工程材料學(xué) 第8章 有色金屬及其合金

1、1,第8章,有色金屬及其合金,2,在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱(chēng)為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱(chēng)為有色金屬。,3,與鋼鐵等黑色金屬材料相比，有色金屬具有許多優(yōu)良的特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。 例如，鋁、鎂、鈦等具有相對(duì)密度小，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶等行業(yè)； 銀、銅、鋁等具有優(yōu)良導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的材料廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)和儀表工業(yè)； 鈾、鎢、鉬、鐳、釷、鈹?shù)仁窃幽芄I(yè)所必需的材料，等等。,4,8-1 鋁及鋁合金,8-1-1 工業(yè)純鋁 純鋁是一種銀白色的輕金屬，熔點(diǎn)為660，具有面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁的密度?。ㄖ?/p>

2、有2.72g/cm3）；導(dǎo)電性好，僅次于銀、銅和金；導(dǎo)熱性好，比鐵幾乎大三倍。 純鋁化學(xué)性質(zhì)活潑，在大氣中極易與氧作用，在表面形成一層牢固致密的氧化膜，可以阻止進(jìn)一步氧化，從而使它在大氣和淡水中具有良好的抗蝕性。,5,純鋁按其純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。 純鋁的牌號(hào)用“鋁”字漢語(yǔ)拼音字首“L”和其后面的編號(hào)表示。高純鋁的牌號(hào)有LG1、LG2、LG3、LG4和LG5，“G”是高字的漢語(yǔ)拼音字首，后面的數(shù)字越大，純度越高，它們的含鋁量在99.85%99.99%之間。 工業(yè)純鋁的牌號(hào)有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、和L6。后面的數(shù)字表示純度，數(shù)字越大，純度越低。,6,鋁

3、合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性。 鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr、稀土等輔加元素。,鋁合金型材,鋁鑄件,鋁合金絲,7,8-1-2 鋁合金的分類(lèi) 鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖?？蓪X合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類(lèi)。變形鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化兩類(lèi)。,鋁合金分類(lèi)示意圖,8,鑄造鋁合金，則是將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成型鑄件，要求合金應(yīng)具有良好的鑄造性能，如流動(dòng)性好、收縮小、抗熱裂性高。,變形鋁合金，是指合金經(jīng)熔化后澆成鑄錠，再經(jīng)壓力加工（鍛造、扎制、擠壓等）制成板材、帶材、棒材、管材、線(xiàn)材以及其它各種型材

4、，要求具有較高的塑性和良好的工藝成型性能。,9,8-1-3 鋁合金的熱處理,可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金的 熱處理方法:固溶處理+時(shí)效。 固溶處理是指將合金加熱到固溶線(xiàn)以上，保溫并淬火后獲得過(guò)飽和的單相固溶體組織的處理。 時(shí)效是指將過(guò)飽和的固溶體加熱到固溶線(xiàn)以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。,固溶熱處理 (Solution treatment) 淬火(Quench) 時(shí)效處理(Aging treatment),10,室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)自然時(shí)效(Natural aging)； 加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)人工時(shí)效(Artificial aging )。 時(shí)效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。 溫度一

5、定時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，時(shí)效曲線(xiàn)上出現(xiàn)峰值,超過(guò)峰值時(shí)間，析出相聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)度下降，稱(chēng)為過(guò)時(shí)效。 隨時(shí)效溫度提高，峰值強(qiáng)度下降，出現(xiàn)峰值的時(shí)間將提前。,含4%Cu鋁合金的時(shí)效曲線(xiàn),11,鋁合金時(shí)效強(qiáng)化與其在時(shí)效過(guò)程中所產(chǎn)生的組織有關(guān)。以Al4%Cu合金為例：在室溫時(shí)的平衡組織為+CuAl2（CuAl2即為平衡相），加熱到固相線(xiàn)以上，第二相CuAl2完全溶入固溶體中，淬火后獲得在鋁中的過(guò)飽和固溶體，有自發(fā)分解的傾向。當(dāng)給予一定溫度與時(shí)間條件時(shí)便要發(fā)生分解，包括以下四個(gè)階段：,12,第一階段：在過(guò)飽和固溶體的某一晶面上產(chǎn)生銅原子偏聚現(xiàn)象，形成銅原子富集區(qū)（GP區(qū)），從而使固溶體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，位

