纯铝的物理化学性能及加工成形性能探究

纯铝有着一系列优异的物理化学性能和加工成形性能。

1.物理性能

铝的熔点对其纯度非常敏感，纯度低于99.99％的铝的熔点要比99.0％的纯铝低1～2K，对纯度为99.996％的铝进行精确测量，测得的熔点为933.4K，铝的熔点随压力的增加而增大，大致呈线性关系。

纯铝的比热与温度有很大关系，平衡态即没有发生固相沉淀、回复或再结晶的纯铝，其比热随着温度的增加而增大，933K时为27.9kJ／（mol·K），2600K时为37.2kJ（mol·K）。但若在温度升高的过程中，纯铝发生了上述变化，则铝的比热就不随着温度的升高而增大。

纯铝的热导率与温度的关系比较复杂，在0～20（30）K的温度区间内，热导率由0迅速升至最大值，随着温度的继续上升，热导率先是迅速下降，然后又缓慢降至室温时的最小值2.35～2.37W／（m·K），在400K时达到平稳的峰值约2.4W／（m·K）；然后又平稳下降，在熔点时为2.12W／（m·K），而液态铝在熔点时的热导率为0.9W／（m·K），后又继续上升，在1250K时达到1W／（m·K）。组织变化对纯铝室温热导率的影响不大，只有在0℃以下时才有比较明显的影响。塑性变形和弹性变形都会使铝的热导率降低。

铝的热胀系数与很多因素有关，在不同温度区间有不同的热胀系数，而合金元素对铝热胀系数的影响也很复杂，目前有两种认识：一是所有的合金元素均会使纯铝的热胀系数增加；另一是只有热胀系数比铝大的合金元素才会使铝的热胀系数增加，而其他元素往往会使其热胀系数减小。

纯铝的电阻率较低，在293K时约为2.62～2.65Ω·m，相当于铜的标准电导率的65％，而杂质对纯铝电阻的影响很复杂，在高纯铝中，杂质的引入会使其电阻率增加而对于99.5％或更低纯度的铝，铁或硅的加入会使得电阻率减小。弹性和塑性变形均会使铝的导电性变差。温度对铝的电阻率也有很大影响，电阻率随着温度的升高而增大。在室温以上时，工业纯铝和高纯铝的电阻率相差不大；在零度以下时，工业纯铝和高纯铝的电阻率相差非常大，如纯度为99.965％的铝在4.2K时的电导率是273K时的200倍，而纯度为99.99998％的铝在4.2K时的电导率是273K时的45000倍左右，因此，可以用低温电导率来确定铝的纯度。

2.化学性能

铝的抗氧化性能很好，由于在室温下铝的表面就能形成致密的氧化膜，可以阻止内部金属的进一步氧化，这就有利于铝在较高温度下和某些气氛中工作。

铝的耐蚀性与所处的环境有关。铝在空气中有着优良的耐蚀性，即使在含硫、硫化氢的工业区空气里，铝的腐蚀速度也无明显变化。铝在碱溶液中易腐蚀，但在氨水中能稳定存在，在室温浓硫酸或浓硝酸中铝均能稳定存在，但随着浓度的降低或温度的升高，铝就会被腐蚀。铝在海水或氯化钠水溶液中与钢接触时，会使它的腐蚀速度加快在碱溶液中与锌接触时，腐蚀也会加快，但在酸性或者中性溶液中，由于电势的重新分配，会导致锌的加快腐蚀。

3.力学性能(www.xing528.com)

纯铝比较软，其硬度通常可用压痕法来测量，其硬度值随着纯度提高而减小。杂质含量相同的工业纯铝，铁／硅比值较低时，硬度较高。通过热处理使硅固溶，其硬度值比纯铝有明显的增加。在其他的常见杂质中，铜也能够适当地增加铝的硬度。

纯铝的强度与硬度相似，均随着铝的纯度提高而减小，随着温度的升高而减小。高纯铝和工业纯铝的抗剪强度和抗压强度均近似等于其抗拉强度。冷加工可提高铝的强度，降低其塑性。在通常情况下，合金元素对铝的力学性能的影响一般表现为提高强度和硬度，降低塑性。

高纯铝的弹性模量为63～71GPa，其值随着铝纯度的降低而增大，晶粒大小对弹性模量没有明显的影响。而少量的冷变形加工会使弹性模量减小5％～10％，冷变形程度更高时，会导致模量增加，而退火将会使模量恢复。合金元素对铝的弹性模量的影响比较复杂：如果合金元素和杂质的模量比铝的模量高，则一般会使其弹性模量增加，反之，会使模量降低，但其影响不是叠加的。在通常情况下，固溶体中的元素对泊松比的影响是比较小的，而形成第二相的元素会使泊松比减小。

铝及铝合金并没有真正的疲劳极限，大多数疲劳值是107～109次重复载荷作用下实验得到的，循环次数为109的值约比107低10％左右，此外，由于试验方法的不同，所测的值也有很大的不同。对于高纯铝，其屈服点比大多数试验的应力低，因此试验结果只代表试验期间冷加工材料的强度，由于硬化作用，随后得到的疲劳强度值在很大程度上取决于载荷作用的速率，其疲劳强度值可在4（5）～40（50）GPa范围内变化。工业纯铝的疲劳极限值分布较窄，退火后为20～30GPa。纯铝的疲劳强度一般是低于屈服强度的。大多数提高抗拉强度的因素均能改善疲劳强度，如冷加工、合金化和低温等。

高纯铝的蠕变对各种杂质的含量、特征和比例非常敏感，以致往往从某一试样得到的蠕变结果在另一试样上不能再现。而对于工业纯铝来说，不同试样之间的差别相对较小，通常都在同一个数量级内。在不同的温度下，纯铝的蠕变机理是不相同的，在低温和高载荷条件下，晶体滑移和位错起主要作用；在高温时，主要是亚晶界和晶界的迁移。

铝及合金的摩擦系数与很多因素有关：如摩擦速度、负荷大小、表面精度、润滑或涂层、氧化物及温度等，在没有润滑的情况下，铝与铝之间的摩擦系数可以高达2～3而用石墨加氧化钼做润滑剂时，摩擦系数可以降低到0.06。在一般润滑良好的情况下铝的摩擦系数为0.15～0.30。

4.成形工艺性能

铝及铝合金宏观铸造组织由三个部分组成：表层细晶区、中间柱状晶区和中心粗大等轴晶区。表层细晶区晶粒细小而不规则，是熔融金属与模壁接触时快速凝固形成的因为熔体与温度较低的模壁接触时，产生较大的过冷度，从而瞬间形成大量晶核，结晶初期施加压力、低温浇注均有利于细晶区的形成。

铝的大部分变形都是通过滑移进行的，滑移面为（111），滑移方向为［110］，参与滑移的面通常是位于最大分切应力的那些面，每个滑移面的滑行距离从几个原子到几千个原子厚。

在20～77K加工的铝在回复期间不发生软化，只有在再结晶阶段才会软化。粗大晶粒可以降低回复速度，而应变可以提高回复速度。纯度是影响再结晶温度的一个重要因素，冷变形度为70％～80％时，杂质含量小于1％（质量分数）的纯铝在273K以下就可以开始再结晶，而工业纯铝约为600～650K，通常再结晶温度与杂质含量有一定关系，合金元素的种类对铝的再结晶温度也有很大的影响。