轻合金的组织与性能复习.docx
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轻合金的组织与性能复习
三、轻合金的组织与性能
轻合金的概述
轻金属是指密度小于3.50g/cm3的金属材料。
铝
和镁的密度分别为2.70g/cm3和1.74g/cm3，故以铝和镁
为基的合金被称为轻金属合金或轻合金。
钛的密度为
4.50g/cm3，现在也将其归类于轻金属。
一般地说，轻合金的强度和刚度都比结构钢小。
但它们的密度小，比强度（强度/密度）和比刚度（弹性模
量/密度）都比较大，与结构钢，甚至与超高强度钢相
当，所以与超高强度钢一起在航空工业中得到广泛应
用，以减轻飞机结构重量，提高运载能力和速度。
轻合金的概述
高的比强度和比刚度
优良的耐高低温性能
耐腐蚀
适应空间环境
寿命和安全
1.1铝及铝合金的组织与性能
1）Fe与Si总是同时存在，因此Fe和Si在工业纯铝中
基本呈三元化合物存在，出现FeAl3或游离Si的机会很少；
2）当Fe>Si时形成富Fe的化合物α（Al12Fe3Si），而
Si>Fe时形成富Si的化合物β（Al9Fe2Si2）。
二者都是脆性化
合物，但α相呈骨架状或团块状，而β相呈粗大的针状，故
后者对塑性的危害更大。
铝合金
强化元素：
铜、镁、锌、锰、硅和稀土等
按铝合金所处相图的位置分类：
铝合金:
形变铝合金、铸造铝合金
形变铝合金：
相图中D点以左的部分。
该类铝合
金加热至固溶线FD以上时能形成单
相α固溶体，塑性好，适用于压力
加工成形。
不能热处理强化的形变铝合金：
相图中F点以左的部分，组织为单相
固溶体，且其溶解度不随温度而变
化，无法进行热处理强化；
可热处理强化的形变铝合金：
相图中F和D之间的形变铝合金，固
溶体的溶解度随着温度而显著变
化，可进行热处理强化。
铸造铝合金：
相图中D点以右的部分，有共晶铝
合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合
金之分。
1.Zn、Cu、Mg和Si四种元素与Al形成二元（CuAl2、
Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合物，
在Al中的溶解度随温度的降低而剧烈地减少，能通过热处
理强化，称为可热处理强化型Al合金；
2.Al－Mg、Al－Si、Al－Mn二元合金，加入的合金
元素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不
大，只能以退火或冷作硬化态应用，称为不可热处理强化
型Al合金；
3.Cr、Mn、Zr等元素的溶解度虽小，但对合金的耐热
和耐蚀性改善有明显作用，因为这些过渡族元素能明显地
抑制再结晶和细化晶粒。
铝合金的强化
1、固溶强化
2、时效强化（析出强化、沉淀强化）
淬火后的铝合金，在室温停留或加热保温
后，在析出第二相过程中造成性能（如强度、
硬度等）变化的现象，称为时效。
铝合金的时效过程及组织
时效硬化现象
1906年，德国WilmA发现时效硬化现象；
1919年，弄清楚是由α过饱和固溶体分解引起的；
1935年，发现在平衡相析出前还有过渡相；
1938年，Guinier和Preston发现GP区。
至此，完全弄清过饱和固溶体α'的分解过程为：
〈′
GP区
过渡相
平衡相
铝合金的时效过程及组织
现以Al-Cu合金为例分析，Al-Cu合金的分解过程为：
〈′
GP区
⎝′′
⎝′
平衡相⎝
（1）GP区
1938年，A.Guinier和G.D.Prestor各自独立用X射线
结构分析方法发现：
Al－Cu合金单晶体自然时效时在
基体的{100}面上发生了铜原子偏聚，构成了富铜的圆
盘形片（约含铜90％）即G.P区。
G.P区的形状与尺寸：
在电子显微镜下呈圆盘状，直径约5～10nm，厚约
0.4～0.6nm，数量约1014～1016/cm3
Cu原子富集区（约含90％Cu）；无独立的晶格结构（与基体
