1.我有個(gè)問題
在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常用到鋁合金。
比如，6061-T6和7075-T651是使用最多的兩種鋁合金。
因?yàn)樗鼈冇泻芎玫闹亓繌?qiáng)度比，也就是說重量輕，強(qiáng)度好，所以很受歡迎，尤其是對(duì)重量敏感的地方，比如高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、自行車架等。
所以問題來了，6061-T6和7075-T651有什么區(qū)別？6xxx和7xxx什么意思？T6和T651又是什么意思？
說到這里，我不得不談?wù)勪X合金的分類及其命名方法。
2.鋁合金分類
(1)鍛造和鑄造鋁合金
眾所周知，鋁合金是一種具有金屬特性的合金，以鋁為基礎(chǔ)元素，添加一種或兩種主要合金元素。
鋁含量為90%-96%，包括銅、鋅、錳、鎂、硅等。
鋁合金可分為鍛造鋁合金和鑄造鋁合金。
鍛造鋁合金以錠或方坯的形式生產(chǎn)，然后通過軋制、擠壓、變形、拉拔等多種工藝生產(chǎn)，終端用戶可加工成零件。
鑄鋁合金是鑄錠合金。
鍛造鋁合金和鑄造鋁合金
鑄造鋁合金的合金成分大于10%，而鍛造鋁合金的合金成分不超過4%。
由于合金元素含量越高，延展性越低，不利于后期加工。
因此，在實(shí)際工程中，鍛造鋁合金常用于6061、7075、5083、1100甚至AL-Li8090-T8771等，就是鍛造鋁合金。
(2)鋁合金可熱處理和鋁合金不可熱處理
鋁合金可分為可熱處理鋁合金和不可熱處理鋁合金。
熱處理鋁合金是在固溶熱處理和及時(shí)性過程中，其主要合金元素（及部分次要合金元素）可提供顯著的固溶和沉淀硬化效果，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。
這里涉及固溶熱處理、及時(shí)性等幾個(gè)概念。
關(guān)于合金的強(qiáng)化，以后還會(huì)涉及到一些概念，比如冷加工、應(yīng)變硬化等。我就在這里說說這些概念，省得到處找。
冷加工（Cold Working）：塑性變形發(fā)生在一定的溫度和速率下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化。
例如，通過滾壓、拉拔等塑性變形來提高其強(qiáng)度。
其原理是原理是在微觀結(jié)構(gòu)中形成位錯(cuò)和空位，抑制原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。
應(yīng)變硬化（Strain Hardening）：通過冷加工改性金屬結(jié)構(gòu)，增加強(qiáng)度和硬度，降低延展性。參考本文中的圖4，了解應(yīng)變硬化。
固溶熱處理（Solution Treatment）：一種熱處理方法，包括將產(chǎn)品加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，并在溫度下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使溶質(zhì)進(jìn)入固體溶液，然后迅速冷卻，以保持溶質(zhì)在固體溶液中。
對(duì)于鋁合金，固溶熱處理是將合金加熱到高溫440℃-530℃(具體溫度與合金元素有關(guān))，目的是將合金元素溶解在鋁中，使材料變軟。通常在水中快速冷卻(淬火)，以保持合金中溶質(zhì)元素的分布。
固溶熱處理、淬火及時(shí)處理
時(shí)效（Ageing）：固溶熱處理后，溶質(zhì)原子在室溫下結(jié)合(沉淀)，稱為自然時(shí)效。在低溫熔爐中，溶質(zhì)原子結(jié)合得更快，稱為人工時(shí)效。因此，及時(shí)性實(shí)際上提供了更精細(xì)的原子沉淀，因此可以提高強(qiáng)度。
對(duì)于鋁合金，及時(shí)性是指從過飽固體溶液中沉淀部分合金元素或化合物，以產(chǎn)生所需的機(jī)械性能。
固溶熱處理和淬火后，材料較軟，此時(shí)非常適合拉伸加固材料。
如果淬火后放置在空氣中，材料會(huì)變得越來越硬，但變化非常緩慢，有些合金甚至在幾年后變得最硬。
