Фазовый состав алюминиевых сплавов

Федеральное агентство по образованию РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Государственный технологический университет
«Московский институт стали и сплавов»

Н.А. Белов

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ

Москва
Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 669.715
ББК 34.2
Б 43

Издание осуществлено при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований
по проекту 080307015 д

Белов Н.А.
Фазовый состав алюминиевых сплавов: Научное издание. –
М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 392 c.

ISBN 9785876232137

В монографии обобщены результаты многолетних исследований
автора в области алюминиевых сплавов (прежде всего, их фазового состава), выполненных на кафедре металловедения цветных металлов
МИСиС. Основное внимание уделено марочным сплавам, как российским, так и американским. Количественный анализ фазового состава
последних выполнялся с использованием современной программы
«ThermoCalc». Для графического изображения фазовых равновесий в
пятикомпонентных системах использован оригинальный авторский
подход.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, которые работают с алюминиевыми сплавами.  Среди них – научные работники отраслевых и академических институтов, профессорскопреподавательский
состав вузов, работники заводских лабораторий, ответственные за качество продукции. Она также может быть полезной аспирантам и студентам старших курсов при выполнении курсовых и дипломных работ, связанных с алюминиевыми сплавами. 
Рис. 135. Табл. 158. Библиогр. список:   124 назв.

Белов Н.А., 2009
МИСиС, 2009
ISBN 9785876232137




УДК 669.715
ББК 34.2

Б 43

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .....................................................................................

Глава 1. Общая характеристика структуры и фазового состава
алюминиевых сплавов .....................................................................
1.1. Общие сведения ...................................................................
1.2. Легирующие элементы и примеси ......................................
1.3. Литая микроструктура .........................................................
1.4. Влияние термообработки и деформации на структуру ......
1.5. Классификация промышленных алюминиевых сплавов
по фазовому составу .............................................................

Глава 2. Нелегированный алюминий и низколегированные деформируемые сплавы системы Al–Fe–Si–Mn ...............................
2.1. Общие особенности фазового состава ................................
2.2. Основные диаграммы состояния.........................................
2.3. Нелегированный алюминий и сплавы типа АА8111 ...........
2.4. Сплавы с марганцем типа АМц (АА3003) и АА8006 ............

Глава 3. Силумины без меди ............................................................
3.1. Общие особенности фазового состава ................................
3.2. Основные диаграммы состояния ........................................
3.3. Двойные силумины типа АК12 ............................................
3.4. Силумины с магнием типа АК7ч (АА356) ............................

Глава 4. Силумины с медью .............................................................
4.1. Общие особенности фазового состава ................................
4.2. Основные диаграммы состояния ........................................
4.3. Доэвтектические силумины типа АК5М и АК9М2 ............
4.4. Эвтектические и заэвтектические силумины типа
АК12М2 и АА390 ..................................................................

Глава 5. Поршневые силумины с никелем ......................................
5.1. Общие особенности фазового состава ................................
5.2. Основные диаграммы состояния ........................................

3

5

8
8
12
24
29

41

45
46
47
58
68

77
77
83
90
100

111
111
115
124

143

151
151
155

5.3. Эвтектические Niсодержащие силумины .........................
5.4. Заэвтектические поршневые силумины .............................

Глава 6. Литейные и деформируемые сплавы с медью ...................
6.1. Общие особенности фазового состава ................................
6.2. Основные диаграммы состояния ........................................
6.3. Литейные сплавы типа АМ5 и деформируемые сплавы
типа 1201 ................................................................................
6.4. Деформируемые сплавы типа Д16 (дуралюмины) .............
6.5. Деформируемые сплавы типа АК8 и АК41 ........................

Глава 7. Литейные и деформируемые магналии .............................
7.1. Общие особенности фазового состава ................................
7.2. Основные диаграммы состояния ........................................
7.3. Литейные магналии .............................................................
7.4. Деформируемые магналии ..................................................

Глава 8. Низколегированные деформируемые сплавы с Mg2Si .....
8.1. Общие особенности фазового состава ................................
8.2. Сплавы без меди ..................................................................
8.3. Сплавы с малой добавкой меди ...........................................

Глава 9. Деформируемые сплавы с цинком и магнием ...................
9.1. Общие особенности фазового состава ................................
9.2. Основные диаграммы состояния ........................................
9.3. Сплавы без меди ..................................................................
9.4. Сплавы с медью ...................................................................

Библиографический список ...........................................................

