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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-03-18 08:34
本篇，我們將聚焦于鋁合金中的主要合金元素與雜質(zhì)元素，探討它們?cè)阡X基體中的作用機(jī)理及對(duì)材料性能的影響。無(wú)論是可熱處理強(qiáng)化合金還是不可熱處理合金，元素的添加量與分布都會(huì)直接決定鋁合金的力學(xué)性能、耐蝕性、工藝可行性和服役壽命；而雜質(zhì)元素則可能帶來(lái)意想不到的危害或微妙的強(qiáng)化效果。通過(guò)對(duì)這些元素的定量認(rèn)識(shí)和合理調(diào)控，才能進(jìn)一步提升鋁合金在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中的質(zhì)量與競(jìng)爭(zhēng)力。
1.合金元素構(gòu)成的鋁合金
根據(jù)美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)制定的，現(xiàn)在廣泛使用的合金體系，變形鋁合金和鑄造鋁合金都可以分為可熱處理強(qiáng)化(可析出硬化)和不可熱處理強(qiáng)化(對(duì)于變形鋁合金，為固溶與加工硬化強(qiáng)化機(jī)制共同強(qiáng)化)鋁合金。為表明合金所處狀態(tài)和強(qiáng)化機(jī)制，變形鋁合金和鑄造鋁合金還可采用狀態(tài)代號(hào)進(jìn)行說(shuō)明。狀態(tài)代號(hào)簡(jiǎn)要介紹如下:
1)通過(guò)固溶強(qiáng)化的非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，采用加工狀態(tài)代號(hào)“F”或退火狀態(tài)代號(hào)“0”表明合金所處狀態(tài)。變形固溶強(qiáng)化合金可以進(jìn)一步通過(guò)加工硬化(狀態(tài)代號(hào)“H”)來(lái)提高強(qiáng)度。
2)通過(guò)析出強(qiáng)化的時(shí)效硬化鋁合金，采用狀態(tài)代號(hào)“T”表明合金所處熱處理狀態(tài)。
表1 可熱處理強(qiáng)化鋁合金的狀態(tài)代號(hào)及其說(shuō)明
在商用鋁合金中，提高強(qiáng)度的主加合金元素有銅、鎂、錳、硅和鋅，附加合金元素有鐵、鋰、鈦、硼、鋯、鉻、釩、鈧、鎳、錫、鉍等。圖1 所示為由合金元素構(gòu)成的鋁合金系列。通過(guò)熱處理或固溶強(qiáng)化(通常與加工硬化相結(jié)合)可實(shí)現(xiàn)鋁合金的強(qiáng)化。
圖1 按鋁合金中的主加合金元素對(duì)鋁合金分類
2.鋁合金中的主要合金元素
鉻
1. 添加含量與相變特征
在鋁合金中，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò) 0.35%。如果超過(guò)這一范圍，合金可能發(fā)生包晶反應(yīng)，形成極粗大的初生相 Al?Cr。商用合金中的其他合金元素和雜質(zhì)元素往往會(huì)降低鉻在鋁基體中的溶解度，使得 Al?Cr 在包晶反應(yīng)中更易析出或殘留；因此，不同合金及雜質(zhì)水平下，鉻的上限含量需要綜合評(píng)估與把控，以防止形成不利的粗大初生相。
2. 對(duì)合金組織的影響
晶粒細(xì)化與抑制再結(jié)晶：
在鑄造與變形過(guò)程中，鉻能夠與基體或其他元素反應(yīng)形成細(xì)小的顆粒相或彌散相，起到抑制晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶形核的作用。這些微米級(jí)或亞微米級(jí)的顆粒相在不可熱處理強(qiáng)化鋁合金（例如 5xxx 系）有助于細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度；在可熱處理強(qiáng)化鋁合金（6xxx、7xxx 系）中，則有助于控制晶粒尺寸并減緩再結(jié)晶速度，提升組織穩(wěn)定性。
形成細(xì)小彌散相：
鉻在鋁中的擴(kuò)散速度較慢，可在錠坯或變形過(guò)程中形成極細(xì)小、均勻分布的彌散相。例如，在 5xxx 合金的預(yù)熱過(guò)程中會(huì)形成面心立方的 Al??Mg?Cr?顆粒；在 7xxx 系中，則會(huì)形成成分更接近 Al??Mg?Cr 的彌散相。這些彌散相能夠進(jìn)一步抑制結(jié)晶形核與晶粒長(zhǎng)大，并阻止再結(jié)晶過(guò)程中的晶界移動(dòng)，保證合金在熱加工及熱處理中的組織穩(wěn)定性。
3.對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)與不足
提升強(qiáng)度與組織穩(wěn)定性：
不可熱處理強(qiáng)化合金（如 5xxx 系）中少量添加鉻能細(xì)化晶粒、提升強(qiáng)度；可熱處理強(qiáng)化合金（如 6xxx、7xxx 系）中適度含鉻可以在保證再結(jié)晶抑制的同時(shí)，兼顧變形與力學(xué)需求。
增強(qiáng)淬火敏感性：
