铝合金是以纯铝为基础，加入一种或几种其他元素（如Cu、Mg、Si、Mn、Zn等）构成的合金。向纯铝中加入适量的Cu、Mg、Si、Mn、Zn等合金元素，可得到具有较高强度的铝合金。若再经过冷加工或热处理，其抗拉强度可进一步提高到400MPa以上，而且铝合金的比强度（抗拉强度与密度的比值）高，具有良好的耐蚀性和可加工性。因此，铝合金在航空和航天工业中得到广泛应用。各种运载工具，特别是飞机、导弹、火箭、人造地球卫星等，均使用大量的铝。一架超声速飞机的用铝量占其自身重量的70%，一枚导弹的用铝量占其总重量的10%以上；2008年北京奥运会的“祥云”火炬（见图10.1）的材质就是铝合金。
1.铝合金的分类
铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。
（1）变形铝合金
图10.2是二元铝合金的一般相图，图中的DF线是合金元素在α固溶体中的溶解度变化曲线，D点是合金元素在α固溶体中的最大溶解度。合金元素含量低于D点的合金，当其加热到DF线以上时，能形成单相固溶体的组织，因而其塑性较高，适于压力加工，故称为变形铝合金。其中合金元素含量在F点以左的合金，由于其固溶体化学成分不随温度而变化，不能进行热处理强化，故称为不可热处理强化的铝合金。而合金元素含量在F点以右的铝合金（包括铸造铝合金），其固溶体化学成分随温度变化而沿DF线变化，可以用热处理的方法使合金强化，故称为可热处理强化的铝合金。
图10.1 铝合金制作的“祥云”火炬
图10.2 二元铝合金的一般相图
变形铝合金具有良好的塑性，可以在冷态或热态下进行压力加工。根据合金的热处理及性能特点可分为：
①不可热处理强化的防锈铝合金；
②可热处理强化的硬铝、超硬铝和锻铝合金。
（2）铸造铝合金
合金元素含量超过D点化学成分的铝合金，具有共晶组织，适合于铸造加工，不适于压力加工，故称为铸造铝合金。
铸造铝合金具有良好的抗蚀性及铸造工艺性，但塑性差，常采用变质处理和热处理的方法提高其力学性能。铸造铝合金按主加元素的不同分为铝-硅系，铝-铜系，铝-镁系和铝-锌系4大类。
铝合金的分类和性能特点如表10.1所示。
表10.1 铝合金的分类和性能特点
2.铝合金的热处理
大多数的铝合金还可以通过热处理来改善其性能。铝合金常用的热处理方法有退火，固溶与时效等。
（1）铝合金的退火
铝合金退火的主要目的是消除应力或偏析，稳定组织，提高塑性。退火时将铝合金加热至200～300℃，适当保温后空冷，或先缓冷到一定温度后再空冷。再结晶退火可以消除变形铝合金在塑性变形过程中产生的冷变形强化现象。再结晶退火的温度视合金成分和冷变形条件而定，一般在350～450℃。
退火可消除铝合金的加工硬化，恢复其塑性变形能力，消除铝合金铸件的内应力和化学成分偏析。淬火+时效处理能使淬火铝合金达到最高强度。
（2）铝合金的固溶与时效处理
固溶与时效是铝合金热处理强化的主要工艺。铝合金一般具有图10.2所示类型的相图。将化学成分位于图中D＇、F之间的合金加热至α相区，经保温形成单相的固溶体，然后快冷（淬火），使溶质原子来不及析出，至室温获得过饱和的α固溶体组织，这一热处理过程称为固溶处理。淬火后的铝合金虽可固溶强化，但强化效果不明显，塑性却得到改善。由于过饱和的α固溶体是不稳定的，随着时间的延长，其中将形成众多的溶质原子局部富集区（称为GP区），进而析出细小弥散分布且与母相共格的第二相或第二相的过渡相，从而引起晶格严重畸变（见图10.3），阻碍位错的运动。此时铝合金的强度、硬度显著升高，这便是时效强化，这一过程称为时效处理。具有极限溶解度D＇点附近的合金，时效强化效果最大。合金元素含量位于F点以左时，由于加热与冷却时组织无变化，显然无法对其进行时效强化，故称为不可热处理强化的铝合金。合金元素含量位于F点以右的合金，其组织为固溶体与第二相的混合物，因为时效过程只在α固溶体中发生，故其时效强化效果将随着合金元素含量向右远离F点而逐渐增大至D＇点附近，此时时效强化效果最明显。
