鋁合金相圖及合金相1.鋁合金相圖

1.1鋁合金中重要的二元相圖鋁合金中重要的二元合金相圖主要包括Al-Fe、Al-Cu、Al-Mn、Al-Si、Al-Mg、Al-Zn、Al-Cr、Al-Ti、Al-Zr、Al-La、Al-Ce等相圖。圖1～圖12是相應的部分二元合金相圖。

圖1Al-Cr二元相圖（AlCr5、AlCr10、AlCr20

）圖2Al-Cu二元相圖（AlCu40、AlCu50）

圖3Al-Fe二元相圖（AlFe10、AlFe20）圖4Al-La二元相圖（AlLa10、AlLa20）

圖5Al-Li二元相圖圖6Al-Mg二元相圖（AlMg10、AlMg20、AlMg50

）圖7Al-Mn二元相圖（AlMn10、AlMn20

）

圖8Al-Si二元相圖

（AlSi20、AlSi35、AlSi50）圖9Al-Ti二元相圖（AlTi5、AlTi20

）

圖10Al-Zn二元相圖

圖11Al-Y二元相圖（Al-10Y）

圖12Al-Zr二元相圖（AlZr5、AlZr10

）

1.2鋁合金中重要的三元合金相圖鋁合金中重要的三元合金相圖如圖13～圖31所示。其中，富鋁端的Al-Fe-Si三元相圖是最重要的三元相圖之一，對各種系列的鋁合金研究和生產都有一定參考價值。

圖13Al-Ti-B三元相圖

圖14Al-Cu-Ce三元相圖

圖15Al-Cu-Fe三元相圖

圖16Al-Cu-Li三元相圖

圖17Al-Cu-Mg三元相圖

圖18Al-Cu-Zn三元相圖

圖19Al-Fe-Mn三元相圖

圖20Al-Fe-Cr三元相圖

圖21Al-Fe-Zn三元相圖

圖22Al-Mn-Mg三元相圖

圖23Al-Si-Mg三元相圖

圖24Al-Zn-Mg三元相圖

圖25Al-Si-Mn三元相圖

圖26Al-Zn-Mn三元相圖

圖27富鋁端Al-Fe-Si系液相投影圖

圖28富鋁端Al-Fe-Si相圖的固態相區

圖29Al-Fe-Si體系550℃等溫截面圖

圖30Al-Fe-Si體系450℃等溫截面圖

圖310.5%(質量)Fe成分下Al-Fe-Si系鋁角相圖

2.鋁合金中的化合物2.11×××系和8×××系中的化合物1×××系合金的純度大于99.0%(質量)，其中Si、Fe為主要元素。8×××系合金成分為Al-Fe-×，其中Fe+×>1.0%(質量)，對鋁箔用合金，×主要是Si元素，并且可能含有比1×××系合金較高含量的Mn、Cu等合金元素，主要合金牌號有8111（8011）、8079等。由于形態上的明顯差別，人們最早發現了兩種Al-Fe-Si相，被記為相和相。前者具有明顯的漢字外形，后者則呈長針狀或盤片狀。相中Si含量較低，Fe/Si(質量)比在5.5～2.75；相中Si含量較高，Fe/Si(質量)比在2.25～1.6。目前，相的化學計量式通常被表達為Fe2SiAl8、Fe3Si2Al12、Fe5Si2Al20，成分組成范圍為30%～33%(質量)Fe、6%～12%(質量)Si；相的化學計量表達式有Fe2Si2Al9、FeSiAl5，成分組成范圍為25%～30%(質量)Fe、12%～15%(質量)Si。在平衡態的Al-Fe-Si系中，相被認為具有六方晶格結構。文獻中，六方相被表達為或2。圖32是DC鑄造1050合金中六方相的典型TEM形貌。在實際合金中，也存在著具有立方晶系的相。文獻中該相被表達為或1。圖32DC鑄造1050合金六方相典型TEM形貌及[100]晶帶軸選區電子衍射花樣

立方晶型的相并不是熱力學穩定相，但是可以被工業純鋁中少量存在的過渡族元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所穩定。由于工業純鋁合金中普遍存在上述少量微量元素，所以立方相成為工業純鋁合金中最為常見的相。快冷條件下有利于立方相的生成。實際上，快冷和穩定性元素對立方相生成的促進作用很難區分開。圖33(a)給出了DC鑄造Al-0.25%(質量)Fe-0.13%(質量)Si合金中立方相的典型TEM形貌.圖33(b)是其[111]晶帶軸的選區電子衍射花樣。圖33DC鑄造Al-0.25%(質量)Fe-0.13%(質量)Si合金立方相典型TEM形貌及[111]晶帶軸選區電子衍射花樣

