(1) 2×××系铝合金的特点
2×××系铝合金是以铜为主要合金元素的铝合金, 它包括了 Al-Cu-Mg合金、
Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和 Al-Cu-Mn合金等, 这些合金均属热处理可强化铝合金。
2×××系铝合金的特点是强度高, 通常称为硬铝合金, 其耐热性能和加工性
能良好, 但耐蚀性不如大多数其他铝合金好, 在一定条件下会产生晶间腐蚀, 因
此, 板材往往需要包覆一层纯铝, 或一层对芯板有电化学保护的6×××系铝合
金, 以大大提高其耐腐蚀性能。 其中, Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金具有极为复杂的化学
组成和相组成, 它在高温下有高的强度, 并具有良好的工艺性 能, 主 要 用 于 在
150~250℃以下工作的耐热零件; Al-Cu-Mn合金的室温强度虽然低于 Al-Cu-Mg
合金2A12和2A14, 但在225~250℃或更高温度下强度却比两者高, 并且合金的
工艺性能良好, 易于焊接, 主要应用于耐热可焊的结构件及锻件。 该系合金广泛应
用于在航空和航天领域。
(2) 主要合金元素及所起的作用
① Al-Cu-Mg合金 本系合金的主要合金牌号有2A01、 2A02、 2A06、 2A10、
2A11、 2A12等, 主要添加元素有 Cu、 Mg和 Mn, 它们对合金的作用如下。
a.Cu、 Mg含量对合金力学性能的影响。 当 Mg含量为1%~2%时, Cu含量
从1.0%增加到4%时, 淬火状态的合金抗拉强度从200MPa提高到380MPa; 淬火
自然时效状态下合金的抗拉强度从300MPa增加到480MPa。 Cu含量在1%~4%
范围内, Mg从0.5%增加到2.0%时, 合金的抗拉强度增加; 继续增加 Mg含量
时, 合金的强度降低。
含4.0%Cu和2.0%Mg的合金抗拉强度值为最大; 含3%~4%Cu和0.5%~
1.3%Mg的合金, 其淬火自然时效效果最大。 试验指出, 含4%~6%Cu和1%~
2%Mg的 Al-Cu-Mg 三 元 合 金, 在 淬 火 自 然 时 效 状 态 下, 合 金 的 抗 拉 强 度 可 达
490~510MPa。
b.Cu、 Mg含量对合金耐热性能的影响。 由含有0.6%Mn的 Al-Cu-Mg合金
在 200℃ 和 160MPa 应 力 下 的 持 久 强 度 试 验 值 可 知, 含 Cu3.5% ~6% 和
Mg1.2%~2.0%的合金, 持久强度最大。 这时合金位于 Al-S (Al2CuMg) 伪二
元截面上或这一区域附近。 远离伪二元截面的合金, 即当含 Mg量小于1.2%和大
第1 章 铝及铝合金材料加工技术基础知识 27于2.0%时, 其持久强度降低。 若 Mg含量提高到3.0%或更多时, 合金持久强度
将迅速降低。
在250℃和100MPa应力下试验, 也得到了相似的规律。 文献指出, 在300℃
下持久强度最大的合金, 位于 Mg含量较高的 Al-S二元截面以右的α+S相区中。
c.Cu、 Mg含量对合金耐蚀性的影响。 含 Cu量为3%~5%的 Al-Cu二元合
金, 在淬火自然时效状态下耐蚀性能很低。 加入0.5%Mg, 降低α固溶体的电位,
可部分改善合金的耐蚀性。 含 Mg量大于1.0%时, 合金的局部腐蚀增加, 腐蚀后
伸长延伸率急剧降低。
Cu含量大于4.0%、 Mg含量大于1.0%的合金, Mg降低了 Cu在 Al中的溶
解度, 合金在淬火状态下, 有不溶解的 CuAl2 和 S相, 这些相的存在加速了腐蚀。
含 Cu量为3%~5%和含 Mg量为1%~4%的合金位于同一相区, 在淬火自然时效
状态耐蚀性相差不多。 α-S相区的合金比α-CuAl2-S区域的耐蚀性能差。 晶间腐蚀
