工程材料第七章有色金屬

工程材料第七章有色金屬第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬1.定義：除黑色金屬（鋼、鐵）以外的所有金屬。2.性能特點：具有獨特的性能。3.分類

金屬（密度＞4.5g/cm3）；Cu、Ni等。輕金屬（密度＜4.5g/cm3

）；Al、Mg等。貴重金屬；Au、Ag、Pt等。稀有金屬；W、Ti、Ra、Nb等。半金屬；Si、Te、B等。9.1鋁及鋁合金9.2鎂及鎂合金9.3鈦及鈦合金第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日7.1鋁及鋁合金1．純鋁

第七章有色金屬

①密度小，2.7g/cm3，為鐵的1/3。②良好的導電性(僅次于Ag、Cu)和導熱性。③在大氣中具有良好的抗蝕性。④彈性模量小，為鋼的1/3。⑤硬度低，強度低，塑性好。⑥熔點低,660℃。⑦面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。特點第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日

高純鋁：純度為99.93～99.99％，

L01、L02、L03、L04、L05（編號越大純度越高）

電容器

工業(yè)高純鋁：純度為98.85～99.9％，L0、L00

鋁箔、包鋁及冶煉鋁合金原料

工業(yè)純鋁：純度為98.0～99.0％，

L1、L2、L3、…L7（編號越大純度越低）

電線、電纜、器皿及配制合金

第七章有色金屬分類1．純鋁第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日2．鋁合金

為提高鋁材料的強度、硬度，在鋁中加入一定的合金元素使之合金化，則可得到一系列性能各異的鋁合金。

(1)合金元素常用的添加合金元素有：

Cu、Mn、Zn、Mg、Si合金元素的作用：通過固溶強化和時效強化提高鋁合金的硬度與強度。第七章有色金屬第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬(2)鋁合金的分類與編號按成分及工藝特點分：

變形Al合金：成分低于B點，加熱形成單相固溶體，塑性好；鑄造Al合金：成分高于B點，冷卻時發(fā)生共晶反應(yīng)，適于鑄造生產(chǎn)。2．鋁合金第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日變形Al合金鑄造Al合金LF－防銹Al（Mn、Mg）LY－硬鋁（Al-Cu-Mg，少量Mn）LC－超硬Al（Al-Mg-Zn-Cu，少量Cr、Mn）LD－鍛Al（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe）

(后面的數(shù)字為順序號)ZL102－Al-SiZL101－Al-Si-MgZL107－Al-Si-CuZL105/110－Al-Si-Mg-CuZL109－Al-Si-Mg–Cu-NiZL201－Al-Cu

2．鋁合金

(2)鋁合金的分類與編號第七章有色金屬第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日（1）退火

①完全退火：

消除加工硬化，獲得最大的成型性，為成型工序作準備。

②不完全退火：

部分消除加工硬化效應(yīng)，為隨后小變形成型工序作準備。

③顯微組織：

α(固溶體)＋粒狀金屬間化合物3.鋁合金的熱處理第七章有色金屬第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日

（2）淬火實質(zhì)：固溶處理，固溶處理過程

中無相變發(fā)生。目的：獲得過飽和的、不穩(wěn)定的α固溶體，為隨后的時效處

理作準備。以Al－4%Cu合金為例：

加熱溫度：550℃左右

保溫時間：隨零件尺寸與形狀而定。

冷卻：在40℃水中淬火。則可獲得過飽和的α-固溶體。3.鋁合金的熱處理第七章有色金屬第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

(3)時效

過飽和的α-固溶體不穩(wěn)定，有自發(fā)分解的趨勢，自發(fā)分解的過程稱為時效。

人工時效（在加熱條件下進行的時效）

自然時效（室溫下進行的時效）3.鋁合金的熱處理4%Cu的鋁合金自然時效曲線第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日(3)時效人工時效

