素Mg2Si沉淀析出,增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)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(shí)效,時(shí)效的強(qiáng)化元素是Mg和ZnAlCu2。 還有一點(diǎn)不同的是,5表示經(jīng)過(guò)了拉伸來(lái)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(méi)? 沒(méi)看夠的話,來(lái)我公眾號(hào):羅羅日記 更多原創(chuàng)文章,等你來(lái)讀。一起學(xué)習(xí),一起進(jìn)步。 7 B6 c# ]6 v9 _3 ? j5 h
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