铝业实习第二周笔记

目录

第〇节：铝合金的排号及实验室器材

第一节：铝合金基本介绍

第二节：材料力学性能核心术语定义

第三节：铝合金的加工处理

第四节：铝合金的状态

第〇节：铝合金的排号及实验室器材

实验室：

• 拉力/压力试验机
• 晶像试验机
  • 通过晶相结构判断材料强度
  • 热处理前后对比，判断热处理是否会产生变化
  • 观察金属内在表面是否存在缺陷、杂质
• 硬度计
  • 硬度单位：HB（铝合金常用）
  • 相同的牌号不同的状态也会有不同的硬度
  • 分为台式和随身硬度计

四种常见的硬度单位：

• 布氏硬度（HB）
• 洛氏硬度（HR，包括 HRC、HRB 等不同标尺）
• 维氏硬度（HV）
• 肖氏硬度（HS）

• 加热老化机
  • 测试标签贴纸的保质期
• 超声波质检机
  • 非破坏性检测
  • 检测肉眼不见裂缝：滴入磁性检测液后擦出，如果仍有磁性，说明磁性液体渗入裂缝。

工程塑料：耐候性（气候）：较强的耐高温耐低温性，防止产生脆化

铝合金分为两类：

• 铸造用：通过改变三项结构（固体液体气体）进行成型。
  • 优点：加工容易，可以做出造型比较复杂的产品
  • 例如：控制器外壳（拥有较好的散热性）
• 锻造用：保持固态加工塑形
  • 根据温度还分为：热锻、冷锻（常温到两百度之间）、常温锻造

相关知识点：

• 铝合金熔点通常为：650度
• 熔点之下有个变态点：变态点之上，虽然仍是固态，但是结晶结构有所改变

铝合金的排号：

• 排号是一个标准，用于分类
• 每个国家的标准不同
  • 中国GB
  • 美国AA（比较奇葩）（但是我们以这个为主）
  • 欧洲EN
  • 日本JIS
  • 国际ISO

1 系铝合金牌号

• 纯铝系列，铝含量高于99%
• 铝合金分为可受热处理强化和不可受热处理强化
  • 即通过加热、淬火、时效等方式改变机械强度
  • 反之，有几系的铝合金材料不行

2 系铝合金牌号

• 铜是主要的添加物
• 优点是：加工性优良
• 缺点是：耐蚀性差
  • 不适合用作户外用品

3 系铝合金牌号

• 热处理不可强化
• 添加“锰”
• 与2字头相反，拥有完好的耐蚀性加工性，加工性差

4 系铝合金牌号

• 铝硅合金
• 可以焊接，强度相对比较低，没有什么突出特点

5 系铝合金牌号

• 不可热处理强化
• 镁铝系铝合金
• 耐蚀性较好

6 系铝合金牌号

• 镁硅铝合金
• 便宜、不错的机械强度、好加工、可以热处理强化
• 使用范围最广
• 25块钱一公斤左右

7 系铝合金牌号

• 主要核心元素是锌、镁、铜
• 机械性能最高
• 比较贵
• 价格是6系三倍，75块/公斤左右
• 密度和6差不多，比强度在两倍左右
• 用于航空航天

材质的判断：

• 最准确的方式是通过光谱仪（很贵）判断合金元素的比例
• 在缺少仪器的情况下，可以通过硬度和纯铝
• 但是同一种合金不同状态下硬度不同，使用硬度比较会产生风险
  • 也可以通过敲击的声音（硬度的延伸），也不太准
• 通过直接加工，软硬适中的材料比较好加工，太软会粘在刀片上

排号的含义

• 第一位主表示合金成分
• 第二位表示合金改型情况
  • 0表示原始合金
  • 1-9表示改型合金
• 第三位第四位是代码，用于分类

合金的 “改型”指的是通过“调整配方”“优化结构” 或 “改进工艺”，改变其性能（如强度、硬度、耐腐蚀性、韧性、加工性等）

第一节：铝合金基本介绍

1. 比强度：质量和强度的比
2. 抗拉强度：材料沿轴向被拉断时的最大承受力，与受力方向相关
3. 抗剪强度：材料受垂直于轴向的力被剪断时的最大承受力
4. 疲劳强度：材料在反复形变下逐渐受损，与受力次数和时间相关
5. 硬度：抵抗硬物压入的能力，与耐压强度不同

