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鋁合金

鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，20世紀初由德國人阿爾弗雷德·威爾姆（英語：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（英語：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[1]，還有美國材料試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）。

工程用途

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電子顯微鏡下的鉍鋁合金
 
鋁合金鍛造物
 
鋁合金飾品
 
鋁-金二元合金的相圖
 
1938年，法國學者紀尼埃(A.Guinier)闡明了鋁合金時效硬化是由溶質原子形成的富集區(G.P.區)所致。

概要

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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[2]。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裏。

彈性度

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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，似乎有着巨大的吸引力。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。[3]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。

熱敏度

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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，沿着鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏着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。

奈米化

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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，在鋁裏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裏長出來的新構想，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打印且成品有接近鍛造的性質，航天潛力巨大。[4]

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。


家庭配線

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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：

  • 鋁巨大的熱膨脹系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（隨着溫度的上升），再次造成短路。
  • 電偶腐蝕（英語：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"，現在則是印着"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。

合金分類

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鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。

變形鋁合金牌號使用四位數字表示，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。

鍛造用合金

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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，是常用的航天合金，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，強度較高。
  • 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。

鍛造用鋁合金元素含量

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（重量百分比）

代號 矽 鐵 銅 錳 鎂 鉻 鋅 釩 鈦 鋇 鎵 鉛 鋯 其他 鋁
每種 總和
1060 0.25 0.35 0.05 0.03 0.03 0.03 0.05 0.05 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 最少99.6
1100 0.95 Si+Fe 0.05-0.20 0.05 0.10 0.05 0.15 最少99.0
2014 0.50-1.2 0.7 3.9-5.0 0.40-1.2 0.20-0.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
2024 0.50 0.50 3.8-4.9 0.30-0.9 1.2-1.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
2219 0.2 0.30 5.8-6.8 0.20-0.40 0.02 0.10 0.05-0.15 0.02-0.10 0.10-0.25 0.05 0.15 剩餘的
3003 0.6 0.7 0.05-0.20 1.0-1.5 0.10 0.05 0.15 剩餘的
3004 0.30 0.7 0.25 1.0-1.5 0.8-1.3 0.25 0.05 0.15 剩餘的
3102 0.40 0.7 0.10 0.05-0.40 0.30 0.10 0.05 0.15 剩餘的
5052 0.25 0.40 0.10 0.10 2.2-2.8 0.15-0.35 0.10 0.05 0.15 剩餘的
5083 0.40 0.40 0.10 0.40-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
5086 0.40 0.50 0.10 0.20-0.7 3.5-4.5 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
5154 0.25 0.40 0.10 0.10 3.1-3.9 0.15-0.35 0.20 0.20 0.05 0.15 剩餘的
5454 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
5456 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6005 0.6-0.9 0.35 0.10 0.10 0.40-0.6 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6005A† 0.50-0.9 0.35 0.30 0.50 0.40-0.7 0.30 0.20 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6060 0.30-0.6 0.10-0.30 0.10 0.10 0.35-0.6 0.5 0.15 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6061 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
6063 0.20-0.6 0.35 0.10 0.10 0.45-0.9 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6066 0.9-1.8 0.50 0.7-1.2 0.6-1.1 0.8-1.4 0.40 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6070 1.0-1.7 0.50 0.15-0.40 0.40-1.0 0.50-1.2 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
6082 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-1.0 0.60-1.2 0.25 0.20 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6105 0.6-1.0 0.35 0.10 0.10 0.45-0.8 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6162 0.40-0.8 0.50 0.20 0.10 0.7-1.1 0.10 0.25 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6262 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.14 0.25 0.15 0.40-0.7 0.40-0.7 0.05 0.15 剩餘的
6351 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-0.8 0.40-0.8 0.20 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6463 0.20-0.6 0.15 0.20 0.05 0.45-0.9 0.05 0.05 0.15 剩餘的
7005 0.35 0.40 0.10 0.20-0.7 1.0-1.8 0.06-0.20 4.0-5.0 0.01-0.06 0.08-0.20 0.05 0.15 剩餘的
7072 0.7 Si+Fe 0.10 0.10 0.10 0.8-1.3 0.05 0.15 剩餘的
7075 0.40 0.50 1.2-2.0 0.30 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.20 0.05 0.15 剩餘的
7116 0.15 0.30 0.50-1.1 0.05 0.8-1.4 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩餘的
7129 0.15 0.30 0.50-0.9 0.10 1.3-2.0 0.10 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩餘的
7178 0.40 0.50 1.6-2.4 0.30 2.4-3.1 0.18-0.28 6.3-7.3 0.20 0.05 0.15 剩餘的
†錳加鉻必須介於0.12-0.50%

「其他」限制適用於所有的元素，無論是表格中有或沒有。

鑄造用鋁合金

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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[5]。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

命名合金

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用途概要

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常用航天航空合金

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這些鋁合金，被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史。[6]

其他航天合金

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這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航天上的鋁合金。

航海合金

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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。[7]

易拉罐合金

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這些合金大量應用於易拉罐，包括啤酒、汽水飲料、食品等易拉罐包裝。

建築裝飾用合金

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這些合金大量應用於建築幕牆裝飾中

註解

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  1. ^ SAE Aluminium specifications list （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2006-09-27., accessed Oct 8, 2006.
  2. ^ R.E. Sanders, Technology Innovation in Aluminium Products, The Journal of The Minerals, 53(2):21–25, 2001. Online ed. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  3. ^ 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.
  4. ^ 奈米陶瓷顆粒引入到鋁合金. [2017-08-08]. （原始內容存檔於2021-03-16）. 
  5. ^ I. J. Polmear, Light Alloys, Arnold, 1995
  6. ^ Fundamentals of Flight, Shevell, Richard S., 1989, Englewood Cliffs, Prentice Hall, ISBN 0-13-339060-8, Ch 18, pp 373-386.
  7. ^ Boatbuilding with Aluminum, Stephen F. Pollard, 1993, International Marine, ISBN 0-07-050426-1
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