1．我有一個問題
在機械設計中，我們經常用到鋁合金。
比如，6061-T6和7075-T651就是使用最多的兩種鋁合金。
因為它們有很好的重量強度比，也就是說它們重量輕，而強度也不錯，所以深受歡迎，特別是對於重量比較敏感的地方，比如高速運動平臺，飛機結構，自行車架等。
那麼問題來了，6061-T6和7075-T651，具體有什麼區別？6xxx和7xxx的含義是什麼？T6和T651又表示什麼意思？
說到這裡，不得不說起鋁合金的分類及其命名方法。
2．鋁合金的分類
（1）鍛造和鑄造鋁合金
我們知道，鋁合金是以鋁為基礎元素，並添加了一種或二種主要合金元素，有金屬特性的合金。
在大多數鋁合金中，鋁含量為90%－96%，合金元素包括銅，鋅，錳，鎂，矽等。
根據製作工藝類型，鋁合金可以分為鍛造鋁合金和鑄造鋁合金。
鍛造鋁合金，是以錠或方坯形式生產，隨後通過多種工藝，例如軋制，擠壓，變形，拉拔等工藝生產出的，終端用戶可以加工成零件的合金。
鑄造鋁合金，就是通過鑄造的方法，製作的鑄錠合金。
鍛造鋁合金和鑄造鋁合金
鑄造鋁合金的合金成分大於10%，而鍛造鋁合金的合金元素不超過4%。
因為合金元素含量越多，延展性就越低，不利於後期加工。
所以在實際工程中，多數情況都是使用鍛造鋁合金，比如常用的6061，7075，5083，1100，甚至AL-Li8090-T8771等，就是鍛造鋁合金。
（2）可熱處理鋁合金和不可熱處理鋁合金
根據是否可以熱處理，鋁合金又可以分為可熱處理鋁合金，和不可熱處理鋁合金。
可熱處理鋁合金，是在固溶熱處理以及時效過程中，其主要合金元素（及部分次要合金元素），可以提供顯著的固溶和沉澱硬化作用，從而可以提高強度和硬度的合金。
這裡涉及到幾個概念，比如固溶熱處理，時效。
關於合金的強化，後續還會牽扯一些概念，比如冷加工，應變硬化等，我就在這裡一起把這幾個概念說了吧，省得到處找。
冷加工（Cold Working）：金屬在一定的溫度和速率下發生塑性變形，實現應變硬化。
例如通過滾壓，拉拔等塑性變形，來提高其強度。
其原理是，冷加工使得微觀結構中形成位錯和空位，抑制了原子之間的相對運動，從而合金的強度得以提高。
應變硬化（Strain Hardening）：通過冷加工對金屬結構進行改性，從而使得強度和硬度增加，而延展性下降。可參考這篇文章中的圖4，來理解應變硬化。
固溶熱處理（Solution Treatment）：一種熱處理方法，包括將產品加熱到合適的溫度，並在該溫度下保持足夠長的時間，以允許溶質進入固體溶液，然後迅速冷卻，以將溶質保持在固體溶液中。
對於鋁合金，固溶熱處理，就是將合金加熱至高溫440℃-530℃（具體溫度跟合金元素有關），目的是使合金元素溶於鋁中，這時材料會變軟。隨後通常在水中極速冷卻（淬火），以保持合金中溶質元素的分布。
時效（Ageing）：固溶熱處理後，溶質原子在室溫下又結合（沉澱）在一起，這叫自然時效。如果是在低溫熔爐中，溶質原子結合得更快，這叫人工時效。所以，時效其實就是提供了更精細的原子沉澱，所以可以提高強度。
對於鋁合金，時效是指從過飽固體溶液中，析出一部分合金元素或者化合物，以產生所需的機械性能。
固溶熱處理並淬火後，材料比較軟，這個時候很適合做拉伸，來強化材料。
如果淬火後，放置在空氣中自然時效，材料會變得越來越硬，只是這個變化非常緩慢，有的合金甚至幾年後才變成最硬的狀態。
而如果淬火後，立刻進行人工時效，也就是把材料又加熱至100-200°C，並保溫一段時間，那麼材料會因為沉澱出硬化的化合物，而變得堅硬，強度也會大大提高。
不同的時效溫度對6160鋁合金強度和硬度的影響：從圖中可以看出，較高的溫度，可以更快地使合金達到其最高強度。但是溫度越高，最後獲得的強度，不如低溫下獲得的高。
在時效過程中，溫度和時間的把握非常重要，高溫且過長的時效時間，會形成較大的沉澱元素，沉澱硬化效果大大降低。
相反，過低的時效溫度，會消耗過多的沉澱時間，才能產生好的強化效果，時間長就意味著效率低了，成本高了。
退火（Annealing）：加熱並緩慢冷卻，消除內應力，提高韌性。
