材料科學(xué)基礎(chǔ)(第13章)

1、合肥工業(yè)大學(xué) 劉寧第十三章第十三章 有色金屬及合金有色金屬及合金l第一節(jié) 鋁及鋁合金l一、鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)及分類編號l純鋁的密度?。?.7g/cm3）、熔點(diǎn)低（660）、強(qiáng)度低（b/80MPa）、塑形高（=80%）。l鋁合金熱處理以后強(qiáng)度高，特別是比強(qiáng)度（b/）高，是重要的航空結(jié)構(gòu)材料。l引言l鋁材是有色金屬中使用量最大、應(yīng)用面最廣的金屬材料，我國鋁的消費(fèi)量的增長異常驚人，從1991年的86.8萬噸迅速增加到2000年的353.27萬噸，現(xiàn)在每年還在持續(xù)增加，消費(fèi)量大約占世界的16左右。鋁和合金有很多優(yōu)越的性能:(1)密度低;(2)塑性高; (3)易強(qiáng)化; (4)導(dǎo)電好;(5)耐腐蝕;(6

2、)易回收;(7)采用TIG(惰性氣體鎢極保護(hù)焊)或者M(jìn)IG(惰性氣體保護(hù)金屬極電弧焊)方法可焊接;(8)易表面處理。l高純鋁的牌號有L01、L02、L03、L04四種，編號越大，純度越高（99%99.9995%）。l工業(yè)純鋁的純度為98%99%，牌號有L1、L2、L3、L4 、L5五種，編號越大，純度越低。l鋁合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素等。l根據(jù)合金元素和加工工藝特性，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。l變形鋁合金呈單相固溶體狀態(tài)，塑形好，適于壓力加工。通過冷變形和熱處理，可使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。l變形鋁合金按照性能和用途分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四

3、種。l防銹鋁屬于不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，而硬鋁、超硬鋁和鍛鋁屬于可熱處理強(qiáng)化的合金。l鋁合金品種繁多，國際上變形鋁合金牌號已經(jīng)有400余種，我國GB/T3190-2008新標(biāo)準(zhǔn)改變了原來標(biāo)準(zhǔn)的牌號表示方法，直接采用國際牌號組織的命名原則，采用四位數(shù)字表示。按照主要合金元素分9大系列鋁合金。l1XXX 純鋁l2XXX AlCu系（Cu210%，其中Cu46%時(shí)強(qiáng) 度最高。）l3XXX AlMn系l4XXX AlSi系l5XXX AlMg系l6XXX AlMgSi系l7XXX AlZn系l如果第2位是0或A表示原始合金，如果19或BY表示改型合金。l鑄造鋁合金按照加入的主要合金元素不同，分為AlS

4、i系、 AlCu系、 AlMg系和AlZn系四種合金。lZL 1XX, AlSi系lZL 2XX, AlCu系lZL 3XX, AlMg系lZL 4XX, AlZn系l第2、3位表示合金順序號。l二、鋁及鋁合金的強(qiáng)化l純鋁的力學(xué)性能較低，通過合金化、熱處理或其它強(qiáng)化方式，可以使鋁合金在保持密度小，耐腐蝕好的條件下，顯著得到強(qiáng)化。l1、形變強(qiáng)化l對于純鋁及不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，例如AlMn合金等，只能以退火態(tài)或冷作硬化態(tài)使用。冷作硬化使強(qiáng)度升高，但塑形下降。l退火溫度300500，保溫13小時(shí)。l2、時(shí)效硬化l可以熱處理強(qiáng)化的合金，例如AlCu、AlCuMg、AlMgSi等， Al與Cu、Mg