淬火后立即進(jìn)行人工時(shí)效，即將材料加熱至100-200°C，保溫一段時(shí)間后，由于硬化化合物的沉淀，材料會(huì)變硬，強(qiáng)度會(huì)大大提高。
對(duì)6160鋁合金強(qiáng)度和硬度的影響：
從圖中可以看出，較高的溫度可以使合金達(dá)到最高強(qiáng)度。但是溫度越高，最終獲得的強(qiáng)度不如低溫獲得的高。
在及時(shí)性過程中，把握溫度和時(shí)間是非常重要的。高溫和過長(zhǎng)的會(huì)形成較大的沉淀元素，大大降低沉淀硬化效果。
相反，過低的時(shí)效溫度會(huì)消耗過多的沉淀時(shí)間，產(chǎn)生良好的強(qiáng)化效果。時(shí)間長(zhǎng)意味著效率低，成本高。
退火（Annealing）：加熱并緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。
回火（Temper）：淬火后再加熱，回火英語(yǔ)Temper，Temper有發(fā)脾氣的意思，平時(shí)不生氣，發(fā)脾氣的時(shí)候會(huì)生氣，可以理解為發(fā)脾氣的時(shí)候，火會(huì)回來，所以Temper回火(只是為了方便記憶)。
好了，解釋了一堆概念，在我們可以繼續(xù)說了。
鋁合金不能熱處理。在固溶熱處理和及時(shí)性過程中，其主要合金元素不能提供明顯的固溶和沉淀硬化，只能通過冷軋或拉絲等冷加工方法提高其強(qiáng)度。
比如1、3、5種鍛造鋁合金，不能熱處理鋁合金，2、6、7種可以熱處理。
鋁合金鍛造可熱處理和不可熱處理
鑄造鋁合金，1、4、5類不能熱處理，2、3、7、8類可熱處理。
鋁合金不能熱處理，只能加工硬化（Work Hardening），如滾壓、拉拔等，以提高其強(qiáng)度。
因?yàn)槔浼庸な沟媒Y(jié)構(gòu)中形成位錯(cuò)和空位，抑制原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以提高了合金的強(qiáng)度。
鋁合金可熱處理，也可加工硬化，以提高其強(qiáng)度。
換句話說，能否熱處理，決定了鋁合金的強(qiáng)化方法。
不同類型鋁合金的強(qiáng)化方法和強(qiáng)度范圍
3.鋁合金的表示方法
鋁合金由四位數(shù)字和一些符號(hào)表示，如5083-H112，7075-T73等。
鍛造鋁合金和鑄造鋁合金在表達(dá)方法上也有明顯的區(qū)別。
鑄造鋁合金前四位數(shù)中有小數(shù)點(diǎn)，而鍛造鋁合金中沒有小數(shù)點(diǎn)。
例如，1xxx，3xxx，5xxx，7xxx等等表示鍛造鋁合金，1xx.x，3xx.x，5xx.x，7xx.x表示鑄造鋁合金。
因?yàn)殄懺熹X合金主要是在實(shí)際工程中，接下來我主要集中在鍛造鋁合金上。
鋁合金的類型由1-9組成，不同的數(shù)字表示不同的合金成分。
第二個(gè)數(shù)字表示合金成分的改造，0表示原始成分，1表示第一次改造，2表示第二次改造，依次類比，表示不同合金元素含量的差異。例如，7075表示鋁鋅原合金， 7175和7475表示鋁鋅改型合金，7175和7475是7075的改型品牌。
第三和第四位數(shù)字表示合金系列中的特定合金。這些數(shù)字的值沒有特殊意義。
如果用圖表示鍛造鋁合金，則為下圖。
鍛造鋁合金的表示方法
(換句話說，我花了很多時(shí)間畫這張照片。你不喜歡它，也不留言去嗎？
1xxx系列
1類鋁合金不是真正的鋁合金，因?yàn)樗匿X含量是99%，屬于商業(yè)純鋁。
在機(jī)械方面，這種合金具有良好的延展性，如1100常用于鈑金、常用藥品和食品鋁箔包裝，也使用1種合金。
此外，1類合金具有良好的耐腐蝕性和加工性，通過加工硬化可以提高其強(qiáng)度。
這種合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性而廣泛應(yīng)用于電力輸送領(lǐng)域。
2xxx系列
銅是二類合金的主要合金元素，還含有少量鎂。
由于銅可以在高溫下溶解在鋁中，這種合金對(duì)固溶強(qiáng)化有反應(yīng)，稱為熱處理鋁合金。
經(jīng)過熱處理它具有良好的強(qiáng)度，可與低碳鋼媲美。
當(dāng)然，它更容易腐蝕，因?yàn)樗秀~。
2024是典型的2類鋁合金，應(yīng)用最廣泛。
3xxx系列
