吉林大學(xué)工程材料課件-第八章 有色金屬材料

第八章有色金屬及合金通常把鐵及其合金（鋼、鑄鐵）稱(chēng)為黑色金屬材料，而把非鐵金屬及其合金稱(chēng)為有色金屬材料。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良特性，例如鋁、鎂、鈦及其合金具有密度小，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在飛機(jī)，汽車(chē)制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛；又如銀、銅、鋁及其合金的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性好，是電器，儀表工業(yè)不可缺少的材料。雖然有色金屬使用量少，在機(jī)械制造業(yè)中僅占4.5%左右，但它是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。主要用途：電線、電纜4、抗大氣腐蝕好，其表面有一層致密的氧化膜。3、面心立方晶格，強(qiáng)度低（σb=80-100MPa），

塑性好（ψ=80%），可以通過(guò)壓力加工成各種型材，與其面心立方晶體有關(guān)。2、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅、金居第四位。特性：1、熔點(diǎn)低，比重小。熔點(diǎn)為660.4℃密度2.72第一節(jié)鋁及其合金一、工業(yè)純鋁牌號(hào)：工業(yè)純鋁牌號(hào)有L1L2……..L7數(shù)字大純度低

工業(yè)高純鋁牌號(hào)有L0L00

高純鋁L01L02……L04數(shù)字大純度高。二、鋁合金及強(qiáng)化方法（一）概述

1、合金化

在純鋁中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，經(jīng)熱處理可使強(qiáng)度比純鋁提高3－4倍。

2、鋁合金狀態(tài)圖（一般式）

共同特點(diǎn)是：基本相都是鋁基固溶體和＋

共晶體。其中為固溶體或化合物。

3、鋁合金的分類(lèi)及特性

根據(jù)加工工藝特性和合金元素含量可分為兩大類(lèi)。即，變形鋁合金和鑄造鋁合金。

變形鋁合金：具有良好的塑性，可進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓等壓力加工。

鑄造鋁合金：流動(dòng)性好，宜鑄造，不宜壓力加工。Al

合金含量（SiMgCu等）溫度DL+變形鋁合金鑄造鋁合金熱處理不能強(qiáng)化熱處理能強(qiáng)化D/F+L鋁合金一般相圖1、熱處理強(qiáng)化強(qiáng)化方法：固溶處理－時(shí)效強(qiáng)化。

固溶處理：將合金加熱到溶解度曲線以上某一溫度，得到單一的固溶體組織，然后在水中迅速冷卻，使第二相來(lái)不及析出，形成過(guò)飽和固溶體。這種處理的方法稱(chēng)固溶處理。

時(shí)效強(qiáng)化：固溶處理的合金在較低溫度下隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象(強(qiáng)度和硬度上升）稱(chēng)時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化。

（二）鋁合金強(qiáng)化方法以鋁銅合金為例，獲得過(guò)飽和的α固溶體。其強(qiáng)度可以達(dá)到250MN/m2。時(shí)效強(qiáng)化：固溶處理的合金隨時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象稱(chēng)時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化。例如：固溶處理的合金，如果在室溫放置4-5例如4%Cu的鋁合金加熱到α相區(qū)中某一溫度，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間保溫，使獲得單一的α固溶體組織，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2來(lái)不及從α中析出時(shí)效過(guò)程：分四個(gè)階段：第一階段，形成GP[1]區(qū)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，位錯(cuò)受阻，強(qiáng)度提高。第二階段，形成GP[11]，Gp區(qū)有序化,隨著原子的進(jìn)一步富集，原子有序的排列起來(lái)，成分結(jié)構(gòu)接近CuAl2，稱(chēng)θ“，與母相共格，引起晶格進(jìn)一步畸變，位錯(cuò)進(jìn)一步受阻，強(qiáng)度進(jìn)一步提高。第三階段，形成過(guò)渡相θ′，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學(xué)成分逐漸達(dá)到CuAl2的化學(xué)成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變減輕，對(duì)位錯(cuò)阻礙減少，合金趨向軟化。第四階段，θ相形成與長(zhǎng)大，形成穩(wěn)定的CuAl2。與母相完全脫離共格聯(lián)系，晶格畸變大為減輕，強(qiáng)化效果顯著減弱，合金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱(chēng)“過(guò)時(shí)效“。

實(shí)際上，時(shí)效過(guò)程不一定全部包括以上四個(gè)階段，自然時(shí)效只有一二階段，人工時(shí)效只能觀察到三、四階段。

自然時(shí)效：在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)自然時(shí)效（強(qiáng)度可以達(dá)到400MN/m2），

