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铝合金

铝合金通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素，20世纪初由德国人阿尔弗雷德·威尔姆（英语：Alfred Wilm）发明，对飞机发展帮助极大，第一次世界大战后德国铝合金成分被列为国家机密。跟普通的碳钢相比有更轻及耐腐蚀的性能，但抗腐蚀性不如纯铝。在干净、干燥的环境下铝合金的表面会形成保护的氧化层。造成电偶腐蚀（英语：Galvanic corrosion）加速的情况有：铝合金与不锈钢接触的情况、其他金属的腐蚀电位比铝合金低或是在潮湿的环境下。如果铝和不锈钢要一同使用必须在有water-containing systems或是户外安装两金属间电子或电解质隔离。

铝合金的成分需要向美国铝业协会（Aluminium Association，AA）注册。许多组织公布更具体制造铝合金的标准，包括美国汽车工程协会（Society of Automotive Engineers，SAE）特别是航空标准[1]，还有美国材料试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）。

工程用途

 
电子显微镜下的铋铝合金
 
铝合金锻造物
 
铝合金饰品
 
铝-金二元合金的相图
 
1938年，法国学者纪尼埃(A.Guinier)阐明了铝合金时效硬化是由溶质原子形成的富集区(G.P.区)所致。

概要

铝合金被广泛应用在工程结构上。合金系统由数字系统分类（ANSI），或由名称表示主要的组成合金（DIN及ISO）。为一种指定的应用选择正确的合金需要考虑材料的强度、延性、成形性、焊接性、抗腐蚀性等等。简短的历史概述合金和制造技术，请参照[2]。由于它的高强度和较低重量比率，铝被广泛使用在现代航空器里。

弹性度

铝使用不当，可能会导致些问题。尤其是在对比铁或钢后，觉得铝有“更好的表现”的那些直觉行事的设计师，机械师，或技术员。跟铁或钢相比，相同大小的铝重量只有铁或钢的三分之一，似乎有着巨大的吸引力。但必须注意到，刚性同时也减少了三分之二。因此，直接更换一个铁或钢铁的零件，并施加可接受的力量，虽然不会造成破坏，但是铝的弹性会造成零件三倍以上的挠度。

即使材料不会破坏，过度的弹性亦不可取。尤其在要求精度或者有效率传输的地方。随意地将钢管更换为同样大小的铝管将造成一定程度弯曲。例如，用相同的尺寸的铝管取代钢管的自行车框架，增加弹性的操作下，负荷所造成的不同心度将会吸收运行的力量。若增加管壁的厚度来补强，则造成重量增加并丧失了弹性与重量比的优势。

就这情况而言，最好重新设计铝尺寸的部分，以适应其特点。例如，使自行车的框架铝管具有超大直径，而不是厚的管壁。这样增加了强度，重量也没有增加很多。[3]这样处理的极限在于对挫曲的敏感性增加。

最新型的雪佛兰科尔维特Corvette汽车，是一个很好的例子，重新设计后的部分利用了铝的优势。使用了由铝制造的底盘和悬挂系统零件，消除不必要的金属后不但减轻也减少了截面积，这些车有大的尺寸和良好的刚度。因此，在同样或更激烈的使用情况下不需要跟钢制的零件一样频繁更换，大部分人对此觉得有吸引力。同样地，铝自行车框架可以改良设计，以便提供刚性和一些额外的灵活性，后者的功用可以当作另一种避震器。

铝合金的强度和耐久性差别很大，不仅组成合金元素的差别，也由于制造过程的差异。这种可变性加上经验曲线的使用，使铝时常获得了坏名声。举例来说，70年代早期许多设计不良的铝自行车框架高频率的损坏后，伤害了铝的声誉。然而，铝零件广泛的使用在航空器和高性能的汽车行业，放大来讲是禁得起极微小的失败率，同时也说明了自行车零组件没有不可靠的问题。时间和经验证明了铝依旧是可靠的。

同样地，铝在汽车应用尤其是在引擎零件上，得益于一段时间内的发展。奥迪工程师，在评论最近由奥迪工厂恢复一台1930年代汽车联盟赛车的V12引擎有超过500匹马力，引擎所使用的铝合金今天会被使用在像是除草机和家具上。在1960年代Corvair铝制的汽缸盖和曲轴箱，即使上螺纹被磨平及总体上的失败仍得到了良好的名声。这是已往不曾见过的设计。

其中一个重要的结构限制是铝合金疲劳性能，而钢具有较高的疲劳极限（理论上可以承受无限多的周期性载荷），铝的疲劳极限是接近零，也就是说它最终将破坏，甚至非常小的循环荷载作用都可以使它破坏，但对于小的应力可以使用非常长的时间。

热敏度

通常必须考虑金属的热敏感性。事实上铝对热感应上相对地复杂，不像钢将要熔化时发出亮红色。由于铝熔化之前没有迹象显示，使用喷灯成型时需要一些专门的知识。

铝过热的时候受到内部压力和拉力，这些压力往往会导致延迟的扭曲。举例来说，常见的有翘曲或过热裂开的汽车铝缸盖。几年后，沿着铝自行车框架焊接逐渐变成趋势。1970年代黏着剂被用在一些自行车上，不幸的是当铝管受到轻微腐蚀就会松动黏接，终究车架解体。因此，航天工业，完全避免热进入零件[胶粘剂]间或机械扣件。

