鋁之所以成為最通用的結(jié)構(gòu)材料之一, 其特性就給人以深刻的印象。鋁的質(zhì)量輕, 而且某些鋁合金的強(qiáng)度還高于結(jié)構(gòu)鋼。在大多數(shù)使用條件下, 鋁具有很高的抗腐蝕性, 它不形成有色鹽類物質(zhì)污染鄰近的表面或不使與它接觸的物質(zhì)(如紡織工業(yè)上的紡織品和化學(xué)設(shè)備中的溶液)變色。它具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性, 高的熱、 光反射性。鋁易于加工成各種形狀, 并易于進(jìn)行各種表面處理。

鋁的密度為2.7 g/cm3, 約為鋼的35%, 銅的30%。

工業(yè)純鋁的抗拉強(qiáng)度約為100 MPa, 作為結(jié)構(gòu)材料在使用上多少會(huì)受到限制。對(duì)鋁進(jìn)行冷加工(如冷軋)其強(qiáng)度能提高一倍左右。在鋁中加入少量的一種或幾種其他金屬, 例如錳、 硅、 銅、 鎂或鋅, 配合熱處理便能大大地提高其強(qiáng)度。和純鋁一樣, 對(duì)鋁合金進(jìn)行冷加工也能提高其強(qiáng)度, 至今已能得到抗拉強(qiáng)度超過(guò)700 MPa的鋁合金。

通過(guò)各種冷加工和熱處理, 可得到很多種不同力學(xué)性能或狀態(tài)的鋁合金。在規(guī)定給定的任何產(chǎn)品的狀態(tài)時(shí), 應(yīng)考慮加工方法和金屬所接受的冷加工量。換句話說(shuō), 規(guī)定的狀態(tài)應(yīng)是指: 在加工過(guò)程中, 金屬接受的冷加工量會(huì)改善所需的最終產(chǎn)品的特性。

當(dāng)鋁的表面暴露于大氣中時(shí), 會(huì)迅速形成一層肉眼看不見的氧化膜, 使鋁不再氧化。除非是暴露在某種能破壞氧化膜保護(hù)層的物質(zhì)或環(huán)境中, 否則鋁就完全不會(huì)受到腐蝕。鋁具有很高的耐大氣腐蝕性, 即使在對(duì)其他金屬有腐蝕性的工業(yè)氣氛中也是如此。它還能抗多種酸的腐蝕。堿是破壞氧化膜的少數(shù)物質(zhì)之一, 因此對(duì)鋁有腐蝕作用。雖然采用抑制劑能使鋁安全地用在某些存在弱堿性的場(chǎng)合, 但總的來(lái)說(shuō), 應(yīng)避免使鋁直接與堿性物質(zhì)接觸。

鋁無(wú)毒這一特性使其可用作炊具。目前, 在食品加工業(yè)中正使用大量鋁制品。還可以使鋁箔安全的直接用于包裝食品。但鋁對(duì)人體無(wú)害這一觀點(diǎn), 近些年來(lái)受到了質(zhì)疑。

鋁具有高導(dǎo)電率, 是用做導(dǎo)電體的普通金屬之一。電導(dǎo)體鋁(1350合金)的電導(dǎo)率約為國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)的62%。由于鋁的密度約為銅的30%, 因此用做電導(dǎo)體時(shí), 1 kg鋁的導(dǎo)電能力大約為1 kg銅的兩倍。加入合金元素會(huì)使電導(dǎo)率稍微降低, 雖然如此, 在一切可能的地方, 還是都把1350合金作為電導(dǎo)體。

鋁具有良好的導(dǎo)熱性, 在最初大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中(如制作炊具)發(fā)揮了很大的作用。只要涉及到熱能從一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)(無(wú)論是加熱還是冷卻), 導(dǎo)熱性就非常重要。因此, 鋁質(zhì)熱交換器被普遍用在食品、 化工、 石油、 航空和其他工業(yè)中。鋁不僅是紫外線全波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能和從紅外線可見光譜的輻射能的極好反射體, 而且是熱波、 無(wú)線電和雷達(dá)的電磁波的極好反射體。

