铝及铝合金教学课件

铝及铝合金铝地壳中最丰富的金属元素地壳含量铝是地壳中含量最丰富的金属元素，占地壳金属总量约

8.3%，仅次于氧和硅，是地壳中第三丰富的元素主要矿石铝主要以铝土矿Al₂O₃·nH₂O形式存在，全球铝土矿储量约为550-750亿吨，主要分布在几内亚、澳大利亚、巴西、越南和牙买加等国家发现历史与全球产量铝的原子结构与物理性质原子结构基本物理性质优异特性原子序数13银白色金属强反射性（反射率达95%）原子量

26.98熔点660°C良好延展性（可轧制成

0.005mm箔电子排布1s²2s²2p⁶3s²3p¹沸点2519°C导电导热性佳外层3个电子决定了铝的化学活性密度

2.7g/cm³铝的化学性质铝是一种化学性质活泼的金属，但在日常环境中表现稳定，这一独特现象源于其表面自发形成的致密氧化膜与氧的反应4Al+3O₂→2Al₂O₃形成致密的氧化膜，厚度约2-10nm，阻止进一步氧化与酸的反应2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂↑与非氧化性酸反应生成氢气与碱的反应2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[AlOH₄]+3H₂↑两性金属，与强碱反应生成铝酸盐铝的两性实验演示——铝与稀盐酸反应现象铝片浸入稀盐酸中，表面产生大量气泡，溶液温度升高反应方程式2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂↑注意铝表面氧化膜会延迟反应开始铝与氢氧化钠反应现象铝片放入氢氧化钠溶液中，反应剧烈，产生大量气泡反应方程式2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[AlOH₄]+3H₂↑应用该反应可用于铝表面处理和清洗两性特征验证现象向AlOH₃中分别加入酸和碱，观察溶解情况与酸反应AlOH₃+3H⁺→Al³⁺+3H₂O铝的代表性氧化物氧化铝与氢氧化铝——氧化铝Al₂O₃氢氧化铝AlOH₃•熔点高达2072°C，硬度仅次于金刚石•白色粉末状固体，两性氢氧化物•两性氧化物，可与强酸强碱反应•工业上是生产氧化铝的中间产物•α-Al₂O₃（刚玉）用于研磨材料、人造宝石•医用作胃酸中和剂和抗酸药•γ-Al₂O₃广泛用作催化剂载体•作为阻燃剂添加到塑料和橡胶中铝的优势与局限显著优势•密度低（

2.7g/cm³），仅为钢的1/3•导电性好（约为铜的61%）•导热性优异（约为铜的50%）1•易加工成各种形状，压延性好•表面自然形成保护膜，耐腐蚀•无磁性，适用于电子设备•100%可回收，环保经济固有局限•机械强度较低（纯铝抗拉强度仅70MPa）•硬度差（纯铝硬度HB约20）•弹性模量低（约为钢的1/3）2•高温性能下降明显•焊接工艺要求高•电解生产能耗大（13-14千瓦时/千克）•某些环境下易发生应力腐蚀合金的概念及意义合金的定义铝合金与铁合金对比合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素按一定比例混合熔炼而成的具有金属特性的材料铝合金优势合金化的基本原理•密度低，仅为钢的1/3•比强度高，某些铝合金超过普通钢通过添加合金元素，形成固溶体、金属间化合物或第二相粒子，改变基体金属的晶格结构和原子排列，从而改变和提高材料性能•耐蚀性更强，尤其在大气环境•导热导电性优异铁合金优势•绝对强度和硬度更高•高温性能更稳定•价格相对较低铝合金的分类体系铝-锌系铝-锰系铝-铜系铝-硅系铝-镁系铝合金的编号规则国际AA编号系统美国铝业协会建立的四位数编号体系•1xxx纯铝≥

99.00%•2xxx铝-铜系•3xxx铝-锰系•4xxx铝-硅系•5xxx铝-镁系•6xxx铝-镁-硅系•7xxx铝-锌系•8xxx其他系列中国标准GB中国采用的编号规则与AA基本一致，但部分合金号有差异示例解析•6061铝-镁-硅系合金•7075铝-锌-镁-铜系合金（航空用）•5083铝-镁系合金（含5%Mg）后缀表示热处理状态，如T6（固溶+人工时效）变形铝合金与铸造铝合金变形铝合金铸造铝合金•通过轧制、挤压、锻造等塑性变形加工成型•通过铸造工艺直接成型，流动性好•晶粒细小、组织均匀，强度高•晶粒较粗大，气孔较多，但可制造复杂形状•主要系列2xxx、5xxx、6xxx、7xxx•主要系列A356AlSi7Mg、ADC12铝硅铜•产品形式板材、型材、管材、棒材、箔材等•产品形式各类铸件•应用航空航天结构件、车身、建筑型材•应用汽车发动机缸体、轮毂、外壳等铝合金常用元素的作用铜Cu镁Mg•显著提高强度和硬度•提高强度并保持延展性•改善热处理效果•增强耐蚀性•降低耐蚀性•降低密度•典型添加量2-10%•典型添加量