• 铝不是纯元素状态，必然是合金。合金不是越硬越好，还需要考虑到加工难度
• 拉力试验：
  • 产品的变形量
  • 断裂点：产品可恢复到原本形状的极限力
  • 测试目标：屈服强度、拉伸强度、断裂点

第二节：材料力学性能核心术语定义

1. 抗拉强度 (Tensile Strength)

• 定义：材料在拉伸载荷下抵抗断裂的最大能力。
• 公式：σ_TS = F_max / A₀

2. 抗剪强度 (Shear Strength)

• 定义：材料抵抗剪切力导致滑移或断裂的能力。
• 公式：τ_max = F_shear / A_shear

3. 疲劳强度 (Fatigue Strength)

• 定义：材料抵抗循环应力破坏的能力。
• 公式：S_f = σ_a （疲劳极限应力幅）

4. 硬度 (Hardness)

• 定义：抵抗局部塑性变形（压入/划痕）的能力。
• 测试方法对比表：

方法	压头类型	适用材料
布氏硬度 (HB)	硬质球	铝、铜等软金属
洛氏硬度 (HRC)	金刚石锥体	淬火钢、硬合金
维氏硬度 (HV)	金刚石四棱锥	陶瓷、涂层材料
肖氏硬度 (HS)	反弹冲头	橡胶、弹性体

5. 拉力试验 (Tensile Test)

• 定义：标准试样单向拉伸至断裂的试验。
• 流程：
  1. 制备试样（ASTM E8标准）
  2. 记录载荷-位移曲线 → 输出应力-应变曲线
• 获取参数：弹性模量、屈服强度、延伸率、断面收缩率。

6. 屈服强度 (Yield Strength)

• 定义：发生 0.2%永久塑性变形 时的应力。

7. 拉伸强度 (Ultimate Tensile Strength, UTS)

• 定义：拉伸试验中的 最大名义应力（载荷峰值点）。

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第三节：铝合金的加工处理

变形铝合金：
1 – 7系铝合金比较常用，分为两个派系

• 可加热硬化、不可加热硬化
• 不可加热硬化：1、3、5
• 4系介于两者之间（有些可以，但一般不会热处理）
• 可加热硬化：2、6、7

在铝合金行业里，热处理就是固溶+时效

• 1、3、5无法经过固溶处理强化（时效都可以，因为时效分为自然时效和人工时效）
• 退火：变软，两种类型都可以

固溶：

1. 把物体加热到某个温度
2. 通过等待一定时间，改变里面的结构
3. 加热一杯水，往里面一直加盐，到达一定温度之后冷却，回程一个过饱和的液体，底下会慢慢沉淀盐（状态不稳定，靠温度过多吸收了盐分）
4. 放在金属上，可以通过激冷，快速的凝固金属，把金属元素锁在金属里面。但是呢，这是不稳定的，放着还是会慢慢析出。
5. 铝合金元素析出会均匀的分泌在铝合金内部。

时效是稳定固溶的过程：

• 人工时效：模拟外界的情况下，通过极端的方式，快速的达到稳定的状态
• 自然时效：随着时间慢慢的让材料自己稳定

退火：

• 改变铝合金的晶像组织“恢复”，降低硬度，增加铝合金的塑性。
• 能够消除应力，（比如加工硬化带来的晶像组织破坏，这个过程会产生肉眼不可见的裂缝，能通过退火修补）
• 退火的主要功能是消除加工硬化的带来的影响。最终产品不会带有冷处理带来的硬度增加。
• 不完全退火：就是没有到达完全退火的状态，即在消除应力的情况下减少对于硬度的影响 （是能够做到在完全消除应力的情况下，不完全消除硬化的）。

不可热处理强化铝合金靠什么改变强度？

• 加工硬化
• 任何材质都有晶体组织，结晶的晶界越小，晶体结构越难改变，加工硬化就是在减小晶界。
  • 经过加工硬化的金属，体积不会变，只是微观下每个结晶结构都变小了，也就是晶体结构排列最紧密。

