化学中元素的意义（7xxx系铝合金中元素的作用）

7xxx系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，主要由Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系合金组成，有些合金还有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ag、Ti等，属于热处理可强化铝合金常用7xxx系近80个，主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，占总数的74.3%因其具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的初性等优点,已成为最重要的结构材料之该系合金中，常用的牌号有7A03、7A04、7A09及7005、7075、7475、7050、7055等合金可加工成板、棒、线、管材及锻件等半成品,主要用于结构材料，今天小编就来说说关于化学中元素的意义?下面更多详细答案一起来看看吧!

化学中元素的意义

7xxx系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，主要由Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系合金组成，有些合金还有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ag、Ti等，属于热处理可强化铝合金。常用7xxx系近80个，主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，占总数的74.3%。因其具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的初性等优点,已成为最重要的结构材料之该系合金中，常用的牌号有7A03、7A04、7A09及7005、7075、7475、7050、7055等合金。可加工成板、棒、线、管材及锻件等半成品,主要用于结构材料。

一、Al-Zn-Mg系合金

Al-Zn-Mg合金中主要合金元素为锌、镁，微量的添加元素有锰、铬、铜、锆和钛，杂质主要由铁和硅。常用的Al-Zn-Mg系合金约有20个，如7003、7004、7005、7008、7108等，Al-Zn-Mg系合金具有良好的热变形能力，淬火范围很宽，在适当的热处理条件下能够得到较高的强度。焊接性能良好，一般耐蚀性较好，有一定的应用腐蚀倾向，是高强可焊的铝合金，主要用于飞机和船舶部件、车辆装甲、军用浮桥、起重车辆等。

1.1 主要合金元素

锌、镁：在Al-Zn-Mg系合金中，Zn和Mg两者含量一般不大于7.5%，Al-Zn-Mg系合金随着锌、镁含量的提高，强度、硬度大大提高，但塑性、抗应力腐蚀性和断裂韧性降低。合金的应力腐蚀倾向与Zn、Mg含量总和有关，高Mg低Zn或高Zn低Mg的合金，只要Zn、Mg含量总和不大于7.5%，该合金具有较好的耐应力腐蚀性能。Zn、Mg含量不仅决定了强化相的数量，而且决定了淬火临界速度，因而决定了自淬火性和时效时的性能变化。含Zn量低（3%以下）的合金强度低，伸长率高，在人工时效时不发生明显强化。w（Zn）=4%-6%和w(Mg）=2%-4%合金的淬火时效的强度对淬火冷却速度很敏感，在空气中淬火将导致合金强度降低，并有很高的应力腐蚀倾向。Al-Zn-Mg系合金在温度升高时会发生软化，容易产生应力腐蚀和分离腐蚀，腐蚀的程度也与合金中Zn、Mg的含量及比例有关。Zn和Mg在铝中有很高的固溶度，但Zn和Mg作为独立组元，由于时效硬化作用微弱而不可能达到高强度水平。Zn、Mg共存时，则形成一系列新相如α-Al、η相（MgZn2）、T相（Al2Mg3Zn3）等。η相和T相在铝中有较高的溶解度和明显的温度关系，有强烈的时效硬化效应。η相在共晶温度470℃下铝中的溶解度为28%，而室温下只有4%，故η相有很高的淬火时效效果。T相在489℃下，在铝中溶解度为17%，随温度的降低，室温仅为1%，故合金可热处理强化。另外，在铸造过程中防止裂纹倾向需要严格控制合金元素，尽量让Cu、Mn含量控制在标准容许范围的下限；提高Mg含量，降低Zn、Mg比值。使Si含量控制在0.15%以下，而Fe含量不宜控制过高。但需使Fe大于Si，一般情况下是这样的，目的缩小凝固液固相线温度区间，防止裂纹倾向。另外，Zn/Mg值的影响也较为突出。如7007（6.0-7.0%Zn，1.4-2.2%Mg，Zn/Mg=3.6）。当Zn Mg为8.6-9.5%时，Zn/Mg为1.75左右时，和都达到最大值。综上所述，一般情况下，Zn/Mg值为1.5-2.5较为合理。此时，合金的机械性能、焊接的机械性能、裂纹倾向系数较为理想。