的结构相同）；与基体共格，界面能小；形状可能是片状、球状
和针状，主要取决于共格应变能（组元原子半径差）；是合金中
能用X射线测出的原子偏聚区。
均匀固溶体
GP区（Cu原子富集）
碟
形
G
P
区
球
形
G
P
区
针
状
GP
区
形成原因：
G.P区的形核呈均匀分布，其形核率与晶体
中非均匀分布的位错无关，而完全依赖于淬火所保留下
来的空位浓度（因为溶质原子可借助于空位进行迁移）。
凡是能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成。
例如：
固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固
溶体保留的空位就越多，有利于增加G.P区的数量并使
其尺寸减小。
1由于GP区与基体间没有相界面（完全共格），界面能极小，形
核功也小，因此在空位的帮助下在很低的温度即能迅速形成；
2作为GP区晶核的微小偏聚区，数量非常大，形成速度极高，但
只有长大到一定尺寸才能成为GP区；
3偏聚区的长大需要原子扩散迁移，因此以溶质原子的扩散速度
可估计GP区的形成速度。
（2）
⎝′′相
θ"相是Cu原子在GP区中有序化后形成的（也有人认
为是GP区重排），是Cu和Al混合的交替层，有独立的晶
体结构（Cu2Al5，正方结构），与基体共格。
θ"相结构与基体已有差别，因此与GP相比产生更大的共格应变
（更大的强化）
（3）⎝′相
θ'相的化学组成与CuAl2相当（有人认为Cu2Al3.6），
也是正方结构，与基体部分共格，是该系合金中第一种能
在光学显微镜下观察到的产物。
θ'是高温时效产物，对硬化有一定贡献，但最大硬化发生在θ"
数量处于最大值时，当θ"质点逐渐长大时，其数量逐渐减少，共格
应变逐渐降低，合金逐渐软化（过时效）。
（4）⎝相
平衡相θ（CuAl2）是退火产物，具有正方结构，
与Al的晶格结构差别更大，与基体无共格关系。
θ相与基体无共格关系，因此共格应变消失，同时随着其粗
化，数量减少，相邻颗粒间的平均距离增大，合金软化而远离其
峰值强度状态。
（1）过饱和固溶体的分解虽可分几个阶段，但并不是截
然分开的，只能说在一定温度和时间内以某一阶段为主。
如：
Al-4Cu合金
在130℃以下时效以形成GP区为主；
在150－175℃间时效以θ"为主；
在225－250℃间时效以θ'为主；
高于300℃时效以θ为主。
同一温度，时效不同时间也可得到不同组织。
如在
130℃时效，不超过5天以GP区为主；10天以θ"为主，还
能生成一部分θ'相；超过100天则完全由θ'相组成。
（2）同系不同成分的合金，可能有不同的分解序列，
过饱和大的合金更易出现GP区或过渡相。
（3）由于多晶体各部分的能量条件不同，在同一时期
可能出现不同的分解产物，一般在晶内广泛出现GP区或
过渡相，而在晶界可能出现平衡相。
（4）各个合金系的分解序列不一定相同，如Al-Cu合金
可能出现两种过渡相，而大部分合金系只存在一种过渡
相。
（5）改变合金的分解条件，第二相析出的情况可能发
生改变（P89-90）。
（6）添加元素会对合金的析出条件和组织产生影响
（P91）。
Cu原子聚集区
位于Al（200）
面上的双层
Cu富集区
单层片状Cu
富集区
多层析出物θ"相
GP（II）
与基体半共
格的θ'相
铝合金的时效规律
1曲线随时间呈峰值特征；
2初期硬度升高很慢或不升
高（有蕴育期）；
3提高温度能提高硬化速率、
缩短时效时间降低硬度峰
值；降低温度能阻碍或抑制
硬化效应；
4α固溶体的浓度越高，强
化效果越大。
强化机制
时效温度较低时，
GP区析出，随时效时间的
增加，强度增加；
θ"相充分析出时，硬度
达到最大；
θ'相和θ平衡相析出，硬
度下降。
时效温度升高，可能没有
GP区析出，时效硬化的峰
值时间缩短。
Al-Cu合金时效硬化规律与析出相的关系
对于不同时效阶段，合金的强化机理是不相同的，但都和位错与第