铝合金时效的强化效果还与加热温度和保温时间有关，如图10.4所示。经淬火的铝合金在时效初期强度变化很小，这段时间称为孕育期。铝合金在孕育期内有很好的塑性，可在此时对其进行各种冷塑性变形加工，或对淬火变形的零件进行校正。孕育期过后，铝合金的强度、硬度很快升高。自然时效时，经4～5d后达到最大强度；人工时效时，时效温度越高，强化效果越差。时效温度过高或时间过长，铝合金的强度、硬度反而下降，即发生了过时效，这与铝合金中析出第二相晶粒有关。
图10.3 铝合金固溶与时效过程的组织变化
（a）淬火状态；（b）时效状态
图10.4 ωC＝4%的铝合金在不同温度下的时效曲线
3.常用的变形铝合金
变形铝合金加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于压力加工，它通过轧制、挤压、拉伸、锻造等塑性变形加工，可改善组织、提高性能，制成板、带、箔、管、型、棒、线和锻件等各种铝材。它包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等。
（1）变形铝合金的编号
变形铝合金按热处理的强化效果分为可热处理强化的铝合金和不可热处理强化的铝合金；按主加元素的不同分为铝铜、铝锰、铝硅、铝镁、铝镁硅、铝锌镁等几个主要合金系列，近代又发展了铝锂合金系。变形铝合金旧牌号用汉语拼音字母和数字表示，字母表示合金的类别，数字表示具体合金序号，主要有防锈铝（LF）、硬铝（LY）、锻铝（LD）、超硬铝（LC）、特殊铝（LT）和钎焊铝（LQ）等。近年来为了与国际接轨，我国制定了变形铝及铝合金的新牌号。其牌号命名的基本原则是，国际4位数字体系牌号可直接引用；未命名为国际4位数字体系牌号的变形铝及铝合金，采用4位字符牌号（试验铝及其合金在4位字符牌号前加×）。4位字符牌号的第1、3、4位为阿拉伯数字，第2位为大写英文字母。第1位数字表示铝及铝合金的组或系别：l×××——纯铝，2×××——Al-Cu系，3×××——Al-Mn系，4×××——Al-Si系，5×××——Al-Mg系，6×××——Al-Mg-Si系，7×××——Al-Zn系，8×××——Al-其他元素，9×××——备用系。第2位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数字表示同一组或系中不同的铝合金或铝的不同纯度。
（2）各类变形铝合金
1）防锈铝
它属于不可热处理强化的变形铝合金，可通过冷压力加工（冷作硬化）提高其强度，主要是Al-Mn系和Al-Mg系合金，如5A02、3A21等。防锈铝具有比纯铝更好的耐蚀性，具有良好的塑性及焊接性能，强度较低，易于成型和焊接。
防锈铝主要用于制造要求具有较高耐蚀性的油箱、导油管、生活用器皿（见图10.5）、窗框、铆钉、防锈蒙皮、中载荷零件和焊接件等。
图10.5 变形铝合金产品
（a）铝合金窗；（b）铝合金易拉罐；（c）铝合金锅(www.xing528.com)
2）硬铝
它属于Al-Cu-Mg系合金，如2Al1、2Al2等。硬铝具有强烈的时效硬化能力，在室温具有较高的强度和耐热性，但其耐蚀性比纯铝差，尤其是耐海洋大气腐蚀的性能较低，可焊接性也较差，所以，有些硬铝的板材常在其表面包覆一层纯铝后使用。
硬铝主要用于制造中等强度的构件和零件，如铆钉、螺栓，航空工业中的一般受力结构件（如飞机翼肋、翼梁等）。Al-Cu-Mg系合金是使用最早，用途很广，具有代表性的一种铝合金，由于该合金的强度和硬度高，故称为硬铝，又称杜拉铝（苏联人杜拉发明）。
3）超硬铝
它属于Al-Cu-Mg-Zn系合金，这类铝合金是在硬铝的基础上再添加锌元素形成的，如7A04、7A09等。超硬铝经固溶处理和人工时效后，可以获得在室温条件下强度最高的铝合金，但应力腐蚀倾向较大，热稳定性较差。
超硬铝主要用于制造受力大的重要构件及高载荷零件，如飞机大梁、桁架（见图10.6）、翼肋（见图10.7）、活塞、加强框、起落架、螺旋桨叶片等。
图10.6 飞机桁架
图10.7 飞机翼肋
4）锻铝
它属于Al-Cu-Mg-Si系合金，如2A50、2A70等。锻铝具有良好的冷热加工性能和焊接性能，其力学性能与硬铝相近，适于采用压力加工（如锻压、冲压等）。
锻铝主要用来制造各种形状复杂的零件（如内燃机活塞、叶轮等）或棒材。
常用变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能及应用如表10.2所示。