鋁的反光率達(dá)80%以上, 這一特性使鋁廣泛用在照明燈具上。用鋁材蓋的房屋瓦能反射大部分太陽(yáng)熱能, 因此用鋁材建筑的屋頂夏天比較涼爽。

鋁易于加工成形, 這是它的最重要的優(yōu)點(diǎn)之一。鋁可用鑄工所知的任何一種方法進(jìn)行鑄造; 可軋制成所需的任意厚度, 甚至比紙還薄的鋁箔; 鋁可以沖壓、 拉伸、 旋壓或軋制成形。鋁也可捶打或鍛造。將鋁擠壓成各種不同的形狀, 幾乎不受限制。

鋁的機(jī)械加工性好, 加工速度快, 這是鋁成品成本低的重要因素之一。鋁可用車削、 銑削、 鏜孔等方法進(jìn)行機(jī)械加工。在自動(dòng)車床上可以方便地使用鋁棒加工零件。

幾乎任何接合方法(如鉚接、 焊接)都適用于鋁。各種各樣的鋁機(jī)械緊固件簡(jiǎn)化了許多產(chǎn)品的裝配。鋁零件的連接法也得到了廣泛應(yīng)用, 尤其是在飛機(jī)制造中應(yīng)用很廣泛。

鋁在大多數(shù)使用情況下不需要保護(hù)涂層。當(dāng)鋁表面滿足不了要求或需要加以保護(hù)的情況下, 可采用各種表面涂飾法中的任何一種方法進(jìn)行保護(hù), 化學(xué)、 電化學(xué)或漆飾法都可采用。鋁在化學(xué)涂飾和電化學(xué)涂飾過(guò)程中可獲得多種顏色, 如果涂漆, 可采用真漆或搪漆, 顏色不限。

鋁在大多數(shù)情況下, 往往是由兩種或是兩種以上的特性共同發(fā)揮作用的, 例如質(zhì)量輕而強(qiáng)度高, 廣泛用于飛機(jī)、 鐵道車輛、 載重汽車及其他運(yùn)輸設(shè)備。良好的耐腐蝕性和導(dǎo)熱性對(duì)化工和石油工業(yè)設(shè)備是很重要的。這些性能加上無(wú)毒性就可用來(lái)作食品加工設(shè)備的制品。外形美觀、 耐大氣腐蝕以及維修量低, 使鋁廣泛用在各類建筑物上。高反射性、 耐大氣腐蝕及質(zhì)量輕, 在屋頂材料中都是很重要的。不論用做什么, 質(zhì)量輕都有利于降低貯運(yùn)費(fèi)用。目前, 在許多使用場(chǎng)合只有具有多種性能的鋁材才能滿足要求。在我國(guó)企業(yè)中, 鋁已作為一種基本材料而使用。

高純鋁軟而塑性好, 但在大多數(shù)工業(yè)使用情況下, 其強(qiáng)度滿足不了要求。 在鋁中添加其他元素來(lái)生產(chǎn)各種合金, 這些元素可單獨(dú)或相互配合使鋁的強(qiáng)度得到提高。此外, 通過(guò)熱處理還可進(jìn)一步改善其性能, 因此把鋁合金分為熱處理不(可)強(qiáng)化的和熱處理(可)強(qiáng)化的兩大類。

熱處理不強(qiáng)化的鋁合金是僅冷加工能夠強(qiáng)化而熱處理不能明顯強(qiáng)化的合金。這類合金的初始強(qiáng)度取決于錳、 硅、 鐵和鎂金屬元素的強(qiáng)化效應(yīng), 這些元素可單獨(dú)或相互配合的起作用。熱處理不強(qiáng)化鋁合金通常屬于1XXX、 3XXX或5XXX系列等。因?yàn)檫@類合金可通過(guò)不同程度的冷加工量來(lái)進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度, 一般狀態(tài)代號(hào)用“H”表示。對(duì)于含鎂量較高的合金通常要進(jìn)行穩(wěn)定化處理, 以確保性能穩(wěn)定性。

