铝之所以成为最通用的结构材料之一, 其特性就给人以深刻的印象。铝的质量轻, 而且某些铝合金的强度还高于结构钢。在大多数使用条件下, 铝具有很高的抗腐蚀性, 它不形成有色盐类物质污染邻近的表面或不使与它接触的物质(如纺织工业上的纺织品和化学设备中的溶液)变色。它具有良好的导电和导热性, 高的热、 光反射性。铝易于加工成各种形状, 并易于进行各种表面处理。

铝的密度为2.7 g/cm3, 约为钢的35%, 铜的30%。

工业纯铝的抗拉强度约为100 MPa, 作为结构材料在使用上多少会受到限制。对铝进行冷加工(如冷轧)其强度能提高一倍左右。在铝中加入少量的一种或几种其他金属, 例如锰、 硅、 铜、 镁或锌, 配合热处理便能大大地提高其强度。和纯铝一样, 对铝合金进行冷加工也能提高其强度, 至今已能得到抗拉强度超过700 MPa的铝合金。

通过各种冷加工和热处理, 可得到很多种不同力学性能或状态的铝合金。在规定给定的任何产品的状态时, 应考虑加工方法和金属所接受的冷加工量。换句话说, 规定的状态应是指: 在加工过程中, 金属接受的冷加工量会改善所需的最终产品的特性。

当铝的表面暴露于大气中时, 会迅速形成一层肉眼看不见的氧化膜, 使铝不再氧化。除非是暴露在某种能破坏氧化膜保护层的物质或环境中, 否则铝就完全不会受到腐蚀。铝具有很高的耐大气腐蚀性, 即使在对其他金属有腐蚀性的工业气氛中也是如此。它还能抗多种酸的腐蚀。碱是破坏氧化膜的少数物质之一, 因此对铝有腐蚀作用。虽然采用抑制剂能使铝安全地用在某些存在弱碱性的场合, 但总的来说, 应避免使铝直接与碱性物质接触。

铝无毒这一特性使其可用作炊具。目前, 在食品加工业中正使用大量铝制品。还可以使铝箔安全的直接用于包装食品。但铝对人体无害这一观点, 近些年来受到了质疑。

铝具有高导电率, 是用做导电体的普通金属之一。电导体铝(1350合金)的电导率约为国际退火铜标准的62%。由于铝的密度约为铜的30%, 因此用做电导体时, 1 kg铝的导电能力大约为1 kg铜的两倍。加入合金元素会使电导率稍微降低, 虽然如此, 在一切可能的地方, 还是都把1350合金作为电导体。

铝具有良好的导热性, 在最初大规模工业应用中(如制作炊具)发挥了很大的作用。只要涉及到热能从一种介质传到另一种介质(无论是加热还是冷却), 导热性就非常重要。因此, 铝质热交换器被普遍用在食品、 化工、 石油、 航空和其他工业中。铝不仅是紫外线全波长范围内辐射能和从红外线可见光谱的辐射能的极好反射体, 而且是热波、 无线电和雷达的电磁波的极好反射体。

铝的反光率达80%以上, 这一特性使铝广泛用在照明灯具上。用铝材盖的房屋瓦能反射大部分太阳热能, 因此用铝材建筑的屋顶夏天比较凉爽。

铝易于加工成形, 这是它的最重要的优点之一。铝可用铸工所知的任何一种方法进行铸造; 可轧制成所需的任意厚度, 甚至比纸还薄的铝箔; 铝可以冲压、 拉伸、 旋压或轧制成形。铝也可捶打或锻造。将铝挤压成各种不同的形状, 几乎不受限制。

铝的机械加工性好, 加工速度快, 这是铝成品成本低的重要因素之一。铝可用车削、 铣削、 镗孔等方法进行机械加工。在自动车床上可以方便地使用铝棒加工零件。

几乎任何接合方法(如铆接、 焊接)都适用于铝。各种各样的铝机械紧固件简化了许多产品的装配。铝零件的连接法也得到了广泛应用, 尤其是在飞机制造中应用很广泛。

铝在大多数使用情况下不需要保护涂层。当铝表面满足不了要求或需要加以保护的情况下, 可采用各种表面涂饰法中的任何一种方法进行保护, 化学、 电化学或漆饰法都可采用。铝在化学涂饰和电化学涂饰过程中可获得多种颜色, 如果涂漆, 可采用真漆或搪漆, 颜色不限。

铝在大多数情况下, 往往是由两种或是两种以上的特性共同发挥作用的, 例如质量轻而强度高, 广泛用于飞机、 铁道车辆、 载重汽车及其他运输设备。良好的耐腐蚀性和导热性对化工和石油工业设备是很重要的。这些性能加上无毒性就可用来作食品加工设备的制品。外形美观、 耐大气腐蚀以及维修量低, 使铝广泛用在各类建筑物上。高反射性、 耐大气腐蚀及质量轻, 在屋顶材料中都是很重要的。不论用做什么, 质量轻都有利于降低贮运费用。目前, 在许多使用场合只有具有多种性能的铝材才能满足要求。在我国企业中, 铝已作为一种基本材料而使用。

高纯铝软而塑性好, 但在大多数工业使用情况下, 其强度满足不了要求。 在铝中添加其他元素来生产各种合金, 这些元素可单独或相互配合使铝的强度得到提高。此外, 通过热处理还可进一步改善其性能, 因此把铝合金分为热处理不(可)强化的和热处理(可)强化的两大类。