6、錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，合金強(qiáng)度提高。 第二階段：隨時(shí)間延長(zhǎng)，GP區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，并發(fā)生有序化，便形成有序的富銅區(qū)，稱(chēng)為GP區(qū)，其成分接近CuAl2（相），成為中間狀態(tài)，常用表示。的析出，進(jìn)一步加重了相的晶格畸變，使合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高。 第三階段：隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展，銅原子在GP區(qū)繼續(xù)偏聚。當(dāng)銅與鋁原子之比為1:2時(shí)，形成與母相保持共格關(guān)系的過(guò)渡相。相出現(xiàn)的初期，母相的晶格畸變達(dá)到最大，合金強(qiáng)度達(dá)到峰值。 第四階段：時(shí)效后期，過(guò)渡相從鋁基固溶體中完全脫落，形成與基體有明顯相界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相CuAl2，稱(chēng)為相。此時(shí)相與基體的共格關(guān)系完全破壞，共格畸變隨之消失，隨著相質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大，合金明顯軟化，強(qiáng)度

7、、硬度降低。,13,Al4%Cu合金時(shí)效的基本過(guò)程可以概括為： 合金淬火 過(guò)飽和固溶體 形成銅原子富集區(qū)（GP區(qū)） 銅原子富集區(qū)有序化（GP區(qū)） 形成過(guò)渡相 析出平衡相（CuAl2）+平衡的固溶體。,14,8-1-4 鋁合金的牌號(hào)、性能及用途,(1)變形鋁合金 變形鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法, 防銹鋁合金：LF+序號(hào) 硬鋁合金： LY +序號(hào) 超硬鋁合金：LC +序號(hào) 鍛鋁合金： LD +序號(hào),鋁合金波紋管,鋁合金制品,15,常用變形鋁合金 a. 防銹鋁合金 主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 Mn和Mg的主要作用是提高 抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。 防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，

8、抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。 不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高強(qiáng)度。,衛(wèi)星天線(xiàn)（LF2）,16,汽化器(熱交換管為L(zhǎng)F21),常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。 常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比純,鋁小，強(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、鉚釘及承受中等載荷的零件。,17,b. 硬鋁合金 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。 強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。 常用

9、硬鋁合金LY11 (2A11)、 LY12 (2A12) ，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁。,機(jī)翼各翼面位置圖,18,c. 超硬鋁合金 屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 時(shí)效強(qiáng)化效果超過(guò)硬鋁合金 。 強(qiáng)度最高；耐熱性、耐蝕性差。,飛機(jī)主起落架,常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)的大梁、起落架等。,19,d. 鍛鋁合金 Al-Mg-Cu-Si系合金： 可鍛性好，力學(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等。 Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金： 常用牌

10、號(hào)有LD7（ 2A70 ）、LD8 （ 2A80 ）、LD9 （ 2A90 ）等 。用于制造150225下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。,壓氣機(jī)葉片,20,美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)（所用材料大部分是鋁合金）,高比強(qiáng)鋁合金機(jī)翼,21,(2)鑄造鋁合金 Al-Si系：代號(hào)為ZL1+兩位數(shù)字順序號(hào) Al-Cu系：代號(hào)為ZL2+兩位數(shù)字順序號(hào) Al-Mg系：代號(hào)為ZL3+兩位數(shù)字順序號(hào) Al-Zn系： 代號(hào)為ZL4+兩位數(shù)字順序號(hào),22,Al-Si系鑄造鋁合金又稱(chēng)硅鋁明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的鋁硅二元合金，稱(chēng)為簡(jiǎn)單硅鋁明。在普通鑄造條件下， ZL102組織幾乎全部

