鋁合金

拉伸試驗後的鋁合金圓形試片
鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，20世紀初由德國人Alfred Wilm發明，對飛機發展幫助極大，第一次世界大戰後德國鋁合金成分被列為國家機密。跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能，但抗腐蝕性不如純鋁。在乾淨、乾燥的環境下鋁合金的表面會形成保護的氧化層。造成Galvanic corrosion加速的情況有：鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環境下。如果鋁和不銹鋼要一同使用必須安裝兩金屬間電子或電解質隔離。
鋁合金的成分需要向美國鋁業協會（Aluminium Association，AA）註冊。許多組織公佈更具體製造鋁合金的標準，包括美國汽車工程協會（Society of Automotive Engineers，SAE）特別是航空標準，還有美國材料試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）。

**工程用途**
電子顯微鏡下的鉍鋁合金
鋁合金鍛造物
鋁合金飾品
鋁-金二元合金的相圖
1938年，法國學者紀尼埃(A.Guinier)闡明瞭鋁合金時效硬化是由溶質原子形成的富集區(G.P.區)所致。

**概要**
鋁合金被廣泛應用在工程結構上。合金系統由數字系統分類（ANSI），或由名稱表示主要的組成合金（DIN及ISO）。為一種指定的應用選擇正確的合金需要考慮材料的強度、延性、成形性、焊接性、抗腐蝕性等等。簡短的歷史概述合金和製造技術，請參照。由於它的高強度和較低重量比率，鋁被廣泛使用在現代航空器裡。

**彈性度**
鋁使用不當，可能會導致些問題。尤其是在對比鐵或鋼後，覺得鋁有“更好的表現”的那些直覺行事的設計師，機械師，或技術員。跟鐵或鋼相比，相同大小的鋁重量只有鐵或鋼的三分之一，似乎有著巨大的吸引力。但必須注意到，剛性同時也減少了三分之二。因此，直接更換一個鐵或鋼鐵的零件，並施加可接受的力量，雖然不會造成破壞，但是鋁的彈性會造成零件三倍以上的撓度。
即使材料不會破壞，過度的彈性亦不可取。尤其在要求精度或者有效率傳輸的地方。隨意地將鋼管更換為同樣大小的鋁管將造成一定程度彎曲。例如，用相同的尺寸的鋁管取代鋼管的自行車框架，增加彈性的操作下，負荷所造成的不同心度將會吸收運行的力量。若增加管壁的厚度來補強，則造成重量增加並喪失了彈性與重量比的優勢。
就這情況而言，最好重新設計鋁尺寸的部分，以適應其特點。例如，使自行車的框架鋁管具有超大直徑，而不是厚的管壁。這樣增加了強度，重量也沒有增加很多。這樣處理的極限在於對挫曲的敏感性增加。
最新型的雪佛蘭科爾維特Corvette汽車，是一個很好的例子，重新設計後的部分利用了鋁的優勢。使用了由鋁製造的底盤和懸掛系統零件，消除不必要的金屬後不但減輕也減少了截面積，這些車有大的尺寸和良好的剛度。因此，在同樣或更激烈的使用情況下不需要跟鋼製的零件一樣頻繁更換，大部分人對此覺得有吸引力。同樣地，鋁自行車框架可以改良設計，以便提供剛性和一些額外的靈活性，後者的功用可以當作另一種避震器。
鋁合金的強度和耐久性差別很大，不僅組成合金元素的差別，也由於製造過程的差異。這種可變性加上經驗曲線的使用，使鋁時常獲得了壞名聲。舉例來說，70年代早期許多設計不良的鋁自行車框架高頻率的損壞後，傷害了鋁的聲譽。然而，鋁零件廣泛的使用在航空器和高性能的汽車行業，放大來講是禁得起極微小的失敗率，同時也說明瞭自行車零組件沒有不可靠的問題。時間和經驗證明瞭鋁依舊是可靠的。
同樣地，鋁在汽車應用尤其是在引擎零件上，得益於一段時間內的發展。奧迪工程師，在評論最近由奧迪工廠恢復一臺1930年代汽車聯盟賽車的V12引擎有超過500匹馬力，引擎所使用的鋁合金今天會被使用在像是除草機和傢俱上。在1960年代Corvair鋁製的汽缸蓋和曲軸箱，即使上螺紋被磨平及總體上的失敗仍得到了良好的名聲。這是已往不曾見過的設計。
其中一個重要的結構限制是鋁合金疲勞性能，而鋼具有較高的疲勞極限（理論上可以承受無限多的週期性載荷），鋁的疲勞極限是接近零，也就是說它最終將破壞，甚至非常小的循環荷載作用都可以使它破壞，但對於小的應力可以使用非常長的時間。

**熱敏度**
通常必須考慮金屬的熱敏感性。事實上鋁對熱感應上相對地複雜，不像鋼將要熔化時發出亮紅色。由於鋁熔化之前沒有跡象顯示，使用噴燈成型時需要一些專門的知識。
鋁過熱的時候受到內部壓力和拉力，這些壓力往往會導致延遲的扭曲。舉例來說，常見的有翹曲或過熱裂開的汽車鋁缸蓋。幾年後，沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏著劑被用在一些自行車上，不幸的是當鋁管受到輕微腐蝕就會鬆動黏接，終究車架解體。因此，航天工業，完全避免熱進入零件膠粘劑間或機械扣件。
過熱的鋁可放心熱處理零件在一爐，並逐步冷卻－有退火的效果。然而這樣做的結果有可能造成扭曲，所以熱處理焊接自行車框架，會導致重要的部分產生不重合。如果不嚴重，冷卻之後有可能可以重合在一起。如果框架設計有相當的剛性，變形將需要很大的力量。
鋁的不耐高溫性不包括使用在火箭上，用於氣體燃燒可達3500 K的燃燒室，在Agena上，階段引擎部分設計使用了再生鋁冷卻噴嘴，包括關鍵噴喉；實際上鋁極端高導熱性防止了噴喉在巨大的熱流下到達熔點，是一個可靠的輕組件。

