Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов

Al

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ

ПРОМЫШЛЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Н.А. Белов

Н.А. Белов

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Н.А. Белов

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
ПРОМЫШЛЕННЫХ 
И ПЕРСПЕКТИВНЫХ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Монография

Москва
Издательский Дом МИСиС
2010

УДК 669.715
 
Б43

Издание подготовлено на кафедре технологии литейных процессов 
в рамках выполнения проекта НИТУ «МИСиС» «Разработка и внедрение 
инновационных литейных технологий и материалов на основе алюминия 
и магния и реализация программ технологического перевооружения литейных производств на предприятиях базовых отраслей промышленности РФ 
(в частности, авиастроения, автопрома, кабельной промышленности)»

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. Г.И. Эскин

Белов, Н. А. 
Б43  
Фа зо вый со став промышленных и перспективных алюми ни е вых спла вов : моногр. / Н. А. Белов. – М. : Из д. Дом 
МИСиС, 2010. –  511 c.
ISBN 978-5-87623-375-2

В мо но гра фии обоб ще ны ре зуль та ты мно го лет них ис сле до ва ний ав то ра 
в об ла с ти алю ми ни е вых спла вов (преж де все го, их фа зо во го со ста ва), выпол нен ных в МИ СиС. Ос нов ное вни ма ние в первых девяти главах уде ле но 
анализу фазового состава ма роч ных алюминиевых спла вов, как рос сийских, так и аме ри кан ских. Последние две главы посвящены сплавам нового 
поколения: высокопрочным никалинам и термостойким сплавам, легированным цирконием и скандием. Ко ли че ст вен ный ана лиз фа зо во го со ста ва 
вы пол нен с ис поль зо ва ни ем со вре мен ной про грам мы Thermo-Calc. 
Кни га рас счи та на на ши ро кий круг спе ци а ли с тов, ко то рые ра бо та ют с 
алю ми ни е вы ми спла ва ми. Сре ди них – ра бот ни ки промышленных предприятий, ответст вен ные за ка че ст во про дук ции, про фес сор ско-пре по да ватель ский со став ву зов, научные работники от рас ле вых и ака де ми че с ких 
ин сти ту тов, которые занимаются исследованиями в данной области. Может быть по лез на ас пи ран там и магистрантам при вы пол не нии диссертационных ра бот, свя зан ных с алю ми ни е вы ми спла ва ми. 

УДК 669.715

Белов Н.А., 2010
ISBN 978-5-87623-375-2
©

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................................ 
5

Глава 1. Общая характеристика структуры и фазового состава 
алюминиевых сплавов ............................................................................ 
8
1.1. Общие сведения .......................................................................... 
8
1.2. Легирующие элементы и примеси ............................................. 
12
1.3. Литая микроструктура ................................................................ 
24
1.4. Влияние термообработки и деформации на структуру............. 
29
1.5. Классификация промышленных алюминиевых сплавов 
по фазовому составу .............................................................  41

Глава 2. Нелегированный алюминий и низколегированные 
деформируемые сплавы системы Al–Fe–Si–Mn .................................. 
45
2.1. Общие особенности фазового состава....................................... 
46
2.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 
47
2.3. Нелегированный алюминий и сплавы типа АА8111 ................. 
58
2.4. Сплавы с марганцем типа АМц и АА8006 .................................. 
67

Глава 3. Силумины без меди .................................................................. 
77
3.1. Общие особенности фазового состава....................................... 
77
3.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 
83
3.3. Двойные силумины типа АК12 .................................................. 
90
3.4. Силумины с магнием типа АК7ч (АА356) .................................. 100

Глава 4. Силумины с медью ................................................................... 110
4.1. Общие особенности фазового состава....................................... 111
4.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 114
4.3. Доэвтектические силумины типа АК5М и АК9М2 .................. 125
4.4. Эвтектические и заэвтектические силумины типа АК12М2 
и АА390 ........................................................................................ 141

Глава 5. Поршневые силумины с никелем ............................................ 148
5.1. Общие особенности фазового состава....................................... 148
5.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 151
5.3. Эвтектические Ni-содержащие силумины ................................ 168
5.4. Заэвтектические поршневые силумины .................................... 175

Глава 6. Литейные и деформируемые сплавы с медью ......................... 180
6.1. Общие особенности фазового состава....................................... 181
6.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 184

6.3. Литейные сплавы типа АМ5 и деформируемые сплавы 
типа 1201 ..................................................................................... 208
6.4. Деформируемые сплавы типа Д16 (дуралюмины) .................... 219
6.5. Деформируемые сплавы типа АК8 и АК4-1 .............................. 226

Глава 7. Литейные и деформируемые магналии ................................... 233
7.1. Общие особенности фазового состава....................................... 234
7.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 237
7.3. Литейные магналии .................................................................... 246
7.4. Деформируемые магналии ......................................................... 255