11、為共晶體，由粗針狀的硅晶體和固溶體組成，強(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上通常用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)小均勻的共晶體加一次固溶體組織，以提高性能。,未變質(zhì)處理,經(jīng)變質(zhì)處理,ZL102的鑄態(tài)組織,23,加入其他合金元素(Cu，Mg)的鋁硅鑄造合金稱(chēng)復(fù)雜(或特殊)硅鋁明。 內(nèi)燃機(jī)中的活塞，在高速、高溫、高壓、變負(fù)荷下工作，所以要求制造活塞的材料必須比重小、高耐磨、高的耐蝕性、耐熱性，還要求活塞材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)接近汽缸體的線(xiàn)膨脹系數(shù)。復(fù)雜鋁硅明基本上能滿(mǎn)足這一要求，它是制造活塞的理想材料。,活塞(裙部為鋁硅合金),24,Al-Cu系鑄造鋁合金 這類(lèi)合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能

12、差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。 常用代號(hào)有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。,主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車(chē)活塞等。,汽缸頭,25,Al-Mg系鑄造鋁合金 這類(lèi)合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度?。坏T造性能差，耐熱性低。 常用代號(hào)為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。,主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。,鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),26,Al-Zn系鑄造鋁合金 這類(lèi)合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時(shí)效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。,大

13、型空壓機(jī)活塞(ZL401),常用代號(hào)為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。 主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車(chē)、飛機(jī)、儀器零件。,27,8-2-1 工業(yè)純鈦 純鈦密度小（4.5g/cm3），熔點(diǎn)高（1667）。 在882.5發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Ti -Ti。 -Ti 882.51667具有體心立方晶格； -Ti 882.5以下具有密排六方晶格。 純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。,8.2 鈦及鈦合金,28,工業(yè)純鈦的純度為99.5%99.0%，其性能很大程度上取決于氧的含量。 工業(yè)純鈦可分為T(mén)A1，TA2，TA3等三個(gè)牌號(hào)，編號(hào)越大，雜質(zhì)越多。工業(yè)純鈦長(zhǎng)期

14、工作溫度可達(dá)300。,29,純鈦用于350以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。,30,8-2-2 鈦的合金化 純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的溫度隨加入的合金元素的性質(zhì)和含量而定。 加入的合金元素通常按其對(duì)鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響分成三類(lèi)： 擴(kuò)大相區(qū)，使轉(zhuǎn)變的溫度升高的元素稱(chēng)為相穩(wěn)定元素，如Al、O、N、C、B等； 擴(kuò)大相區(qū)，使轉(zhuǎn)變的溫度降低的元素稱(chēng)為相穩(wěn)定元素，如Mo、V、Cr、Nb、Ta及稀土； 對(duì)相變溫度影響不大的元素稱(chēng)為中性元素，如Zr、Sn等。,31,按退火組織，鈦合金可分為： 型鈦合金、型鈦合金和+型鈦合

15、金三類(lèi)。 它們的牌號(hào)分別用TA、TB、TC加順序號(hào)表示 。 如TA5、TB2、TC4等。,鈦合金泵,8-2-3 工業(yè)用鈦合金,32,(1) 型鈦合金 主加元素為鋁，還有錫、硼等。 不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，組織為單相固溶體。 強(qiáng)度低于其他兩類(lèi)鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性?xún)?yōu)越。,33,常用牌號(hào)有TA5、TA7等 主要用于制造500以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。,34,(2) 型鈦合金 加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。 經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為相基體上分布著細(xì)小的相粒子。 合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，應(yīng)用受到限