1.2微量合金元素

铜：合金中加入少量的Cu加速时效，改善强度，提高淬火敏感性，铜加速早期时效过程，因为CuMgAl2可为核心，使GP区加速变成中间相，含铜合金的回归温度区间比不含铜合金的宽；合金中加入少量的Cu能提高耐应力腐蚀性能和抗拉强度，但合金的可焊接性有所降低。然而有研究表明，锌、镁、铜的总含量决定合金的性能。因而也决定了合金的用途。当总含量大于9%时，强度很高，而抗蚀性、形成性、焊接性则不好。总含量为6%-8%时，强度仍较高，但成形性及焊接性能则好得多。总含量下降到5%-6%时，具有极好的可加工性能，应力腐蚀敏感性几乎消失。Cu在比值中作用与锌的相似，同时大部分铜也会都溶于MgZn2、Al2Mg3Zn3两个化合物中。

锰和铬：少量的Mn和Cr对合金的组织和性能有明显的影响。两种元素可在铸锭均匀化退火时产生弥散的质点，阻碍位错及晶界的迁移，从而提高了再结晶温度，有效地阻止了晶粒的长大，可细化晶粒。另外，添加锰和铬能提高合金的耐应力腐蚀性能，效果显著。如果锰和铬同时加入时，对减少应力腐蚀倾向的效果就更好。且加Cr比加Mn明显，铬的添加量以w（Cr）0.1%-0.2%为宜，含锰量为w（Mn）0.2%-0.4%时。

钒：V在铝合金中形成Al11V相难熔化合物，分布于α(Al)晶内。随着V的加入量，合金的二次枝晶间距呈先减小后增大的趋势。加入V后合金晶界和枝晶界处分布的第二相数量增加并且相的的形状发生明显改变，由原来的呈细长条状和简单网状变成细窄长条状、点状、块状的结构相。加入适量的V，有利于提高抗拉强度和延伸率。主要因为适量的V减小合金的二次枝晶间距，起到细晶强化的作用，从而提高了强度和塑性，同时，α(Al）基体中析出细小Al11V相，对位错具有强烈的钉扎作用，阻碍了位错的运动。增大了位错滑移所需切应力，起到析出强化作用。加入过量Ｖ后，合金的抗拉强度和延伸率均减小，其原因主要有两个方面；一方面过量Ｖ重新增大了合金的二次枝晶间距，降低了合金的强度和塑性；另一方面加入过量Ｖ时α(Al）基体中析出不规则块状Al11V相，对基体产生割裂作用，从而降低了合金的力学性能。Ｖ的加入增加了合金中共晶相的数量，增加了凝固过程中晶间液膜的数量。液膜数量增多，能够增强凝固末期液相的补偿能力，有助于直接填充晶间搭桥间孔隙，促进晶间搭桥横向生长，减少和消除晶间搭桥间孔隙，增加晶间结合力，降低合金的热裂倾向性；利于补偿凝固过程中产生的缩松等，提高合金组织致密性，降低合金的热裂倾向性。

锆：添加微量的锆元素能显著提高Al-Zn-Mg合金系合金的可焊接性。在Al-5Zn-3Mg-0.35Cu-0.35Cr合金中加入0.2%Zr时，焊接裂纹显著降低。Zr还能提高再结晶的终了温度。在Al-4.5Zn-1.8Mg-0.6Mn合金中，当w（Zr）大于0.2%时，合金的再结晶终了温度在500℃以上，因此，材料在淬火以后仍保留着变形组织。含锰的Al-Zn-Mg合金添加w（Zr）0.1%-0.2%时，还可以提高合金的耐应力腐蚀性能，但锆比铬的作用低。