對(duì)于可熱處理強(qiáng)化合金，鉻顆粒可能成為析出相的形核核心，從而增加強(qiáng)化相在這些顆粒表面或周圍的析出傾向，導(dǎo)致合金在淬火時(shí)更易出現(xiàn)二次析出，進(jìn)而提升淬火敏感性、降低高溫固溶效果。因此需在合金設(shè)計(jì)和工藝制定時(shí)平衡鉻含量與淬火速度，以減少不利影響。
銅
1. 基本特征與二元鋁-銅合金體系
銅在鋁基體中具有相對(duì)較高的固溶度并能帶來(lái)顯著的析出強(qiáng)化效果，因此被視為鋁合金中最重要的合金元素之一。鋁-銅二元體系是研究最深入、最典型的析出強(qiáng)化范例，圍繞其時(shí)效特性和相變過(guò)程已開展了大量研究工作。然而，純粹的二元鋁-銅合金在商業(yè)用途上并不多見(jiàn)；大多數(shù)商用鋁-銅合金同時(shí)含有其他元素以進(jìn)一步提升力學(xué)性能、可加工性和耐蝕性。
2. 商用鋁-銅合金與含量區(qū)間
通常，商用鋁-銅合金中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 2%~10%，形成變形鋁合金（2xxx 系）或鑄造鋁合金（2xx.x 系）的核心合金體系。實(shí)際上，許多可熱處理強(qiáng)化合金（如部分 6xxx、7xxx 系）也會(huì)添加一定量的銅來(lái)增強(qiáng)強(qiáng)化效果。根據(jù)合金中其他成分的不同，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于 4%~6% 范圍時(shí)，對(duì)鋁合金的綜合強(qiáng)化作用最為顯著，既能明顯提升強(qiáng)度，又不會(huì)過(guò)度損害塑性或抗蝕性。
圖3 高純度變形鋁-銅合金的拉伸性能注:薄板試樣寬13mm(0.5in)寬，厚1.59mm(0.06in)。0-退火;W-固溶水淬后立即測(cè)試;T4-固溶水淬后，在室溫下時(shí)效;T6-在 T4后高溫時(shí)效。
3. 與其他合金元素的協(xié)同作用
多元素配合的必要性
單純的二元 Al-Cu 合金在某些場(chǎng)合雖可展示出可觀的時(shí)效強(qiáng)化能力，但隨著工業(yè)需求的多元化，合金中常需引入鎂、錳、硅、鋅等元素，以兼顧加工性能、強(qiáng)度、疲勞壽命和耐蝕性等多重指標(biāo)。
添加鎂（Mg）的優(yōu)勢(shì)
在鋁-銅合金中引入適量鎂后，固溶淬火及隨后的時(shí)效處理對(duì)合金強(qiáng)度可帶來(lái)更大幅度的提升。對(duì)于某些變形鋁合金而言，在室溫時(shí)效條件下還能同時(shí)兼顧較好的強(qiáng)度和塑性；若采用人工時(shí)效（較高溫度保溫），則可進(jìn)一步推高強(qiáng)度水平，但塑性相應(yīng)降低。實(shí)踐表明，僅加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)約 0.05% 的鎂，即可有效強(qiáng)化鋁-銅合金的時(shí)效反應(yīng)，使其擁有更高的硬度和強(qiáng)度潛力。
最優(yōu)狀態(tài)與時(shí)效制度
在具有一定 Cu、Mg 含量的鋁合金中，不同的熱處理制度（T4 自然時(shí)效或 T6 人工時(shí)效）會(huì)導(dǎo)致截然不同的組織演變與性能表現(xiàn)。通常在 T4 態(tài)下，材料兼具良好塑性與中等強(qiáng)度；在 T6 態(tài)中，由于析出強(qiáng)化相更充分，合金強(qiáng)度達(dá)到峰值，但塑性和延伸率可能下降，需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和工程要求進(jìn)行平衡。
4. 強(qiáng)化機(jī)制與應(yīng)用價(jià)值
析出強(qiáng)化機(jī)理
鋁-銅體系通過(guò)高溫固溶使 Cu 原子充分溶解于基體，隨后經(jīng)淬火獲得過(guò)飽和固溶體，再經(jīng)過(guò)自然或人工時(shí)效，析出富銅相（如 GP 區(qū)、θ''、θ'、θ）對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成強(qiáng)阻力，極大提升合金強(qiáng)度與硬度。
典型應(yīng)用
航空航天：以 2xxx 系為代表，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、火箭燃料貯箱（如 2219）等場(chǎng)合，對(duì)高比強(qiáng)度和加工可行性有較高要求；
機(jī)械制造與交通：含 Cu 的鋁合金常被制成高強(qiáng)板材、鍛件或鑄件，用于車輛底盤和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；
其他高強(qiáng)需求領(lǐng)域：結(jié)合微量 Mg 或 Zn 后，合金可獲得更佳的強(qiáng)度-塑性組合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝備、精密機(jī)電等領(lǐng)域。
鐵
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