人工時(shí)效：在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)人工時(shí)效（100－200oC）。人工時(shí)效的效果不如自然時(shí)效效果好，但時(shí)間短。例：含4％Cu的鋁合金，固溶強(qiáng)化后強(qiáng)度為250MPa自然失效后（4－5天）達(dá)到400MPa。強(qiáng)化機(jī)理：

在鋁的過(guò)飽和固溶體晶格內(nèi)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與固溶體保持共格關(guān)系，使得晶格嚴(yán)重畸變，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，提高了合金的強(qiáng)度。

2、對(duì)變形鋁合金通過(guò)冷變形加工硬化，使強(qiáng)度提高。

3、固溶強(qiáng)化合金元素溶入鋁晶格中形成有限固溶體，使合金強(qiáng)度提高。如硅銅鎂錳等。

4、加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理—細(xì)晶強(qiáng)化。例：Al－Si鑄造合金，澆鑄前加入2－3％鈉鹽混合物（2/3NaF+1/3NaCl-變質(zhì)劑），結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生大量晶核，獲得細(xì)晶粒，合金的強(qiáng)度和塑性都得以提高。鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理后特點(diǎn)：：合金元元素少少，熱熱處理理強(qiáng)化化不起起作用用，只只能用用加工工硬化化的方方法強(qiáng)強(qiáng)化。。三、常常用鋁鋁合金金鋁合金金分為為兩大大類(lèi)：：變形形鋁合合金、、鑄造造鋁合合金（一））變形形鋁合合金變形鋁鋁合金金按其其性能能和用用途分分為：：防銹鋁鋁合金金、硬硬鋁合合金、、超硬硬鋁合合金和和鍛鋁鋁合金金。1、防防銹鋁鋁主要合合金元元素：：Mn，，Mg常用牌牌號(hào)：LF5、LF11、、LF21等L－鋁鋁F－防防銹數(shù)字－－順序序號(hào)用途：：制造造油箱箱、油油管等等。用途：：制造鉚鉚釘、、螺旋旋槳葉葉片等等。3、超超硬鋁鋁合金金特點(diǎn)：：可用熱熱處理理時(shí)效效強(qiáng)化化，也也可冷冷變形形加工工硬化化。2、、硬鋁鋁合金金主要合合金元元素：：Cu－－Mg常用牌牌號(hào)：：LY1、LY11等。。L－鋁鋁Y－－硬數(shù)數(shù)字字－順順序號(hào)號(hào)主要合金金元素：Zn－Mg－－Cu常用牌號(hào)號(hào):LC4LC6L－鋁C－－超硬數(shù)數(shù)字字－順序序號(hào)特點(diǎn)：這類(lèi)鋁合合金是經(jīng)經(jīng)固溶處處理和時(shí)時(shí)效硬化化后強(qiáng)度度最高的的一種鋁鋁合金。。用途：制制造飛機(jī)機(jī)大梁、、蒙皮等等。特點(diǎn)：具有良好好的鍛造造成型性性，可固固溶處理理+人工工時(shí)效強(qiáng)強(qiáng)化。用途：制造直升升飛機(jī)的的葉片、、航空發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)活活塞。4.鍛鍛鋁合金金主要合金金元素：Mg－Si－Cu,Cu－Mg－Ni常用牌號(hào)號(hào)：LD5LD7L－鋁D－鍛鍛造數(shù)數(shù)字字－順序序號(hào)四、鑄造造鋁合金金用途：鑄造鋁合合金主要要用于制制造重要要的形狀狀復(fù)雜的的鋁合金金零件，，例如汽汽車(chē)、拖拖拉機(jī)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的的活塞等等。合金系：Al－－SiAl－－CuAl－－MgAl－Zn牌號(hào)表示示方法：：字母“ZL”＋＋三位數(shù)數(shù)字ZL－鑄鑄鋁;第一位數(shù)數(shù)字表示示合金類(lèi)類(lèi)別1－表示示鋁硅系系，2－表示示鋁銅系系3－表示鋁鎂鎂系，4－表示示鋁鋅系系第二、、三位數(shù)數(shù)字表示示順序號(hào)號(hào)。例如：ZL102、ZL202、、LZ302等等。