二相的交互作用有关。
对铝合金而言，小于临界尺寸的可变形粒子，位错切过产生的强化
由五部分构成。
1.共格强化；2.模量强化；3.化学强化；4.有序强
化；5.层错强化。
粒子长大超过某一临界尺寸，位错不能切割粒子滑
移，其强化作用按绕过机制进行。
1.2镁及镁合金的组织结构与性能
镁合金
合金化元素Al、Zn、Li、Ce、Zr、Th、Ag等，
起到固溶强化作用。
（1）比强度高，高于铝合金
（2）减振性好
（3）切削加工性好
（4）抗蚀性差
镁合金的组织特点
镁合金组织与合金种类和热加工条件有关。
铸态AZ91（Mg-9%Al-1%Zn-0.2%Mn）合金的组织
α-Mg：
Al的Mg固溶体基体
β-Mg：
Mg17Al12（大块）
α+β：
共晶组织，层状，非连续析出，沿晶界形成网状组织形态
镁合金的组织特点
α-Mg相与少量的MgZn共晶相分布在晶界和晶内
Mg-Zn合金固溶时效过程中，析出相的变化为：
过饱和
固溶体
Zn原子
团簇
GP区
β1'
β2'
β
镁合金的蠕变性能
蠕变：
应力不变时，应变随时间的延长而增加的现象，
是一种缓慢变形。
注意与塑变的区别。
在合金中加入Si，Sb以后形成Mg2Si和Mg3Sb2，分布在晶界和
晶内，这两种金属间化合物在较高温度下比Mg17Al12更稳定，提高
了蠕变性能。
镁合金的蠕变性能
钛合金的组织
钛的合金化主要取决于加入的合金元素是稳定α相
的，还是稳定β相的。
根据加入的合金元素种类和含量的
不同，按组织类型分，将钛合金分为三类：
α型钛合金，
β型钛合金和α+β型钛合金。
α：
全α、近α和α+化合物合金。
以铝、锡、锆为
主要合金元素，在近α型钛合金中还添加少量β稳定化元
素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等
β：
热力学稳定型β合金、亚稳定β型合金和近β型
合金
α＋β：
以Ti-Al为基再加适量β稳定元素
钛合金的组织
α
稳
间隙元素C、N、O
定
元
素
置换元素
Al、Ga
合
金
元
素
中
性
元
素
置换元素
间隙元素
Zr、Sn、Hf、Ge、Ce、La、Mg
H
稳
定
元
β同晶元素
V、Nb、Mo、Ta
素
置换元素
慢速分解
Cr、Mn、Fe、Co
β共析元素
快速分解
Si、Cu、Ag、Ni、
Y、W、B
β
α＋β钛合金
兼有α、β两类钛合金的优点：
从化学成分看，即有α稳定元素，又β有稳定元素；
从组织结构看，包含α和β两种固溶体；
从热处理方法看，即可以在退火状态下使用，又可在
淬火、时效状态下使用；
从力学性能看，即有较高的室温强度，又有较高的高
温强度，塑性也好。
α＋β钛合金
α＋β钛合金
β相冷却时的转变
根据合金成分和冷却条件，加热到β相区的钛合金
可能发生下列转变：
β→α+β
β→α+TixMy
β→α΄或α΄΄
β→ω
α΄：
密排六方晶格，为六方马氏体
α΄΄：
斜方晶格，为斜方马氏体
ω：
亚稳定六方晶格
β相冷却时的转变
β相在慢冷时的转变：
合金加热到β相区后缓冷：
将从β相中析出α。
随着
温度降低，α相不断增多，β相不断减少，β稳定化组元
浓度连续增高。
当达到室温时，两相分别达到各自平衡浓
度，室温得到α+β平衡组织。
缓冷时，先在原β晶界开始形核长大，形成晶界α，
然后从晶界向晶内呈集束状扩展，直至互相接触为止。
相
互平行位向一致的一组片状α构成一个群体，称为α集
束，β相处于片状α相之间，呈连续的或间断的层片状，
冷却后形成（α+β）。
加热温度愈高、冷却愈缓慢，则α
片愈厚，α集束尺寸也愈大，形成位向比较单一的集束，
这种组织称并列式魏氏结构。
β相在快冷时的转变
⑴不同成分钛合金从β相区淬火时的组织变化规律：
钛合金从β相区淬火，发生无扩散的马氏体转变。
当β稳定元素含量少时，β转变为六方马氏体α'。
若β稳定元素含量高时，β转变为斜方马氏体α"。
当合金元素含量在临界浓度附近时，淬火形成亚稳定
六方晶格ω相。
ω转变与马氏体转变的异同点：