熱處理(可)強(qiáng)化的鋁合金是通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌驈?qiáng)化的鋁合金。所謂熱處理是合金被加熱到某一適當(dāng)溫度, 在此溫度保溫, 使可溶組分充分進(jìn)入固溶體中, 并在淬火后可溶組分以過(guò)飽和狀態(tài)保留在固溶體中的處理(通常是在水中淬火)。這些合金淬火后組織不穩(wěn)定, 過(guò)飽和固溶體有分解傾向。在室溫下擱置幾天后(稱為自然時(shí)效), 合金的強(qiáng)度會(huì)大大提高。有些合金在室溫下能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 但有些合金, 尤其是含鎂和硅、 或鎂和鋅的合金需要在室溫下擱置很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到一定強(qiáng)化程度。因此對(duì)這些合金在適當(dāng)?shù)臏囟认录訜嵋欢螘r(shí)間, 可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化并使其性能穩(wěn)定, 這種方法叫人工時(shí)效?？傊畬⒋慊鹄浼庸づc人工時(shí)效恰當(dāng)配合, 可得到最佳的強(qiáng)度或綜合性能。

1)變形鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法(見GB/T 16474—1996)

1XXX系列。鋁含量不小于99.00%的純鋁, 用途很廣泛, 在電器或化學(xué)領(lǐng)域里尤其如此。該系列的鋁材具有良好的耐腐蝕性, 導(dǎo)熱、 導(dǎo)電率高, 力學(xué)性能低, 具有極好的可塑性。通過(guò)加工硬化可在一定程度上提高其強(qiáng)度。鐵和硅是其主要雜質(zhì)。

2XXX系列。以銅為主要合金元素的鋁合金。該系列合金需要進(jìn)行熱處理, 以獲得最佳性能。 熱處理狀態(tài)的力學(xué)性能類似于(有時(shí)高于)低碳鋼。在某些情況下, 采用人工時(shí)效來(lái)進(jìn)一步提高力學(xué)性能, 即提高材料的屈服強(qiáng)度, 但伸長(zhǎng)率相對(duì)降低, 對(duì)極限抗拉強(qiáng)度的影響不大。該系列合金的耐腐蝕性不如大多數(shù)其他鋁合金好, 在一定條件下會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。2024鋁合金是使用最廣泛的航空材料。

3XXX系列。以錳為主要合金元素的鋁合金。該系列合金屬于熱處理不強(qiáng)化鋁合金。

4XXX系列。以硅為主要合金元素的鋁合金。加入足量的硅, 能顯著降低熔點(diǎn)而不會(huì)使產(chǎn)品的塑性下降。鑒于上述原因, Al—Si合金用做焊條和熔點(diǎn)比基體金屬低的釬焊合金。該系列中的大多數(shù)合金是熱處理不強(qiáng)化鋁合金, 但當(dāng)用來(lái)焊接熱處理可強(qiáng)化的鋁合金時(shí), 焊縫會(huì)吸取后者的某些成分, 因此應(yīng)視情況進(jìn)行熱處理。進(jìn)行陽(yáng)極氧化著色時(shí)含大量硅的合金會(huì)變成深灰色, 因此該系列鋁合金適宜用做建筑材料。

5XXX系列。以鎂為主要合金元素的鋁合金。對(duì)鋁合金而言, 鎂是最有效和最廣泛使用的金屬之一。如將鎂用做主要合金元素或?qū)㈡V和錳一起用做合金元素時(shí), 其結(jié)果是得到中等強(qiáng)度乃至高強(qiáng)度的熱處理不強(qiáng)化的鋁合金。 作為一種硬化劑, 鎂比錳有效得多, 大約0.8%的鎂就等于1.25%的錳。該系列鋁合金具有良好的焊接性和耐海洋大氣的腐蝕性。