钛：合金中添加Ti在铝合金中能细化铸态时晶粒，并能改善合金的可焊接性，但其效果比锆的低。若钛和锆同时加入，效果更好。在w（Ti）量为0.12%的Al-5Zn-3Mg-0.3Cr-0.3Cu合金中，当w（Zr）含量超过0.15%时，合金有较好的可焊接性和伸长率，可获得与单独加w（Zr）0.2%以上时相同的效果。钛也能提高合金的再结晶温度。

钪：Sc元素对铝合金组织、性能有显著影响。Al3Sc质点对铝合金有极强烈的沉淀硬化效应。在Al-Zn-Mg系合金中加入适量的Sc，在合金中可析出与铝基体完全共格的Al3Sc质点，可以明显细化合金组织，改变主要强化η相的尺寸，形状和分布，减少晶界无沉淀宽带度，明显提高合金的强度、塑性及高温稳定性。

银：微量Ag能够加快Al-Zn-Mg系合金的时效硬化效果，提高时效硬化水平。Ag还可以改变某些合金的时效析出过程，细化过渡相η'相，提高GP区的稳定温度区间。

锂：Li是自然界中最轻的金属，铝合金中加入Li，可大大提高弹性模量和降低密度，对Al-Zn-Mg系合金的轻量化及力学性能的改善都有积极意义，但添加量应有严格控制。

1.3 杂质元素

铁：铁能降低合金的耐蚀性能和力学性能，尤其对锰含量较高的合金更为明显。所以铁的含量应该尽可能降低，限制在W（Si）应限制在0.3%以下。另外，即使变形合金的硬度、伸长率及断裂韧度下降。铸件中的针状FeAl3在加工变形过程中不能破碎，它们的脆性作用完全保留下，所以塑性随着铁含量的增加而下降的现象非常显著。Si能降低合金的强度，并使弯曲性能降低，焊接裂纹倾向增加。在快速冷却的铸件中，含铁的化合物既细小又呈弥散状态分布，故含量大于1.5%的Fe，一方面降低热脆性，另一方面提高抗应力腐蚀的能力。同时加入铁及锰，合金的强度略有增加，伸长率也随着下降一些。

硅：Si的加入很容易与该合金中Mg形成Mg2Si，减少合金中主要的强化相η相（MgZn2）和T相（Al2Mg3Zn3），进而降低合金强度。并使弯曲性能下降，焊接裂纹倾向增加。w（Si）应限制在0.3%以下。

二、Al-Zn-Mg-Cu合金

Al-Zn-Mg-Cu合金为可热处理强化合金，起主要强化作用的元素为Zn和Mg，Cu也有一定的强化效果，但其主要作用是提高材料的抗蚀性能。合金中还有少量的锰、铬、锆、钒、钛和硼等微量元素，铁、硅在合金中是杂质元素。

2.1主要合金元素

锌、镁：Zn、Mg是主要强化元素，它们共同存在时会形成(MgZn2)和T（Al2Mg3Zn3）相。和T相在铝中溶解度很大，且随着温度的升降剧烈变化，锌和镁含量的提高可使强度、硬度大大提高，但塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低。一般认为，在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，Zn含量大于3%，Cu和Mg含量各大于1%，且Cu大于Mg时，生成S相。Zn和Mg比大于2.2时，出现(MgZn2)。若合金中Cu含量小于Mg含量，Zn和Mg比小于2.2时，组织只有α(Al) T共晶。对于超高强铝合金，当Zn含量为7%-12%，Mg含量为2%-3%，Zn与Mg比大于3.0时，Zn和Mg在合金中形成主要强化相(MgZn2)。另外，有研究者计算和实验验证了Al-Zn-Mg-Cu系富铝角480℃等温截面图。Zn含量和Cu含量提高，α(Al)相区缩小，α(Al) S（Al2CuMg）相区扩大。并且同样Zn/Mg值对Al-Zn-Mg-Cu系合金机械性能的影响也是非常重要的。但是为了综合性能，适当降低Zn/Mg值，如7178合金，Zn/Mg为2.5左右，互相配合较好。因此类似合金也是如此。所以，在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，无论Zn Mg在哪个区间，都会有一个最佳的Zn/Mg值，在该区间，、均为最大值，且这两个值最接近，而为最小值。当Zn/Mg值小于M时，、随着Zn/Mg值的增大而提高，这两个值越接近，而为最小值。当Zn/Mg值大于M时，、又随着Zn/Mg值提高而降低，且下降很快，而则随着Zn/Mg值的增大而提高。为了合金的、和配合得好，在实际使用或生产合金中，Zn/Mg值一般稍微偏离对应区间的M值，牺牲一部分强度，以提高。