3類鋁合金的主要合金元素是錳。
這種合金強(qiáng)度中等，加工性能優(yōu)異。
例如，3003鋁合金由于其良好的加工性，常用于散熱裝置。
再比如3004鋁合金，延展性好，加工性好，常用于制造罐頭。
4xxx系列
硅是四種鋁合金的主要合金元素。
添加硅可以降低熔點(diǎn)，但不影響延展性。因此，這種合金通常用作焊絲連接其他鋁。
此外，由于4系列合金的氧化層在美學(xué)上賞心悅目，因此也常用于建筑中。最具代表性的是4047，它具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和耐腐蝕性。
這種合金通常不能熱處理，但有些可以根據(jù)硅的含量和其他合金元素的成分進(jìn)行一定程度的熱處理。
5xxx系列
5xxx系列合金的主要元素是鎂，在特定合金中，還含有少量的錳。
該合金可應(yīng)變硬化，易焊接，耐腐蝕性好，可用于船體、舷梯等海洋設(shè)備等海洋環(huán)境。
例如，5052合金具有良好的耐海水腐蝕性和優(yōu)異的可加工性常用于海洋船舶，5083可用于坦克戰(zhàn)斗機(jī)，5005可用于建筑結(jié)構(gòu)。
6xxx系列
6系列鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，在固溶熱處理中合成Mg2Si。
雖然沒有2種合金可以通過熱處理提高強(qiáng)度xxx和7xxx該系列鋁合金具有較高的強(qiáng)度，但它具有良好的強(qiáng)度、可加工性和焊接性， 成型性及抗腐蝕性。
通過擠壓成型的6系列合金，是機(jī)械及建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的第一選擇。
比如，6061鋁合金，是可熱處理鋁合金中最靈活的，它同時(shí)保留了大多數(shù)鋁的出色特性，所以它也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，使用最頻繁的鋁合金。該牌號(hào)具有廣泛的機(jī)械性能和耐腐蝕性，在退火條件下具有優(yōu)異的可加工性，可以使用常規(guī)方法加工，而且它還可以進(jìn)行焊接。
7xxx類鋁合金
7類鋁合金的主要合金元素是鋅，通常還有一定量的銅和鎂。
因?yàn)槭褂昧虽\，所以此類合金是所有鍛造合金中最堅(jiān)固的，其強(qiáng)度甚至可以超過某些鋼。
正因?yàn)槿绱?，所?類合金常用于飛機(jī)工業(yè)中。雖然鋅的添加也會(huì)降低其可加工性，但是其出色的強(qiáng)度彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。
比如7075鋁合金，因?yàn)樗哂谐錾闹亓繌?qiáng)度比，是高應(yīng)力零件的理想選擇。并且可以根據(jù)需要，進(jìn)行成型加工，熱處理等操作。
8xxx系列鋁合金
8類鋁合金使用不常用的元素作為其合金元素，例如鋰，錫，或鐵等。
此類合金一般用于有特定要求的場(chǎng)合，例如高溫性能，較低的密度，較高的剛度等要求。
比如鋁鋰合金8090-T8771，用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高剛性的大轉(zhuǎn)盤。
8類合金也通常用于直升機(jī)部件，和其他航空航天應(yīng)用中。
4．鋁合金的回火處理
鋁合金組別，用四位數(shù)字表示，不同的數(shù)字表示不同的合金成分。
比如，2類合金的主要合金元素是銅，6類鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，7類鋁合金的主要元素是鋅。
而鋁合金的熱處理用大寫字母和數(shù)字來表示。
大寫字母，例如F，O，H， W，T等，表示不同的熱處理類型。
比如6061-T6：表示該鋁合金屬于第6類鋁合金，即鋁－鎂－硅鋁合金，并進(jìn)行了固溶熱處理，以及人工時(shí)效：T6。
再比如，7075-T651，基本回火為T6，表示固溶熱處理，淬火，然后人工時(shí)效，5表示經(jīng)過了應(yīng)力釋放，1表示應(yīng)力釋放的拉伸量為0.5-2%。
鋁合金的回火及強(qiáng)化方法
不同字母的具體含義如下：
F＝As Fabricated，表示通過成型工藝方法制作的產(chǎn)品。