热处理不强化的铝合金是仅冷加工能够强化而热处理不能明显强化的合金。这类合金的初始强度取决于锰、 硅、 铁和镁金属元素的强化效应, 这些元素可单独或相互配合的起作用。热处理不强化铝合金通常属于1XXX、 3XXX或5XXX系列等。因为这类合金可通过不同程度的冷加工量来进一步提高合金的强度, 一般状态代号用“H”表示。对于含镁量较高的合金通常要进行稳定化处理, 以确保性能稳定性。

热处理(可)强化的铝合金是通过适当的热处理能够强化的铝合金。所谓热处理是合金被加热到某一适当温度, 在此温度保温, 使可溶组分充分进入固溶体中, 并在淬火后可溶组分以过饱和状态保留在固溶体中的处理(通常是在水中淬火)。这些合金淬火后组织不稳定, 过饱和固溶体有分解倾向。在室温下搁置几天后(称为自然时效), 合金的强度会大大提高。有些合金在室温下能达到稳定状态, 但有些合金, 尤其是含镁和硅、 或镁和锌的合金需要在室温下搁置很长时间才能达到一定强化程度。因此对这些合金在适当的温度下加热一段时间, 可使合金进一步强化并使其性能稳定, 这种方法叫人工时效。总之将淬火冷加工与人工时效恰当配合, 可得到最佳的强度或综合性能。

1)变形铝及铝合金牌号表示方法(见GB/T 16474—1996)

1XXX系列。铝含量不小于99.00%的纯铝, 用途很广泛, 在电器或化学领域里尤其如此。该系列的铝材具有良好的耐腐蚀性, 导热、 导电率高, 力学性能低, 具有极好的可塑性。通过加工硬化可在一定程度上提高其强度。铁和硅是其主要杂质。

2XXX系列。以铜为主要合金元素的铝合金。该系列合金需要进行热处理, 以获得最佳性能。 热处理状态的力学性能类似于(有时高于)低碳钢。在某些情况下, 采用人工时效来进一步提高力学性能, 即提高材料的屈服强度, 但伸长率相对降低, 对极限抗拉强度的影响不大。该系列合金的耐腐蚀性不如大多数其他铝合金好, 在一定条件下会产生晶间腐蚀。2024铝合金是使用最广泛的航空材料。

3XXX系列。以锰为主要合金元素的铝合金。该系列合金属于热处理不强化铝合金。

4XXX系列。以硅为主要合金元素的铝合金。加入足量的硅, 能显著降低熔点而不会使产品的塑性下降。鉴于上述原因, Al—Si合金用做焊条和熔点比基体金属低的钎焊合金。该系列中的大多数合金是热处理不强化铝合金, 但当用来焊接热处理可强化的铝合金时, 焊缝会吸取后者的某些成分, 因此应视情况进行热处理。进行阳极氧化着色时含大量硅的合金会变成深灰色, 因此该系列铝合金适宜用做建筑材料。

5XXX系列。以镁为主要合金元素的铝合金。对铝合金而言, 镁是最有效和最广泛使用的金属之一。如将镁用做主要合金元素或将镁和锰一起用做合金元素时, 其结果是得到中等强度乃至高强度的热处理不强化的铝合金。 作为一种硬化剂, 镁比锰有效得多, 大约0.8%的镁就等于1.25%的锰。该系列铝合金具有良好的焊接性和耐海洋大气的腐蚀性。

6XXX系列。以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化的铝合金。该系列铝合金属于热处理强化铝合金, 典型的是6061合金。 虽然其强度比2XXX系或7XXX系中的大多数合金的低, 但具有良好的成型性和耐腐蚀性。

7XXX系列。以锌为主要合金元素的铝合金。加入适量镁就形成热处理可强化铝合金。 通常还加少量的其他元素, 例如铜和铬。该系列中最典型的是7075合金, 它是目前能生产的强度最高的合金之一, 用做飞机骨架结构件和高度受力的部件。

8XXX系列。以某些合金元素(如抗)为主要合金元素的铝合金, 如8A06、 8011和8090等合金。

9XXX系列——为备用合金组。

2)铝合金基础状态代号

F为自由加工状态, 适用于在成形过程中, 对加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品, 该状态产品的力学性能不作规定。

O为退火状态, 适用于经完全退火获得最低强度的加工产品。

H为加工硬化状态, 适用于通过加工硬化提高强度的产品, 产品在加工硬化后可经过(也可不经过)使强度有所降低的附加热处理。H代号后面必须跟有两位或三位阿拉伯数字, 如HX1是抗拉强度极限为O状态与HX2状态的中间值, 又如HX2是抗拉强度极限为O状态与HX4状态的中间值等等。HX8是硬状态。 HX9是超硬状态。

W为固溶处理状态, 是一种不稳定状态, 仅适用于经固溶处理后, 室温下自然时效的合金。该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段。

T为热处理状态(不同于F、 O、 H状态), 适用于热处理后, 经过(或不经过)加工硬化达到稳定状态的产品。T代号后面必须跟有一位或多位阿拉伯数字, 如TX, 在T后面添加0~10的阿位伯数字, 表示细分状态: T0为固溶处理后, 经自然时效再通过冷加工的状态, 适用于经冷加工提高强度的产品; T4为固溶处理后自然时效至基本稳定的状态, 适用于固溶处理后, 不再进行冷加工的产品; T6为固溶处理后进行人工时效的状态, 适用于固溶处理人工时效后, 不再进行冷加工的产品, 等等。

应说明, 我国原有标准GB340—76中状态代号是, M为退火, R为热加工, Y为冷加工硬化, C为淬火, Z为自然时效, S为人工时效。1996年发布新标准GB/T 16475—1996, 基础状态代号是, F为自由加工、 O为退火、 H为加工硬化、 W为固溶处理、 T为热处理状态。T状态细分为10种, 如T1、 T2…详细可查阅标准。铝合金状态代号的原标准和新标准对照见表1-1。