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

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

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裡。

彈性度

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，似乎有著巨大的吸引力。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

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，沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏著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

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，在鋁裡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裡長出來的新構想，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列印且成品有接近鍛造的性質，航太潛力巨大。^[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

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：

• 鋁巨大的熱膨脹係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（隨著溫度的上升），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"，現在則是印著"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

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

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，是常用的航太合金，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

（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

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

• 杜拉鋁（硬鋁）（銅－鋁合金）
• 鎂諾克斯合金（鎂－鋁合金）
• 矽鋁明（鋁－矽合金）

用途概要

常用航天航空合金

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]

• 7075鋁合金
• 6061鋁合金
• 6063鋁合金
• 2024鋁合金
• 5052鋁合金

其他航太合金

這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航太上的鋁合金。

• 2090鋁合金
• 2124鋁合金
• 2195鋁合金（鋁鋰合金）－用於在飛機超輕量級外部燃料箱。
• 2219鋁合金
• 2324鋁合金
• 6013鋁合金
• 7050鋁合金
• 7055鋁合金
• 7150鋁合金
• 7475鋁合金

航海合金

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]

• 5052鋁合金
• 5083鋁合金
• 5086鋁合金
• 6061鋁合金
• 6063鋁合金

易拉罐合金

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。

• 3004鋁合金－易拉罐罐體（使用較少）
• 3104鋁合金－易拉罐罐體
• 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環
• 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環

建築裝飾用合金

這些合金大量應用於建築幕牆裝飾中

• 1100鋁合金－裝飾幕牆
• 3003鋁合金－裝飾幕牆

註解

1. SAE Aluminium specifications list （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council 網際網路檔案館的存檔，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，存於網際網路檔案館）
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