5、、Si等形成CuAl2、Mg2Si、 Al2CuMg等金屬間化合物，可以提高強(qiáng)度與硬度。l例如含4%Cu的AlCu合金，室溫平衡組織為+ CuAl2 ，加熱到550水冷，然后加熱時(shí)效。時(shí)效過程中組織變化如下：l（1）在室溫和較低溫度下，在母相（100）晶面上形成Cu原子富集區(qū)（GP區(qū)），直徑約59nm,厚度約0.5nm，與基體保持共格關(guān)系。l（2）形成相l(xiāng)100200，隨著時(shí)效的繼續(xù)，Cu原子在GP區(qū)的基礎(chǔ)上繼續(xù)富集，成分接近CuAl2，與基體仍保持共格關(guān)系，111100。相比于GP區(qū)，由于相產(chǎn)生更大的共格應(yīng)變，最大尺寸直徑約為140150nm，厚度10nm。l（3）形成相l(xiāng)經(jīng)過更高溫度或延長

6、時(shí)效時(shí)間，將析出形成相，相成分與CuAl2相當(dāng)，是相長大與基體失去共格關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍哺耜P(guān)系而形成的。l形成相后期與形成相初期具有最大的強(qiáng)化效果。l（4）形成平衡相l(xiāng)相即CuAl2是由相在更高溫度時(shí)效或延長保溫時(shí)間獲得。由于已經(jīng)是非共格關(guān)系，此時(shí)，合金強(qiáng)度和硬度下降。l3、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化l純鋁中加入合金元素，形成鋁基固溶體，起固溶強(qiáng)化作用，Cu、Mg、Si、Zn、Mn等一般都能形成有限固溶體，并且，有較大的固溶度，具有較大的固溶強(qiáng)化作用。變形鋁合金中加微量Ti、Zr、Be及稀土元素，能夠形成難熔化合物，可作為非均勻形核的核心，從而細(xì)化晶粒。l三、變形鋁合金l1、不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金l主要有

7、AlMn、AlMg系。由于具有優(yōu)異的耐蝕性，故稱為防銹鋁。lAlMn系的主要牌號之一3A21（LF21）含1.01.6%Mn，退火組織為+MnAl6，MnAl6脆性大，故Mn含量一般不超過1.6%Mn。lAlMg系中除了Mg以外，還少量加入Mn、Ti、Si等元素。常用牌號為5A05（LF5）等，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用（成分見P388表132）。l2、能熱處理強(qiáng)化的鋁合金l工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的熱處理強(qiáng)化變形鋁合金是三元系和四元系合金，主要有AlCuMg、AlCuMn、AlZnMg、AlZnMgCu系等。l（1）硬鋁合金lAlCuMg系是典型的代表，由于強(qiáng)度和硬度高，故稱為硬鋁。l強(qiáng)化相主要有（Cu

8、Al2）相、（Mg5Al8）相、S（CuMgAl2）相和T（CuMg4Al6）相。l用于飛機(jī)蒙皮等零部件。l（2）超硬鋁合金l超硬鋁合金中強(qiáng)化相有（MgZn2）相和T（Al2Mg3Zn3）相。l強(qiáng)度588686MPa.l淬火+時(shí)效狀態(tài)使用，淬火溫度465475，120時(shí)效24小時(shí)。l不同鋁合金時(shí)效工藝不同。l（3）鍛造鋁合金l四、鑄造鋁合金l常用的有AlSi、AlCu、AlMg、AlZn系四大類。l五、耐熱鋁合金l用于200300工作的零件，例如內(nèi)燃機(jī)活塞和汽缸蓋等。根據(jù)加工工藝特點(diǎn)又分為耐熱變形鋁合金和耐熱鑄造鋁合金兩類。l1、耐熱變形鋁合金l主要包括AlCuMn和AlCuMgFeNi系。l

9、2、耐熱鑄造鋁合金l加入Fe、Ni有助于提高耐燃性，F(xiàn)e、Ni比例為1時(shí)，形成熱穩(wěn)定性很好的Al9FeNi化合物。第二節(jié)第二節(jié) 鈦及鈦合金鈦及鈦合金l一、純Til1. Ti的物理和力學(xué)性能l密度小，為4.51g/cm3，比強(qiáng)度是合金中最高的。l耐蝕性能優(yōu)異(海水、硝酸、有機(jī)酸等)l耐熱性能好(在500仍保持良好的力學(xué)性能)l低溫性能好(在低溫下仍有較好的延性和韌性)l無磁(用于潛艇殼體，不會引起水雷的爆炸)l形狀記憶效應(yīng)(NiTi形狀記憶合金)l鈦的原子序數(shù)為22，原子質(zhì)量為47.9，晶格常數(shù)相(25)a=0.29504nm, c=0.46833nm;相(900)a=0.33065nm。純鈦的