0.5-5%硅Si锌Zn•改善流动性，适合铸造•大幅提升硬度与强度•降低热膨胀系数•配合镁使用效果更佳•提高耐磨性•降低耐蚀性•典型添加量5-12%•典型添加量4-8%其他重要元素还包括锰Mn改善加工性能，铬Cr提高抗腐蚀性，钛Ti细化晶粒，锂Li降低密度，镍Ni提高高温性能，锆Zr控制再结晶等合金设计通常采用多元素复合添加，以获得综合性能铝合金热处理工艺固溶处理淬火冷却时效处理将合金加热到480-560°C，保持足够时间使合金元素充分溶解于铝基体中，形成单相固溶体将高温状态的合金迅速冷却（通常水冷），使溶质原子来不及析出，形成过饱和固溶体将淬火后的合金在较低温度下保持一定时间，使溶质原子析出形成细小弥散相，产生强化效果热处理状态标识•F铸造或加工状态•O退火状态•H加工硬化状态•T4固溶处理+自然时效•T6固溶处理+人工时效最常用•T7固溶处理+稳定化处理铝合金典型性能对比纯铝1xxx2xxx系Al-Cu强度低抗拉强度≤110MPa高强度抗拉强度可达500MPa塑性高伸长率30%热处理强化效果显著导电性极佳耐蚀性较差耐蚀性优异可焊性差主要用途电力线、铝箔主要用途航空结构件5xxx系Al-Mg中等强度300-350MPa优良耐蚀性，特别是海水环境焊接性能优良冷加工硬化明显主要用途船舶、车辆、压力容器不同系列铝合金的特点和应用领域各有侧重，合金选择需综合考虑强度、延展性、耐蚀性、可焊性、成本等因素例如，6xxx系列Al-Mg-Si综合性能平衡，广泛用于建筑型材；7xxx系列Al-Zn强度最高，用于高端航空航天部件铝与铝合金的力学性能密度对比70MPa310MPa铝合金密度约为

2.7g/cm³，仅为钢的三分之一

7.85g/cm³，铜的三分之一

8.9g/cm³，钛的60%

4.5g/cm³强度/重量比纯铝抗拉强度6061-T6抗拉强度虽然铝合金的绝对强度低于钢，但比强度（强度/密度）较高，使其在轻量化结构中具有优势高强铝合金7075-T6的比强度甚至超1060铝（

99.6%纯度）通用结构铝合金过某些钢材延展性参数570MPa70GPa纯铝伸长率可达35%，合金化后降至5-15%铝合金冷加工硬化速率高，适合冷加工成形7075-T6抗拉强度弹性模量航空级高强铝合金约为钢的1/3铝合金的导电性与导热性导热性纯铝导热系数为237W/m·K，约为铜的一半广泛用于散热器、热交换器、电子设备散热合金元素会显著降低导热性，尤其是过渡金属元素导电性纯铝1350的导电率约为铜的61%，按重量计算超过铜的两倍常用于电力传输线，成本低于铜导线添加合金元素会降低导电性，如6061合金导电率仅为纯铝的40%铝的优良导电导热性源于其面心立方晶体结构和自由电子特性在电子产品轻量化趋势下，铝合金散热器越来越普遍，特别是在笔记本电脑、LED灯具和电动汽车电池管理系统中应用广泛铝及铝合金的耐蚀性机制自然氧化膜保护层阳极氧化增厚保护层电化学保护与阴极保护合金元素对耐腐蚀的影响铝的腐蚀机理表面致密氧化膜阳极氧化处理铝表面自发形成Al₂O₃保护膜，厚度约2-10nm通过电化学方法人为增厚氧化膜至15-25μm该膜致密、稳定且具有自愈合能力可染色处理，兼具装饰性和保护性铝合金的可焊接性与加工性能焊接特性加工性能多数铝合金可采用各种焊接方法，但存在一些挑战•热导率高，需大热输入•氧化膜熔点高2072°C，远高于铝660°C•易产生气孔和热裂纹常用焊接方法•MIG/TIG焊接•激光焊接•摩擦搅拌焊FSW铝合金易于切削、铣削、钻孔等机加工压延和挤压成形性能优异，可制成复杂型材具有良好的冷成形性，但回弹大于钢热加工温度窗口较窄，需精确控制不同铝合金系列的可焊性差异显著5xxx和6xxx系列焊接性优良，而2xxx和7xxx系列焊接性较差现代摩擦搅拌焊技术为高强铝合金连接提供了新解决方案，广泛应用于航空航天和轨道交通领域铝合金在航空航天领域的应用飞机结构材料航天器用铝机身骨架、蒙皮、翼梁等关键结构火箭燃料箱、外壳结构典型牌号2024-T3蒙皮、7075-T6骨空间站模块、卫星框架架典型牌号

