1.我有个问题
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,也就是说重量轻,强度好,所以很受欢迎,尤其是对重量敏感的地方,比如高速运动平台、飞机结构、自行车架等。
所以问题来了,6061-T6和7075-T651有什么区别?6xxx和7xxx什么意思?T6和T651又是什么意思?
说到这里,我不得不谈谈铝合金的分类及其命名方法。
2.铝合金分类
(1)锻造和铸造铝合金
众所周知,铝合金是一种具有金属特性的合金,以铝为基础元素,添加一种或两种主要合金元素。
铝含量为90%-96%,包括铜、锌、锰、镁、硅等。
铝合金可分为锻造铝合金和铸造铝合金。
锻造铝合金以锭或方坯的形式生产,然后通过轧制、挤压、变形、拉拔等多种工艺生产,终端用户可加工成零件。
铸铝合金是铸锭合金。
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成分不超过4%。
由于合金元素含量越高,延展性越低,不利于后期加工。
因此,在实际工程中,锻造铝合金常用于6061、7075、5083、1100甚至AL-Li8090-T8771等,就是锻造铝合金。
(2)铝合金可热处理和铝合金不可热处理
铝合金可分为可热处理铝合金和不可热处理铝合金。
热处理铝合金是在固溶热处理和及时性过程中,其主要合金元素(及部分次要合金元素)可提供显著的固溶和沉淀硬化效果,从而提高合金的强度和硬度。
这里涉及固溶热处理、及时性等几个概念。
关于合金的强化,以后还会涉及到一些概念,比如冷加工、应变硬化等。我就在这里说说这些概念,省得到处找。
冷加工(Cold Working):塑性变形发生在一定的温度和速率下,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。
其原理是原理是在微观结构中形成位错和空位,抑制原子之间的相对运动,从而提高合金的强度。
应变硬化(Strain Hardening):通过冷加工改性金属结构,增加强度和硬度,降低延展性。参考本文中的图4,了解应变硬化。
固溶热处理(Solution Treatment):一种热处理方法,包括将产品加热到适当的温度,并在温度下保持足够长的时间,使溶质进入固体溶液,然后迅速冷却,以保持溶质在固体溶液中。
对于铝合金,固溶热处理是将合金加热到高温440℃-530℃(具体温度与合金元素有关),目的是将合金元素溶解在铝中,使材料变软。通常在水中快速冷却(淬火),以保持合金中溶质元素的分布。
固溶热处理、淬火及时处理
时效(Ageing):固溶热处理后,溶质原子在室温下结合(沉淀),称为自然时效。在低温熔炉中,溶质原子结合得更快,称为人工时效。因此,及时性实际上提供了更精细的原子沉淀,因此可以提高强度。
对于铝合金,及时性是指从过饱固体溶液中沉淀部分合金元素或化合物,以产生所需的机械性能。
固溶热处理和淬火后,材料较软,此时非常适合拉伸加固材料。
如果淬火后放置在空气中,材料会变得越来越硬,但变化非常缓慢,有些合金甚至在几年后变得最硬。
淬火后立即进行人工时效,即将材料加热至100-200°C,保温一段时间后,由于硬化化合物的沉淀,材料会变硬,强度会大大提高。
对6160铝合金强度和硬度的影响:
从图中可以看出,较高的温度可以使合金达到最高强度。但是温度越高,最终获得的强度不如低温获得的高。
在及时性过程中,把握温度和时间是非常重要的。高温和过长的会形成较大的沉淀元素,大大降低沉淀硬化效果。
相反,过低的时效温度会消耗过多的沉淀时间,产生良好的强化效果。时间长意味着效率低,成本高。
退火(Annealing):加热并缓慢冷却,消除内应力,提高韧性。
回火(Temper):淬火后再加热,回火英语Temper,Temper有发脾气的意思,平时不生气,发脾气的时候会生气,可以理解为发脾气的时候,火会回来,所以Temper回火(只是为了方便记忆)。
好了,解释了一堆概念,在我们可以继续说了。
