1.1 變形鋁及鋁合金簡介
1.1.1 引言
自然界中，金屬分黑色金屬和有色金屬兩大類，鋁是有色金屬類中的一種。
自然界中鋁的儲藏量極為豐富，其含量約佔地殼重量的8.31%，幾乎是地殼中全部金屬含量的1/3。然而鋁的化學性質十分活潑，故在自然界中從未發現過元素狀態的金屬鋁，而全部是以鋁的化合物狀態存在。
純金屬鋁必須通過一系列方法才能製取出來。
1.1.2 鋁及鋁合金
1.1.2.1 純鋁
鋁是銀白色的金屬，色澤美觀。鋁的比重小，導電性好，導熱性高，對光的反射率高，熱中子吸收截面小。鋁具有麵心立方晶格，無同素異構轉變，無低溫脆性，塑性高，易於加工成型，可進行各種形式的壓力加工。
純鋁的主要物理效能如下：
原子序數13
原子量26.98
比重（99.996%al2.6989
熔點（99.996%al660·24℃
熔化潛熱（99.0%al93卡/克
導熱係數λ（0~1000.54卡/厘公尺·秒·℃
導電率k（與純銅導電率之比60%
電阻係數ρ（200.00267歐姆·公釐2/公尺
20℃時標準電位1.69伏特
對熱的反射率85~95%
對白光的反射率（99.99%al98%
線膨脹係數（20~10024×10-6/℃
晶體結構麵心立方晶格
晶格常數（99.99%al4.0491
鋁的化學性質很活潑，與空氣接觸時很容易被氧化，在鋁的表面形成一層緻密而堅實的氧化膜。此膜具有保護內部的鋁不繼續受氧化的作用。因此，鋁在大氣中是耐腐蝕的。
所謂純鋁並不是絕對純的，就是實驗室內使用的99.996%高純鋁，也仍然含有微量雜質。按照鋁中所含雜質的多少，可將純鋁分為高純鋁和工業純鋁兩類。
在工業上使用的純鋁叫做工業純鋁，其純度為99.7~98.0%al。
我國高純鋁及工業純鋁的牌號及雜質含量如表1—1所示。
表1—1 我國純鋁的牌號及雜質含量（gb1196—83）
純鋁中的主要雜質是鐵和矽。鐵在鋁中的溶解量很小，在655℃時能溶解0.052%，在室溫下僅能溶解0.
002%。鐵與鋁可形成金屬間化合物feal3。feal3相是硬而脆的針狀化合物，可使鋁的強度略有提高而使其塑性下降。
矽在鋁中的溶解量比鐵多些。在577℃時，鋁中可溶解矽1.65%，在室溫下約能溶解0.
05%，多餘的矽和鋁不形成化合物，而是以游離狀態單獨存在於鋁中，通常稱為「自由矽」。矽相堅硬而脆，使鋁的強度略有提高，使塑性略有下降。
鐵和矽都是純鋁中的有害雜質，應予控制。
純鋁的機械強度低而塑性高，不能承受較大載荷。純鋁的機械效能在很大程度上取決於其主要雜質鐵、矽和銅的含量，不同純度純鋁的機械效能如表1—2所示。
純鋁的半成品和純鋁製品有退火，半冷作硬化和冷作硬化狀態。純鋁板材在不同狀態下的典型機械效能如下：
機械效能冷作硬化狀態退火狀態
抗拉強度σb，mp15080
屈服強度σ0.2，mp10030
伸長率δ10635
表1—2 不同純度純鋁的機械效能
對純鋁進行冷的壓力加工變形時，鋁的抗拉強度，屈服強度和硬度都隨著變形程度的增加而提高，但其伸長率卻相應的降低。圖1—1說明了冷變形程度對純鋁機械效能的影響。當純鋁的冷變形程度達到60~80%以上時，其抗拉強度可提高到150~180mp，而其伸長率卻由40%下降5%左右。
純鋁的工藝效能良好，在冷狀態和熱狀態下都有較高的塑性，它既可在室溫下進行軋制，深衝和拉伸，也可在300~500℃溫度下進行軋制，擠壓等熱塑性加工。
鋁可以進行氣焊、氬弧焊、原子氫焊和接觸焊接。鋁的切削加工效能不好。
純鋁可製成不同規格的管材、棒材、型材、線材、板材、帶材、箔材、粉材等材料及電纜、導線、電容器等電氣材料及日用器皿等。