Приложение 1. Составы промышленных литейных алюминиевых
сплавов по стандартам РФ и США .................................................
Приложение 2. Составы промышленных деформируемых алюминиевых сплавов по стандартам РФ и США (АА) ...........................
Приложение 3. Особенности изображения и анализа четверных
диаграмм состояния ........................................................................
Приложение 4. Особенности изображения и анализа пятикомпонентных диаграмм состояния .........................................................

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

171
179

184
185
188

212
223
230

238
238
242
250
261

269
269
274
284

292
292
296
307
312

325

335

354

384

388

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы на основе легких металлов (алюминия, магния и титана)
занимают особое положение среди конструкционных материалов.
С одной стороны, это связано с возможностью достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств (прочности,
пластичности, коррозионной стойкости и т. д.) с низкой плотностью
(в частности, сравнительно со сталью и медными сплавами). С другой
стороны, алюминий, магний и титан относятся к наиболее распространенным в природе элементам (занимая третье, шестое и девятое места соответственно). Все это свидетельствует о хороших перспективах
увеличения их производства и потребления. У тяжелых металлов таких перспектив гораздо меньше, поскольку они сильно проигрывают
по удельной прочности и наличию запасов в земной коре (например,
содержание меди в 800, 270 и 90 раз меньше, чем алюминия, магния и
титана соответственно). Прочное первое место по объему производства и потребления среди всех сплавов на основе цветных металлов занимают алюминиевые сплавы, которые и являются объектом анализа
данной книги.
Фазовый состав, структурные составляющие и характер кристаллизации любого промышленного сплава являются важнейшими показателями, которые определяют не только эксплуатационные, но и
технологические свойства (поведение при литье, обработке давлением, сварке и т. д.). Научной основой анализа фазового состава (и частично микроструктуры) являются диаграммы состояния. Большинство промышленных сплавов на основе алюминия содержат несколько
легирующих элементов и примесей, что требует рассмотрения соответствующих диаграмм, как минимум трехи четырехкомпонентных
систем (а часто и более сложных). 
По мнению автора, в современной материаловедческой литературе, особенно относящейся к промышленным сплавам, многокомпонентным диаграммам уделяется неоправданно мало внимания. Наиболее полно качественный анализ фазового состава сплавов на основе цветных металлов (в том числе алюминия) был выполнен А.М. Захаровым в его монографии [1]. Одним из самых информативных по
праву считается справочник Mondolfo [2]. Значительная информация

5

по системам на основе алюминия, но в малой степени относящаяся к
промышленным сплавам, приведена в сборниках по диаграммам состояния на основе алюминия [3, 4]. В них приводятся лишь основные
сведения по разным системам, в то время как для практического использования многокомпонентных диаграмм состояния применительно к конкретному сплаву удобно иметь набор изотермических и политермических сечений. Последние позволяют на основе обычных двухмерных графических изображений проанализировать влияние компонентов (или примесей) и температуры на фазовый состав. Для многих важнейших систем таких сечений в литературе приведено явно
недостаточно (частично это сделано в книге [5]), поэтому в данном
издании была поставлена задача заполнить имеющийся пробел.
Именно на основе изотермических и политермических сечений анализируются фазовый состав и структура алюминиевых сплавов. 
Качественное построение таких разрезов применительно к тройным системам подробно рассмотрено в учебниках для вузов, в частности [6]. Что касается четверных диаграмм, то для них полное графическое изображение практически невозможно, поскольку требуется четырехмерное пространство. Изза сложности графического анализа
[7–9] четверные диаграммы практически не рассматриваются в учебной литературе, хотя они необходимы для корректного анализа многих промышленных сплавов, в том числе алюминиевых. Основы методики анализа четверных систем на плоскости применительно к методу изображения на концентрационном треугольнике (принятому в
справочнике L.F. Mondolfo [2] и получившему широкое распространение) изложены в учебном пособии автора [10]. 
Значительная часть фрагментов многокомпонентных диаграмм
состояния была построена автором (с коллегами) с использованием
как экспериментальных, так и расчетных методик, в том числе с помощью современной программы ThermoCalc. Данная программа позволяет не только строить практически любые сечения, но и рассчитывать на количественном уровне фазовый состав сплава при разных
температурах (включая массовые и объемные доли фаз, а также концентрации в них элементов). Без расчета получить подобную информацию практически нереально. Программа ThermoCalc хорошо себя
зарекомендовала при анализе фазового состава силуминов [11]. 
Среди атласов микроструктур следует выделить двухтомник по
промышленным алюминиевым сплавам [12, 13], в которых дается детальное описание формирования структуры в процессе кристаллизации. При этом используются некоторые многокомпонентные диаграммы состояния, в основном из справочника [2]. Однако весь материал этого издания относится к литым сплавам, что делает его неполФАЗОВЫЙ СОСТАВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

