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铝合金6061-T6和7075-T651有什么区别?

作者:罗罗 浏览: 发表时间:2020-11-06 11:02:02 来源:罗罗日记

1.我有一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就是使用最多的两种铝合金。因为它们有很好的重量强度比,也就是说它们重量轻,而强度也不错,所以深受欢迎,特别是对于重量比较敏感的地方,比如高速运动平台,飞机结构,自行车架等。

那么问题来了,6061-T6和7075-T651,具体有什么区别?6xxx和7xxx的含义是什么?T6和T651又表示什么意思?

说到这里,不得不说起铝合金的分类及其命名方法。

2.铝合金的分类

(1)锻造和铸造铝合金

我们知道,铝合金是以铝为基础元素,并添加了一种或二种主要合金元素,有金属特性的合金。

在大多数铝合金中,铝含量为90%-96%,合金元素包括铜,锌,锰,镁,硅等。

根据制作工艺类型,铝合金可以分为锻造铝合金和铸造铝合金。

锻造铝合金,是以锭或方坯形式生产,随后通过多种工艺,例如轧制,挤压,变形,拉拔等工艺生产出的,终端用户可以加工成零件的合金。

铸造铝合金,就是通过铸造的方法,制作的铸锭合金。

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元素不超过4%。

因为合金元素含量越多,延展性就越低,不利于后期加工。

所以在实际工程中,多数情况都是使用锻造铝合金,比如常用的6061,7075,5083,1100,甚至AL-Li8090-T8771等,就是锻造铝合金。

(2)可热处理铝合金和不可热处理铝合金

根据是否可以热处理,铝合金又可以分为可热处理铝合金,和不可热处理铝合金。

可热处理铝合金,是在固溶热处理以及时效过程中,其主要合金元素(及部分次要合金元素),可以提供显著的固溶和沉淀硬化作用,从而可以提高强度和硬度的合金。

这里涉及到几个概念,比如固溶热处理,时效。

关于合金的强化,后续还会牵扯一些概念,比如冷加工,应变硬化等,我就在这里一起把这几个概念说了吧,省得到处找。

冷加工(Cold Working):金属在一定的温度和速率下发生塑性变形,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,冷加工使得微观结构中形成位错和空位,抑制了原子之间的相对运动,从而合金的强度得以提高。

应变硬化(Strain Hardening):通过冷加工对金属结构进行改性,从而使得强度和硬度增加,而延展性下降。可参考这篇文章中的图4,来理解应变硬化。

固溶热处理(Solution Treatment):一种热处理方法,包括将产品加热到合适的温度,并在该温度下保持足够长的时间,以允许溶质进入固体溶液,然后迅速冷却,以将溶质保持在固体溶液中。

对于铝合金,固溶热处理,就是将合金加热至高温440℃-530℃(具体温度跟合金元素有关),目的是使合金元素溶于铝中,这时材料会变软。随后通常在水中极速冷却(淬火),以保持合金中溶质元素的分布。

固溶热处理,淬火,以及时效处理

时效(Ageing):固溶热处理后,溶质原子在室温下又结合(沉淀)在一起,这叫自然时效。如果是在低温熔炉中,溶质原子结合得更快,这叫人工时效。所以,时效其实就是提供了更精细的原子沉淀,所以可以提高强度。

对于铝合金,时效是指从过饱固体溶液中,析出一部分合金元素或者化合物,以产生所需的机械性能。

固溶热处理并淬火后,材料比较软,这个时候很适合做拉伸,来强化材料。

如果淬火后,放置在空气中自然时效,材料会变得越来越硬,只是这个变化非常缓慢,有的合金甚至几年后才变成最硬的状态。

而如果淬火后,立刻进行人工时效,也就是把材料又加热至100-200°C,并保温一段时间,那么材料会因为沉淀出硬化的化合物,而变得坚硬,强度也会大大提高。

不同的时效温度对6160铝合金强度和硬度的影响:从图中可以看出,较高的温度,可以更快地使合金达到其最高强度。但是温度越高,最后获得的强度,不如低温下获得的高。

在时效过程中,温度和时间的把握非常重要,高温且过长的时效时间,会形成较大的沉淀元素,沉淀硬化效果大大降低。

相反,过低的时效温度,会消耗过多的沉淀时间,才能产生好的强化效果,时间长就意味着效率低了,成本高了。

退火(Annealing):加热并缓慢冷却,消除内应力,提高韧性。

回火(Temper):淬火后再次加热,回火英语是Temper,Temper有发脾气的意思,平时火气不大,发脾气时火就大了,可以理解为发脾气时,火就回来了,所以Temper叫回火(仅为方便记忆)。