鐵一般以雜質(zhì)元素或微量添加形式存在于鋁合金中。在冶煉制取電解鋁或生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程中，鐵不可避免地殘留，并在實(shí)際生產(chǎn)中通常控制在 1% 以下的低水平。鋁-鐵二元合金體系的共晶點(diǎn)約為 w(Fe)=1.8%，共晶溫度為 655℃（1211℉）；但由于鐵在鋁中的最大固溶度僅在 0.05% 附近，且在大多數(shù)多元合金里會(huì)因與其他元素的相互影響而降至 0.01% 或更低。對(duì)于鑄造合金（尤其是 Al-Si 系），若鐵含量偏高，易析出大量粗大的富鐵相，通常并不受歡迎；但在某些特定合金中也會(huì)利用微量鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的性能需求。
2. 對(duì)合金組織的影響
由于鐵在鋁基體中的固溶度十分有限，在凝固和熱處理過(guò)程中常會(huì)生成多種富鐵化合物或亞穩(wěn)相。最典型的平衡相是 AlFe 或 AlFe?（具體化學(xué)式隨相圖而異），在中速或快速凝固時(shí)會(huì)出現(xiàn)如 FeAl?、Fe?Al? 等亞穩(wěn)相。若合金同時(shí)含有硅、錳等元素，還可能析出 α 相（Al(Fe,Mn)Si 系）或 β 相（化學(xué)計(jì)量上常見(jiàn) Al?FeSi 或 Al?Fe?Si?）等三元或多元化合物。這些富鐵相在鑄造鋁合金（尤其是 Al-Si 系）中往往呈粗大板狀或針狀，易造成鑄件脆性與強(qiáng)度損失；但在變形合金或特殊高溫合金中，適度存在的細(xì)小富鐵相能夠起到晶粒細(xì)化或高溫穩(wěn)定性強(qiáng)化等積極作用。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
小量固溶或彌散分布的鐵通常會(huì)使鋁合金在常溫及中溫下的強(qiáng)度和抗蠕變性能略有提高，并在一定程度上增進(jìn)壓鑄過(guò)程中對(duì)“焊合”現(xiàn)象的抑制。然而，富鐵相若偏多或尺寸過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致塑性、韌性以及疲勞性能下降。尤其在可熱處理強(qiáng)化鋁合金中，如果缺乏足量硅與鐵結(jié)合形成 α 相，多余的鐵與銅結(jié)合生成 CuFeAl 相，將減少時(shí)效強(qiáng)化所需的過(guò)飽和銅含量，從而降低合金在時(shí)效處理下的強(qiáng)度。反之，在特定合金體系（如 Al-Cu-Mg 或 Al-Cu-Ni）中添加少量鐵卻可增強(qiáng)高溫強(qiáng)度、減少熱處理時(shí)的形變量，并改善某些軸承性能和尺寸穩(wěn)定性。
4. 與其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
與硅（Si）：在工業(yè)純鋁中，鐵與硅同為常見(jiàn)雜質(zhì)，需參考 Al-Fe-Si 三元相圖評(píng)估實(shí)際析出相的種類及數(shù)量。若硅含量足夠，可以將鐵束縛到 α(AlFeSi) 或 β(AlFeSi) 中，從而減少鐵與銅結(jié)合；但在鑄造合金中若形成粗大的 Fe-Si 相，則對(duì)塑性極為不利。
圖4 鐵和硅作為雜質(zhì)元素對(duì)鋁的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響
與銅（Cu）：在 2xxx、7xxx 系等可熱處理強(qiáng)化鋁合金中，若硅不足以與鐵結(jié)合，鐵便會(huì)與銅形成 CuFeAl 等化合物，從而減少基體中可參與沉淀強(qiáng)化的銅含量，降低合金時(shí)效硬度與強(qiáng)度。
與鎂（Mg）、鎳（Ni）：在 Al-Cu-Mg 及 Al-Cu-Ni 合金中添加鐵可提升高溫強(qiáng)度與硬度，并增強(qiáng)合金在熱載下的尺寸穩(wěn)定性。與此同時(shí)，也必須保證鐵相以細(xì)小彌散形式存在，才能兼顧韌性及加工性。
鎂
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
鎂主要應(yīng)用于鋁-鎂合金（5xxx 變形系與 5xx.x 鑄造系），均屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，依賴固溶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化來(lái)提升力學(xué)性能。當(dāng)前，變形鋁-鎂合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò) 5.5%，鑄造鋁-鎂合金則可達(dá) 4%~10%。當(dāng)鑄造合金中鎂超過(guò) 10% 時(shí)，在室溫下會(huì)形成第二相；若介于 7%~10% 之間，合金在不同溫度區(qū)間下表現(xiàn)出復(fù)雜的穩(wěn)定性。雖然二元鋁-鎂相圖顯示鎂的最大固溶度約為 17%，但實(shí)際合金常因冷加工加速 MgAl 相析出而限制了可用的固溶度，故會(huì)將鎂含量控制在合理范圍內(nèi)以兼顧強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。