Westengen在對1050合金[0.25%(質量)Fe，0.13%(質量)Si]DC鑄錠均勻化前后相的形成和轉變的研究工作中，又發現一新的相，Westengen將之表達為

相。圖34是其典型TEM形貌及[100]晶帶軸的選區電子衍射花樣。圖34相典型TEM形貌及[100]晶帶軸選區電子衍射花樣

2.22×××系中的化合物2×××系合金中，Cu和Mg是主要的合金元素。在2024、2A11等合金中，Mn也是主要的合金元素之一。由Al-Cu-Mg系相圖可知，在該系合金中除和二元相外，還有S和T(Al6CuMg4)等兩個三元相。工業Al-Cu-Mg系合金中，不出現T和相，只有(Al)+和(Al)+S兩相共晶或(Al)++S三相共晶。合金中銅含量大于2%時出現(Al)+兩相共晶組織。鋁－銅合金中同時含有鎂，而且Mg>0.2%、Si≤0.6Mg質量時，鎂全部生成Mg2Si相。在Al-Cu-Mg系合金中除銅和鎂等主要合金元素外，還有錳和鈦等少量添加元素以及鐵、硅雜質元素。鐵、硅分別和主要合金元素形成Mg2Si和N(Al7Cu2Fe)相。鈦由于添加量較少，一般見不到含鈦相。2A13和2A01合金中不含或只含很少量錳，合金組織中不出現含錳相。鐵、硅雜質可能形成(Al12FeSi)相。其它合金系均含有0.3%～1.0%的Mn，合金組織中出現(MnFe)3SiAl12相，偶爾還可能出現(FeMn)Al3或(FeMn)Al6相。雜質鐵和硅在Al-Cu-Mn系合金中有時還可能形成(FeMn)Al6相。

2.33×××系和4×××系中的多元化合物

3×××系合金的主要合金元素是錳，該系合金中的錳含量在1.0%～1.6%，Fe、Si是主要雜質元素。Fe、Si元素含量對合金相和顯微組織有很大影響，必須嚴格控制其含量。可以認為3×××系合金是Al-Mn-Fe-Si基合金。

3×××系合金的鑄態組織除基體(Al)外，在枝晶間存在粗大富鐵共晶化合物，化合物有兩種類型:正交Al6(FeMn)和立方Al12(FeMn)3Si，其相對數量取決于合金成分以及冷卻速度。半連續鑄造的冷速有利于Al6(FeMn)相的生成，在雙輥鑄造較高的冷速下，Al12(FeMn)3Si為主要共晶相。在鑄造快速冷卻過程中，錳以過飽和的形式存在于鋁基體中。在典型鑄造態3003合金中，約有0.7%～0.9%(質量)的Mn固溶在鋁基體中。在鑄錠加熱過程中，Al12(FeMn)3Si和Al6(FeMn)[當Si含量低于約0.07%(質量)時]在富錳的枝晶間以細小顆粒狀彌散析出。Mn在Al中的擴散很慢。Fe、Si對Mn的析出動力學有顯著影響。Si加速Mn的析出，Fe降低Mn在Al中的固溶度因而也加快Mn的析出速度。這些細小顆粒的尺寸、分布對再結晶過程有很大影響。必須選擇合適的鑄錠均勻化工藝控制析出相的尺寸和分布，從而有效控制板材再結晶后合金的晶粒度。

在4×××系合金中，Si是主要元素。在部分4×××系合金中，也添加了Cu、Mg、Ni、Mn等元素。工業生產的4A01、4A13和4A17三個合金均含有+Si共晶體和(Al5FeSi)相。由于各合金中硅含量不同，其組織中的共晶體量也依次(4A01、4A13和4A17)遞增。在含錳的4×××系合金中，AlFeMnSi相也是常見的一個多元相。

2.45×××系合金中的化合物鎂是5×××系合金中的主要合金元素。鎂在鋁中溶解度很大，在共晶溫度451℃時鎂的溶解度高達14.9%(質量)，隨溫度降低，溶解度很快下降，在室溫時約為1.7%。但是，含鎂的過飽和固溶體分解速度非常慢，通常的商用5×××系合金不需特別的淬火處理鎂即能基本上全部固溶在鋁中。