是 Al-Cu-Mg系合金的主要腐蚀倾向。
Mn: Al-Cu-Mg合金中加 Mn, 主要是为了消除 Fe的有害影响和提高耐蚀性。
Mn能稍许提高合金的室温强度, 但使塑性有所降低。 Mn还能延迟和减弱 Al-CuMg合金的人工时效过程, 提高合金的耐热强度。 Mn也是使 Al-Cu-Mg合金具有
挤压效应的主要因素之一。 Mn的添加量一般低于1.0%, 含量过高, 能形成粗大
的 (FeMn)Al6 脆性化合物, 降低合金的塑性。
d. Al-Cu-Mg合金中添加的少量微量元素有 Ti和 Zr, 杂质主要是 Fe、 Si和
Zn等, 其影响如下。
Ti: 合金中加 Ti能细化铸态晶粒, 减少铸造时形成裂纹的倾向性。
Zr: 少量的Zr和 Ti有相似的作用, 细化铸态晶粒, 减少铸造和焊接裂纹的倾
向性, 提高铸锭和焊接接头的塑性。 加 Zr不影响含 Mn合金冷变形制品的强度,
对无 Mn合金强度稍有提高。
Si: Mg含量低于1.0%的 Al-Cu-Mg合金, Si含量超过0.5%, 能提高人工时
效的速度和强度, 而不影响自然时效能力。 因为 Si和 Mg形成了 Mg2Si相, 有利
于人工时效效果。 但 Mg含量提高到1.5%时, 经淬火自然时效或人工时效处理
后, 合金的强度和耐热性能随 Si含量的增加而下降。 因而, Si含量应尽可能地降
低。 除此以外, Si含量增加将使2A12、 2A06等合金铸造形成裂纹倾向增加, 铆
接时塑性下降。 因此, 合金中的 Si含量一般限制在0.5%以下。 要求塑性高的合
金, Si含量应更低些。
Fe: Fe和 Al形成 FeAl3 化合物, 并溶入 Cu、 Mn、 Si等元素所形成的化合物
中, 这些不溶入固溶体中的粗大化合物, 降低了合金的塑性, 变形时合金易于开
裂。 并使强化效果明显降低。 而少量的 Fe (小于0.25%) 对合金力学性能影响很
小, 改善了铸造、 焊接时裂纹的形成倾向, 但使自然时效速度降低。 为获得高塑性
的材料, 合金中的 Fe、 Si含量应尽量低些。
Zn: 少量的Zn (0.1%~0.5%) 对 Al-Cu-Mg合金的室温力学性能影响很小,
但使合金耐热性降低。 合金中Zn含量应限制在0.3%以下。
② Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金 该系列合金的主要合金牌号有2A70、 2A80、 2A90
等, 各合金元素的作用如下。
Cu和 Mg: Cu、 Mg含量对上述合金室温强度和耐热性能的影响与 Al-Cu-Mg
合金的相似。 由于该系合金中 Cu、 Mg含量比 Al-Cu-Mg合金低, 使合金位于α+
S (Al2CuMg) 两相区中, 因而合金具有较高的室温强度和良好的耐热性; 另外,
Cu含量较低时, 低浓度的固溶体分解倾向小, 这对合金的耐热性是有利的。
Ni: Ni与合金中的Cu可形成不溶解的三元化合物, Ni含量低时形成 (AlCuNi),
含 Ni高时形成 Al3 (CuNi)2, 因此 Ni的存在, 能降低固溶体中 Cu的浓度, 对淬
火状态晶格常数的测定结果也证明了合金固溶体中 Cu溶质原子的贫化。 当 Fe含
量很低时, Ni含量增加能降低合金的硬度, 减小合金的强化效果。
Fe: Fe和 Ni一样, 也能降低固溶体中 Cu的浓度。 当镍含量很低时, 合金的
硬度随 Fe含量的增加, 开始时明显降低, 但当 Fe含量达到某一数值后, 又开始
提高。
Ni和 Fe: 在 AlCu2.2Mg1.65合金中同时添加 Fe和 Ni时, 淬火自然时效、
淬火人工时效、 淬火和退火状态下的硬度变化特点相似, 均在 Ni、 Fe含量相近的
部位出现一个最大值, 相应在此处其淬火状态下的晶格常数出现一极小值。