2. 對(duì)合金組織的影響
固溶與析出特點(diǎn)：
在二元鋁-鎂體系中，隨溫度下降，鎂的固溶度隨之降低，這為沉淀強(qiáng)化提供了理論基礎(chǔ)。然而，面心立方的 Al?Mg? 析出相形核相對(duì)困難，使得二元 Al-Mg 合金的時(shí)效強(qiáng)化效果并不顯著。要實(shí)現(xiàn)有效的時(shí)效硬化，需要在基體中添加足夠的硅、銅或鋅，以形成 Mg?Si、Al?CuMg 或 Al?Mg?Zn? 等強(qiáng)化相。
微量過(guò)渡元素與顆粒分布：
為抑制晶粒長(zhǎng)大并與雜質(zhì)元素（Fe、Si 等）結(jié)合成穩(wěn)定相，鋁-鎂合金中常添加微量鉻（Cr）、錳（Mn）、鋯（Zr）等。特別是錳（Mn）可以使鎂析出更加均勻分散，并在達(dá)到所需強(qiáng)度的前提下減少鎂的用量，從而保持更高的合金穩(wěn)定性；在鑄造鋁-鎂合金中，約 0.75% 的錳可顯著提高硬度并改善強(qiáng)度，但對(duì)耐蝕性影響較小，同時(shí)會(huì)使塑性略有下降。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
高強(qiáng)度與良好耐蝕性：
鋁-鎂合金具備突出的固溶強(qiáng)化與形變強(qiáng)化能力，其密度比鋁略高但依然維持輕質(zhì)特點(diǎn)；在海洋環(huán)境、化工容器、汽車板材等場(chǎng)合發(fā)揮出優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高比強(qiáng)度。
形變強(qiáng)化與穩(wěn)定性：
通過(guò)軋制、拉伸等變形加工，可在原有固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高強(qiáng)度；若錳添加到合金中，則在相對(duì)較低的鎂含量下依然能獲得滿意的強(qiáng)度與耐蝕性，保證合金在較長(zhǎng)服役周期內(nèi)組織穩(wěn)定、塑性良好。
應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）敏感性：
當(dāng)鎂含量較高或在室溫/中溫（65~180℃）長(zhǎng)期放置時(shí)，富鎂相可能在晶界以連續(xù)網(wǎng)狀形式析出，其電位偏陽(yáng)極，導(dǎo)致合金更易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。5182、5083、5086、5154、5356、5456 等高鎂變形合金均易受此影響。不過(guò)在更高溫度下，析出相粗化并不連續(xù)分布，SCC 風(fēng)險(xiǎn)可相應(yīng)降低。
4. 與其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
與硅（Si）、銅（Cu）、鋅（Zn）：
純鋁-鎂二元合金時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)有限，為獲得顯著硬化效果，常在合金中添加硅形成 Mg?Si（6xxx 系）、添加銅形成 Al?CuMg（部分 2xxx 系或特殊高強(qiáng)鑄造合金），或與鋅共同形成 Al?Mg?Zn?（7xxx 系）等沉淀強(qiáng)化相。尤其在鋁-銅合金中，當(dāng)添加約 0.5% 的鎂時(shí)，能顯著增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化反應(yīng)，提高合金在熱處理后的整體強(qiáng)度。
與錳（Mn）：
錳有助于在組織中更均勻地分散 Mg 析出相，并降低必要的鎂含量以維持高強(qiáng)度和優(yōu)良耐蝕性。對(duì)鑄造鋁-鎂合金來(lái)說(shuō)，添加約 0.75% 的錳能提高硬度并減輕合金對(duì)腐蝕環(huán)境的敏感度，但塑性有所降低。
與其他過(guò)渡元素（Cr、Zr 等）：
可進(jìn)一步細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶，削弱鐵、硅等雜質(zhì)在組織中的負(fù)面影響，提升合金的高溫穩(wěn)定性與力學(xué)性能。
硅
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
硅既是工業(yè)鋁合金中常見(jiàn)的雜質(zhì)元素，也可作為主要合金元素廣泛使用。電解鋁中硅的雜質(zhì)含量一般在 0.01%～0.15% 之間，若同時(shí)存在鐵（Fe），硅在鋁中的固溶度會(huì)進(jìn)一步顯著下降。在作為合金元素時(shí)，硅在共晶鋁合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍較寬：
鑄造鋁合金：常見(jiàn) 5%～13% 之間的硅含量，以滿足良好鑄造與流動(dòng)性能，部分場(chǎng)合可達(dá) 20%（過(guò)共晶）；
釬焊用 4xxx 系：通常含硅 4%～13%，或更高，保證低熔點(diǎn)及良好流動(dòng)性；
