# [工材]第十六週筆記
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此為105-1的修改版
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[105-1 第十五週筆記](https://hackmd.io/s/r1eNFqyHg)

鋁及鋁合金
* 純鋁：alumite(陽極處理)
* 鋁合金的種類：
* 鍛造用、鑄造用
* 非熱處理型、熱處理型
* 鋁合金之命名法
* 鋁合金之熱處理
* 固溶化處理、時效
* 以Al-Cu為例：過飽和$\alpha->GP[I]->GP[II] (\theta'')->\theta'->\theta$
* 時效硬化（應變硬化）
* 鑄造用鋁合金：
* Al-Si合金：Silumin(普通組織、改良合金)
* Al-Si-Mg合金：356、A356之鋁鋼圈
* 鍛造用鋁合金：Al-Mn, Al-Mg等(易開罐)
* AL-Cu-Mg：杜拉鋁(2017)、超級杜拉鋁(2024)($\theta$、$Mg_{2}Si_{}$、$Al_{2}CuMg$)
* Al-Zn-Mg：特超級杜拉鋁(7075)($MgZn_{2}$)
* Al-Mg-Si：擠製材(6XXX)
* 鋁夾板(Alclad)

# 鋁及鋁合金
輕金屬常用的大概有3種：$Ti$(4.7), $Al$(2.7), $Mg$(1.7)。

常常用在輕量化上面，比如說飛機，機翼面積增大有助於升力，但是又不能太重，這時候就會用到鋁了。



> 對於一般的酸還行，但是對鹽酸不行。對鹼也不行(高中有背過嘛)。另外，純度越好的，強度會越低，對機械工程越不利。


> 這就是「陽極處理」。不是只有純鋁，所有的鋁合金都要經過陽極處理再拿來賣。

再來看看物理性質：



電阻很低。雖然沒有銅那麼低，但是把截面積加大就可以抵消這個壞處。不過抗拉強度很低，所以需要額外的手段強化。

種類：


非熱處理型比如說用來做鋁罐的鋁，做出來之後就是直接拿去沖壓，頂多就是退火一下。

鍛造用都是四碼。

鍛造用：2XXX做航太用途、6XXX用來擠製，比如說黑板的把手。


## 鋁合金的熱處理

### 鋁合金平衡圖之特性


### 固溶化處理

把銅含量 < 5.7%的合金加熱至500多度左右，然後冷卻。這時候會有兩種狀況：

* 在慢冷之下，會得到$\theta$(就是$CuAl_{2}$)相跟$\alpha相$
* 如果是直接淬火，這樣就不會有時間給二次晶出現，而是變成過飽和的固溶體。

第一個過程出來的東西是這樣：


是個「正方晶」。可以發現這裡面的$\theta$相根本就像雜質，所以他的強度很低一點也不EY。

第二個過程出來的東西長這樣：


如果把上面兩種方法的強度畫出來，會得到這樣的結果：


> 然後就發現明明只要畫兩條，為什麼上面會有第三條，而且硬度還更高？那一條其實是接下來要講的時效硬化，不過我懶得把他去掉，所以只好讓他破梗吧～

可以知道「固溶」確實會讓東西變硬：


### 時效(aging), 時效硬化(aging hardening)

可是剛剛都破梗知道有更硬的東西了，所以就知道固溶之外，應該還會有更優化的做法。答案也確實是這樣。

稍微想一下，從第一個變成第二個的過程中，會經過這個狀態：


其實這個就是要成為第一條曲線的中間狀態，跟第一條曲線不一樣的是他的原子中到處都是扭曲，所以能夠有效阻擋插排，強度就變高了。

另外可以發現，這個東西因為晶格中間應該會有很大的硬力，因為扭曲的很厲害；但是又不像第一種狀態，完全分離成兩相。所以這個東西的硬度應該會比上面兩個都高。這就是第三條曲線的由來：


<!--
!--
、、雖然固溶化處理硬度使合金顯著的提升，但「過飽和」並不是一個穩定的相。所以就要一些特殊的處理來讓他比較安定，於是就想到可以用類似退火的過程。不過，如果退火時間太長，就會完全變成$\alpha$與$\theta$相，硬度就不會提升了。所以要在完全分離成$\theta$跟$\alpha$之前就停止。
-->