相同点：
相变速度快，即使很高冷速也不能抑制其进行；母相与ω相
成分相同；转变具有可逆性，保持共格界面等，故β→ω变是一种非
扩散相变。
不同点：
形核率高，形核容易，长大困难，尺寸细小弥散，表面没有
浮凸效应。
不同成分合金从β相区淬火，可得到六种组织：
α'；α"；α"+βm（亚稳定β相）；α+β（ω），β（ω）及βm。
β相在快冷时的转变
⑵同一成分合金，从不同温度淬火时组织变化规律：
钛合金在（α+β）两相区不同温度淬火，所发生组织转
变决定于在加热温度下β相的成分，其对应关系与β相区
淬火相同，只是组织中还包含部分不发生转变的初生α相。
同一成分合金经不同温度淬火可得到下列组织
α'，α初+α'；α初+α"；α初+α"+βm；α初+α"+β（ω）及α初+βm。
小结
1.可热处理强化与不可热处理强化铝合金相图
2.铝合金的时效过程及时效规律
3.镁合金的蠕变性能
4.钛合金的组织及β相在冷却时的转变
3.金属贮氢材料的基本原理
在一定条件下，氢以原子形式与M（金属或
合金）反应吸附，形成金属氢化物（MHn）；改
变条件，MHn分解释放出氢气。
M对氢的吸附与释放是一个可逆过程：
M+1/2H2
MHn±⊗H
吸氢时放热，吸热时放氢。
40
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
P-C-T曲线（P-C等温线）—衡量贮氢材料热力学性能的重要曲线
金属氢化物氢含量
压力
组分
温度
金属氢化物任一温度的分解压
有3个区域，对应金属合金与H2反应的3步：
①
②
③
①〈相区:
含氢固溶体;
②（〈+®）互溶区:
两相共存的平台区;
③®相区:
金属氢化物。
41
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
Gibbs相率F=C−P+2
F：
自由度;
C：
体系的组分;
P：
相数.
①〈相区:
F=C−P+2=2−2+2=2,
固定温度，压力和组分可变;
②（〈+®）互溶区:
F=C−P+2=2−3+2=1,
固定温度，如果组分变化则压力不变;
③®相区:
F=C−P+2=2−2+2=2,
固定温度，压力和组分可变。
42
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
〈相区：
固溶度[H]S.S与固溶体平衡氢压的平方根PH2½成正比
单一的固溶体相对于整个贮氢系统并不重要。
43
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
〈+®相区：
固溶体吸附饱和，进一步与氢反应，生成部分氢化
物相（®相）：
x是固溶体中的氢平衡浓度，y是合金氢化物中氢的
浓度，一般y≥x。
44
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
®相区：
全部金属变成金属氢化物，提高氢压，®相组成
逐渐接近化学计量组成。
氢化反应结束，氢压显著
增加。
45
3.金属贮氢材料的基本原理
3.1金属—氢体系的相平衡：
得到的信息：
金属氢化物中氢的含量，任一温度下金属氢化
物的分解压力。
平台压力、平台宽度和滞后效应是金属贮氢材
料吸放氢性能的主要指标。
46
3.金属贮氢材料的基本原理
3.2+相区：
Van’t-Hoff等温方程：
假设ΔH˚和ΔS˚与温度无关
47
3.金属贮氢材料的基本原理
3.2+相区：
各种金属氢化物的分解压与温度的关系
48
3.金属贮氢材料的基本原理
3.2+相区：
在T的很大范围内，lnPH2与1/T呈线性
关系。
根据斜率可求出H，根据截距可
求出S。
S越大，平衡分解压越低，氢化物越稳定；
H大多数为负值，绝对值越大，氢化物越稳定。
49
3.金属贮氢材料的基本原理
3.2+相区：
合金氢化物ΔH˚的选择标准:
T=298K（R.T.）,PH2=0.1MPa,ΔS˚≈–125J/mol.KH2.