10、密度是4.505g/cm3；熔點(diǎn)1668。純鈦的抗拉強(qiáng)度為265353MPa,鈦合金為6861176MPa,目前，最高的可達(dá)1764MPa。強(qiáng)度已經(jīng)與鋼相當(dāng)，但比強(qiáng)度要好的多。鈦在航空航天、車輛、艦船、化工、電力、建筑、體育器材等方面獲得應(yīng)用。l美國戰(zhàn)斗機(jī)的用鈦比例如下：lF-14 24%lF-15 27%lF-117 25%lF-18 13%lF-22 41%l二、Ti的合金化lTi的合金化的目的就是利用合金元素對于Ti和Ti的作用，改變Ti和Ti的比例，達(dá)到改變性能的目的。l主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si等。lAl穩(wěn)定相元素，在Ti中室溫溶解度為7%

11、，有明顯的固溶強(qiáng)化作用。lZr、Sn屬中性元素， Zr在Ti和Ti中能形成無限固溶體， Sn的溶解度也很大。 Zr、Sn能強(qiáng)化相，也能提高抗蠕變能力。lMo、V屬Ti形成元素，能形成無限固溶體，加入起固溶強(qiáng)化作用，提高熱穩(wěn)定性和抗蠕變能力。lFe、Mn、Cr、Cu、Si等能形成共析反應(yīng)，穩(wěn)定相能力比同晶型元素還大。l三、工業(yè)用Ti合金l按照退火組織可以分為、+三大類。lTC2lTC2名義成分：Ti-3Al-1.5Mn;其中Al是穩(wěn)定晶型元素，主要溶入相，少量溶入相，有顯著的固溶強(qiáng)化效果，不明顯降低塑性。Mn是穩(wěn)定晶型元素，加入可以進(jìn)一步強(qiáng)化合金和改善合金的熱塑性。lTC2合金由于Mn含量低，在

12、合金組織中相數(shù)量較少，故熱處理不能強(qiáng)化，通常只在退火狀態(tài)下使用。退火后塑性接近工業(yè)純鈦，并有優(yōu)良的低溫性能，強(qiáng)度高于工業(yè)純鈦，可以用作低溫材料。l退火：66082015 min 2h板、帶、管、箔材 70082012h 棒、線材、鑄鍛件lTC4l名義成分Ti-6Al-4V，V是穩(wěn)定相元素，加入V在提高強(qiáng)度的同時(shí)還能夠保持良好的塑性。 TC4合金是最典型的牌號，是美國水城兵工廠于1954年研制成功的，具有中等強(qiáng)度(900M Pa),廣泛應(yīng)用于宇航工業(yè)，占 Ti合金生產(chǎn)總量的60%左右，既可以用作500以下工作的耐熱合金，也可以用作低溫下使用的結(jié)構(gòu)件(液體燃料儲存容器)。l熱處理工藝l退火：700

13、870 15 min 2h板、帶、管、箔材 70085012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：900950 水冷l時(shí)效：45055024 hl. TC6l合金名義成分Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Cr、Mo、Fe、Si都是相穩(wěn)定元素。Cr 是代替V而加入的，其強(qiáng)化和穩(wěn)定相的能力比V高，但在高溫350500下長期工作， 相會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變+ TiCr2，使合金的塑性降低，加入Mo、Fe、Si可以提高合金的熱穩(wěn)定性和持久強(qiáng)度。l熱處理工藝l退火：80087012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：860900 水冷l時(shí)效：50062024 h lTC16l合金名義