商用5×××系合金的鎂含量在0.5%～6.0%(質量)。可能存在的相隨具體成分的不同而不同。由于Mg2Si在鋁中的固溶度極小，Mg2Si是該系合金中的主要存在相。5×××系合金中通常含有一定量的錳，錳可以提高合金強度和耐蝕性，但是當錳含量過高時，會使合金塑性顯著降低，尤其是在有微量鈉存在的情況下，熱軋時會產生鈉脆。因此，合金中的錳含量均小于1%。錳以及雜質元素鐵、硅的存在使合金中形成含Fe、Mn、Si的相，如Al12(FeMn)3Si、Al6(FeMn)或Al3Fe等。由于硅與鎂結合生成了Mg2Si，因此在鑄錠均勻化加熱過程中，錳傾向于以Al6(FeMn)化合物，而不是Al12(FeMn)3Si化合物的形式析出。如前所述，5×××系合金中的鎂通常處于過飽和狀態，這種過飽和固溶體在室溫下相當穩定。如果將合金進行一定的變形加工并在一定溫度下加熱，則固溶體中將析出(Al3Mg2)(即Al8Mg5)平衡相或(Al3Mg2)亞穩相。在較低的溫度下，相相當穩定，較長時間的時效也不會發生向平衡相的轉變。相或相的時效強化效果不大，而且易于沿晶界或剪切帶析出，惡化合金的抗腐蝕性能。在5×××系合金中添加微量Cr可以提高合金的耐蝕性，Cr在鋁中的溶解度極小，在含有Cr和Mn的合金中，在鑄造和鑄錠均勻化加熱過程中還會形成Al、Mn、Cr三元相。在壓力加工的板材產品中，Cr經常以細小分散的E(Al12Mg2Cr)相存在，能抑制晶核形成和晶粒長大。2.56×××系和7×××系中的化合物6×××系合金包括Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu系合金。Al-Mg-Si-Cu系合金中銅含量在0.4%以下，主要強化相是Mg2Si。Al-Mg-Si系合金沒有三元化合物，只有兩個二元化合物和Mg2Si相。Mg2Si相是該系合金的主要強化相，Mg2Si的鎂、硅比為1.73:1。工業應用的Al-Mg-Si系合金中鎂、硅比一般小于1.73，按相圖應有硅過剩，過剩硅在合金中以單質硅形式存在，形成(Al)+Mg2Si+Si三相共晶。由于工業合金中還含有銅、鐵和錳等組元，硅將和錳形成多元復雜化合物。工業生產的Al-Mg-Si-Cu系合金中，當鎂含量大于0.3%、硅大于0.2%時合金組織中出現Mg2Si相；硅含量大于鎂、銅含量大于0.1%，或含有等量的鎂和硅、銅含量大于0.3%，即出現W(Cu2Mg8Si6Al5)相。合金中錳或鉻加入量大于0.1%，且合金中硅含量等于或大于鎂含量時，還會出現(FeMn)3Si2Al15或(CrFe)4SiAl13相。

6061和6063合金半連續鑄造狀態主要組成為(Al)+Mg2Si二相共晶體，6070合金則為(Al)+Mg2Si+W三相共晶體。此外，由于這些合金中均含有錳，組織中將出現(FeMn)3Si12Al15相，6083合金中若以鉻代錳則生成(CrFe)4Si4Al13相。

7×××系合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金。在Al-Zn-Mg合金中，鋅和鎂除與鋁分別形成和(MgZn2)兩個二元相外，還形成T(Al2Mg3Zn3)三元化合物。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，鋁和鋅、鎂、銅間形成、(Mg5Al8)、二元相和S、T(Al6CuMg4)及T(Al2Mg3Zn3)等三元相，T(Al6CuMg4)和T(Al2Mg8Zn3)為同晶型，可連續互溶形成T(AlZnMgCu)相。Al-Zn-Mg-Cu系合金除主要合金組元鋅、鎂和銅外，還有錳、鉻、鈦等微量添加元素以及鐵、硅雜質。雜質硅與鎂生成Mg2Si相，鐵和錳生成AlFeMnSi相，鈦和鉻除溶入(Al)和化合物AlFeMnSi外，含量不多時，一般不單獨生成鋁化物。

工業生產的Al-Zn-Mg系合金成分處于Al-Zn-Mg合金相圖的+T＋(MgZn2)相區內，即使在快速冷卻的半連續鑄造情況下，鎂含量>3%，鋅、鎂比大于2.2時，也出現相。7003合金鑄態組織中，除T外，還有相。鐵、硅雜質在7003合金組織中以AlFeMnSi相存在，硅還和鎂生成Mg2Si相。為改善合金的焊接性能，7003合金中還同時加入鉻、鈦、鋯等過渡元素。這些元素除部分溶入(Al)中外，還會溶入AlFeMnSi相中或生成ZrAl3初晶。因此，7003合金的鑄態化合物包括、T、Mg2Si、AlFeMnSi和ZrAl3初晶。