用于對(duì)于應(yīng)變硬化和熱處理沒有特別要求，僅在成型過程中獲得一些回火，對(duì)機(jī)械性能沒有限定的合金。
例如通過軋制，擠壓，鍛造，拉拔或鑄造等工藝方法，制造的鍛造或鑄造合金產(chǎn)品，這些工藝在加工或應(yīng)變硬化過程中，對(duì)熱條件沒有特殊控制。
比如，2014-F表示2014鋁合金的加工產(chǎn)品形式，加工工藝可以是軋制，擠壓，鍛造，或這些工藝的組合。
O：退火（Annealed）
退火的主要目的是提高可加工性，韌性，以及延展性，并使得鋁合金擁有最低強(qiáng)度的狀態(tài)。
例如5083-O表示5083的任意產(chǎn)品形式，其最近的處理是加熱到高溫345°C，然后自然冷卻到室溫。
H：應(yīng)變硬化（Strain Hardened）
對(duì)于不可熱處理的鋁合金，通常通過常溫下應(yīng)變硬化的方式，來提高其強(qiáng)度。
H后面通常會(huì)有2，3個(gè)符號(hào)，用來表示冷加工量，及隨后的熱處理。
比如H后面的第一個(gè)數(shù)，H1表示僅應(yīng)變硬化，H2表示應(yīng)變硬化和部分退火。H3表示應(yīng)變硬化，然后進(jìn)行熱穩(wěn)定處理，H4表示應(yīng)變硬化及噴漆。
H1－H4的具體含義如下。
H1：無熱處理過程，僅通過應(yīng)變硬化來提高強(qiáng)度，這個(gè)代號(hào)后面的數(shù)值表示硬化程度。
H2: 應(yīng)變硬化并部分退火。用于：進(jìn)行了超額的應(yīng)變硬化，然后通過部分退火，降低強(qiáng)度至需要水平的產(chǎn)品。H2后面的數(shù)字表示退火后剩下的應(yīng)變硬化量。
H3: 應(yīng)變硬化并低溫穩(wěn)定化。用于先通過應(yīng)變硬化，然后使用低溫穩(wěn)定化，來降低強(qiáng)度，提高延展性的產(chǎn)品。此符號(hào)后面的數(shù)字，表示應(yīng)變硬化并低溫穩(wěn)定化后，剩余的硬化量。
H后面的第二個(gè)數(shù)，例如H1X中的X，表示合金的實(shí)際應(yīng)變硬化量。
再如H2X中的X，表示金屬在超過所需的冷加工量，并進(jìn)行部分退火后，剩余的有效冷加工量。
而H3X中的X，在冷加工和溫度穩(wěn)定化處理之后，剩余的有效冷加工。
H4X中的X，表示在冷加工和后續(xù)的成型，噴漆過程中涉及的熱暴露之后，剩余的有效冷加工。
如上所說，H后面的第二個(gè)數(shù)字，表示應(yīng)變硬化的程度，如果HX（X=1，2，3，4）后面跟了如下的數(shù)字，那么它的具體含義如下：
2: 1/4硬化量。
4: 1/2硬化量。
6: 3/4硬化量。
8: 全硬化量。
9: 超額硬化量。
總之，H后面的第二個(gè)數(shù)表示剩余的冷加工量。
H后面的第三位數(shù)，比如HXX1，是兩位數(shù)回火的變種，它用來表示機(jī)械性能或者精加工的控制，但是這種差異通常并不大。
比如，H111表示退火后，在拉伸中進(jìn)行輕微應(yīng)變硬化，通常應(yīng)用于必須在退火后進(jìn)行矯直，以達(dá)到直線度公差的擠壓型材。
H112用于通過高溫成型工藝，獲得了少許的回火，并且對(duì)應(yīng)變硬化量和熱處理量沒有特別的控制，但是對(duì)機(jī)械性能有一定要求的產(chǎn)品。
H111，H311及H321分別用于比H11，H31及H32硬化量要少些的合金。
W：固溶熱處理（Solution Heat Treated）
這是一種不穩(wěn)定回火，僅應(yīng)用于使用固溶熱處理后，又經(jīng)歷室溫自然時(shí)效的合金。僅當(dāng)指定自然時(shí)效周期時(shí)，才使用此符號(hào)。
T：熱處理（Thermal Treated，Heat Treated）
T表示熱處理，經(jīng)過熱處理，來產(chǎn)生除了F，O或H之外的穩(wěn)定回火。
T是熱處理合金中，使用最廣泛的符號(hào)，它可以用于任何可熱處理合金。
可熱處理合金在經(jīng)過固溶熱處理后，通常會(huì)進(jìn)行快速淬火，并輔以自然或人工時(shí)效。
T后面總是有一個(gè)或多個(gè)數(shù)字，用來定義后續(xù)不同的處理。
