鋁合金

鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，20世紀初由德國人阿尔弗雷德·威尔姆（英语：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。造成電偶腐蝕（英语：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在有water-containing systems或是戶外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）。 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。 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，同時也說明了自行車零組件沒有不可靠的問題。時間和經驗證明了鋁依舊是可靠的。 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台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家具上。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。 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。 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。 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。 電偶腐蝕（英语：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。 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形鋁合金牌号使用四位数字表示，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。 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，強度较高。 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。 （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。 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 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） 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 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 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 这些合金大量应用于易拉罐，包括啤酒、汽水饮料、食品等易拉罐包装。 3004鋁合金－易拉罐罐体（使用较少） 3104鋁合金－易拉罐罐体 5052鋁合金－易拉罐罐盖和拉环 5052鋁合金－易拉罐罐盖和拉环 这些合金大量应用于建筑幕墙装饰中 1100鋁合金－装饰幕墙 3003鋁合金－装饰幕墙 SAE Aluminium specifications list （页面存档备份，存于互联网档案馆）, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council 互联网档案馆的存檔，存档日期2006-09-27., accessed Oct 8, 2006. R.E. Sanders, Technology Innovation in Aluminium Products, The Journal of The Minerals, 53(2):21–25, 2001. Online ed. （页面存档备份，存于互联网档案馆） For a tube of constant wall thickness, stiffness scales as the cube of the diameter, whereas mass scales proportionally. So an aluminium tube with twice the diameter of a steel tube but the same wall thickness will be roughly 8/3 stiffer and 2/3 the weight. If 1.5 times the diameter, it will be roughly the same stiffness and half the weight, and so on. 奈米陶瓷顆粒引入到鋁合金. [2017-08-08]. （原始内容存档于2021-03-16）.  I. J. Polmear, Light Alloys, Arnold, 1995 Fundamentals of Flight, Shevell, Richard S., 1989, Englewood Cliffs, Prentice Hall, ISBN 0-13-339060-8, Ch 18, pp 373-386. Boatbuilding with Aluminum, Stephen F. Pollard, 1993, International Marine, ISBN 0-07-050426-1