6

ным. Кроме того, все микроструктуры получены в световом оптическом микроскопе (ОМ), что во многих случаях не позволяет надежно
идентифицировать фазовый состав. Автором данной книги широко
использованы возможности электронной микроскопии (в основном
сканирующей – СЭМ), которая позволяет выявить гораздо больше
деталей по сравнению с ОМ. Структуры, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), также приводятся. 
В настоящей монографии обобщены результаты многолетних исследований автора в области алюминиевых сплавов (прежде всего, их
фазового состава), выполненных на кафедре металловедения цветных
металлов МИСиС. Они отражены в учебном пособии [10], научных
изданиях [5, 11, 14–17], статьях в ведущих отечественных и зарубежных журналах [18–74], сборниках международных конференций по
алюминиевым сплавам [75–89] и прочих многочисленных публикациях. 
В данной книге использовались сведения по алюминиевым сплавам, отраженные в основной справочной литературе [2, 90–100], а
также в последних публикациях в ведущих международных журналах,
в первую очередь издательства Elsevier (Acta Materialia, Scripta
Materelia, Journal of Material Science (A), CALPHAD и др.). 
Все сплавы классифицированы по 8 группам, и рассмотрены особенности фазового состава каждой из этих групп. Даны сведения по
тройным, четверным и пятерным диаграммам состояния, включая реакции кристаллизации с участием алюминиевого твердого раствора.
Для графического изображения фазовых равновесий в пятикомпонентных системах использован оригинальный авторский подход [5,
11, 42, 44, 57, 65, 66, 83]. Основное внимание уделено анализу фазового состава марочных алюминиевых сплавов, как российских
[101–104], так и американских [2, 5, 90]. 
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, которые работают с легкими сплавами, в частности алюминиевыми. Среди них –
руководители предприятий и работники заводских лабораторий, ответственные за качество продукции, профессорскопреподавательский состав вузов, научные работники отраслевых и академических
институтов, которые занимаются исследованиями в данной области.
Она также может быть полезной аспирантам и студентам старших
курсов при выполнении курсовых и дипломных работ, связанных с
алюминиевыми сплавами. Поскольку в книге собрана уникальная
подборка многокомпонентных диаграмм состояния (включая нигде
ранее не опубликованные), то она представляет также интерес и для
специалистов других областей, научная работа которых связана с фазовыми диаграммами.

Введение

7

Глава 1 
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ 
И ФАЗОВОГО СОСТАВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Общие сведения 

Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку (с
периодом a = 0,40496  нм при 20 °С), его температура плавления составляет 660,37 °С, а плотность – 2,699 г/см3 (при 20 °С). Значения
теплопроводности и электросопротивления составляют примерно 2/3
от соответствующих значений для меди. Основные физические свойства чистого алюминия и других важнейших металлов, по данным
[105], приведены в табл. 1.1.
С повышением температуры плотность алюминия снижается и
при температуре плавления составляет 2,550 г/см3 для твердой фазы и
2,368 г/см3 для расплава. С повышением температуры теплопроводность (λ) уменьшается. В частности, у алюминия чистотой 99,95 %
при 22 °С λ = 221,5 Вт (м ⋅ K), а при 647 °С λ = 184,5 Вт (м ⋅ K). Температурный коэффициент линейного расширения (α) алюминия возрастает с повышением температуры: α = 23,3 ⋅ 106 K–1 при 27 °С, α =
= 26,8 ⋅ 106 K–1 при 227 °С и α = 30,6 ⋅ 106 K–1 при 427 °С. 
Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью на
воздухе и во многих средах. По объему производства и потребления
(более 22 млн т в год) он является бесспорным лидером среди всех
цветных металлов. В РФ производится около 4 млн т, практически
все производство первичного алюминия (марки приведены в табл.
1.2) сосредоточено на заводах ОАО «РОСАЛ», которые в основном
располагаются в Сибири и на Урале (КрАЗ, БрАЗ, САЗ, НкАЗ и
др.). 
По назначению промышленные сплавы подразделяют на литейные и деформируемые, составы которых приведены в приложениях 1
и 2 соответственно. Литейные сплавы предназначены для получения
фасонных отливок, область их составов схематически показана на
рис. 1.1, а. Они должны обладать хорошими литейными свойствами:
высокой жидкотекучестью и малой склонностью к образованию рассеянных усадочных пустот и кристаллизационных трещин. Из дефор8

мируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прокатке, прессованию, штамповке, ковке и др.),
получая различные полуфабрикаты (плиты, листы, прутки, трубы и
др.). Область составов большинства промышленных деформируемых
сплавов простирается от алюминия до точки а (рис. 1.1, а). Однако, по
мнению автора, новые деформируемые сплавы с улучшенным комплексом эксплуатационных и технологических свойств целесообразно создавать и на основе эвтектик.
В настоящее время в России действует единая система обозначений
стандартных литейных сплавов (не только алюминиевых), которая содержит буквы (русские) основных легирующих компонентов и их концентрации, что позволяет легко оценить средний состав сплава. Согласно ГОСТ 1583–93 [102], марка литейного алюминиевого сплава
начинается с буквы А, за которой следуют буквы, обозначающие легирующий элемент: К – Si, M – Cu, Mг – Mg, Ц – Zn, H – Ni, Кд – Cd.

Глава 1. Общая характеристика структуры и фазового состава ...

9

Свойство 1
Al
Fe
Cu
Mg
Ti

Кристаллическая решетка
ГЦК
ОЦК
ГЦК
ГП
ГП

Температура плавления, °С
660,37
1539
1083
650
1652

Полиморфные
превращения2, °С
–
911 (ГЦК)
1392 (ОЦК)

–
–
882,5(ОЦК)

Температура кипения, °С
2494
2872
2595
1107
3000

Плотность, г/см3
2,698
7,86
8,9
1,738
4,5

Коэффициент
термического расширения,
106⋅K–1

23,5
12,1
17,0
26,0
8,9

Удельное
электросопротивление,
108, Ом⋅м

2,67
10,1
1,69
4,2
54

Теплопроводность,
Вт⋅м–1⋅K–1
238
78,2
397
156
21,6

Теплота плавления, Дж⋅г–1
405
272
205
293
358

Теплота испарения,
кДж⋅г–1
10,8
6,1
6,3
5,7
9,0

Теплоемкость, кДж⋅кг–1⋅K–1
0,90
0,456
0,39
1,03
0,54

Модуль упругости, ГПа
70
220
132
44
112

1 При комнатной температуре.
2 При нагреве.

Таблица 1.1. Физические свойства чистых металлов 

Цифры после обозначения элемента указывают среднее его содержание. Если концентрация элемента не превышает 1,5 %, то после его
обозначения цифры не проставляют. Кроме того, многие марки содержат буквы «ч» и «пч», которые определяют чистоту по примесям, а некоторые – также «л» для отличия от деформируемых сплавов, имеющих
такую же маркировку (например, АМг6л и АК8л). Однако при этом
следует иметь в виду, что отсутствие букв «ч» и «пч» не всегда означает
высокое содержание примесей. Например, сплав АК8л допускает в два
раза меньшее содержание железа, чем сплав АК7ч. Старая система обозначений, использовавшаяся в СССР (АЛ, ВАЛ), была беспорядочной
(например, АЛ7 – система Al–Cu, АЛ8 – система Al–Mg; АЛ9 – система Al–Si) и поэтому здесь не рассматривается. Следует также отметить,
что составы некоторых отечественных поршневых силуминов приведены в отдельном стандарте: ГОСТ 30620–98 [103].

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

10

Концентрация, %1
Марка

Fe
Si
Cu
Zn
Ti
Остальное
Всего

примесей

Высокой чистоты

А995
0,0015
0,0015
0,001
0,001
0,001
0,001
0,005
99,995

А99
0,003
0,003
0,002
0,003
0,002
0,001
0,01
99,99

А98
0,006
0,006
0,002
0,003
0,002
0,001
0,01
99,98

А97
0,015
0,015
0,005
0,003
0,002
0,002
0,03
99,97

А95
0,03
0,03
0,015
0,005
0,002
0,005
0,05
99,95

Технической чистоты

А85
0,08
0,06
0,01
0,02
0,01
0,02
0,15
99,85

А8
0,12
0,10
0,01
0,04
0,02
0,02
0,20
99,80

А7
0,16
0,15
0,01
0,04
0,02
0,02
0,30
99,70

А7Е
0,2
0,08
0,01
0,04
0,02
0,02
0,30
99,70

А7Э
0,2
0,1
0,01
0,03
0,02
0,03
0,30
99,70

А6
0,25
0,18
0,01
0,06
0,03
0,03
0,30
99,60

A5E
0,35
0,1
0,02
0,05
0,01
0,02
0,20
99,50

А5
0,30
0,25
0,02
0,06
0,03
0,03
0,30
99,50

A35
0,65 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,35

A0
0,95 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,00

1 Здесь и далее по массе, если иное не указано.

Таблица 1.2.
Химический состав стандартных марок первичного
алюминия, производимого в России (ГОСТ 11069–2001)

Al,
не менее