详细定义：

• 加工硬化：金属材料在冷加工（如轧制、锻造、拉伸等）过程中，随着变形程度的增加，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象，又称冷作硬化。
• 固溶：溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的一种金属晶体结构形式，所形成的均匀固态混合物称为固溶体。

冷加工、热加工、常温加工

• 温度的界定：再结晶温度
• 冷加工指的是再结晶温度以下的加工方式
  • 常温加工是冷加工的一种
• 热加工知识再结晶温度以上的加工方式
• 冷加工会产生加工硬化，热加工不会产生加工硬化，提升机械强度需要通过冷加工而非热加工，因为冷加工不会让晶体结构的破坏变硬，而热加工会让晶体结构的破坏恢复。
  • 可以简单理解为，到达再结晶温度以上可以获得“生命恢复“的效果
• 反复折叠一根塑料，折叠的过程就属于加工硬化，断裂是由于加工硬化带来的相对的于硬度的脆度。

再结晶温度：金属经过冷加工变 “硬” 后，加热到某个温度时，内部会重新长出新的软晶粒，让金属恢复塑性，这个能让这种变化发生的最低温度，就叫再结晶温度。

• 就是把内部的晶体结构破裂扭曲，让结构更难以移动之后，通过加热把金属结构变回去，恢复原有的状态，让金属更软。等温度恢复了，硬度也会恢复。
• 根据加热工艺曲线，能够让金属变软，也能够让金属在事后变硬。

专有名词的详细定义：

1. 铝合金的固溶处理：将铝合金加热到适当温度（通常在共晶温度以下），保温足够时间，使合金中的可溶性溶质元素充分溶解到基体铝中，形成均匀的过饱和固溶体，随后迅速冷却（通常用水淬）以抑制溶质元素析出，从而获得过饱和固溶体组织的热处理工艺。

2. 加工硬化：金属材料在冷塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象，也称为冷作硬化。这是由于变形过程中金属内部位错密度增加、位错相互作用阻碍其运动所致。

3. 再结晶温度：金属材料在冷塑性变形后，经过加热，在一定时间内发生再结晶（即形成无畸变的新晶粒取代变形晶粒）的最低温度，通常以经过1小时保温能完成再结晶（再结晶体积分数达95%以上）的温度来定义。

4. 铝合金退火：将铝合金加热到一定温度，保温一段时间后，缓慢冷却的热处理工艺。其目的是消除材料的内应力、降低硬度、提高塑性，或细化晶粒、改善组织均匀性，根据工艺目的不同可分为消除应力退火、完全退火、不完全退火等。

5. 时效处理：将经过固溶处理的铝合金在室温或加热条件下放置一段时间，使过饱和固溶体中的溶质元素以细小弥散的析出相形式析出，从而提高合金强度和硬度的热处理工艺。在室温下进行的称为自然时效，在加热条件下进行的称为人工时效。

第四节：铝合金的状态

铝合金状态：

F

• 自由加工状态

• 铝锭加热成型后从未加工、未经过处理的状态

O

• 退火处理状态

• 铝锭加热成型后结果完全退火的状态

H

• 加工硬化状态

• 只透过加工硬化提升产品硬度的状态

W

• 固溶状态

• 短暂、不稳定的状态

T

• 热处理状态

• 固溶+加工硬化 / 固溶+时效 / 高温成型+自然时效+冷加工

最常见的状态：T态

• T1： 固溶+自然时效
• T2：高温成型+冷加工+自然时效
• T3： 固溶+冷加工+自然时效
• T4：固溶+自然时效
• T5：高温成型+人工时效
• T6：固溶+人工时效（最常见）
• T7： 固溶+过人工时效（时效的时间比较长）
• T8：固溶+冷加工+人工时效
• T9：固溶+人工时效+冷加工（一般是精加工）
• T10：高温成型+冷加工+人工时效

自然时效一定会比人工时效稳定，适用于高精密产品。

一般来说到手产品是6061T6态，在生产过程中状态会发生改变

• N系的第三位数一定是N
  • 6061、7075
• 晶体结构越容易移动就是越软（比如四边形的结构）、越难以移动就越硬（比如三角形结构）
• 4系铝合金不稳定，有些可以热处理强化、有些不行