回火（Temper）：淬火後再次加熱，回火英語是Temper，Temper有發脾氣的意思，平時火氣不大，發脾氣時火就大了，可以理解為發脾氣時，火就回來了，所以Temper叫回火（僅為方便記憶）。
好了，解釋了一堆概念，這下我們可以繼續往下說了。
不可熱處理鋁合金，在固溶熱處理以及時效過程中，其主要合金元素，不能提供顯著的固溶和沉澱硬化作用，所以只能通過應變硬化，例如冷軋或拉絲等冷加工方法，來提高其強度。
比如1，3，5類鍛造鋁合金，是不可熱處理鋁合金，而2，6，7類則可以熱處理。
可熱處理及不可熱處理鍛造鋁合金
對於鑄造鋁合金，1，4，5類不可熱處理，而2，3，7，8類可以熱處理。
不可熱處理鋁合金，只能通過加工硬化（Work Hardening），例如滾壓，拉拔等，來提高其強度。
因為冷加工使得結構中形成位錯和空位，抑制原子之間的相對運動，所以提高了合金的強度。
可熱處理鋁合金，能夠通過熱處理，也可以通過加工硬化，來提高其強度。
也就是說，是否能夠熱處理，決定了鋁合金的強化方式。
3．鋁合金的表示方法
鋁合金由四位數字加一些符號來表示，比如5083-H112，7075-T73等。
在表示方法上，鍛造鋁合金和鑄造鋁合金區別也很明顯。
鑄造鋁合金前4位數中有小數點，而鍛造鋁合金中沒有小數點。
例如，1xxx，3xxx，5xxx，7xxx等表示鍛造鋁合金，而1xx.x，3xx.x，5xx.x，7xx.x等表示鑄造鋁合金。
因為實際工程中以鍛造鋁合金居多，所以接下來，我主要集中在鍛造鋁合金來說。
第一位數字表示鋁合金的類型，由1-9組成，不同的數字表示不同的合金成分。
第2個數字表示合金成分的改型，0表示原始成分，1表示第一次改型，2表示第二次改型，依次類推，表示不同的合金元素含量的差異。例如7075表示鋁－鋅原始合金， 7175和7475表示鋁－鋅改型合金，7175和7475是7075的改型牌號。
第3和第4位數字，表示該合金系列中的特定合金。這些數字的值沒有特別的意義。
如果用一張圖來表示鍛造鋁合金的話，就是下面這張。
（話說，我花了好多功夫畫這張圖，你不點個讚，或者留個言再走嗎）
1xxx系列
1類鋁合金其實並不是真正的鋁合金，因為它的鋁含量是99%，屬於商業純鋁。
機械方面，這類合金有很好的延展性，比如1100常用來做鈑金，還有常見的藥品和食物鋁箔包裝，也是用1類合金。
另外，1類合金有很好的抗腐蝕性，加工性，並且可以通過加工硬化來提高其強度。
這類合金，因為有出色的導電性，導熱性，所以廣泛應用於電力輸送領域。
2xxx系列
2類合金的主要合金元素是銅，還含有少量的鎂。
因為銅在高溫時可以溶解於鋁中，所以此類合金對固溶強化會有反應，稱為可熱處理鋁合金。
經過熱處理後，它可以擁有很好的強度，可與低碳鋼媲美。
當然，因為含銅，所以也更易於腐蝕。
2024是典型的，使用最廣泛的2類鋁合金。
3xxx系列
3類鋁合金的主要合金元素是錳。
此類合金具有中等強度，具有出色的加工性能。
比如，該等級中的3003鋁合金，因為有很好的可加工性，常用於散熱裝置。
再如3004鋁合金，延展性和加工性好，常用於製造易拉罐。
4xxx系列
4類鋁合金的主要合金元素是矽。
矽的加入可以降低熔點，但不影響延展性，所以，這類合金通常用作焊絲，用來連接其他的鋁。
另外，因為4系列合金的氧化層，在美學上令人賞心悅目，所以也通常使用於建築中。最有代表性的是4047，它有很好的導熱，導電和抗腐蝕性能等。
此類合金通常是不能熱處理的，但是根據矽的含量，和其他合金元素的成分，有些又可以進行一定程度的熱處理。
5xxx系列
5xxx系列合金的主要元素是鎂，在特定合金中，還含有少量的錳。
這類合金可應變硬化，易於焊接，並且具有極好的抗腐蝕性，所以可用於海洋環境，像船體，舷梯和其他海洋設備。
比如5052合金，具有良好的耐海水腐蝕性，和出色的可加工性，常用於海洋船隻，而5083則可用於坦克戰機，5005常用於建築結構等。
6xxx系列
6系列鋁合金的主要合金元素是鎂和矽，在固溶熱處理時，它們將會合成Mg2Si。