T1：高溫成型并冷卻后，自然時(shí)效至基本穩(wěn)定狀態(tài)。
應(yīng)用于高溫成型（例如澆鑄或擠壓）工藝后，按照足以提高強(qiáng)度的冷卻速度，進(jìn)行的室溫時(shí)效處理產(chǎn)品。
適用于在高溫成型并冷卻后，未進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品，或冷加工，例如展平或拉直，對(duì)機(jī)械性能的影響不明顯的產(chǎn)品。
T2: 高溫成型并冷卻，然后進(jìn)行冷加工，并自然時(shí)效至穩(wěn)態(tài)。
T3: 固溶熱處理，然后進(jìn)行冷加工，最后自然時(shí)效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。
T4: 固溶熱處理，然后自然時(shí)效至穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用于固溶熱處理之后，未進(jìn)行冷加工的產(chǎn)品，或者冷加工不能提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。
T5：高溫成型并冷卻，然后人工時(shí)效。應(yīng)用于高溫成型（例如澆鑄或擠壓）并冷卻后，進(jìn)行人工時(shí)效，以提高機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性的產(chǎn)品。
T6: 固溶熱處理，然后人工時(shí)效。應(yīng)用于固溶熱處理之后，不進(jìn)行冷加工，或者冷加工不能提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。
T7: 固溶熱處理，然后在熔爐中時(shí)效至穩(wěn)態(tài)化。穩(wěn)態(tài)化的目的是提高其抗拉強(qiáng)度。
T8: 固溶熱處理，然后冷加工硬化，最后人工時(shí)效處理。應(yīng)用于通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強(qiáng)度的產(chǎn)品。
T9: 固溶熱處理，然后人工時(shí)效硬化，最后冷加工提高強(qiáng)度。
T10：高溫成型冷卻后進(jìn)行冷加工，然后人工時(shí)效實(shí)現(xiàn)沉淀硬化。
5. 6061-T6和7075-T651的區(qū)別
OK，到這里，我們對(duì)鋁合金系統(tǒng)有了一個(gè)全局的認(rèn)識(shí)。
那么現(xiàn)在，我們?cè)賮碚f說6061和7075，應(yīng)該就比較容易理解了。
還是先上結(jié)果，再細(xì)說。
鋁合金6061和7075的性能對(duì)比
6061-T6：表示該鋁合金屬于第6類鋁合金，即鋁－鎂－硅鋁合金，并進(jìn)行了固溶熱處理，以及人工時(shí)效處理：T6。
其中T6表示，該鋁合金使用了回火熱處理。
該熱處理分兩步，第一步加熱合金，第二步實(shí)效處理。
在第一步中，鋁合金被放入恒定溫度為527℃左右的溫度之中，并保持大約1小時(shí)，目的是讓鋁合金中的合金元素溶解，并均勻分布在鋁中。
之后取出，在冷水中快速淬火，淬火的目的是讓合金元素鎂和硅等，保留在固定位置。
因?yàn)槿绻麑⒘慵徛鋮s，通常會(huì)發(fā)生合金元素析出。
第二步，時(shí)效處理，就是將工件重新加熱到177℃，并保溫1-18小時(shí)（具體保溫時(shí)間，按照工件尺寸，形狀，應(yīng)用等因素來確定）。
這一步的目的，是讓硬化元素Mg2Si沉淀析出，增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度。
7075-T651：這是典型的7系列合金，也就是以鋅為主要合金元素的鋁合金。
它的熱處理類型和6061-T6雷同，基本回火為T6，表示固溶熱處理，然后淬火，最后人工時(shí)效，時(shí)效的強(qiáng)化元素是Mg和ZnAlCu2。
還有一點(diǎn)不同的是，5表示經(jīng)過了拉伸來釋放應(yīng)力，1表示應(yīng)力釋放的拉伸量為0.5-2%。
看夠了沒？
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