Глава 8. Низколегированные деформируемые сплавы с Mg2Si ............ 263
8.1. Общие особенности фазового состава....................................... 264
8.2. Сплавы без меди ......................................................................... 268
8.3. Сплавы с малой добавкой меди ................................................. 278

Глава 9. Деформируемые сплавы с цинком и магнием ........................ 286
9.1. Общие особенности фазового состава....................................... 287
9.2. Основные диаграммы состояния ............................................... 290
9.3. Сплавы без меди ......................................................................... 301
9.4. Сплавы с медью .......................................................................... 306

Глава 10. Высокопрочные никалины..................................................... 318
10.1. Принципы конструирования высокопрочных никалинов ..... 318
10.2. Общие особенности фазового состава ..................................... 324
10.3. Никалин АЦ6Н4 на базе системы Al–Zn–Mg–Cu–Ni .......... 335
10.4. Безмедистый никалин АЦ7Мг3Н4 .......................................... 340
10.5. Экономнолегированный никалин АН7НЖ ............................ 357

Глава 11. Термостойкие сплавы с цирконием, упрочняемые 
без закалки .............................................................................................. 368
11.1. Принципы конструирования термостойких сплавов ............. 369
11.2. Особенности фазового состава сплавов системы Al–Zr–Sc ... 376
11.3. Особенности упрочнения сплавов системы Al–Zr–Sc 
наночастицами L12 ..................................................................... 388
11.4. Жаропрочные литейные никалины (АН4Мц2 и АН2ЖМц) .. 405
11.5. Термостойкие деформируемые сплавы 
(MN1, АЛТЭК, АЦр1Е) ............................................................. 422

Библиографический список ................................................................... 443

Приложение 1. Составы промышленных литейных алюминиевых 
сплавов по стандартам РФ И США ....................................................... 455
Приложение 2. Составы промышленных деформируемых 
алюминиевых сплавов по стандартам РФ и США ................................ 474
Приложение 3. Особенности изображения и анализа четверных 
диаграмм состояния ................................................................................ 504
Приложение 4. Особенности изображения и анализа 
пятикомпонентных диаграмм состояния .............................................. 508

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы на основе алюминия 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 относится 
к наиболее распространенным в природе элементам, занимая по 
содержанию в земной коре третье место (и первое среди металлов, 
превосходя по этому показателю медь в 800 раз). Уже сейчас он занимает прочное первое место по объему производства и потребления 
среди всех цветных металлов. Все это свидетельствует о хороших перспективах увеличения его производства и потребления.
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 содержит несколько 
легирующих элементов и примесей, что требует рассмотрения соответствующих диаграмм, как минимум трех- и 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 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 

5

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

6

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. Из-за сложности графических 
методов [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, 
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 Thermo-Calc. 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 Thermo-Calc 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 
неполным. 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 микроско
6

Введение

пии (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 в 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 Materilia, Scripta 
Materelia, Journal of Material Science (A), CALPHAD и др.).
Все сплавы классифицированы на 8 групп и рассмотрены особенности фазового состава каждой из этих групп. В унифицированном формате 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, 83, 65, 66]. 
Основное внимание в первых 9 главах уделено анализу фазового 
состава марочных алюминиевых сплавов, как российских [101–104], 
так и американских [2, 5, 90]. Последние 2 главы посвящены сплавам нового поколения: высокопрочным никалинам и термостойким 
сплавам, легированных цирконием. Особенности их фазового состава 
отражены в последних публикациях автора.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, которые работают с алюминиевыми сплавами. Среди них – работники промышленных предприятий, ответственные за качество продукции, профессорско-преподавательский состав вузов, научные работники отраслевых 
и академических институтов, которые занимаются исследованиями в 
данной области. Она также может быть полезной аспирантам и магистрантам при выполнении диссертационных работ, связанных с алюминиевыми сплавами.
Автор выражает благодарность Наталье Авксентьевой за обработку 
рисунков методом компьютерной графики.

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.

Таблица 1.1
Физические свойства чистых металлов 

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, К–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·К–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·К–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.

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

9

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⋅К), а при 647 °С λ = 184,5 Вт (м⋅К). 
Температурный коэффициент линейного расширения (α) алюминия 
возрастает с повышением температуры: α = 23,3 ⋅ 106 К–1 при 27 °С, 
α = 26,8 ⋅ 106 К–1 при 227 °С и α = 30,6 ⋅ 106 К–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 ОК «РУСАЛ», которые в основном располагаются в Сибири и на Урале (КрАЗ, БрАЗ, САЗ, НкАЗ и др.).

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

Марка
Концентрация, %1

Fe
Si
Cu
Zn
Ti
Осталь ное
Всего 
примесей
Al, не 
менее
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.