铝使用不当,有几率会使些问题。尤其是在对比铁或钢后,觉得铝有“更好的表现”的那些直觉行事的设计师,机械师,或技术员。跟铁或钢相比,相同大小的铝重量只有铁或钢的三分之一,似乎有着非常大的吸引力。但一定要注意到,刚性同时也减少了三分之二。因此,直接更换一个铁或钢铁的零件,并施加可接受的力量,虽然不会造成破坏,但是铝的弹性会造成零件三倍以上的挠度。
锻造用和铸造用铝合金使用不相同的命名系统。锻造用铝合金使用四位数号码,其中包含了合金成份所占的比例。破折号后的4位数号码代表热处理的类型,例如“6061-T6”。铸造用铝合金使用4至5位数号码与一个小数点。在百位数的数字代表合金元素,小数点用来辨认是铸件或是铝锭。
国际合金命名系统(International Alloy Designation System)被广泛接受命名锻造合金。每个合金是由于四位数号码,其中第一位数为主要合金元素。
铝合金的强度和耐久性差别很大,不仅组成合金元素的差别,也由于制作的完整过程的差异。这种可变性加上经验曲线的使用,使铝时常获得了坏名声。举例来说,70年代早期许多设计不良的铝自行车框架高频率的损坏后,伤害了铝的声誉。然而,铝零件广泛的使用在航空器和高性能的汽车行业,放大来讲是禁得起极微小的失败率,同时也说明了自行车零组件没有不可靠的问题。时间和经验证明了铝依旧是可靠的。
如果失败是不是一个问题,但过度的弹性是不可取的。尤其在要求精度或者有效率传输的地方。随意的将钢管更换为同样大小的铝管将造成某些特定的程度弯曲。例如,用相同的尺寸的铝管取代钢管的自行车框架,增加弹性的操作下,负荷所造成的不同心度将会吸收运行的力量。为增加刚性增加管壁的厚度,造成重量增加,也丧失了弹性与重量比的优势。
铝过热的时候受到内部压力和拉力,这些压力往往会导致延迟的扭曲。举例来说,常见的有翘曲或过热裂开的汽车铝缸盖。几年后,沿着铝自行车框架焊接逐渐变成趋势。1970年代黏着剂被用在一些自行车上,不幸的是当铝管受到轻微腐蚀就会松动黏接,终究车架解体。因此,航天工业,完全避免热进入零件[胶粘剂]间或机械紧固件。
这些过热和过松的联接,反而导致了一些火灾。建造者对导线的选用开始变的谨慎,在新建筑上许多法令禁止了它的用途。但较新的装置,最终改善了连接设计,以避免松动和过热。一开始的标示为Al/Cu,现在则是印着CO/ALR。
另一种阻止发热的方法,卷曲铝线与铜线编成短辫,利用高压卷曲并利用工具减少铝的热膨胀。现在,新的合金、设计和方法用在铝导线 2117 AlCu2.5Mg0.5 D18
其中一个重要的结构限制是铝合金疲劳性能,而钢具有较高的疲劳极限(理论上能承受无限多的周期性载荷),铝的疲劳极限是接近零,也就是说它最终将破坏,甚至非常小的循环荷载作用都可以使它破坏,但对于小的应力能够正常的使用非常长的时间。热敏度
通常一定要考虑金属的热敏感性。事实上铝对热感应上相对地复杂,不像钢将要熔化时发出亮红色。由于铝熔化之前没有迹象显示,使用喷灯成型时需要一些专门的知识。
过热的铝可放心热处理零件在一炉,并逐步冷却-有退火的效果。然而这样做的结果有可能造成扭曲,所以热处理焊接自行车框架,会导致重要的部分产生不重合。如果不严重,冷却之后有可能可以重合在一起。如果框架设计有相当的刚性,变形将需要很大的力量。
铝的不耐高温性不包括使用在火箭上,用于气体燃烧可达3500 K的燃烧室,在Aagena上,阶段引擎部分设计使用了再生铝冷却喷嘴,包括关键喷喉;实际上铝极端高导热性防止了喷喉在巨大的热流下到达熔点,是一个可靠的轻组件。
就这情况而言,最好重新设计铝尺寸的部分,以适应其特点。例如,使自行车的框架铝管具有超大直径,而不是厚的管壁。这样增加了强度,重量也没有增加很多[3]。这样处理的极限在于对挫曲的敏感性增加。
最新型的Corvette汽车,是一个很好的例子,重新设计后的部分利用了铝的优势。使用了铝的制底盘和悬挂系统零件,消除不必要的金属后不但减轻也减少了截面积,这些车有大的尺寸和良好的刚度。因此,在同样或更激烈的使用情况下不需要跟钢制的零件一样频繁更换,大部分人对此觉得着迷。同样地,铝自行车框架可以改良设计,以便提供刚性和一些额外的灵活性,后者的功用可以当作另一种避震器。
铝合金通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素。跟普通的碳钢相比有更轻及耐腐蚀的性能,但抗腐蚀性不如纯铝。在干净、干燥的环境下铝合金的表面会形成保护的氧化层。造成电偶腐蚀(Galvanic corrosion)加速的情况有:铝合金与不锈钢接触的情况、其他金属的腐蚀电位比铝合金低或是在潮湿的环境下。如果铝和不锈钢要一同使用必须在有water-containing systems或是户外安装两金属间电子或电解隔离。
同样地,铝在汽车应用尤其是在引擎零件上,得益于一段时间内的发展。奥迪工程师,在评论最近由奥迪工厂恢复一台1930年代汽车联盟赛车的V12引擎有超过500匹马力,引擎所使用的铝合金今天会被使用在像是除草机和家具上。在1960年代Corvair铝制的汽缸盖和曲轴箱,即使上螺纹被磨平及总体上的失败仍得到了良好的名声。这是已往不曾见过的设计。
2000系列铜合金,强度媲美钢。以前称为杜拉铝,是常用的航太合金,但容易受到粒间腐蚀,逐渐被7000系列取代。
家庭配线年代跟铝的高导电性和比铜低的价格,在美国的家庭配线使用了铝,即使许多装置的设计不是能使用铝导线的。新的用途带了一些问题:
铝巨大的热膨胀系数造成导线容易变长,最终连接到不同的金属(螺丝),造成短路
纯铝有一个“蠕变”倾向,稳定持续的压力(随着温度的上升),再次造成短路。
电偶腐蚀(Galvanic corrosion)造成接触端的金属电阻增加。
铝合金广泛的被应用在工程结构上。合金系统由数字系统分类(ANSI),或由名称表示主要的组成合金(DIN及ISO)。选择正确的合金为一种指定的应用,需要仔细考虑材料的强度、延性、成形性、焊接性、抗腐蚀性等等。简短的历史概述合金和制造技术。铝广泛地使用在现代航空器里是由于它高强度和较低的重量比率。