铜：加入Cu合金元素可以显著提高沉淀相的弥散程度，改善晶间结构。当w（Zn）/w（Mg）大于2.2，且铜含量大于镁含量时，铜与其他元素能能产生强化相S（Al2CuMg）而提高合金强度，但在与之相反的情况下S相的存在可能性很小。铜元素还可以降低Zn和Mg的固溶度，降低晶界和晶内的电位差，当其含量大于1%时，还可以减少沿晶开裂倾向，改善合金抗应力腐蚀能力，当含量大于1.5%以后，合金耐蚀性下降。当合金中Cu和Mg的原子百分比Cu/Mg<1时，Cu大部分溶于到相和T相内，少量溶入α（Al）内。另外，Cu还可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相，但对PFZ（晶界无沉淀析出带）的宽度影响较小。然而，当w（Cu）大于3%时，合金的抗蚀性能反而下降。铜能提高合金的过饱和度，加速合金在100-200℃之间人工时效过程，扩大GP区的温度范围，提高抗拉强度、塑性和疲劳强度。有学者研究发现，铜的含量不太高范围内，随铜含量的增加，会提高周期应变抗疲劳抗力和断裂韧性，并在腐蚀介质中降低裂纹扩展速率，但铜的加入有产生晶间腐蚀和点腐蚀的倾向。另外，有研究显示，铜对断裂韧性的影响与w（Zn）/w（Mg）值有关。当值较小时，铜含量愈高韧性愈差，当比值大时，即使铜含量较高，韧性仍然很好。

2.2 微量合金元素

钒：V在铝合金中形成Al11V相难熔化合物，分布于α(Al)晶内。随着V的加入量，合金的二次枝晶间距呈先减小后增大的趋势。加入V后合金晶界和枝晶界处分布的第二相数量增加并且相的的形状发生明显改变，由原来的呈细长条状和简单网状变成细窄长条状、点状、块状的结构相。加入适量的V，有利于提高抗拉强度和延伸率。主要因为适量的V减小合金的二次枝晶间距，起到细晶强化的作用，从而提高了强度和塑性，同时，α(Al）基体中析出细小Al11V相，对位错具有强烈的钉扎作用，阻碍了位错的运动。增大了位错滑移所需切应力，起到析出强化作用，增加枝晶间搭桥的数量和枝晶变形能力，减小凝固收缩应力造成晶间搭桥破坏的可能性，还可以增加共晶相数量。加入过量V后，合金的抗拉强度和延伸率均减小，其原因主要有两个方面；一方面过量V重新增大了合金的二次枝晶间距，降低了合金的强度和塑性；另一方面加入过量V时α(Al）基体中析出不规则块状Al11V相，对基体产生割裂作用，从而降低了合金的力学性能。V的加入增加了合金中共晶相的数量，增加了凝固过程中晶间液膜的数量。液膜数量增多，能够增强凝固末期液相的补偿能力，有助于直接填充晶间搭桥间孔隙，促进晶间搭桥横向生长，减少和消除晶间搭桥间孔隙，增加晶间结合力，降低合金的热裂倾向性；利于补偿凝固过程中产生的缩松等，提高合金组织致密性，降低合金的热裂倾向性。铸造Al-7.0Zn-2.5Mg-1.0Cu合金时加入0.1%V时，裂纹倾向性最小。铸造Al-4.5Zn-1.0Mg-0.8Cu合金时加入0.05%V时，裂纹倾向性最小。