特點(diǎn)：鑄造性能能好（Al-Cu合金金差）1、工業(yè)業(yè)純銅（（又稱(chēng)稱(chēng)紫銅））物理性能能：密度為8.93g/cm3，熔點(diǎn)為1083℃，呈面心心立方晶晶格，表表現(xiàn)出優(yōu)優(yōu)異的冷冷、熱壓壓力加工工性能，，導(dǎo)電、、導(dǎo)熱性性能好。。強(qiáng)度度低，不不能作為為結(jié)構(gòu)材材料使用用。應(yīng)用：電電線、電電纜第二節(jié)銅銅及合合金2、黃銅銅：化學(xué)成分分：主要元素素是銅和和鋅。含含鋅量0－50％。呈淡黃色色。性能特點(diǎn)點(diǎn)：強(qiáng)度高（（比鋁合合金高））；耐磨磨性和耐耐海水腐腐蝕性好好，都優(yōu)優(yōu)于鋁合合金和碳碳鋼。黃銅普通黃銅銅Cu－Zn合金金，H59、、H62、H70等等H－黃銅數(shù)數(shù)字字－Cu%應(yīng)用：水水管、油油管、散散熱器等等。特殊黃銅銅普通黃銅銅基礎(chǔ)上上加入AlMnPbSi進(jìn)一步提提高強(qiáng)度度、硬度度、耐磨磨性和耐蝕性。。牌號(hào)：HPb59-1表表示含鉛鉛黃銅，，Cu%=59Pb%=1應(yīng)用：制造船舶舶、化工工中的高高強(qiáng)耐蝕零件鐘鐘表、機(jī)機(jī)械的軸軸瓦耐磨零件件等分類(lèi)、牌牌號(hào)及應(yīng)應(yīng)用：3、青銅銅主要成分分：Cu-Sn合金金，應(yīng)用用最早合合金。近近代又發(fā)發(fā)展了含含Al、、Si、、Be、、Mn、、Pb的的銅合金金，習(xí)慣慣上也都都稱(chēng)為青青銅。特性：具具有極高高的耐磨磨性并耐耐蝕性好好。牌號(hào)：Q+元素素符號(hào)＋＋含量QSn4-3QAl5ZQSn10-5等等（3％Zn）（（5％Pb）應(yīng)用：耐耐磨件如如齒輪、、軸套、、蝸輪，，儀器上上的彈簧，耐磨磨和抗磁磁零件理想的軸軸承合金金的組織織應(yīng)是軟軟基體上上均勻分分布著硬硬質(zhì)點(diǎn)。。軟的基基體被磨磨損下凹凹，可貯貯存潤(rùn)滑滑油并形形成連續(xù)續(xù)的油膜膜；硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)則凸凸起來(lái)支支撐軸頸頸，使軸軸承和軸軸頸的實(shí)實(shí)際接觸觸面積小小，減小小摩擦。。如圖示示：第三節(jié)滑滑動(dòng)動(dòng)軸承合合金用于制造造滑動(dòng)軸軸承及其其內(nèi)襯的的合金一、性能能要求1、要求軸承承合金必必須具有有足夠的的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度和疲疲勞強(qiáng)度度。2、足夠夠的塑性性和韌性性。3、低的摩擦擦系數(shù)4、良好好的導(dǎo)熱熱性和小小的膨脹脹系數(shù)。二、分類(lèi)類(lèi)及主要要成分錫基軸承承合金Sn+銻銻（Sb）和銅銅鉛基軸承承合金Pb+Sb+Sn+Cu還有銅基基軸承合合金、鋁基、等等四、工業(yè)業(yè)中常用用的軸承承合金工業(yè)上稱(chēng)稱(chēng)巴氏合合金（巴巴比特合合金）（（錫基和和鉛基軸軸承合金金）錫銻合金金ZchSnSb11-6鉛銻合金金ZChPbSb16-16-2(16%Sb,16%Sn,2%Cu)三、牌號(hào)號(hào)表示方方法：ZCh+基本本元素符符號(hào)＋主主加元素素符號(hào)＋＋含量＋＋輔加元元素平均均含量例：ZChSnSb11-6ZCh－－鑄造軸軸承Sn－基基本元素素是錫Sb11－銻含含量為11％6－銅含含量6％％軟基體是是Sb溶溶于Sn形成的的固溶體體呈暗黑黑色；硬質(zhì)點(diǎn)是是SnSb,ββ相呈白白方塊用途：澆澆注大型型機(jī)器的的軸瓦，，如氣輪輪機(jī)發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)等高高速軸瓦瓦。巴氏氏合金熔熔點(diǎn)和強(qiáng)強(qiáng)度均較較低，承承受不了了大的壓壓力，生生產(chǎn)上常常用離心心澆注法法將它們們鑲鑄在在08F鋼軸瓦瓦上，制制成所謂謂“雙金金屬”軸軸承。第八章結(jié)結(jié)束束二、鈦及及其合金金純鈦是灰灰白色輕輕金屬，，密度為為4.507g/cm3,熔點(diǎn)為為1668℃鈦在固態(tài)下下有兩種晶晶體結(jié)構(gòu)，，882.5℃以以上為β––Ti呈呈體心立方方晶格，882.5℃以以下為α-Ti呈密密排六方晶晶格。這種種轉(zhuǎn)變對(duì)鈦鈦合金的強(qiáng)強(qiáng)化具有重重要的意義義。鈦合金具有有