此類合金可以通過熱處理提高強度，雖然沒有2xxx和7xxx系列鋁合金的強度高，但是它融合了良好的強度，可加工性，焊接性，成型性及抗腐蝕性。
通過擠壓成型的6系列合金，是機械及建築結構領域的第一選擇。
比如，6061鋁合金，是可熱處理鋁合金中最靈活的，它同時保留了大多數鋁的出色特性，所以它也是我們在設計中，使用最頻繁的鋁合金。該牌號具有廣泛的機械性能和耐腐蝕性，在退火條件下具有優異的可加工性，可以使用常規方法加工，而且它還可以進行焊接。
7xxx類鋁合金
7類鋁合金的主要合金元素是鋅，通常還有一定量的銅和鎂。
因為使用了鋅，所以此類合金是所有鍛造合金中最堅固的，其強度甚至可以超過某些鋼。
正因為如此，所以7類合金常用於飛機工業中。雖然鋅的添加也會降低其可加工性，但是其出色的強度彌補了這些缺點。
比如7075鋁合金，因為它具有出色的重量強度比，是高應力零件的理想選擇。並且可以根據需要，進行成型加工，熱處理等操作。
8xxx系列鋁合金
8類鋁合金使用不常用的元素作為其合金元素，例如鋰，錫，或鐵等。
此類合金一般用於有特定要求的場合，例如高溫性能，較低的密度，較高的剛度等要求。
比如鋁鋰合金8090-T8771，用於高速轉動的，低轉動慣量高剛性的大轉盤。
8類合金也通常用於直升機部件，和其他航空航天應用中。
4．鋁合金的回火處理
鋁合金組別，用四位數字表示，不同的數字表示不同的合金成分。
比如，2類合金的主要合金元素是銅，6類鋁合金的主要合金元素是鎂和矽，7類鋁合金的主要元素是鋅。
而鋁合金的熱處理用大寫字母和數字來表示。
大寫字母，例如F，O，H， W，T等，表示不同的熱處理類型。
比如6061-T6：表示該鋁合金屬於第6類鋁合金，即鋁－鎂－矽鋁合金，並進行了固溶熱處理，以及人工時效：T6。
再比如，7075-T651，基本回火為T6，表示固溶熱處理，淬火，然後人工時效，5表示經過了應力釋放，1表示應力釋放的拉伸量為0.5-2%。
不同字母的具體含義如下：
F＝As Fabricated，表示通過成型工藝方法製作的產品。
用於對於應變硬化和熱處理沒有特別要求，僅在成型過程中獲得一些回火，對機械性能沒有限定的合金。
例如通過軋制，擠壓，鍛造，拉拔或鑄造等工藝方法，製造的鍛造或鑄造合金產品，這些工藝在加工或應變硬化過程中，對熱條件沒有特殊控制。
比如，2014-F表示2014鋁合金的加工產品形式，加工工藝可以是軋制，擠壓，鍛造，或這些工藝的組合。
O：退火（Annealed）
退火的主要目的是提高可加工性，韌性，以及延展性，並使得鋁合金擁有最低強度的狀態。
例如5083-O表示5083的任意產品形式，其最近的處理是加熱到高溫345°C，然後自然冷卻到室溫。
H：應變硬化（Strain Hardened）
對於不可熱處理的鋁合金，通常通過常溫下應變硬化的方式，來提高其強度。
H後面通常會有2，3個符號，用來表示冷加工量，及隨後的熱處理。
比如H後面的第一個數，H1表示僅應變硬化，H2表示應變硬化和部分退火。H3表示應變硬化，然後進行熱穩定處理，H4表示應變硬化及噴漆。
H1－H4的具體含義如下。
H1：無熱處理過程，僅通過應變硬化來提高強度，這個代號後面的數值表示硬化程度。
H2: 應變硬化並部分退火。用於：進行了超額的應變硬化，然後通過部分退火，降低強度至需要水平的產品。H2後面的數字表示退火後剩下的應變硬化量。
H3: 應變硬化並低溫穩定化。用於先通過應變硬化，然後使用低溫穩定化，來降低強度，提高延展性的產品。此符號後面的數字，表示應變硬化並低溫穩定化後，剩餘的硬化量。
H後面的第二個數，例如H1X中的X，表示合金的實際應變硬化量。
再如H2X中的X，表示金屬在超過所需的冷加工量，並進行部分退火後，剩餘的有效冷加工量。
而H3X中的X，在冷加工和溫度穩定化處理之後，剩餘的有效冷加工。
H4X中的X，表示在冷加工和後續的成型，噴漆過程中涉及的熱暴露之後，剩餘的有效冷加工。
如上所說，H後面的第二個數字，表示應變硬化的程度，如果HX（X=1，2，3，4）後面跟了如下的數字，那麼它的具體含義如下：
2: 1/4硬化量。
4: 1/2硬化量。