当合金中 Fe含量大于 Ni含量时, 会出现 Al7Cu2Fe相。 相反, 当合金中 Ni
含量大于 Fe含量时, 则会出现 AlCuNi相, 上述含 Cu三元相的出现, 降低了固溶
体中 Cu的含量, 只有当 Fe、 Ni含量相等时, 则全部生成 Al9FeNi相。 在这种情
况下, 由于没有过剩的Fe或 Ni去形成不溶解的含Cu相, 则合金中的Cu除形成S
(Al2CuMg) 相外, 同时也增加了 Cu在固溶体中的浓度, 这有利于提高合金强度
及其耐热性。
Fe、 Ni含量可以影响合金耐热性。 Al9FeNi相是硬脆的化合物, 在 Al中溶解
度极小, 经锻造和热处理后, 当它们弥散分布于组织中时, 能够显著地提高合金的
耐热性。 例如在 AlCu2.2Mg1.65合金中含1.0%Ni, 加入0.7%~0.9%Fe的合金
持久强度值最大。
Si: 在2A80合金中加入0.5%~1.2%的Si提高了合金的室温强度, 但使合金
的耐热性降低。
Ti: 2A70合金中加入0.02%~0.1%的 Ti, 细化铸态晶粒, 提高锻造工艺性
能, 对耐热性有利, 但对室温性能影响不大。
③ Al-Cu-Mn合金。 该系列合金主要合金牌号有2A16、 2A17等, 其主要合金
元素的作用如下。
Cu: 在室温和高温下, 随着Cu含量提高, 合金强度增加。 Cu含量达到5.0%
时, 合金强度接近最大值。 另外, Cu能改善合金的焊接性能。
Mn: Mn是提高耐热合金的主要元素, 它提高固溶体中原子的激活能, 降低溶质
原子的扩散系数和固溶体的分解速度。 当固溶体分解时, 析出相 T(Al20Cu2Mn3) 相的
形成和长大过程也非常缓慢, 所以合金在一定高温下长时间受热时性能也很稳定。
添加适当的 Mn (0.6%~0.8%), 能提高合金淬火和自然时效状态的室温强度和
持久强度。 但 Mn含量过高, T 相增多, 使界面增加, 加速了扩散作用, 降低了合
金的耐热性。 另外, Mn也能降低合金焊接时的裂纹倾向。
Al-Cu-Mn合金中添加的微量元素有 Mg、 Ti和 Zr, 而主要杂质元素有 Fe、
Si、 Zn等, 其影响如下。
第1 章 铝及铝合金材料加工技术基础知识 29Mg: 在2A16合金中 Cu、 Mn含量不变的情况下, 添加0.25%~0.45%Mg
而成为2A17合金。 Mg可以提高合金的室温强度, 并改善150~225℃以下的耐热
强度。 然而, 温度再升高时, 合金的强度明显降低。 但加入 Mg能使合金的焊接性
能变坏, 故在用于耐热可焊的2A16合金中, 杂质 Mg的含量应不大于0.05%。
Ti: Ti能细化铸态晶粒, 提高合金的再结晶温度, 降低过饱和固溶体的分解
倾向, 使合金高温下的组织稳定。 但 Ti含量大于 0.3%时, 生成粗大针状晶体
TiAl3 化合物, 使合金的耐热性有所降低。 合金的 Ti含量规定为0.1%~0.2%。
Zr: 在2219合金中加入0.1%~0.25%的 Zr时, 能细化晶粒, 并提高了合金
的再结晶温度和固溶体的稳定性, 从而提高了合金的耐热性, 并改善了合金的焊接
性和焊缝的塑性。 但Zr含量高时, 能生成较多的脆性化合物ZrAl3。
Fe: 合金中的 Fe含量超过0.45%时, 形成不溶解相 Al7Cu2Fe, 能降低合金
淬火时效状态的力学性能和 300℃ 时的持 久 强 度。 所 以 Fe含 量 应 限 制 在 0.3%
以下。
Si: 少量Si (0.4%) 对室温力学性能影响不明显, 但降低300℃ 时的持久强
度。 Si含量超过0.4%时, 会降低合金的室温力学性能。 故 Si含量限制在0.3%
以下。
Zn: 少量Zn (0.3%) 对合金室温性能没有影响, 但能加快 Cu在 Al中的扩
散速度, 降低合金300℃时的持久强度, 故限制在0.1%以下。