1.1.2.2 鋁合金
由於純鋁的機械強度較低，用純鋁製作承受較大載荷的結構材料是不適宜的。如果在鋁中加入一些其他元素，如銅、鎂、鋅、錳等配製成鋁合金，則其強度可比純鋁的強度大為提高。目前，強度最高的鋁合金其抗拉強度可達到600mp以上，與低合金鋼的強度差不多，但其比重卻比合金鋼低得多。
根據工業上的需要，在鋁中加入不同元素，可以配製成效能和用途不同的鋁合金，例如高強度鋁合金、耐腐蝕鋁合金、耐熱鋁合金、鍛造鋁合金等。因此，鋁及鋁合金在工業上得到了十分廣泛的應用。
根據鋁合金的化學成分和生產工藝特點不同，可將鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。鑄造鋁合金用於鑄造各種成型零件，其主要特點是在化學成分中存在較多的共晶體，在鑄造時液體金屬具有良好的流動性，能夠很好地充滿鑄造型腔，使鑄件尺寸正確，表面光潔。但是，鑄造鋁合金的抗拉強度和塑性一般較低，不適於進行壓力加工變形。
變形鋁合金的強度和塑性一般較高，可以通過壓力加工變形的方法製成各種材料和半成品。按照化學成分和熱處理特點不同，變形鋁合金又可分為熱處理不可強化的鋁合金和熱處理可強化的鋁合金兩組。
1. 熱處理不可強化的鋁合金
這組鋁合金是不能夠利用淬火和時效的熱處理方法使其強化的。它們只能利用冷作硬化的壓力加工方法來提高它們的機械強度。屬於這組鋁合金的有：
(1) 工業純鋁
(2) 鋁—錳系合金
(3) 鋁—鎂系合金
2. 熱處理可強化的鋁合金
這組鋁合金是可以利用淬火和時效等熱處理方法來顯著提高它們的機械強度的。屬於這組鋁合金的有：
(1) 鋁—鎂—矽和鋁—銅—鎂—矽系合金
(2) 鋁—銅—鎂系合金
(3) 鋁—銅—鎂—鐵—鎳系合金
(4) 鋁—銅—錳系合金
(5) 鋁—銅—鋰系合金
(6) 鋁—鋅—鎂系合金
(7) 鋁—鋅—鎂—銅係合金
我國變形鋁及鋁合金的名稱和代號表示方法如下：
合金名稱代號
高純鋁l0
工業純鋁l
防鏽鋁合金lf
鍛造鋁合金ld
硬鋁合金ly
超硬鋁合金lc
特殊鋁合金lt
例如，三號防鏽鋁合金以lf3表示；十二號硬鋁以ly12表示；四號超硬鋁以lc4表示，其它鋁合金的表示方法依次類推。
1.1.3 鋁及鋁合金基本性質和用途
1.1.3.
1 鋁的比重小，純度為99.75%的鋁在室溫下比重為2.703克/厘公尺3。
鋁合金的比重隨合金元素含量和比重而變化，常用鋁合金的比重都在2.63~2.85之間，僅為鋼的比重的三分之一。
鋁合金具有相當高的強度，其比強度可與鋼相比（比強度是指材料的強度與比重之比），例如ly12在淬火時效狀態下的比強度為17.4，而合金結構鋼是12.8，可見在材料製件重量相同的情況下，ly12合金比合金鋼所承受的負荷還要大。
正因為如此，鋁合金廣泛用於航天航空工業。
1.1.3.
2鋁具有良好的導電性和導熱性，它的導電性和導熱性僅次於銅和銀，鋁導電性和導熱性與金屬純度有關，隨著新增元素的增加，其導電性和導熱性會降低。所以純鋁是製造導電材料的金屬。
1.1.3.
3 鋁的化學性質比較活潑，在常溫下易氧化，氧化時生成緻密堅固的氧化膜。並具有保護作用，這層氧化膜只要在鹵素離子和鹼離子的激烈作用下才會受到破壞，因此，鋁合金對淡水、海水、濃硝酸等具有較好的耐腐蝕性能。工業生產中採用陽極氧化的工藝使製品表面生成更加緻密的氧化膜，而使製品耐蝕性能更好而且很美觀，使鋁在建築業有廣泛的使用。
1.1.3.4 鋁的晶格為麵心立方，塑性好，能承受各種形式的壓力加工。
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