6xxx 變形鋁合金：Mg 與 Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在 1.0%～1.5% 附近，以形成可熱處理強(qiáng)化相 Mg?Si。
二元鋁-硅共晶點(diǎn)為 w(Si)=12.6%，共晶溫度 577℃，此處硅在鋁中的最大固溶度約 1.65%。當(dāng)硅含量更高時(shí)，則屬于過(guò)共晶鋁合金。
2. 對(duì)合金組織的影響
雜質(zhì)態(tài)下的析出相：
在工業(yè)純鋁或低硅合金中，若鐵含量較高，硅會(huì)與鐵一起形成六角晶系的 α 相 (Al?Fe?Si) 或單斜晶系的 β 相 (Al?FeSi / Al?Fe?Si?)，呈粗大或片狀分布，降低塑性與疲勞性能。
鑄造性能與流動(dòng)性：
硅的加入能大幅提高鋁基體的鑄造流動(dòng)性、充型能力以及抗熱裂傾向，是 Al-Si 系鑄造合金獲得優(yōu)良鑄態(tài)組織的關(guān)鍵。共晶或近共晶含量的硅可讓合金在鑄造時(shí)形成細(xì)小的 Al-Si 共晶組織，從而改善澆鑄品質(zhì)與致密度。
強(qiáng)化機(jī)制：
純二元 Al-Si 合金本身并無(wú)時(shí)效強(qiáng)化能力，須引入鎂（Mg?Si）或銅、鋅等元素以獲得可熱處理強(qiáng)化；在 6xxx 變形鋁合金中，Mg 和 Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到約 1.5%，可生成析出強(qiáng)化相 Mg?Si，使合金在人工時(shí)效后獲得中等以上強(qiáng)度。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
鑄造性能與耐蝕性：
不含銅或少銅的鋁-硅合金往往具備良好的鑄造性能和耐腐蝕能力，熔體流動(dòng)性高并能有效防止熱裂，適合用來(lái)制造形狀復(fù)雜、尺寸精確的鑄件。
中等強(qiáng)度與硬度：
對(duì)于無(wú)需極高強(qiáng)度但要求優(yōu)異鑄造成形性的零件（如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱殼體、油泵殼等），Al-Si 合金可在相對(duì)較低的密度下保證一定強(qiáng)度與韌性；在含 Mg 的變形合金或含 Cu 的鑄造合金中，通過(guò)適當(dāng)熱處理也能獲得一定時(shí)效硬化效果。
耐高溫性能：
含高硅的過(guò)共晶合金在一定高溫下具有穩(wěn)定的 Si 相支撐骨架，可提高耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，一些高硅合金亦用于精密零件（如電子封裝或活塞）。
4. 與其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
與鐵（Fe）：
硅與鐵常在工業(yè)純鋁或含鐵合金中形成 Al-Fe-Si 金屬間化合物，易造成脆性相。適量 Mn、Cr、Zr 等可抑制或細(xì)化此相，減少不利影響。
與銅（Cu）：
在 Al-Cu-Si 合金體系中，銅能顯著提升合金強(qiáng)度和硬度，硅則維持較好鑄造性能并降低熱脆傾向。若銅含量達(dá) 3%～4%，該合金可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化。Al-Cu-Si 合金一度取代了高 Cu 含量的早期鑄造鋁合金，在航空、機(jī)械領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
與鎂（Mg）：
通過(guò)在 Al-Si 基體中加入鎂，可形成 Mg?Si 相獲得可熱處理強(qiáng)化能力，如 6xxx 系變形合金（Al-Mg-Si）或 3xx.x 系鑄造合金（Al-Si-Mg）。然而，過(guò)多鎂會(huì)降低固溶度并增加偏析風(fēng)險(xiǎn)，需要平衡配比來(lái)獲得適宜的熱處理響應(yīng)。
與鋅（Zn）：
高硅合金若同時(shí)添加鋅、鎂或銅可進(jìn)一步提升強(qiáng)度，但鑄造和熱處理工藝需綜合考慮，保證組織均勻、避免宏觀偏析。
鋅
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
鋁-鋅體系在多年前就被發(fā)現(xiàn)，但由于鑄造時(shí)易出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)崃选⒆冃武X合金對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）也較敏感，初期應(yīng)用受限制。單純?cè)阡X中添加鋅，因其固溶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化效果均有限，提升性能并不明顯。實(shí)際生產(chǎn)多在 w(Zn)≈3%～7.5% 左右并同時(shí)引入 Cu、Mg，以及少量的 Cr、Mn 等微量元素，使合金能進(jìn)行可觀的熱處理強(qiáng)化或自然時(shí)效。該思路形成了 7xxx 變形鋁合金系列與 7xx.x 鑄造鋁合金系列，因其高強(qiáng)度在航空、航天等高端制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