工業生產的Al-Zn-Mg-Cu系合金成分常處在+T(AlZnMgCu)、+T(AlZnMgCu)+S、(Al)++T(AlZnMgCu)和(Al)++S+T(AlZnMnCu)四個相區的交界附近，因此隨鑄造時的冷卻速度不同，或合金成分的變化，常出現不同的組織。當合金中銅含量小于鎂的含量，鋅、鎂比小于2.2時，在半連續鑄造Al-Zn-Mg-Cu系合金組織中只有(Al)+T(AlZnMgCu)共晶體。當鋅含量大于3%，銅和鎂含量各大于1%，且銅含量大于鎂含量時，則生成S相；鋅、鎂比大于2.2時，則出現化合物。2.6鋁合金中的稀土化合物近年來，稀土在鋁合金中的應用受到國內外的廣泛關注，俄羅斯、美國、日本、英國、印度等國家和我國都投入了較多的人力開發和研究新型稀土鋁合金。目前，我國已有一些新型稀土鋁合金成功地投人工業生產或試生產。鋁合金中稀土化合物是決定稀土鋁合金各種性能好壞的主要因素之一。但是，由于工業鋁合金中存在著大量的雜質元素，實際合金中稀土化合物的結構和形成規律都非常復雜。經過不斷驗證、修改和完善，鋁合金中二元稀土化合物已有較系統的數據，但三元及四元稀土化合物還只是不完整的研究。由于鋁合金中合金元素種類很多，加上各種快速凝固技術等先進工藝的應用，大量的穩定和亞穩定的稀土化合物還有待于人們去研究。

2.6.1二元稀土化合物在鋁合金中添加各種稀土元素將會出現Al-Ce、Al-La、Al-Y、Al-Yb、Al-Nd、Al-Pr、Al-Sc、Al-Sm、Al-Tm、Al-Tb、Al-MM(混合稀土)、Ce-Si、Mg-La、Ce-Fe等多種二元稀土化合物。

(1)Al-La和Al-Ce

La和Ce是稀土鋁合金中最常用的添加元素。La加入鋁中可以形成La3Al、LaAl、LaAl2、LaAlx、LaAl3、-La3Al11和-La3Al11等二元化合物。Ce加入鋁中可以形成-Ce3Al、-Ce3Al、CeAl、CeAl2、CeAl3、-Ce3Al11、-Ce3Al11等二元化合物。在富鋁端最可能出現的二元化合物是Ce3Al11和La3Al11。為低溫相，為高溫相。過去在文獻中經常提到的Al4Ce和Al4La化合物，實際上是-Ce3Al11和-La3Al11化合物。在Al-RE化合物中，只有Eu存在著Al4Eu化合物。研究證實，La和Ce在鋁中的最大固溶度均為0.01%(質量)左右。

(2)Al-Nd、Al-Pr、Al-Sc和Al-Sm

Nd和鋁可以形成Nd3Al、Nd2Al、NdAl、NdAl2、NdAl3、-Ce3Al11、-Ce3Al11等二元化合物，其中-Nd3Al11和NdAl3在鋁合金中最為常見。Nd在Al中的最大固溶度為0.007%(質量)，比Ce和La在Al中的固溶度小。Pr和鋁可以形成-Pr3Al、-Pr3Al、Pr2Al、-PrAl、-PrAl、PrAl2、-PrAl、-PrAl、PrAl2、PrAl3、-Pr3Al、-Pr3Al11和-Pr3Al11等二元化合物，其中PrAl3和-Pr3Al11有可能在工業鋁合金中出現。Pr在Al中的最大固溶度為0.009%(質量)。Al-Sc和Al-Sm系的化合物類型明顯少于Al-Nd和Al-Pr系。Sc加入鋁中形成Sc2Al、ScAl、ScAl2和ScAl3四種二元化合物；Sm加入鋁中形成Sm2Al、SmAl、SmAl2、SmAl3和Sm3Al11五個化合物。由于Sc的原子半徑較小，Sc在鋁中有較大的固溶度，高溫為0.21%(質量)，室溫為0.15%(質量)。(3)Al-Y、Al-Yb、Al-Tb和Al-Tm

Y在Al中的行為通常相似于Dy和Ho，它和Al可以形成-YAl3、-YAl3、YAl2、YAl、Y3Al2、Y2Al六種二元化合物。YAl4的存在有的文獻中曾報道過，認為是一種四方晶格的化合物，晶格常數a=0.417nm，c=0.977nm，=3.82～3.94g/cm3。但是，這種化合物在Al-Y的平衡相圖中是否存在，目前普遍持否定態度。Y和Al中的最大固溶度為0.05%（質量）。

