武漢理工大學(xué)工程材料第8章

1、工程材料工程材料機(jī)械制造基礎(chǔ)機(jī)械制造基礎(chǔ) -機(jī)電工程學(xué)院 金工學(xué)部 王志海 第八章第八章 有色金屬及其合金有色金屬及其合金 ( Colored Metal and Alloy )概述概述鋁及鋁合金鋁及鋁合金銅及銅合金銅及銅合金滑動(dòng)軸承合金滑動(dòng)軸承合金 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述1.定義定義 : 除黑色金屬除黑色金屬 ( 鋼、鐵鋼、鐵 ) 以外的所有以外的所有 金屬。金屬。 2.性能特點(diǎn)性能特點(diǎn):具有獨(dú)特的性能。具有獨(dú)特的性能。3.分類分類重金屬重金屬(密度密度3.5); Cu、Ni 等。等。輕金屬輕金屬(密度密度3.5); Al、Mg 等。等。貴重金屬貴重金屬; Au、Ag、Pt 等。等。稀有金屬

2、稀有金屬; W、Ti、Ra、Nb 等。等。半金屬半金屬; Si、Te、B 等。等。 第二節(jié)第二節(jié) 鋁及鋁合金鋁及鋁合金一一.鋁的性能特點(diǎn)鋁的性能特點(diǎn): 密度小密度小;導(dǎo)電及導(dǎo)熱導(dǎo)電及導(dǎo)熱 性能好性能好;抗大氣腐蝕性好抗大氣腐蝕性好;塑性高塑性高;強(qiáng)強(qiáng) 度低度低;無磁性無磁性;無打擊火花無打擊火花;加工工藝加工工藝 性好等。性好等。二二.純鋁的分類純鋁的分類高純鋁高純鋁 L0104工業(yè)高純鋁工業(yè)高純鋁 L0、L00工業(yè)純鋁工業(yè)純鋁 L15三三.鋁合金的分類鋁合金的分類鋁合金鋁合金的分類的分類形變鋁合金形變鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金不能熱處理不能熱處理強(qiáng)化鋁合金強(qiáng)化鋁合金 能熱處理能熱處理強(qiáng)化鋁合

3、金強(qiáng)化鋁合金四四.鋁合金的熱處理鋁合金的熱處理退火退火 ( anneal )時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化 ( ageing strengthening ) 回歸回歸 ( regression )一一) 退火退火 ( anneal ) 1.形變鋁合金的退火形變鋁合金的退火: *消除應(yīng)力消除應(yīng)力,硬度硬度 不變。不變。 *消除加工硬化消除加工硬化, 降低硬度降低硬度,便于便于 冷塑性加工。冷塑性加工。2.鑄造鋁合金的退火鑄造鋁合金的退火 : 消除應(yīng)力消除應(yīng)力; 均勻成分均勻成分;二二) 時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化 ( ageing strengthening ) 1.定義定義: 在固溶處理后的合金隨時(shí)間延在固溶處理后的

4、合金隨時(shí)間延 續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象。續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象。2.背景資料背景資料: 1906年德國(guó)年德國(guó) Duralumin首次發(fā)現(xiàn)。首次發(fā)現(xiàn)。 1910年德國(guó)年德國(guó)A Welmer 發(fā)明并獲專利。發(fā)明并獲專利。 1916年用于制造飛機(jī)。年用于制造飛機(jī)。 1938年年 Guinier Preston 建立學(xué)說。建立學(xué)說。3.原理原理 ( G P 學(xué)說學(xué)說 ): G P 區(qū)區(qū) ( Guinier Preston zone )也也 稱稱“富銅區(qū)富銅區(qū)”, 即即: 在鋁合金表面第一層在鋁合金表面第一層的的 銅原子成為小片狀銅原子成為小片狀,含量增加。含量增加。4.種類種類自然時(shí)效自然時(shí)效人工時(shí)

5、效人工時(shí)效 含含4%Cu的鋁合金自然時(shí)效曲線的鋁合金自然時(shí)效曲線含含4%Cu的鋁合金在不同溫度下的的鋁合金在不同溫度下的 人工時(shí)效曲線人工時(shí)效曲線 Al Cu 合金部分相圖合金部分相圖三三) 回歸回歸 ( regression )時(shí)間溫度 加加熱熱200270水水 淬淬時(shí)效組織時(shí)效組織原淬火組織原淬火組織 人工時(shí)效后的鋁合金沒有回歸現(xiàn)象。人工時(shí)效后的鋁合金沒有回歸現(xiàn)象。五五.常用的鋁合金常用的鋁合金形變鋁合金形變鋁合金 ( deformation aluminum alloy )鑄造鋁合金鑄造鋁合金 ( cast aluminum alloy )一一) 形變鋁合金形變鋁合金 ( deforma