锰、铬：添加少量的Mn、Cr等元素对合金的组织和性能有明显的影响。这些元素可在铸锭的均匀化退火时产生弥散的质点，阻止位错和晶界的迁移，从而提高再结晶温度，有效地阻止晶粒的长大，可以细化晶粒，并保证组织在热加工和热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使强度提高的同时具有良好的的抗应力腐蚀性能。在提高抗应力腐蚀性能方面，加铬比加锰效果好，加入w（Cr）0.45%比加入同量的锰的抗力腐蚀寿命长几十倍至上百倍。铬在合金中含量不高，主要以（CrMn）Al13和（CrFe）Al7等金属化合物存在，对合金有强化作用，降低应力腐蚀开裂敏感性并提高KIC值。

锆：Zr可以大大提高合金的再结晶温度，无论是热变形还是冷变形，在热处理后均可得到未再结晶组织，锆还可以提高合金的淬透性、可焊性断裂韧性、抗应力腐蚀性能等，Zr在合金凝固过程中析出初生的Al3Zr。是Al-Zn-Mg-Cu合金中很有发展前途的微量添加元素。

钛和硼：钛和硼细化合金在铸态时的晶粒，并提高合金的再结晶温度。

镍：Ni在Al-Zn-Mg-Cu系合金中常以Al3Ni相存在，此相具有加速时效的作用和强化作用，当Al3Ni相的含量增加时，A降低，Rm增大。

钪：Sc元素在铝合金中形成Al3Sc相，具有非常明显的晶粒细化作用，如若Sc的含量不足以形成Al3Sc相时，细化晶粒作用则不能顺利进行，会在均匀化退火后析出Al3Sc的弥散相，抑制再结晶。有研究表明，Sc在Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中强化效应主要源于：细晶强化、亚结构强化、析出强化。另外，Sc还能改善合金的焊接和耐蚀性能。在合金均匀化处理过程中，大量析出细小、均匀、弥散，呈豆瓣状且与基体共格的二次Al3Sc相，该粒子强烈钉扎位错和晶界，阻碍合金的再结晶，使合金在固溶时效后仍保持变形亚结构组织，即加工态纤维组织。亚结构组织的存在，会阻碍晶体内位错的移动。从而提高合金的强度。

锂：Li元素对合金有一定影响，一般认为，自然时效时Li元素可以阻止GP区和促进亚稳相MgZn2的形成。Li元素对合金轻量化有重要影响，Li的含量小于1.7%时，由于'（Al3Li）替代了'相出现，使得力学性能降低，当大于1.7%时，能抑制基体中富Zn相的均匀形状和'相粗大化。所以一般Li含量1.7%是个分界点，只要Li含量含量达到适度的量时，Li与空位形成Li-V基团，减缓Zn、Mg原子扩散速度，有利于弥散分布。

2.3 杂质元素

铁和硅：在7xxx系铝合金中铁和硅是不可避免存在的有害杂质，在合金中形成不溶或难熔FeAl3、Al7Cu2Fe、AlFeMnSi等脆性相和共晶化合物，其杂质主要来自原材料，以及熔炼，铸造中使用的工具和设备。这些杂质还与锰、铬形成(FeMn)Al6、(FeMn)Si2Al5、Al(FeMnCr)等粗大化合物。FeAl3有细化晶粒作用，但对抗蚀性能影响较大。随着不溶相含量的增加，不溶相体积分数的增加，这些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长，出现带状组织。粒子沿变形方向呈直线型排列，由短的互不相连的条状组成。由于杂质颗粒分布在晶粒内部和晶界上，当塑性变形时，在部分颗粒-基体边界上发生孔隙，产生微细裂纹，成为宏观；裂纹的发源地。对伸长率，特别是对合金的断裂韧性有非常不利的影响。另外，Si的加入容易与该合金中Mg形成Mg2Si，减少合金中主要的强化相η相（MgZn2）和T相（Al2Mg3Zn3），进而降低合金强度。因此，新型合金在设计和生产时，对铁和硅的含量控制较严，除了采用高纯金属原料外，在熔炼过程中也采用一些措施，避免这两种合金元素混入合金中，Fe、Si含量均应控制在0.15%以下。

来源：材料科学与工程公众号

,