表10.2 常用变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能及应用
续表
注：1.Al为余量；
2.其他元素单个含量为0.05%，总量为0.10%。
4.铸造铝合金
用来制造铸件的铝合金称为铸造铝合金。工程中很多重要的零件是用铸造的方法生产的，一方面，因为这些零件形状复杂，用其他方法（如锻造）不易制造；另一方面，由于零件体积庞大，用其他方法生产成本高。这些零件除了要求具有必要的力学性能和耐蚀性外，还应具有良好的铸造性能。
铸造铝合金与变形铝合金相比，一般含有较高的合金元素，具有良好的铸造性能，但塑性与韧性较低，不能进行压力加工。按其所加入的合金元素的不同，铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系4大类。
（1）铸造铝合金的牌号及特点
铸造铝合金的代号用“ZL（铸铝的拼音字首）+3位数字”表示。在3位数字中，第1位数字表示合金类别：1——Al-Si系，2——Al-Cu系，3——Al-Mg系，4——Al-Zn系，第2、第3位数字表示顺序号。用Z+基本元素（铝元素）符号+主要添加合金元素化学符号+主要添加合金元素的质量分数表示。优质合金在牌号后面标注A，压铸合金在牌号前面冠以字母YL。例如：ZAlSi12表示ωSi＝12%，余量为铝的铸造铝合金。这类铝合金的特点是铸造性能优良（流动性好、收缩率小、热裂倾向小），具有一定的强度和良好的耐腐蚀性。常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及应用如表10.3所示。
（2）各类铸造铝合金
从表10.3中可以看出，按照其主加合金元素可分为Al-Si系铸造铝合金，如ZAlSi7Mg、ZAlSi5Cu1Mg等；Al-Cu系铸造铝合金，如ZAlCu5MnTi、ZAlCu4等；，Al-Mg系铸造铝合金如ZAlMg10、ZAlMg5等；Al-Zn系铸造铝合金，如ZAlZn11SiT、ZAlZn6Mg等4类。
表10.3 常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及应用
注：T1——人工时效；T2——退火；T4——固溶处理；T5——固溶处理+部分人工时效；T6——固溶处理+完全人工时效。
1）Al-Si系铸造铝合金
铸造铝硅合金分为两种，第一种是仅由Al、Si两种元素组成的铸造铝合金，该类铸造铝合金为不可热处理强化的铝合金，强度不高，如ZAlSi2等；第二种是除铝、硅外再加入其他元素的铸造铝合金，该类铸造铝合金因加入Cu、Mg、Mn等元素，可使合金得到强化，并可通过热处理进一步提高其力学性能，如ZAlSi7Mg、ZAlSi7Cu4等。Al-Si系铸造铝合金具有良好的铸造性能、力学性能和耐热性，可用来制作图10.8（a）所示的小轿车轮毂，图10.8（b）所示的内燃机活塞、气缸体、气缸头、气缸套等产品，以及风扇叶片、箱体、框架、仪表外壳、油泵壳体等工件。
2）Al-Cu系铸造铝合金
铸造铝铜合金（如ZAlCu5Mn等）强度较高，加入Ni、Mn元素可提高其耐热性和热强性，但铸造性能和耐蚀性稍差些，可用于制造高强度或高温条件下工作的零件，如内燃机气缸、活塞、支臂等。
图10.8 铸造铝合金产品
（a）小轿车轮毂；（b）内燃机活塞、气缸体、气缸头、气缸套
3）Al-Mg系铸造铝合金
铸造铝镁合金（如ZAl1Mg10等）具有良好的耐蚀性、良好的综合力学性能和切削性加工性能，可用于制造在腐蚀介质条件下工作的铸件，如氨用泵体、泵盖及舰船配件等。
4）Al-Zn系铸造铝合金
铸造铝锌合金（如ZAlZn11Si7等）具有较高的强度，铸造性能好，力学性能较高，价格便宜，用于制造医疗器械、仪表零件、飞机零件和日用品等。
铸造铝合金可采用变质处理细化晶粒，即在液态铝合金中加入氟化钠和氯化钠的混合盐（2/3NaF+1/3NaCl），加入量为铝合金重量的1%～3%。这些盐和液态铝合金相互作用，因变质作用细化晶粒，从而提高铝合金的力学性能，使其抗拉强度提高30%～40%，断后伸长率提高1%～2%。
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