14、成分Ti-3Al-5Mo-4.5V,Mo和V都是相穩(wěn)定元素，TC16已經(jīng)被大量用于飛機(jī)鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件，在退火狀態(tài)下合金強(qiáng)度較低，但塑性特別好，可用于鉚釘?shù)睦涑尚?；而在固溶狀態(tài)下，強(qiáng)度較高并具有較高塑性，該合金的緊固件一般在固溶+時(shí)效狀態(tài)下使用，對于缺口、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中敏感性小，疲勞強(qiáng)度較高，可以在350以下長期使用。l熱處理工藝l退火：77079012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：780830 1.52.5 h水冷l時(shí)效： 500580410 h 隨著固溶溫度升高，晶粒長大，原始相減少。l. TA16l合金的名義成分為Ti-2Al-2.5Zr，Zr是中性元素，在和相中均有較大的

15、溶解度，起補(bǔ)充強(qiáng)化作用，是前蘇聯(lián)于60年代中期研制成功的中強(qiáng)高塑鈦合金，用于飛機(jī)和艦艇，管材主要作為聯(lián)接管路和各種航空導(dǎo)管來使用，使用環(huán)境復(fù)雜，條件苛刻，要求管材有良好的室、高溫力學(xué)性能，工藝性能和抗腐蝕性能。l熱處理工藝l退火：60081512h第三節(jié)第三節(jié) 銅及銅合金銅及銅合金l一、純Cul密度8.9g/cm3，熔點(diǎn)1083，工業(yè)純銅按照氧含量和生產(chǎn)方法可以分為韌銅、無氧銅和脫氧銅三類。l1、韌銅l含0.020.1%O的純銅，用符號“T”表示，后面數(shù)字為牌號順序號，T1、T2、T3等，順序號越大，純度越低。l2、無氧銅l在碳和還原性氣氛進(jìn)行熔煉和鑄造，氧含量低于0.003%，用TU1、TU

16、2表示牌號，主要用于電真空器件。l3、脫氧銅l用Mn或P進(jìn)行脫氧的銅，用符號TUMn、TUP表示。l二、黃銅l以Zn為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。l1、黃銅l單相黃銅又稱為黃銅，塑形好，典型牌號有H80、H70、H68等，后面數(shù)字表示平均銅含量。l2、+黃銅l稱為雙相黃銅，典型牌號有H59、H62等。由于相高溫塑性好，所以，適宜熱加工。l添加Al、Fe、Si等，形成特殊黃銅，分別稱為鋁黃銅、鐵黃銅和硅黃銅等。l三、青銅l最早把CuSn合金稱為青銅，現(xiàn)在則把除黃銅以外的所有銅合金稱為青銅。l1、Sn青銅l以Sn為主加元素的銅合金稱為錫青銅。典型牌號QSn43、QSn6.50.1用于彈性原件等；

17、ZCuSn10Zn2用于閥門、泵體等。l2、鋁青銅l以鋁為主加元素的銅合金稱為鋁青銅。l鋁青銅的強(qiáng)度、硬度、耐磨性都超過錫青銅和黃銅，抗蝕性也好，但鑄造性、切削性、焊接性較差。l用于齒輪、軸套等。l3、鈹青銅l含鈹量1.72.5%的銅合金。熱處理以后可以獲得很高的強(qiáng)度和硬度，彈性極限、疲勞極限、耐磨性、抗蝕性也很好。l用于制造儀器儀表零件和其它重要零件。第四節(jié)第四節(jié) 軸承合金軸承合金l一、軸承合金的性能要求l應(yīng)當(dāng)耐磨，并具有較小的摩擦系數(shù)，以減小軸的磨損。l在軟基體上分布一定大小的硬質(zhì)點(diǎn)或在硬基體上分布一定的軟質(zhì)點(diǎn)，可以滿足要求。l常用軸承合金有錫基、鉛基和鋁基三種。l二、錫基軸承合金l最常用的是ZSnSb11Cu6。l三