过热的铝可放心热处理零件在一炉，并逐步冷却－有退火的效果。然而这样做的结果有可能造成扭曲，所以热处理焊接自行车框架，会导致重要的部分产生不重合。如果不严重，冷却之后有可能可以重合在一起。如果框架设计有相当的刚性，变形将需要很大的力量。

铝的不耐高温性不包括使用在火箭上，用于气体燃烧可达3500 K的燃烧室，在Agena上，阶段引擎部分设计使用了再生铝冷却喷嘴，包括关键喷喉；实际上铝极端高导热性防止了喷喉在巨大的热流下到达熔点，是一个可靠的轻组件。

奈米化

21世纪后奈米技术有所进展，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授领衔的科研团队，突破了奈米陶瓷铝合金技术，在铝里掺陶瓷增强特性的构想长期存在，但技术难关巨大，强度及塑性差等问题无法解决。新技术采用让陶瓷自己从铝里长出来的新构想，团队最终采用“原位自生技术”，透过熔体控制自生，陶瓷颗粒的尺寸由外加法的几十微米降低到奈米级，突破了外加陶瓷铝基复合材料的塑性低、加工难等应用瓶颈。该种材料也可用于3D打印且成品有接近锻造的性质，航天潜力巨大。[4]

目前天宫一号、天宫二号和若干卫星已经应用奈米陶瓷铝合金零件。


家庭配线

1960年代跟铝的高导电性和比铜低的价格，在美国的家庭配线使用了铝，即使许多装置的设计不是能使用铝导线的。新的用途带了一些问题：

  • 铝巨大的热膨胀系数造成导线容易变长扭曲，最终跨接到不同的金属（如旁边的螺丝、墙钉），造成短路。
  • 纯铝有一个“蠕变”倾向，稳定持续的压力（随着温度的上升），再次造成短路。
  • 电偶腐蚀（英语：Galvanic corrosion）造成接触端的金属电阻增加。

这些过热和过松的联接，反而导致了一些火灾。建造者对导线的选用开始变的谨慎，在新建筑上许多法令禁止了它的用途。但较新的装置，最终改善了连接设计，以避免松动和过热。一开始的标示为"Al/Cu"，现在则是印着"CO/ALR"。另一种阻止发热的方法，卷曲铝线与铜线编成短辫，利用高压卷曲并利用工具减少铝的热膨胀。现在，新的合金、设计和方法用在铝导线和铝端子的结合。

合金分类

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

变形铝合金牌号使用四位数字表示，其中包含了合金成分所占的比例。破折号后的4位数号码代表热处理的类型，例如“6061-T6”。铸造用铝合金使用4至5位数号码与一个小数点。在百位数的数字代表合金元素，小数点用来辨认是铸件或是铝锭。

锻造用合金

国际合金命名系统（International Alloy Designation System）被广泛接受命名锻造合金。每个合金是由于四位数号码，其中第一位数为主要合金元素。

  • 1000系列至少含99%（重量百分比）的铝。
  • 2000系列铜合金，强度媲美钢。以前称为杜拉铝，是常用的航天合金，但容易受到粒间腐蚀，逐渐被7000系列取代。
  • 3000系列锰合金，有加工硬化。
  • 4000系列硅合金，亦称为硅铝明。
  • 5000系列镁合金，可解决加工硬化，强度较高。
  • 6000系列镁硅合金，易于加工，可沉积硬化，得到的强度可媲美钢铁。
  • 7000系列锌合金，可析出硬化，在所有铝合金中有最高强度。
  • 8000系列混合。