Yb和Al只形成二種二元化合物YbAl2和YhAl3。Yb在Al中幾乎不固溶。Tb和Al可以形成Tb2Al、Tb3Al2、TbAl、TbAl2和TbAl3五種二元化合物，目前尚無合適的Al-Tb相圖。TbAl4是否存在，還有諸多不同意見。相比之下，人們對Al-Tm的研究更少，已經發現的二元化合物包括TmAl、TmAl2和TmAl3三種化合物。TmAl3具有立方結構。Tm在Al中的最大固溶度<0.016%(質量)。(4)Al-MM(混合輕稀土)化合物

混合輕稀土作為添加劑在鋁合金中應用已越來越廣泛。但是，由于它含有Ce、La、Nd、Pr等多種稀土元素，其作用機理的研究要復雜得多。復合的稀土化合物的形成規律一直受到人們的關注，可采用有關方法進行估算。假定混合稀土的含量為27%(質量)La、48%(質量)Ce、5%(質量)Pr、16%(質量)Nd和4%(質量)其它稀土元素，則計算表明，Al-MM可以形成MM3Al、MMAl、MMAl2、MMAl3、-MM3Al11和-MM3Al11等6種稀土化合物。

(5)Ce-Si、Ce-Fe、Ce-Mg和La-Mg

由于鋁合金中或多或少存在著Si和Fe兩種元素，所以，Ce-Fe和Ce-Si二元化合物同樣可能在鋁及鋁合金中出現。Ce和Si可以形成Ce5Si3、Ce3Si2、Ce5Si4、CeSi、Ce3Si5和CeSi2等六種稀土化合物。由于鋁合金中Ce和Si的量都較少，在非平衡凝固中，這些稀土硅化合物都有可能出現，其中尤以CeSi2的可能性為最大，CeSi2屬四方晶系，Ce3Si5為正交晶系，它們的晶格常數實際上隨化合物中Si含量的升高而增加。

Ce和Fe可以形成CeFe2和Ce2Fe17兩種平衡化合物。在實際合金中，還可能形成CeFe5稀土化合物，這種稀土化合物在鋁合金中的存在已有許多文獻報道。它具有簡單六方結構，a=0.490nm，c=0.4136nm。Mg是鋁合金中的主要元素之一，稀土的加入有可能形成Mg-稀土化合物。有文獻報道Ce和Mg可以形成Mg12Ce(I)、Mg12Ce(II)、Mg10Ce、Mg41Ce5、Mg3Ce、Mg2Ce和MgCe等二元稀土化合物。這些稀土化合物常常有較大的固溶度范圍，因此晶格常數是變化的。La和Mg則可以形成Mg2La、Mg17La2、Mg3La、Mg2La和MgLa等五種稀土化合物。

2.6.2三元稀土化合物鋁合金中出現的三元稀土化合物種類遠遠大于二元稀土化合物。但是，由于研究工作很不系統，大量的三元稀土化合物還有待于分析和驗證。

(1)Al-Cu-La和Al-Cu-Ce

Al-Cu-La系中有多個三元稀土化合物，其中兩個是Cu2LaAl10和La(CuAl)4，它們能和鋁處于平衡。Cu2LaAl10屬四方晶系，晶格常數為a=0.88nm，c=0.517nm。La(CuAl)4的成分范圍從CuLa2Al7到CuLa2Al3變化，也屬體心四方晶系，a=0.4329～0.4294nm，c=1.08～1.053nm。Al-Cu-Ce系中兩個三元稀土化合物是CeCu4Al8和CeCuAl4。CeCu4Al8屬四方晶系，a=0.8824nm，c=0.5158nm，這是最近的JCPDS卡中的晶格常數，按照過去的文獻，a=0.884nm，c=0.517nm，維氏硬度為3860MN/m2。CeCuAl4是一成分可變的化合物[43%～47%(質量)Ce和1%～19%(質量)Cu]，維氏硬度為3170MN/m2，另一個Al-Cu-Ce化合物為Ce2Cu7Al10，可看作六方晶系，a=0.896～0.889nm，c=4.3204～1.307nm，這是一個非平衡化合物。

(2)Al-Ce-Si和Al-Ho-Si

在鋁合金中已發現了Ce2Si2Al3、CeSi2Al2和Ce2SiAl3等三元稀土化合物。Ce2Si2Al3屬六方晶系，a=0.624nm，c=0.730nm，ρ=5.620g/cm3，維氏硬度為2490MN/m2。Ge2SiAl3實際上是CeSi2化合物，但晶格常數已變為a=0.431nm，c=1.510nm。Al-Ho-