∴ΔH˚=–37.5kJ/molH2
如果PH2=0.01~1MPa,T=298K（R.T.）,
ΔH˚=–29~–46kJ/molH2
IA~VB族的放热型金属与VIB~VIIIB族的吸热金属合理配制
成合金，可得到上述范围内的金属化合物。
50
吸氢反应机理
氢分子与合金接触，
吸附于合金表面，氢的H-H
键解离，成为原子状的H，原
子状的氢从合金表面向内部
扩散，侵入比氢原子半径大
得多的金属原子与金属的间
隙中形成固溶体。
51
吸氢反应
吸氢反应是一个多相反应，有下列基础反
应组成：
1.H2传质；
2.化学吸附氢的解离，生成吸附氢Had；
3.表面迁移；
4.吸附氢转化为吸收氢Habs；
5.氢在α相中扩散；
6.α相转变为β相；
7.氢在β相中扩散
52
4.金属贮氢材料结构
H以原子形式进入金属贮氢材料的间
隙，实现氢的吸附贮存
H原子大小：
直径d=0.46Å
贮氢材料的间隙
53
4.金属贮氢材料结构
PositionforHoccupied
Hydrogenon
TetrahedralSites
Hydrogenon
OctahedralSites
54
4.金属贮氢材料结构
4.2间隙
55
4.金属贮氢材料结构
4.2间隙
R为金属原子半径
56
晶体结构
fcc
bcc
hcp
八面体间隙数No
4
6
6
八面体间隙大小riso
0.414R
（100）0.154R，（110）0.633R
0.414R
四面体间隙数Nt
8
12
12
四面体间隙大小rist
0.225R
0.291R
0.225R
原子数Na
4
2
6
No/Na
1
3
1
Nt/Na
2
6
2
4.金属贮氢材料结构
4.2间隙
通常间隙半径（radiusofintersticesite）<0.1nm.
氢一般进入较小原子半径金属的八面体间隙，例如
Ni，Cr，Mn，Ti等;较大原子半径金属的四面体间隙，
例如Re，Zr等。
一般贮氢材料中，贮氢后晶体中的氢原子数为金属
原子数的1-2倍。
57
4.金属贮氢材料的结构
只有能在温和条件下大量可逆吸收和释放氢的金
属和合金氢化物才能做贮氢材料。
目前具有实用价值的金属贮氢材料有稀土型AB5
型，锆钛系拉夫斯相AB2型，钛系AB型；镁系AB型以
及钒系固溶体型等。
58
4.金属贮氢材料结构
4.3AB5型—LaNi5
LaNi5是CaCu5型结构，六方晶系。
LaNi5及单胞的晶体结构
59
4.金属贮氢材料结构
4.3AB5型—LaNi5
晶胞中有6个变形四面体空隙,每个空隙由2La+2Ni
共4个原子围成：
60
4.金属贮氢材料结构
4.3AB5型—LaNi5
晶胞中还有3个变形八面体空隙（即8×1/4+2×1/2=3）,
每个空隙由2La+4Ni共6个原子围成：
61
4.金属贮氢材料结构
4.5AB2型（Ti、Zr系拉夫斯相合金）
通式为AB2的化合物，其借助于两种不同大小的原子配
合排列成密堆结构，称为Laves（拉夫斯）相。
理论上Laves
时具有吸放氢功能，实现电池充放电。
正极
Ni（OH）2+OH-
充电
放电
NiOOH+H2O+e-
负极
M+xH2O+xe
-
充电
放电
MHx+xOH-
总的电极反应M+xNi（OH）2
充电
放电
MHx+xNiOOH
68
5.金属贮氢材料的应用
5.2Ni-MH二次电池工作原理
镍氢电池的充放电过程是贮氢材料吸放氢，氢原子
在两个电极间来回转移的过程。
69
5.金属贮氢材料的应用
5.3吸氢电极反应机理
充电时，在贮氢合金表
面，由于水的电化学还原生成
氢原子，氢原子被合金吸收形
成氢化物。
氢的扩散系数对贮氢电极的充电
反应非常重要。
在充电后期，氢的
扩散步骤控制着充电反应的速度，
氢的吸收来不及进行，则吸附的氢
将以氢气的形式逸出。
如果氢原子
不被合金吸收，而是形成氢气放
出，容易造成充电效率降低和自放
电的后果，因此要使用氢分解压低
的合金。
70
小结
金属贮氢合金的基本原理
1.化学吸放氢的可逆过程，氢以原子的形式
存在于金属晶体的间隙中。
2.P-C-T等温曲线，（α+β）相区，吸放氢
过程是个相变过程。
3.范德霍夫等温方程及相应曲线。
71
小结
金属贮氢材料的结构
1.间隙的种类。
2.
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