6XXX系列。以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化的鋁合金。該系列鋁合金屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金, 典型的是6061合金。 雖然其強(qiáng)度比2XXX系或7XXX系中的大多數(shù)合金的低, 但具有良好的成型性和耐腐蝕性。

7XXX系列。以鋅為主要合金元素的鋁合金。加入適量鎂就形成熱處理可強(qiáng)化鋁合金。 通常還加少量的其他元素, 例如銅和鉻。該系列中最典型的是7075合金, 它是目前能生產(chǎn)的強(qiáng)度最高的合金之一, 用做飛機(jī)骨架結(jié)構(gòu)件和高度受力的部件。

8XXX系列。以某些合金元素(如抗)為主要合金元素的鋁合金, 如8A06、 8011和8090等合金。

9XXX系列——為備用合金組。

2)鋁合金基礎(chǔ)狀態(tài)代號(hào)

F為自由加工狀態(tài), 適用于在成形過(guò)程中, 對(duì)加工硬化和熱處理?xiàng)l件無(wú)特殊要求的產(chǎn)品, 該狀態(tài)產(chǎn)品的力學(xué)性能不作規(guī)定。

O為退火狀態(tài), 適用于經(jīng)完全退火獲得最低強(qiáng)度的加工產(chǎn)品。

H為加工硬化狀態(tài), 適用于通過(guò)加工硬化提高強(qiáng)度的產(chǎn)品, 產(chǎn)品在加工硬化后可經(jīng)過(guò)(也可不經(jīng)過(guò))使強(qiáng)度有所降低的附加熱處理。H代號(hào)后面必須跟有兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字, 如HX1是抗拉強(qiáng)度極限為O狀態(tài)與HX2狀態(tài)的中間值, 又如HX2是抗拉強(qiáng)度極限為O狀態(tài)與HX4狀態(tài)的中間值等等。HX8是硬狀態(tài)。 HX9是超硬狀態(tài)。

W為固溶處理狀態(tài), 是一種不穩(wěn)定狀態(tài), 僅適用于經(jīng)固溶處理后, 室溫下自然時(shí)效的合金。該狀態(tài)代號(hào)僅表示產(chǎn)品處于自然時(shí)效階段。

T為熱處理狀態(tài)(不同于F、 O、 H狀態(tài)), 適用于熱處理后, 經(jīng)過(guò)(或不經(jīng)過(guò))加工硬化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)品。T代號(hào)后面必須跟有一位或多位阿拉伯?dāng)?shù)字, 如TX, 在T后面添加0~10的阿位伯?dāng)?shù)字, 表示細(xì)分狀態(tài): T0為固溶處理后, 經(jīng)自然時(shí)效再通過(guò)冷加工的狀態(tài), 適用于經(jīng)冷加工提高強(qiáng)度的產(chǎn)品; T4為固溶處理后自然時(shí)效至基本穩(wěn)定的狀態(tài), 適用于固溶處理后, 不再進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品; T6為固溶處理后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài), 適用于固溶處理人工時(shí)效后, 不再進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品, 等等。

應(yīng)說(shuō)明, 我國(guó)原有標(biāo)準(zhǔn)GB340—76中狀態(tài)代號(hào)是, M為退火, R為熱加工, Y為冷加工硬化, C為淬火, Z為自然時(shí)效, S為人工時(shí)效。1996年發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16475—1996, 基礎(chǔ)狀態(tài)代號(hào)是, F為自由加工、 O為退火、 H為加工硬化、 W為固溶處理、 T為熱處理狀態(tài)。T狀態(tài)細(xì)分為10種, 如T1、 T2…詳細(xì)可查閱標(biāo)準(zhǔn)。鋁合金狀態(tài)代號(hào)的原標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照見表1-1。