6、tion aluminum alloy )1.防防銹銹鋁鋁合金合金 ( LF ) : Al Mn 通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的 強(qiáng)度和抗蝕性強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁好比純鋁好 )。 例如例如:LF21。 Al Mg 通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的 強(qiáng)度和抗蝕性強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁輕比純鋁輕 )。 例如例如:LF2、LF6等。等。 飛機(jī)翼梁飛機(jī)翼梁( (腹板腹板為硬鋁合金為硬鋁合金) )2.硬硬鋁鋁合金合金 ( LY ) : Al Cu Mg 通過通過時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化提鋁合金強(qiáng)度提鋁合金強(qiáng)度,但但耐蝕性不高耐蝕性不高。LY1、LY11、LY12。3.超超

7、硬硬鋁鋁合金合金 ( LC ) : Al Zn Mg Cu 通過通過時(shí)效強(qiáng)化和形成的強(qiáng)化相時(shí)效強(qiáng)化和形成的強(qiáng)化相,使鋁合金達(dá)到使鋁合金達(dá)到最高的硬度和最高的硬度和強(qiáng)度強(qiáng)度。但。但耐蝕性較差耐蝕性較差。LC4、LC9。 飛機(jī)主起落架飛機(jī)主起落架4.鍛鍛鋁鋁合金合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的熱塑性具有良好的熱塑性, 通過固溶處理和人工時(shí)效通過固溶處理和人工時(shí)效 來提高鋁合金的力學(xué)性能。來提高鋁合金的力學(xué)性能。 LD5、LD6、LD10。壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)葉片二二) 鑄造鋁合金鑄造鋁合金 ( cast aluminum alloy )鑄造鋁鑄造鋁 硅合金硅合金鑄造鋁鑄造鋁

8、銅合金銅合金鑄造鋁鑄造鋁 鎂合金鎂合金鑄造鋁鑄造鋁 鋅合金鋅合金1.鑄鑄造造鋁鋁 硅硅合金合金 ( ZL101ZL111 ) :活塞活塞( (裙部為鋁硅合金裙部為鋁硅合金) ) ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ) 552.鑄鑄造造鋁鋁 銅銅合金合金 ( ZL201ZL203 ) : 有較高的強(qiáng)度、塑性及耐熱性有較高的強(qiáng)度、塑性及耐熱性,但鑄但鑄 造性能和耐蝕性較差。造性能和耐蝕性較差。 鋁銅合金鑄造組織 ( 化染 ) 210汽缸頭汽缸頭3.鑄鑄造造鋁鋁 鎂鎂合金合金 ( ZL301、ZL302 ) : 有較高的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性有較高的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性,但鑄但鑄 造性能和耐熱性較差。造性能

9、和耐熱性較差。 鋁鎂合金鑄造組織 (化染) 150鼓風(fēng)機(jī)用密封件鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)(ZL102)及抗空架件及抗空架件( (ZL301)ZL301)4.鑄鑄造造鋁鋁 鋅鋅合金合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的鑄造性具有良好的鑄造性,經(jīng)變質(zhì)處理和經(jīng)變質(zhì)處理和時(shí)效處理后時(shí)效處理后,強(qiáng)度高強(qiáng)度高,但耐蝕性差。但耐蝕性差。大型空壓機(jī)活塞大型空壓機(jī)活塞( (ZL401)ZL401) 第三節(jié)第三節(jié) 銅及銅合金銅及銅合金一一.銅的性能特點(diǎn)銅的性能特點(diǎn):密度大密度大;導(dǎo)電及導(dǎo)熱導(dǎo)電及導(dǎo)熱 性能好性能好;抗大氣腐蝕性好抗大氣腐蝕性好;塑性高塑性高;強(qiáng)強(qiáng) 度低度低;無磁性無磁性;無打擊火

10、花無打擊火花;加工工藝加工工藝 性好等。性好等。二二.純銅的分類純銅的分類工業(yè)純銅工業(yè)純銅 T1T4無氧銅無氧銅 TU2 純銅組織金相圖純銅組織金相圖三三.銅合金的分類銅合金的分類黃銅黃銅 : Cu Zn 白銅白銅 : Cu Ni 青銅青銅 : 除黃銅和白除黃銅和白 銅外的所有銅外的所有 銅合金。銅合金。一一.黃銅黃銅 ( brass )普通黃銅普通黃銅 ( common brass )特殊黃銅特殊黃銅 ( special brass )一) 普通黃銅普通黃銅 ( common brass )500304050607004003002001000102050403020105060708090

11、10011040HB + b b(Mpa) (%)HB 1.黃銅的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系黃銅的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系2.黃銅的牌號(hào)黃銅的牌號(hào)( Z ) H 90含銅量含銅量 WCu = 90%黃銅黃銅鑄造鑄造3.常用的黃銅常用的黃銅v金獎(jiǎng)黃銅金獎(jiǎng)黃銅 - H90v彈殼黃銅彈殼黃銅 - H70 ( H68 )v日用黃銅日用黃銅 - H62 ( H59 )法蘭閥法蘭閥閘閥閘閥冷凝器管冷凝器管二二) 特殊黃銅特殊黃銅 ( special brass )1.定義定義:在黃銅中加入在黃銅中加入Al、Fe、Si、Cr、 Ni、Sn、Mn 等元素所形成的合金。等元素所形成的合金。2.牌號(hào)牌號(hào):H Al 59