6: 3/4硬化量。
8: 全硬化量。
9: 超額硬化量。
總之，H後面的第二個數表示剩餘的冷加工量。
H後面的第三位數，比如HXX1，是兩位數回火的變種，它用來表示機械性能或者精加工的控制，但是這種差異通常並不大。
比如，H111表示退火後，在拉伸中進行輕微應變硬化，通常應用於必須在退火後進行矯直，以達到直線度公差的擠壓型材。
H112用於通過高溫成型工藝，獲得了少許的回火，並且對應變硬化量和熱處理量沒有特別的控制，但是對機械性能有一定要求的產品。
H111，H311及H321分別用於比H11，H31及H32硬化量要少些的合金。
W：固溶熱處理（Solution Heat Treated）
這是一種不穩定回火，僅應用於使用固溶熱處理後，又經曆室溫自然時效的合金。僅當指定自然時效周期時，才使用此符號。
T：熱處理（Thermal Treated，Heat Treated）
T表示熱處理，經過熱處理，來產生除了F，O或H之外的穩定回火。
T是熱處理合金中，使用最廣泛的符號，它可以用於任何可熱處理合金。
可熱處理合金在經過固溶熱處理後，通常會進行快速淬火，並輔以自然或人工時效。
T後面總是有一個或多個數字，用來定義後續不同的處理。
T1：高溫成型並冷卻後，自然時效至基本穩定狀態。
應用於高溫成型（例如澆鑄或擠壓）工藝後，按照足以提高強度的冷卻速度，進行的室溫時效處理產品。
適用於在高溫成型並冷卻後，未進行冷加工的產品，或冷加工，例如展平或拉直，對機械性能的影響不明顯的產品。
T2: 高溫成型並冷卻，然後進行冷加工，並自然時效至穩態。
T3: 固溶熱處理，然後進行冷加工，最後自然時效至穩定狀態。應用於通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強度的產品。
T4: 固溶熱處理，然後自然時效至穩定狀態。應用於固溶熱處理之後，未進行冷加工的產品，或者冷加工不能提高強度的產品。
T5：高溫成型並冷卻，然後人工時效。應用於高溫成型（例如澆鑄或擠壓）並冷卻後，進行人工時效，以提高機械強度和尺寸穩定性的產品。
T6: 固溶熱處理，然後人工時效。應用於固溶熱處理之後，不進行冷加工，或者冷加工不能提高強度的產品。
T7: 固溶熱處理，然後在熔爐中時效至穩態化。穩態化的目的是提高其抗拉強度。
T8: 固溶熱處理，然後冷加工硬化，最後人工時效處理。應用於通過冷加工，例如展平或者拉直，可以提高強度的產品。
T9: 固溶熱處理，然後人工時效硬化，最後冷加工提高強度。
T10：高溫成型冷卻後進行冷加工，然後人工時效實現沉澱硬化。
5.6061-T6和7075-T651的區別
OK，到這裡，我們對鋁合金系統有了一個全局的認識。
那麼現在，我們再來說說6061和7075，應該就比較容易理解了。
還是先上結果，再細說。
6061-T6：表示該鋁合金屬於第6類鋁合金，即鋁－鎂－矽鋁合金，並進行了固溶熱處理，以及人工時效處理：T6。
其中T6表示，該鋁合金使用了回火熱處理。
該熱處理分兩步，第一步加熱合金，第二步實效處理。
在第一步中，鋁合金被放入恆定溫度為527℃左右的溫度之中，並保持大約1小時，目的是讓鋁合金中的合金元素溶解，並均勻分布在鋁中。
之後取出，在冷水中快速淬火，淬火的目的是讓合金元素鎂和矽等，保留在固定位置。
因為如果將零件緩慢冷卻，通常會發生合金元素析出。
第二步，時效處理，就是將工件重新加熱到177℃，並保溫1-18小時（具體保溫時間，按照工件尺寸，形狀，應用等因素來確定）。
這一步的目的，是讓硬化元素Mg2Si沉澱析出，增強鋁合金的強度。
7075-T651：這是典型的7系列合金，也就是以鋅為主要合金元素的鋁合金。
它的熱處理類型和6061-T6雷同，基本回火為T6，表示固溶熱處理，然後淬火，最後人工時效，時效的強化元素是Mg和ZnAlCu2。
還有一點不同的是，5表示經過了拉伸來釋放應力，1表示應力釋放的拉伸量為0.5-2%。
看夠了沒？
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