2219、2195Al-Li铝合金约占现代飞机结构重量的50%工作温度范围广-250°C至150°C每减重1kg可节省飞机全寿命燃油3000-5000kg发展趋势铝-锂合金密度更低，刚度更高新一代高强高韧铝合金铝基复合材料增材制造技术应用铝合金在航空领域的广泛应用始于20世纪30年代，铝合金的轻量化特性大幅提升飞机燃油效率，降低运营成本虽然复合材料在新一代飞机中占比提高，但铝合金仍是航空结构的主要材料铝及铝合金在交通运输的应用铁路地铁车厢汽车零部件船舶制造大型挤压型材（

6063、6N01）用于车体骨架发动机缸体、缸盖（A356铸造铝合金）船体结构（

5083、5086耐海水腐蚀）焊接结构板材

（5083）用于车身外壳车身结构件（

6022、5182）上层建筑、甲板（

6061、6082）轻量化减少能耗，提高载客量轮毂、悬挂系统（A

356、6061）轻量化提高载重量和速度中国高铁车厢广泛采用铝合金，单车减重约7-8吨热交换器、散热器

（3003）免维护，无需涂装电动汽车电池外壳

（6061）全铝合金高速客船最高航速可达45节铝合金在建筑与日用品领域建筑应用日用品领域铝合金在建筑领域应用广泛，主要用于铝在日常生活中无处不在•门窗系统（6063挤压型材）•幕墙系统（