好了,解释了一堆概念,这下我们可以继续往下说了。

不可热处理铝合金,在固溶热处理以及时效过程中,其主要合金元素,不能提供显著的固溶和沉淀硬化作用,所以只能通过应变硬化,例如冷轧或拉丝等冷加工方法,来提高其强度。

比如1,3,5类锻造铝合金,是不可热处理铝合金,而2,6,7类则可以热处理。

可热处理及不可热处理锻造铝合金

对于铸造铝合金,1,4,5类不可热处理,而2,3,7,8类可以热处理。

不可热处理铝合金,只能通过加工硬化(Work Hardening),例如滚压,拉拔等,来提高其强度。

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。

可热处理铝合金,能够通过热处理,也可以通过加工硬化,来提高其强度。

也就是说,是否能够热处理,决定了铝合金的强化方式。

不同类型铝合金的强化方式和强度范围

3.铝合金的表示方法

铝合金由四位数字加一些符号来表示,比如5083-H112,7075-T73等。

在表示方法上,锻造铝合金和铸造铝合金区别也很明显。

铸造铝合金前4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等表示锻造铝合金,而1xx.x,3xx.x,5xx.x,7xx.x等表示铸造铝合金。

因为实际工程中以锻造铝合金居多,所以接下来,我主要集中在锻造铝合金来说。

第一位数字表示铝合金的类型,由1-9组成,不同的数字表示不同的合金成分。

第2个数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,依次类推,表示不同的合金元素含量的差异。例如7075表示铝-锌原始合金, 7175和7475表示铝-锌改型合金,7175和7475是7075的改型牌号。

第3和第4位数字,表示该合金系列中的特定合金。这些数字的值没有特别的意义。

如果用一张图来表示锻造铝合金的话,就是下面这张。

锻造铝合金的表示方法

(话说,我花了好多功夫画这张图,你不点个赞,或者留个言再走吗)

1xxx系列

1类铝合金其实并不是真正的铝合金,因为它的铝含量是99%,属于商业纯铝。

机械方面,这类合金有很好的延展性,比如1100常用来做钣金,还有常见的药品和食物铝箔包装,也是用1类合金。

另外,1类合金有很好的抗腐蚀性,加工性,并且可以通过加工硬化来提高其强度。

这类合金,因为有出色的导电性,导热性,所以广泛应用于电力输送领域。

2xxx系列

2类合金的主要合金元素是铜,还含有少量的镁。

因为铜在高温时可以溶解于铝中,所以此类合金对固溶强化会有反应,称为可热处理铝合金。

经过热处理后,它可以拥有很好的强度,可与低碳钢媲美。

当然,因为含铜,所以也更易于腐蚀。

2024是典型的,使用最广泛的2类铝合金。

3xxx系列

3类铝合金的主要合金元素是锰。

此类合金具有中等强度,具有出色的加工性能。

比如,该等级中的3003铝合金,因为有很好的可加工性,常用于散热装置。

再如3004铝合金,延展性和加工性好,常用于制造易拉罐。

4xxx系列

4类铝合金的主要合金元素是硅。

硅的加入可以降低熔点,但不影响延展性,所以,这类合金通常用作焊丝,用来连接其他的铝。

另外,因为4系列合金的氧化层,在美学上令人赏心悦目,所以也通常使用于建筑中。最有代表性的是4047,它有很好的导热,导电和抗腐蚀性能等。

此类合金通常是不能热处理的,但是根据硅的含量,和其他合金元素的成分,有些又可以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。

这类合金可应变硬化,易于焊接,并且具有极好的抗腐蚀性,所以可用于海洋环境,像船体,舷梯和其他海洋设备。

比如5052合金,具有良好的耐海水腐蚀性,和出色的可加工性,常用于海洋船只,而5083则可用于坦克战机,5005常用于建筑结构等。

6xxx系列

6系列铝合金的主要合金元素是镁和硅,在固溶热处理时,它们将会合成Mg2Si。

此类合金可以通过热处理提高强度,虽然没有2xxx和7xxx系列铝合金的强度高,但是它融合了良好的强度,可加工性,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。

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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%。


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