铝合金不能热处理。在固溶热处理和及时性过程中,其主要合金元素不能提供明显的固溶和沉淀硬化,只能通过冷轧或拉丝等冷加工方法提高其强度。
比如1、3、5种锻造铝合金,不能热处理铝合金,2、6、7种可以热处理。
铝合金锻造可热处理和不可热处理
铸造铝合金,1、4、5类不能热处理,2、3、7、8类可热处理。
铝合金不能热处理,只能加工硬化(Work Hardening),如滚压、拉拔等,以提高其强度。
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。
铝合金可热处理,也可加工硬化,以提高其强度。
换句话说,能否热处理,决定了铝合金的强化方法。
不同类型铝合金的强化方法和强度范围
3.铝合金的表示方法
铝合金由四位数字和一些符号表示,如5083-H112,7075-T73等。
锻造铝合金和铸造铝合金在表达方法上也有明显的区别。
铸造铝合金前四位数中有小数点,而锻造铝合金中没有小数点。
例如,1xxx,3xxx,5xxx,7xxx等等表示锻造铝合金,1xx.x,3xx.x,5xx.x,7xx.x表示铸造铝合金。
因为锻造铝合金主要是在实际工程中,接下来我主要集中在锻造铝合金上。
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。
第二个数字表示合金成分的改造,0表示原始成分,1表示第一次改造,2表示第二次改造,依次类比,表示不同合金元素含量的差异。例如,7075表示铝锌原合金, 7175和7475表示铝锌改型合金,7175和7475是7075的改型品牌。
第三和第四位数字表示合金系列中的特定合金。这些数字的值没有特殊意义。
如果用图表示锻造铝合金,则为下图。
锻造铝合金的表示方法
(换句话说,我花了很多时间画这张照片。你不喜欢它,也不留言去吗?
1xxx系列
1类铝合金不是真正的铝合金,因为它的铝含量是99%,属于商业纯铝。
在机械方面,这种合金具有良好的延展性,如1100常用于钣金、常用药品和食品铝箔包装,也使用1种合金。
此外,1类合金具有良好的耐腐蚀性和加工性,通过加工硬化可以提高其强度。
这种合金因其优异的导电性和导热性而广泛应用于电力输送领域。
2xxx系列
铜是二类合金的主要合金元素,还含有少量镁。
由于铜可以在高温下溶解在铝中,这种合金对固溶强化有反应,称为热处理铝合金。
经过热处理它具有良好的强度,可与低碳钢媲美。
当然,它更容易腐蚀,因为它含有铜。
2024是典型的2类铝合金,应用最广泛。
3xxx系列
3类铝合金的主要合金元素是锰。
这种合金强度中等,加工性能优异。
例如,3003铝合金由于其良好的加工性,常用于散热装置。
再比如3004铝合金,延展性好,加工性好,常用于制造罐头。
4xxx系列
硅是四种铝合金的主要合金元素。
添加硅可以降低熔点,但不影响延展性。因此,这种合金通常用作焊丝连接其他铝。
此外,由于4系列合金的氧化层在美学上赏心悦目,因此也常用于建筑中。最具代表性的是4047,它具有良好的导热性、导电性和耐腐蚀性。
这种合金通常不能热处理,但有些可以根据硅的含量和其他合金元素的成分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。
该合金可应变硬化,易焊接,耐腐蚀性好,可用于船体、舷梯等海洋设备等海洋环境。
例如,5052合金具有良好的耐海水腐蚀性和优异的可加工性常用于海洋船舶,5083可用于坦克战斗机,5005可用于建筑结构。
6xxx系列
6系列铝合金的主要合金元素是镁和硅,在固溶热处理中合成Mg2Si。
虽然没有2种合金可以通过热处理提高强度xxx和7xxx该系列铝合金具有较高的强度,但它具有良好的强度、可加工性和焊接性, 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?
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