12、 - 3含鋁量含鋁量WAl = 3%含銅量含銅量WCu = 59%3.常用的特殊黃銅常用的特殊黃銅海軍黃銅海軍黃銅 - HSn62 - 1易切削黃銅易切削黃銅 - HPb59 - 1 H62 1 海軍黃銅金相組織圖海軍黃銅金相組織圖62Cu 37Zn Sn 海軍黃銅鑄造組織 ( 化染 ) 600 硅黃銅鑄造組織金相圖硅黃銅鑄造組織金相圖 硅黃銅鑄造組織 ( 化染 ) 50 鉛黃銅退火組織金相圖鉛黃銅退火組織金相圖 鉛黃銅鑄造組織 ( 化染 ) 70 錳黃銅鑄造組織金相圖錳黃銅鑄造組織金相圖 錳黃銅鑄造組織 ( 化染 ) 254.黃銅的自裂與脫鋅黃銅的自裂與脫鋅:v自裂自裂 - 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕

13、 : 黃銅黃銅在塑性變形后產(chǎn)在塑性變形后產(chǎn) 生較大應(yīng)力生較大應(yīng)力,在在潮濕空氣潮濕空氣中或在中或在微微 量氨量氨的氣份中發(fā)生應(yīng)力腐蝕。含的氣份中發(fā)生應(yīng)力腐蝕。含 鋅量越高鋅量越高, 應(yīng)力腐蝕傾向越大。應(yīng)力腐蝕傾向越大。v脫鋅脫鋅 - 鋅的電極電位遠(yuǎn)低于銅鋅的電極電位遠(yuǎn)低于銅 , 所以在所以在 鹽水中黃銅極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。鹽水中黃銅極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。5.黃銅的熱處理黃銅的熱處理 :去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 : 在在200300左右退左右退 火火,提高塑性和彈性極提高塑性和彈性極 限限,消除應(yīng)力腐蝕。消除應(yīng)力腐蝕。再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火 : 在在500700左右退左右退 火火,消除加工硬化消除加工硬

14、化,恢復(fù)恢復(fù) 塑性。塑性。二二.青銅青銅 ( bronze )普通青銅普通青銅 ( 錫青銅錫青銅 ) ( tin bronze ) 特殊青銅特殊青銅 ( 無錫青銅無錫青銅 ) ( tin free bronze ) 青銅牌號(hào)的表示方法青銅牌號(hào)的表示方法Z Q Sn10 1 其它合金元其它合金元素含量為素含量為1%主加元素錫其含主加元素錫其含量為量為WSn = 10%青銅青銅鑄造鑄造一一) 錫青銅錫青銅 ( tin bronze )3 710 14壓力加工壓力加工鑄造成形鑄造成形b+ 錫青銅鑄造組織金相圖錫青銅鑄造組織金相圖 錫青銅鑄造組織 ( 真空鍍膜 ) 53二二) 特殊青銅特殊青銅 ( 無

15、錫青銅無錫青銅 ) ( tin free bronze )1.硅青銅硅青銅 : QSi3 1 2.鋁青銅鋁青銅 : QAl73.鈹青銅鈹青銅 : QBe2; 具有非常好的力學(xué)具有非常好的力學(xué) 性能。用于制造重要、精性能。用于制造重要、精 密、高溫、高速下工作的密、高溫、高速下工作的 零件。零件。 第四節(jié)第四節(jié) 滑動(dòng)軸承合金滑動(dòng)軸承合金 ( bearing alloy )一一. 定義定義 :工件體工件體軸軸軸瓦軸瓦二二.性能要求性能要求 :1.在工作溫度下在工作溫度下,應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng) 度、疲勞強(qiáng)度和度、疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性高的耐磨性。2.具有足夠的具有足夠的塑性與韌性塑性與

16、韌性。3.具有較小的摩擦系數(shù)。具有較小的摩擦系數(shù)。4.具有良好的磨合性。具有良好的磨合性。5.具有良好的抗蝕性。具有良好的抗蝕性。6.具有良好的導(dǎo)熱性。具有良好的導(dǎo)熱性。7.具有較小的膨脹系數(shù)。具有較小的膨脹系數(shù)。8.具有良好的抗咬合性。具有良好的抗咬合性。各類型軸瓦各類型軸瓦三三.組織要求組織要求:1.在高速在高速中、低載荷中、低載荷情況下情況下,用用軟基體軟基體 上分布硬質(zhì)點(diǎn)上分布硬質(zhì)點(diǎn)組織的材料。組織的材料。潤(rùn)滑油空間潤(rùn)滑油空間軸軸硬質(zhì)點(diǎn)硬質(zhì)點(diǎn)軟基體軟基體軸瓦軸瓦錫銻軸承合金錫銻軸承合金 ( 錫基巴氏合金錫基巴氏合金 )Z Ch Sn Sb11 6 其它元素的其它元素的含量為含量為6%主加元素銻其主加元素銻其含量為含量為11%基本元素錫基本元素錫軸承軸承鑄造鑄造 錫基軸承合金組織金相圖錫基軸承合金組織金相圖錫基軸承合金組織 ( SnSb+Cu Sb+基體,濺射 ) 52 鉛基軸承合金組織金相圖