6063、6061）•厨房用具铝锅、平底锅

（3003）•天花板、吊顶（

3003、3105）•包装材料易拉罐（3004罐体，5182盖）•装饰板材（阳极氧化或涂层）•铝箔包装（

1235、8011）铝材料在电力与电子行业123架空输电线散热器与连接线材取代部分铜元件1350铝线芯钢绞线ACSR是最常见的高压电子设备散热器（

1050、6063）随着铜价上涨，铝在某些领域逐渐替代铜输电线LED灯具散热基板（

1060、6063）汽车线束部分采用铝导线，减重30%优势重量轻，成本低于铜线，散热好电容器外壳，变压器绕组建筑电线电缆采用铝芯，成本降低40%铝合金导线可提高输电容量20-30%电池极耳，动力电池冷却系统新能源汽车充电桩中应用铝导体中国特高压输电线路大量使用铝合金导线新型高性能铝合金材料超高强铝合金硬质阳极氧化等表面处理•7085新一代航空用超高强铝合金，抗拉强度达650MPa•Al-Zn-Mg-Cu-Zr系列断裂韧性提高20%•Al-Li合金密度更低，刚度更高可焊耐蚀高韧性铝合金•5A06海洋工程用铝合金•第三代Al-Mg-Sc合金，晶粒细化•AA6xxx系高强可焊接车身板硬质阳极氧化层厚度可达100μm，硬度接近蓝宝石微弧氧化技术形成陶瓷化表层，耐磨性极高激光表面改性、等离子喷涂等新技术生物相容性表面处理用于医疗植入物纳米结构铝合金、铝基复合材料和增材制造3D打印铝合金正成为研究热点，这些新型材料有望在航空航天、电动汽车和新能源领域发挥重要作用绿色环保铝的回收与再生环保优势全球回收现状•再生铝能耗仅为原生铝的5%全球铝回收率约70-75%•回收1吨铝可节省14000千瓦时电力易拉罐回收率日本92%，欧盟75%，中国约50%•减少95%的碳排放建筑铝型材回收率85%•理论上可100%回收，无损失汽车废铝回收率约90%铝的回收对构建循环经济和实现碳中和目标具有重要意义中国计划到2030年将再生铝产量提高到2000万吨，占总产量的30%以上，大幅降低铝工业碳排放实验铝与酸、碱反应探究实验准备材料铝片、稀盐酸、氢氧化钠溶液、试管、酚酞试液安全注意佩戴护目镜和手套，反应可能剧烈并产生大量气体铝与盐酸反应现象铝片表面产生大量气泡，反应初期较缓慢，随后加速方程式2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂↑检验收集气体点燃，发出啪的声音，证明为氢气铝与氢氧化钠反应现象铝片表面产生气泡，溶液逐渐变暖方程式2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[AlOH₄]+3H₂↑反应过程中形成可溶性铝酸钠实验分析两种反应均生成氢气，证明铝的两性特征铝与酸反应体现金属性，与碱反应体现非金属性实际应用铝的表面清洗、蚀刻和氢气制备实验铝的电解提纯过程霍尔-埃鲁法原理1886年，霍尔和埃鲁独立发明电解法生产铝，奠定了现代铝工业基础原理在950°C左右的熔融冰晶石Na₃AlF₆中溶解氧化铝Al₂O₃，通过电解还原铝离子成金属铝阳极反应2O²⁻-4e⁻→O₂阴极反应Al³⁺+3e⁻→Al总反应2Al₂O₃→4Al+3O₂工艺流程与问题•熔融电解质温度950-960°C•电解槽电压4-5V，电流150-400kA•阳极效应氧化铝浓度过低时产生，影响生产•能源消耗每生产1吨铝需13000-14000kWh电力•碳排放CO₂和PFCs温室气体电解铝工艺是能源密集型过程，全球铝工业约消耗3%的电力新技术如惰性阳极和低温电解正在研发，有望大幅降低能耗和碳排放国际主要铝合金标准简介AA（美国铝业协会）GB（中国国家标准）CNS（中国台湾）最广泛采用的国际标准基本借鉴AA体系，但有自主发展与AA体系高度一致四位数编号系统（1xxx-8xxx）增加了特殊用途合金（如LY12对应2024）CNS2253铝及铝合金板材规范明确定义合金成分范围和热处理状态GB/T3880变形铝及铝合金化学成分CNS4435铝合金挤压型材规范世界范围内参考基准GB/T1173铝合金铸件在台湾省及东南亚地区广泛使用合金用途AA标准GB标准CNS标准航空蒙皮2024-T3LY12-CZ2024-T3建筑型材6063-T56063-T56063-T5船舶板材5083-H3215083-H3215083-H321航空骨架7075-T6LC4-T67075-T6选材时应考虑标准之间的转换关系，确保材料性能一致性国际贸易中通常以AA标准为基准，而实际应用中则需参考当地标准铝与铝合金产业发展趋势定制化材料方案智能化生产工艺绿色低碳制造高性能合金研发基础材料生产前沿应用与典型工程案例复合铝合金3D打印航天器猎鹰9火箭筒体大型高铁车体集成增材制造技术突破传统铝合金加工限制SpaceX猎鹰9火箭广泛采用2xxx和7xxx系铝合金中国高铁CR400复兴号全铝车体铝合金粉末选择性激光熔化SLM铝-锂合金

（2195）用于超轻筒体结构大型铝合金型材（6N01）激光焊接技术打印复杂结构如航空发动机部件特殊铝合金保持-200°C低温环境稳定性整体挤压成型技术减少连接点AlSi10Mg合金广泛用于3D打印FSW焊接技术确保结构完整性减重30%，寿命延长25年以上小结与思考铝及铝合金的综合优势铝及铝合金凭借轻量化、良好的机械性能、优异的耐蚀性和完全可回收的特性，已成为现代工业不可或缺的基础材料从航空航天到日常生活，铝的应用几乎无处不在绿色材料发展方向低碳铝、再生铝和清洁制造工艺将成为未来铝工业的发展主线随着全球对可持续发展的重视，铝的循环利用体系将进一步完善，绿色铝材将成为市场主流鼓励关注材料创新作为未来工程师和科研人员，应当关注铝合金材料的持续创新，探索新型合金体系、先进制造工艺和跨学科应用材料创新是推动工业技术进步的关键驱动力希望通过本课程的学习，同学们能够掌握铝及铝合金的基础知识，为今后的专业学习和工作实践打下坚实基础。