2. 對(duì)合金組織的影響
主強(qiáng)化相及相變
當(dāng)在 Al-Zn 系中同時(shí)添加 Mg（形成 MgZn?、Al?Mg?Zn? 等析出相），合金即可通過(guò)固溶處理和時(shí)效獲得顯著增強(qiáng)。銅元素的引入可使合金在共晶分解過(guò)程中形成復(fù)合相 Mg(Zn, Cu, Al)? 或 AlCuMg 顆粒，從而進(jìn)一步提升強(qiáng)度與韌性。
共晶分解與固相析出
在商用 Al-Zn-Mg 合金或 Al-Zn-Mg-Cu 合金中，淬火后過(guò)飽和 α 固溶體在隨后的時(shí)效過(guò)程中會(huì)析出尺寸細(xì)小、分散分布的強(qiáng)化相（如 η′、T 相、GP區(qū)、等過(guò)渡相），顯著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提升強(qiáng)度。但需防范淬火敏感區(qū)間導(dǎo)致二次析出，或應(yīng)力腐蝕傾向的升高。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
高強(qiáng)度
Al-Zn-Mg(-Cu) 合金擁有最突出的強(qiáng)度水平之一，峰值強(qiáng)度可達(dá)到或超過(guò)部分鋼材的指標(biāo)，在航空航天結(jié)構(gòu)件、承力部件中應(yīng)用十分廣泛。
熱處理與時(shí)效效果
鋅與鎂共同作用所形成的 MgZn?（η相）是 7xxx 系及相關(guān)鑄造合金中主要強(qiáng)化源；適度添加銅可加速析出相的形核，提高時(shí)效速率與最終強(qiáng)化水平，不過(guò)也會(huì)增加淬火敏感度及耐蝕性風(fēng)險(xiǎn)。
應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性
高鋅合金在高強(qiáng)狀態(tài)（如 T6）易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，需要多級(jí)時(shí)效（T73、RRA 工藝等）或微合金化（Cr、Zr、Mn）來(lái)加以抑制，從而平衡強(qiáng)度與耐蝕性。
4. 與其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
與鎂（Mg）
MgZn? 或 Al?Mg?Zn? 析出相顯著提升合金的熱處理強(qiáng)化潛力，是 Al-Zn-Mg 體系的“核心”。當(dāng) w(Zn)≈3%～7.5% 并具備一定量的 Mg 時(shí)，合金強(qiáng)度較 Al-Zn 二元合金大幅提升。
與銅（Cu）
在 Al-Zn-Mg-Cu 體系中，銅能替換部分 Zn 并與 Mg 形成復(fù)合相 Mg(Zn, Cu, Al)?，進(jìn)而提高過(guò)飽和度與時(shí)效速率，獲得更高強(qiáng)度；但銅通常降低耐蝕性，也提高淬火敏感度，需要通過(guò)工藝（如均勻加熱、快速冷卻、多級(jí)時(shí)效）來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。
微量鉻、鋯、錳
可抑制再結(jié)晶、細(xì)化晶粒組織，提高合金的力學(xué)性能及耐蝕性；合金在時(shí)效狀態(tài)下也更為均勻。
鋰
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
鋰是鋁合金中最輕的主要合金元素，在降低合金密度、提高比模量方面具有顯著作用。由于鋰成本較高，目前添加量通常在 1%～3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)就能發(fā)揮關(guān)鍵的輕質(zhì)高強(qiáng)效果，大多數(shù)鋁-鋰合金還會(huì)添加少量 Cu、Mg、Zr 等其他元素以獲得協(xié)同強(qiáng)化。為保證穩(wěn)定的相與性能，大部分商用鋁-鋰合金都在嚴(yán)格工藝條件下冶煉與加工。
2. 對(duì)合金組織的影響
析出相與微觀結(jié)構(gòu)
在二元鋁-鋰合金中，鋰會(huì)以亞穩(wěn)態(tài)的 Al?Li（δ′）相析出，這種析出相多呈細(xì)小、彌散分布，能顯著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并提高合金強(qiáng)度；在 Al-Cu-Li 合金中還會(huì)生成 Al-Cu-Li 或 Al?CuLi 等復(fù)合相，進(jìn)一步提升沉淀強(qiáng)化效果。
密度與晶格畸變
鋰在鋁基體中的引入，顯著降低了合金的整體密度，并可能在部分合金中帶來(lái)合金化引起的晶格畸變，這對(duì)后續(xù)形變加工及熱處理工藝提出更高要求。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
輕質(zhì)化與高比剛度
相比未添加鋰的傳統(tǒng)鋁合金，鋁-鋰合金密度可降低約 3%～10%，彈性模量顯著提高，使得其在對(duì)重量和剛度有嚴(yán)苛要求的航空航天、軍工領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