锻造用铝合金元素含量

（重量百分比）

代号 硅 铁 铜 锰 镁 铬 锌 钒 钛 钡 镓 铅 锆 其他 铝
每种 总和
1060 0.25 0.35 0.05 0.03 0.03 0.03 0.05 0.05 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 最少99.6
1100 0.95 Si+Fe 0.05-0.20 0.05 0.10 0.05 0.15 最少99.0
2014 0.50-1.2 0.7 3.9-5.0 0.40-1.2 0.20-0.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
2024 0.50 0.50 3.8-4.9 0.30-0.9 1.2-1.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
2219 0.2 0.30 5.8-6.8 0.20-0.40 0.02 0.10 0.05-0.15 0.02-0.10 0.10-0.25 0.05 0.15 剩余的
3003 0.6 0.7 0.05-0.20 1.0-1.5 0.10 0.05 0.15 剩余的
3004 0.30 0.7 0.25 1.0-1.5 0.8-1.3 0.25 0.05 0.15 剩余的
3102 0.40 0.7 0.10 0.05-0.40 0.30 0.10 0.05 0.15 剩余的
5052 0.25 0.40 0.10 0.10 2.2-2.8 0.15-0.35 0.10 0.05 0.15 剩余的
5083 0.40 0.40 0.10 0.40-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
5086 0.40 0.50 0.10 0.20-0.7 3.5-4.5 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
5154 0.25 0.40 0.10 0.10 3.1-3.9 0.15-0.35 0.20 0.20 0.05 0.15 剩余的
5454 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩余的
5456 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩余的
6005 0.6-0.9 0.35 0.10 0.10 0.40-0.6 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩余的
6005A† 0.50-0.9 0.35 0.30 0.50 0.40-0.7 0.30 0.20 0.10 0.05 0.15 剩余的
6060 0.30-0.6 0.10-0.30 0.10 0.10 0.35-0.6 0.5 0.15 0.10 0.05 0.15 剩余的
6061 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
6063 0.20-0.6 0.35 0.10 0.10 0.45-0.9 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩余的
6066 0.9-1.8 0.50 0.7-1.2 0.6-1.1 0.8-1.4 0.40 0.25 0.20 0.05 0.15 剩余的
6070 1.0-1.7 0.50 0.15-0.40 0.40-1.0 0.50-1.2 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩余的
6082 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-1.0 0.60-1.2 0.25 0.20 0.10 0.05 0.15 剩余的
6105 0.6-1.0 0.35 0.10 0.10 0.45-0.8 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩余的
6162 0.40-0.8 0.50 0.20 0.10 0.7-1.1 0.10 0.25 0.10 0.05 0.15 剩余的
6262 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.14 0.25 0.15 0.40-0.7 0.40-0.7 0.05 0.15 剩余的
6351 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-0.8 0.40-0.8 0.20 0.20 0.05 0.15 剩余的
6463 0.20-0.6 0.15 0.20 0.05 0.45-0.9 0.05 0.05 0.15 剩余的
7005 0.35 0.40 0.10 0.20-0.7 1.0-1.8 0.06-0.20 4.0-5.0 0.01-0.06 0.08-0.20 0.05 0.15 剩余的
7072 0.7 Si+Fe 0.10 0.10 0.10 0.8-1.3 0.05 0.15 剩余的
7075 0.40 0.50 1.2-2.0 0.30 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.20 0.05 0.15 剩余的
7116 0.15 0.30 0.50-1.1 0.05 0.8-1.4 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩余的
7129 0.15 0.30 0.50-0.9 0.10 1.3-2.0 0.10 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩余的
7178 0.40 0.50 1.6-2.4 0.30 2.4-3.1 0.18-0.28 6.3-7.3 0.20 0.05 0.15 剩余的
†锰加铬必须介于0.12-0.50%

“其他”限制适用于所有的元素，无论是表格中有或没有。

铸造用铝合金

美国铝业协会（Aluminium Association，AA）采取与锻造用合金相似的命名原则。英国标准（British Standard，BS）、德国标准（Deutsches Institut für Normung，DIN）使用了不同的名称。

在美国铝业协会（AA）系统，第二、第三位数代表了最小含铝量，例如150.x代表最少含99.50%铝。该数字小数点后值为0或1，指的铸件和铸锭分别[5]。美国铝业协会系统下的主要铸造用铝合金列表如下：

  • 1xx.x系列：至少含99%铝
  • 2xx.x系列：铜
  • 3xx.x系列：硅，铜和（或）镁
  • 4xx.x系列：硅
  • 5xx.x系列：镁
  • 6xx.x系列：镁，硅
  • 7xx.x系列：锌
  • 8xx.x系列：锡
  • 9xx.x系列：混合

命名合金

用途概要

常用航天航空合金

这些铝合金，被用在飞机及其他航空器结构有悠久的历史。[6]

其他航天合金

这些都是目前生产的，但较少广泛使用，应用在航天上的铝合金。

航海合金

这些合金常被用在造船，海运业及盐水成分较高的地方使用。[7]

易拉罐合金

这些合金大量应用于易拉罐，包括啤酒、汽水饮料、食品等易拉罐包装。

建筑装饰用合金

这些合金大量应用于建筑幕墙装饰中

注解

  1. ^ SAE Aluminium specifications list （页面存档备份，存于互联网档案馆）, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council 互联网档案馆的存档，存档日期2006-09-27., accessed Oct 8, 2006.
  2. ^ R.E. Sanders, Technology Innovation in Aluminium Products, The Journal of The Minerals, 53(2):21–25, 2001. Online ed. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  3. ^ For a tube of constant wall thickness, stiffness scales as the cube of the diameter, whereas mass scales proportionally. So an aluminium tube with twice the diameter of a steel tube but the same wall thickness will be roughly 8/3 stiffer and 2/3 the weight. If 1.5 times the diameter, it will be roughly the same stiffness and half the weight, and so on.
  4. ^ 奈米陶瓷顆粒引入到鋁合金. [2017-08-08]. （原始内容存档于2021-03-16）. 
  5. ^ I. J. Polmear, Light Alloys, Arnold, 1995
  6. ^ Fundamentals of Flight, Shevell, Richard S., 1989, Englewood Cliffs, Prentice Hall, ISBN 0-13-339060-8, Ch 18, pp 373-386.
  7. ^ Boatbuilding with Aluminum, Stephen F. Pollard, 1993, International Marine, ISBN 0-07-050426-1
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