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        鋁合金6061-T6和7075-T651有什么區別?

        作者:羅羅 瀏覽: 發表時間:2020-11-06 11:02:02 來源:羅羅日記

        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,特別是對于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。

        那么問題來了,6061-T6和7075-T651,具體有什么區別?6xxx和7xxx的含義是什么?T6和T651又表示什么意思?

        說到這里,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,并添加了一種或二種主要合金元素,有金屬特性的合金。

        在大多數鋁合金中,鋁含量為90%-96%,合金元素包括銅,鋅,錳,鎂,硅等。

        根據制作工藝類型,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,隨后通過多種工藝,例如軋制,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,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4%。

        因為合金元素含量越多,延展性就越低,不利于后期加工。

        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淀硬化作用,從而可以提高強度和硬度的合金。

        這里涉及到幾個概念,比如固溶熱處理,時效。

        關于合金的強化,后續還會牽扯一些概念,比如冷加工,應變硬化等,我就在這里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,抑制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??蓞⒖歼@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,并在該溫度下保持足夠長的時間,以允許溶質進入固體溶液,然后迅速冷卻,以將溶質保持在固體溶液中。

        對于鋁合金,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),目的是使合金元素溶于鋁中,這時材料會變軟。隨后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):固溶熱處理后,溶質原子在室溫下又結合(沉淀)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淀,所以可以提高強度。

        對于鋁合金,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。

        固溶熱處理并淬火后,材料比較軟,這個時候很適合做拉伸,來強化材料。

        如果淬火后,放置在空氣中自然時效,材料會變得越來越硬,只是這個變化非常緩慢,有的合金甚至幾年后才變成最硬的狀態。

        而如果淬火后,立刻進行人工時效,也就是把材料又加熱至100-200°C,并保溫一段時間,那么材料會因為沉淀出硬化的化合物,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,最后獲得的強度,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,會形成較大的沉淀元素,沉淀硬化效果大大降低。

        相反,過低的時效溫度,會消耗過多的沉淀時間,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):加熱并緩慢冷卻,消除內應力,提高韌性。

        回火(Temper):淬火后再次加熱,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淀硬化作用,所以只能通過應變硬化,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,抑制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范圍

        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,你不點個贊,或者留個言再走嗎)

        1xxx系列

        1類鋁合金其實并不是真正的鋁合金,因為它的鋁含量是99%,屬于商業純鋁。

        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,并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,所以廣泛應用于電力輸送領域。

        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于鋁中,所以此類合金對固溶強化會有反應,稱為可熱處理鋁合金。

        經過熱處理后,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,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,所以也通常使用于建筑中。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,但是根據硅的含量,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,易于焊接,并且具有極好的抗腐蝕性,所以可用于海洋環境,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,常用于海洋船只,而5083則可用于坦克戰機,5005常用于建筑結構等。

        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,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,是機械及建筑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類合金常用于飛機工業中。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。并且可以根據需要,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。

        此類合金一般用于有特定要求的場合,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,用于高速轉動的,低轉動慣量高剛性的大轉盤。

        8類合金也通常用于直升機部件,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:表示該鋁合金屬于第6類鋁合金,即鋁-鎂-硅鋁合金,并進行了固溶熱處理,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,然后人工時效,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制作的產品。

        用于對于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制。

        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,然后自然冷卻到室溫。

        H:應變硬化(Strain Hardened)

        對于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后面通常會有2,3個符號,用來表示冷加工量,及隨后的熱處理。

        比如H后面的第一個數,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,然后進行熱穩定處理,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,這個代號后面的數值表示硬化程度。

        H2: 應變硬化并部分退火。用于:進行了超額的應變硬化,然后通過部分退火,降低強度至需要水平的產品。H2后面的數字表示退火后剩下的應變硬化量。

        H3: 應變硬化并低溫穩定化。用于先通過應變硬化,然后使用低溫穩定化,來降低強度,提高延展性的產品。此符號后面的數字,表示應變硬化并低溫穩定化后,剩余的硬化量。

        H后面的第二個數,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,并進行部分退火后,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的成型,噴漆過程中涉及的熱暴露之后,剩余的有效冷加工。

        如上所說,H后面的第二個數字,表示應變硬化的程度,如果HX(X=1,2,3,4)后面跟了如下的數字,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后面的第二個數表示剩余的冷加工量。

        H后面的第三位數,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,在拉伸中進行輕微應變硬化,通常應用于必須在退火后進行矯直,以達到直線度公差的擠壓型材。

        H112用于通過高溫成型工藝,獲得了少許的回火,并且對應變硬化量和熱處理量沒有特別的控制,但是對機械性能有一定要求的產品。

        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)

        這是一種不穩定回火,僅應用于使用固溶熱處理后,又經歷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,它可以用于任何可熱處理合金。

        可熱處理合金在經過固溶熱處理后,通常會進行快速淬火,并輔以自然或人工時效。

        T后面總是有一個或多個數字,用來定義后續不同的處理。

        T1:高溫成型并冷卻后,自然時效至基本穩定狀態。

        應用于高溫成型(例如澆鑄或擠壓)工藝后,按照足以提高強度的冷卻速度,進行的室溫時效處理產品。

        適用于在高溫成型并冷卻后,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: 高溫成型并冷卻,然后進行冷加工,并自然時效至穩態。

        T3: 固溶熱處理,然后進行冷加工,最后自然時效至穩定狀態。應用于通過冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強度的產品。

        T4: 固溶熱處理,然后自然時效至穩定狀態。應用于固溶熱處理之后,未進行冷加工的產品,或者冷加工不能提高強度的產品。

        T5:高溫成型并冷卻,然后人工時效。應用于高溫成型(例如澆鑄或擠壓)并冷卻后,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,然后人工時效。應用于固溶熱處理之后,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,然后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,然后冷加工硬化,最后人工時效處理。應用于通過冷加工,例如展平或者拉直,可以提高強度的產品。

        T9: 固溶熱處理,然后人工時效硬化,最后冷加工提高強度。

        T10:高溫成型冷卻后進行冷加工,然后人工時效實現沉淀硬化。

        5.6061-T6和7075-T651的區別

        OK,到這里,我們對鋁合金系統有了一個全局的認識。

        那么現在,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:表示該鋁合金屬于第6類鋁合金,即鋁-鎂-硅鋁合金,并進行了固溶熱處理,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,并保持大約1小時,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℃,并保溫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沉淀析出,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,然后淬火,最后人工時效,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%。


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