增強(qiáng)強(qiáng)度與疲勞壽命
亞穩(wěn)態(tài) Al?Li、Al-Cu-Li 等析出相具備強(qiáng)力沉淀強(qiáng)化潛力，使得鋁-鋰合金在保持輕量化的同時(shí)能獲得與中高強(qiáng)鋁合金媲美的強(qiáng)度與疲勞性能。
成本與工藝局限
鋰的高成本及較為復(fù)雜的冶煉、合金制備工藝，一定程度上限制了鋁-鋰合金在民用大規(guī)模量產(chǎn)中的推廣。目前多見(jiàn)于航空航天、軍工等高端領(lǐng)域。
4. 與其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
與銅（Cu）
在 Al-Cu-Li 合金中，同時(shí)引入鋰與銅能形成穩(wěn)定而強(qiáng)力的 Al-Cu-Li 析出相，大幅提升合金強(qiáng)度與疲勞性能；然而也需要關(guān)注應(yīng)力腐蝕敏感度及工藝可行性。
與鎂（Mg）、錳（Mn）、鋯（Zr）等
添加微量過(guò)渡族或稀有元素可進(jìn)一步細(xì)化晶粒、控制再結(jié)晶，有利于合金的塑性與綜合力學(xué)指標(biāo)；搭配鋰后也需考慮熔煉和鍛軋時(shí)的溫度控制、析出均勻性以及腐蝕傾向。
與鋅（Zn）
某些 Al-Li 合金會(huì)兼含 Zn、Mg 等以形成復(fù)合沉淀相。但往往在成分設(shè)計(jì)及熱處理窗口上需更嚴(yán)格匹配，以免高強(qiáng)化同時(shí)引起表面腐蝕或淬火敏感等問(wèn)題。
鈧
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
鈧是鋁合金中較新的合金元素，最早由蘇聯(lián)科研人員在 1980~1990 年代針對(duì)航空航天工業(yè)進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用。由于鈧價(jià)格極其昂貴且來(lái)源有限（多為稀土生產(chǎn)的副產(chǎn)品），實(shí)際生產(chǎn)中通常添加量非常低，往往在 0.15%～0.5% 范圍內(nèi)即可對(duì)合金組織和性能產(chǎn)生顯著影響。為降低成本并兼顧強(qiáng)化效果，工程上常與鋯（Zr）共同添加，使鈧含量可進(jìn)一步降至 0.15%~0.20% 左右。
2. 對(duì)合金組織的影響
彌散相 Al?Sc 的形成
在凝固或過(guò)飽和固溶體分解過(guò)程中，鈧與鋁生成立方晶結(jié)構(gòu)的 Al?Sc 相，該相屬于 L1? 晶體結(jié)構(gòu)，與鋁基體晶格匹配度高、共格性極好；這有利于細(xì)化晶粒、抑制晶界遷移并提升再結(jié)晶溫度。
亞穩(wěn)相與高溫穩(wěn)定
當(dāng)同時(shí)添加鋯（Zr）時(shí)，合金還會(huì)形成亞穩(wěn)立方 Al?Zr，相同樣與基體保持近乎共格，在 300400℃（570750℉）范圍內(nèi)能與 Al?Sc 共同存在并發(fā)揮強(qiáng)化效果，使合金在較高溫度下依然具備優(yōu)良組織穩(wěn)定性。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
顯著的晶粒細(xì)化與再結(jié)晶抑制
少量鈧就能生成高密度、細(xì)小的 Al?Sc 彌散相，阻止晶界運(yùn)動(dòng)并延緩再結(jié)晶形核，合金在高溫或后續(xù)變形中能保持細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，獲得高強(qiáng)度與良好熱穩(wěn)定性。
高溫性能與疲勞特性
鋁-鈧合金在 300℃ 以上仍能保持較高強(qiáng)度與優(yōu)異抗疲勞性能，適合某些中高溫服役的航空航天或高端軍工部件。
高成本與資源限制
由于鈧資源稀缺、價(jià)格昂貴，且產(chǎn)量主要集中于少數(shù)國(guó)家，導(dǎo)致合金推廣受制；目前只能用于對(duì)性能要求極高、且成本相對(duì)次要的尖端領(lǐng)域（如大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)身縱梁、戰(zhàn)機(jī)零件等）。
4. 其他合金元素的協(xié)同效應(yīng)
鋯（Zr）
鋯能在鋁合金中形成亞穩(wěn) Al?Zr，相同屬于面心立方結(jié)構(gòu)，添加少量鈧與鋯后，兩類粒子在高溫下共同抑制再結(jié)晶并精細(xì)化晶粒；由此可降低鈧添加量至 0.15%~0.20%，在保證增強(qiáng)作用的同時(shí)減少合金成本。
鎂、錳或銅等
其他主要強(qiáng)化元素仍可提供傳統(tǒng)的固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化或形變強(qiáng)化，而鈧彌散相則起到額外的晶粒細(xì)化與高溫穩(wěn)定作用，往往可與 2xxx、5xxx、7xxx 系合金的原有強(qiáng)化機(jī)制結(jié)合，顯著改善其綜合性能。
微量合金元素
1. 添加含量與常見(jiàn)范圍
細(xì)化晶粒元素（Ti、B 等）
通常以合金化形式（如Ti-B中間合金棒）向鋁熔體中添加，添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）多在 0.005%~0.1% 范圍；