16、制。,35,型鈦合金有TB1、TB2兩個(gè)牌號(hào)。實(shí)際獲得應(yīng)用的僅有TB2一種。 主要用于350以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤(pán)等。,36,(3) +型鈦合金 加入的合金元素有鋁、釩、 鉬 鉻等。 可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。,鈦合金列管式換熱器,37,+型鈦合金以TC4（Ti-6Al-4V）應(yīng)用最廣、用量最大，其經(jīng)過(guò)淬火加時(shí)效處理后，組織為+時(shí)效析出的針狀。,38,+型鈦合金主要用于制造400以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等。,39,8-2-4 鈦及鈦合金的熱處理,主要熱處理方

17、式：退火、淬火、時(shí)效。,(1)退火 消除應(yīng)力退火：目的是消除工業(yè)純鈦和鈦合金零件加工或焊接后的內(nèi)應(yīng)力。退火溫度一般為450650，保溫14小時(shí)，空冷。再結(jié)晶退火：目的是消除加工硬化。對(duì)于純鈦一般用550690溫度，而鈦合金用750800，保溫13小時(shí)，空冷。,40,(2)淬火、時(shí)效處理 鈦合金一般不進(jìn)行淬火和時(shí)效處理，鈦合金和（）鈦合金可進(jìn)行淬火時(shí)效處理提高強(qiáng)度、硬度。 鈦合金的淬火溫度一般選在兩相區(qū)的上部范圍，淬火后部分保留下來(lái)，細(xì)小的相變成介穩(wěn)定相或相或兩者均有（決定于穩(wěn)定化元素的含量），經(jīng)時(shí)效后可獲得好的綜合機(jī)械性能。 一般淬火溫度為760950，保溫560分，水中冷卻。鈦合金的時(shí)效溫度

18、一般在450550之間，時(shí)間為幾小時(shí)至幾十小時(shí)。,41,8-3-1 銅及銅合金的性能特點(diǎn) 純銅呈紫紅色，又稱(chēng)紫銅，面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)磁性。 純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。塑性好。,離心鑄造銅蝸輪,8-3 銅及銅合金,42,銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr，既提高強(qiáng)度，又保持純銅特性。 銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類(lèi)。,43,8-3-2 黃銅 以鋅為主要合金元素的銅合金稱(chēng)為黃銅。 黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。 按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。,44,(1) 普通黃銅 銅與鋅的二元合金稱(chēng)為普

19、通黃銅。 加工普通黃銅的牌號(hào)為：H（黃）+ 表示銅平均百分含量的數(shù)字，如H68。,從銅鋅合金相圖可以看出黃銅有 和+ 兩種組織，分別稱(chēng)單相黃銅和兩相黃銅。,45,普通黃銅的顯微組織,46,單相黃銅塑性好。 常用牌號(hào)有H80、H70、H68。 適于制造冷變形零件，如彈殼、 冷凝器管等。 兩相黃銅熱塑性好，強(qiáng)度高。 常用牌號(hào)有H59、H62。 適于制造受力件，如墊圈、彈簧、 導(dǎo)管、散熱器等。,冷凝器管,汽車(chē)機(jī)油泵襯套,47,(2) 特殊黃銅 在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni 等元素形成特殊黃銅。 加工特殊黃銅的牌號(hào)為： H（黃）+主加元素符號(hào)（Zn除外）+銅平均百

20、分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1。 特殊黃銅強(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，且鑄造性能得以改善。,黃銅制品,48,常用牌號(hào)有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。 主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。,49,8-3-3 青銅 除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱(chēng)為青銅。 加工青銅的牌號(hào)為：Q +主加元素符號(hào)及其平均百分含量+其他元素平均百分含量 如QSn4-3（含4%Sn、3%Zn )。 常用青銅有錫青銅、鋁青銅、 鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。,青銅制品,50,(1)錫青銅 以錫為主加元素的銅合金， 錫含量一般為314%。 錫青銅鑄造流動(dòng)性差，鑄件 密度低，易滲漏，體積收縮率在有色金屬中最小 。 錫青銅具有良好的耐蝕性，在大氣、海水及無(wú)機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。,51,常用牌號(hào)QSn4-3、QS