**奈米化**
21世紀後奈米技術有所進展，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授領銜的科研團隊，突破了奈米陶瓷鋁合金技術，在鋁裡摻陶瓷增強特性的構想長期存在，但技術難關巨大，強度及塑性差等問題無法解決。新技術採用讓陶瓷自己從鋁裡長出來的新構想，團隊最終採用「原位自生技術」，透過熔體控制自生，陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到奈米級，突破了外加陶瓷鋁基複合材料的塑性低、加工難等應用瓶頸。該種材料也可用於3D列印且成品有接近鍛造的性質，航太潛力巨大。
目前天宮一號、天宮二號和若干衛星已經應用奈米陶瓷鋁合金零件。

**家庭配線**
1960年代跟鋁的高導電性和比銅低的價格，在美國的家庭配線使用了鋁，即使許多裝置的設計不是能使用鋁導線的。新的用途帶了一些問題：
*鋁巨大的熱膨脹係數造成導線容易變長扭曲，最終跨接到不同的金屬（如旁邊的螺絲、牆釘），造成短路。
*純鋁有一個“蠕變”傾向，穩定持續的壓力（隨著溫度的上升），再次造成短路。
*Galvanic corrosion造成接觸端的金屬電阻增加。
這些過熱和過鬆的聯接，反而導致了一些火災。建造者對導線的選用開始變的謹慎，在新建築上許多法令禁止了它的用途。但較新的裝置，最終改善了連接設計，以避免鬆動和過熱。一開始的標示為"Al/Cu"，現在則是印著"CO/ALR"。另一種阻止發熱的方法，捲曲鋁線與銅線編成短辮，利用高壓捲曲並利用工具減少鋁的熱膨脹。現在，新的合金、設計和方法用在鋁導線和鋁端子的結合。

**合金分類**
鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。
變形鋁合金牌號使用四位數字表示，其中包含了合金成份所佔的比例。破折號後的4位數號碼代表熱處理的類型，例如“6061-T6”。鑄造用鋁合金使用4至5位數號碼與一個小數點。在百位數的數字代表合金元素，小數點用來辨認是鑄件或是鋁錠。

**鍛造用合金**
國際合金命名系統（International Alloy Designation System）被廣泛接受命名鍛造合金。每個合金是由於四位數號碼，其中第一位數為主要合金元素。- 1000系列至少含99%（重量百分比）的鋁。- 2000系列銅合金，強度媲美鋼。以前稱為杜拉鋁，是常用的航太合金，但容易受到粒間腐蝕，逐漸被7000系列取代。- 3000系列錳合金，有加工硬化。- 4000系列矽合金，亦稱為矽鋁明。- 5000系列鎂合金，可解決加工硬化，強度較高。- 6000系列鎂矽合金，易於加工，可沉積硬化，得到的強度可媲美鋼鐵。- 7000系列鋅合金，可析出硬化，在所有鋁合金中有最高強度。- 8000系列混合。

**鍛造用鋁合金元素含量**
（重量百分比）
	
“其他”限制適用於所有的元素，無論是表格中有或沒有。

**鑄造用鋁合金**
美國鋁業協會（Aluminium Association，AA）採取與鍛造用合金相似的命名原則。英國標準（British Standard，BS）、德國標準（Deutsches Institut für Normung，DIN）使用了不同的名稱。
在美國鋁業協會（AA）系統，第二、第三位數代表了最小含鋁量，例如150.x代表最少含99.50%鋁。該數字小數點後值為0或1，指的鑄件和鑄錠分別。美國鋁業協會系統下的主要鑄造用鋁合金列表如下：- 1xx.x系列：至少含99%鋁- 2xx.x系列：銅- 3xx.x系列：矽，銅和（或）鎂- 4xx.x系列：矽- 5xx.x系列：鎂- 6xx.x系列：鎂，矽- 7xx.x系列：鋅- 8xx.x系列：錫- 9xx.x系列：混合

**命名合金**
 杜拉鋁（硬鋁）（銅－鋁合金）- 鎂諾克斯合金（鎂－鋁合金）- 矽鋁明（鋁－矽合金）

**用途概要**

**常用航天航空合金**
這些鋁合金，被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史。- 7075鋁合金- 6061鋁合金- 6063鋁合金- 2024鋁合金- 5052鋁合金

**其他航太合金**
這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航太上的鋁合金。- 2090鋁合金- 2124鋁合金- 2195鋁合金（鋁鋰合金）－用於在飛機超輕量級外部燃料箱。- 2219鋁合金- 2324鋁合金- 6013鋁合金- 7050鋁合金- 7055鋁合金- 7150鋁合金- 7475鋁合金

**航海合金**
這些合金常被用在造船，海運業及鹽水成分較高的地方使用。- 5052鋁合金- 5083鋁合金- 5086鋁合金- 6061鋁合金- 6063鋁合金

**易拉罐合金**
這些合金大量應用於易拉罐，包括啤酒、汽水飲料、食品等易拉罐包裝。- 3004鋁合金－易拉罐罐體（使用較少）- 3104鋁合金－易拉罐罐體- 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環- 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環

**建築裝飾用合金**
這些合金大量應用於建築幕牆裝飾中- 1100鋁合金－裝飾幕牆- 3003鋁合金－裝飾幕牆

**註解==