與鈦（Ti）單獨(dú)添加相比，鈦+硼復(fù)合添加通常能取得更好的晶粒細(xì)化效果。
提高再結(jié)晶溫度與組織穩(wěn)定性元素（Cr、Mn、V、Zr 等）
在大多數(shù)商用 5xxx、6xxx、7xxx 合金中，這些元素單個(gè)或組合地以 0.05%~0.3% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加；
如果要極大地抑制再結(jié)晶、提高熱穩(wěn)定性，鋯（Zr）含量可提至 0.3%~0.4%，但需兼顧成本與與其他元素的相互影響。
鋁-硅鑄造改性元素（Na、Sr、Ca、Sb 等）
用于亞共晶 Al-Si 合金中改變 Si 共晶形態(tài)，使其由粗大片狀變?yōu)榧?xì)小纖維或薄片；
Na、Sr、Ca、Sb 等的添加量極低（ppm~0.03% 級(jí)），過(guò)量會(huì)導(dǎo)致夾雜或析出不利相。
低熔點(diǎn)金屬或易切削元素（Pb、Bi、Sn、Cd 等）
常見(jiàn)于易切削鋁合金（如 2011、6262 等），添加量從 0.05%~幾個(gè)百分點(diǎn)不等；
這些元素在固態(tài)鋁中的溶解度極低，能形成低熔點(diǎn)軟相以利于斷屑和刀具潤(rùn)滑。
提升耐蝕或特殊功能元素（Sb、Be、In、Ni、Ag 等）
Sb、Be、In、Ni、Ag 的添加量更低，一般在 0.001%~0.5% 范圍；
用于海洋耐蝕（Sb）、高溫抗氧化（Be）、加速時(shí)效（In、Cd）或提高高溫強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕（Ni、Ag）等特殊需求。
鈣（Ca）
在鋁中的固溶度極低（形成 CaAl_4 等金屬間化合物），常在 0.001%~0.3% 范圍內(nèi)添加；
過(guò)量鈣可降低塑性或時(shí)效強(qiáng)化效果，但可顯著影響共晶組織或賦予合金特定超塑性潛力。
2. 對(duì)合金組織的影響
晶粒細(xì)化與共晶改性
Ti、B、V、Zr、Mn 等元素可以在凝固過(guò)程中形成細(xì)小彌散顆粒，促進(jìn)均勻形核或阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒；
在 Al-Si 鑄造合金中，通過(guò)添加 Na、Sr、Ca、Sb、P 等微量元素，可改寫 Si 共晶形態(tài)：亞共晶合金中改性得更細(xì)小分散的 Si 相，過(guò)共晶合金中可通過(guò) P 等元素細(xì)化初生 Si 顆粒。
金屬間化合物與第二相
Fe、Si、Ca 等雜質(zhì)元素或微量元素易與鋁基體或其他合金元素形成金屬間化合物，如 Al_5FeSi、CaAl_4、Al_2Cu 等；在軸承合金中則可能形成含 Pb、Bi、Sn 的低硬度相；
Zn、Mg、Cu 等主要強(qiáng)化元素在合金中仍具主導(dǎo)地位，微量元素更多發(fā)揮「輔助配合作用」，如縮短凝固組織間距、調(diào)控晶界結(jié)構(gòu)、限制雜質(zhì)相尺寸等。
再結(jié)晶行為與熱穩(wěn)定性
Cr、Zr、V、Ti 等形成細(xì)小彌散的亞穩(wěn)相（如 Al_3Zr、Al_3(Sc,Zr) 等），有效抑制再結(jié)晶與晶界遷移，提高合金在熱變形或后續(xù)固溶處理中的組織穩(wěn)定性；
Ca、Cd、In 等在某些情況下也可干擾主要強(qiáng)化相或在晶界偏聚，影響合金在熱處理、服役過(guò)程中的演變規(guī)律。
3. 對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)
強(qiáng)化與韌性平衡
微量元素可通過(guò)細(xì)化晶粒（改善強(qiáng)度與韌性）、促進(jìn)或抑制特定相析出（強(qiáng)化相形成或改性）等途徑來(lái)提升力學(xué)性能，如 Mn、Cr、Zr 等大大提高再結(jié)晶溫度并在變形后保留細(xì)晶組織；
Pb、Bi、Sn、Cd 等雖然本身不提供顯著固溶或沉淀強(qiáng)化，卻能顯著改善機(jī)加工性能或減小摩擦磨損。
耐蝕性與抗氧化
Sb 在 Al-Mg 合金中能形成特定保護(hù)膜，提升耐海水腐蝕性能；
Be 在 Al-Mg 合金中減少高溫氧化或變色，保護(hù)表面質(zhì)量；
Ni 等元素在高溫蒸汽環(huán)境下可增強(qiáng)耐蝕性，但在常規(guī)環(huán)境中或在某些條件下可能加劇點(diǎn)蝕。
高溫性能與特種需求
Ni、Cu、Si、Fe 等元素有助于高溫硬度與強(qiáng)度的提升，如鋁-銅-鎳、鋁-硅-銅等合金在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸體中廣泛應(yīng)用；
Ag 在 Al-Zn-Mg(-Cu) 或 Al-Cu-Mg 合金中可顯著提高時(shí)效強(qiáng)化效率與抗應(yīng)力腐蝕能力，不過(guò)其高成本限制了普及度。
可加工性與鑄造性能
易切削鋁合金（如 2011、6262 等）中添加 Pb、Bi、Sn、Cd 等軟相元素，提高切削效率、減少刀具磨損；
在鑄造合金中添加微量改性元素（如 Na、Sr、Ca 等）改善充型與凝固組織，提高鑄造致密度，減少熱裂、縮松等缺陷。
來(lái)源：材易通