所以要得到最優硬度的方法既不是完全讓他分離成兩相，也不是完全產生過飽和固溶，而是要++得到兩個極端中間的狀態，然後讓他保持在這個狀態++。這就是++時效硬化++的精神！

### 時效硬化的原因

要知道怎麼讓這件事發生，先要知道過飽和固溶體完全析出，變成$\alpha + \theta$態的過程是怎樣，這樣才知道要在那個階段叫他停嘛。

整個過程如下：

$$過飽和固溶體->GP[I] zone->GP[II] zone->\theta'->\theta$$

而每個階段相關的說明在下面：







(恭喜看完。我好懶得打)

剛剛說過：從過飽和固溶體到完全分離兩項的過程中，會產生硬度比較高的中間狀態。如果讓合金保持在這種硬度比較高的狀態，就可以讓硬度提升。

至於那個「中間狀態」到底是上面哪一個階段呢？答案是++GP[II]++。那為什麼GP[II]可以有這種效果？這就跟++晶格尺寸++有關係了：


在GP[II]的時候，兩個相的晶格尺寸分別是：

* $\theta''$相：4X4X7.8
* $\alpha$相：4X4X4，

這++兩者在彼此稍微變形一點點的狀況下，剛好可以對齊(叫做「整合性(coherence)」)++，而且用x光線繞射法觀察只有FCC結構（看不出 $\theta''$相與$\alpha$相的區別）。在這個過程中，晶格就會產生很大的應力，所以就會變硬(就是剛剛的(b)圖)。

一直到了$\theta'$相時，就在就只有底面可以對齊，所以就失去了部分的應變硬化能力，所以就變軟了。

所以現在我們知道要怎麼得到最優的硬度了：++在過飽和鋁完全析出之前，經過GP[II] zone的時候，把他冷卻下去，讓鋁合金保留在GP[II]狀態，這樣因為「整合性」產生的「應變硬化」就會讓硬度最高++。

這個就是鋁合金的「時效硬化」。接下來各種合金大多都是用這個原理去強化。

## 鑄造用鋁合金




注意質別！

大部分是T6（溶解處理後人工時效）, T7（溶解處理後溶解處理後人工時效安定化處理）。

安定化處理：一般是加熱到250^o^C（比人工時效溫度高or時間長）

這邊吳有特別提到：

* $Al-Si-Mg$合金：356、A356之鋁鋼圈

### Al-Si合金：Silumin


因為++矽的固溶量很小，所以Al-Si系的不會做時效硬化++。因為都不會固溶，所以出來之後的組織像這樣：


所以這個東西很脆。所以需要一些改良（就像球狀石墨那樣）：


最後就會得到如下的結構：


彼此之間物理性質的比較：


### 壓鑄用鋁合金


## 鍛造用鋁合金

### 不需要熱處理

比如說像易開罐這種用途，打一下就成形，頂多拿去做個退火。常用的有：

* Al-Mn：易開罐，5XXX
* Al-Mg：易開罐，5XXX
* Al-Mg-Si：擠製材(6XXX)

### 需要熱處理

代表性就是杜拉鋁、超級杜拉鋁、特超級杜拉鋁等等

* Al-Cu-Mg：杜拉鋁(2017)/超級杜拉鋁(2024)



杜拉鋁時效硬化時一般會有CuAl~2~，另一個主要的析出物依含矽量之多少為MgSi（多矽）、Al~2~CuMg（少矽）。例子：前者2014，後者2024。

* Al-Zn-Mg：特超級杜拉鋁(7075) ⋯⋯析出 MgZn~2~


- 合板 Alclad
因為上面提到的高強度鍛造用鋁合金，都含有銅。所以為了耐蝕，會把純鋁、耐蝕鍛造用鋁合金（像是AL-Mn, Al-Mg系），密合在杜拉鋁表面，做成夾板。

參考資料：
https://imgur.com/NBl2lgp