①形成Cu原子富集區(qū)(GP[Ⅰ]區(qū))②Cu原子富集區(qū)有序化(GP[Ⅱ]

區(qū)),形成過渡相θ″。③形成過渡相θ′④形成穩(wěn)定的θ相(CuAl2)

自然時效在室溫下進行，Cu原子不容易擴散、偏聚，故強化速度很慢，以形成GP區(qū)為主，不形成θ′相，合金的最大強度值也較高。鋁合金時效強化示意圖（a）銅在鋁中的均勻固溶體（b）銅原子聚集形成GP區(qū)第七章有色金屬第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.鋁合金的熱處理含4％Cu的鋁合金在不同溫度下的人工時效曲線第七章有色金屬第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日

（4）回歸定義：將自然時效后的Al合金，在200～250℃作短時間加熱幾分鐘，然后快冷到室溫，就可軟化并重新獲得自然時效前的能力，這種現(xiàn)象稱為回歸，而這種熱處理方法則稱為回歸處理。用途：

①經(jīng)自然時效強化的Al合金件，如在使用過程中發(fā)生變形，可修復(fù)前先進行回歸處理，減小加工變形的困難。②只有自然時效的合金，才可進行回歸處理

3.鋁合金的熱處理第七章有色金屬第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬（1）不能熱處理強化的變形鋁合金定義：這類合金主要有Al-Mn、Al-Mg系合金兩種。具有很高的抗蝕性，可用加工硬化提高強度。用途：航空油箱、油路導管4.變形鋁合金第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬（2）可熱處理強化的變形鋁合金

①硬鋁(Al-Cu-Mg系)合金成分

Al-Cu-Mg系中，Cu、Mg在鋁中可形成固溶體，起固溶強化作用。此外，還可形成強化相CuAl2(θ相)、和MgAl2(s相)，進行強化。4.變形鋁合金第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

①硬鋁(Al-Cu-Mg系)

合金特性一般用自然時效，時間為4晝夜。如使用溫度在150℃以上，則用人工時效。

表面處理：硬鋁抗蝕性不高，通常用陽極氧化處理。熱處理方法：淬火＋時效。加熱溫度500℃左右。

冷卻介質(zhì)：<40℃的水

常用牌號：LY11－用于整流罩、螺旋槳

LY12－翼梁、長桁4.變形鋁合金第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

②超硬鋁(Al-Zn-Mg-Cu系)合金成分

主要強化相：η相(MgZn2)和T相(Mg3Zn3Al2)，

輔助強化相：S相（Al2CuMg）和θ相（CuAl2）。合金特性

機械性能：熱處理強化后，其強度超過一般的硬鋁合金，

比強度相當于超高強度鋼，但其缺口敏感性較高，疲勞強度

及斷裂韌性較低。耐蝕性：耐蝕性能較低，特別是應(yīng)力腐蝕傾向較大。

原因：MgZn2相電極電位較低。熱處理：淬火＋時效常用牌號及用途：LC4、LC9-飛機的大梁、桁條、翼肋、蒙皮4.變形鋁合金飛機前起落架第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

③鍛Al(Al-Cu-Mg-Si系)合金成分

除Mg、Si、Cu部分溶入鋁中形成固溶體外，可形成強化相為：Mg2Si、CuMgAl2、CuAl2，其中Mg2Si是主要強化相。合金特性機械性能，熱塑性好，可進行鍛造。熱處理：淬火＋時效常用牌號及用途

LD5－形狀復(fù)雜、強度中等的鍛件。4.變形鋁合金第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日5.鑄造鋁合金

定義：一般是指Al-Si系合金，通常稱為硅鋁明，可分為簡單硅鋁明和復(fù)雜硅鋁明。（1）簡單硅鋁明

合金成分

Al-Si二元合金，牌號為：ZL-102，含10~13%Si。微觀組織:

(α＋Si)共晶體，其中硅呈粗大的針狀。

強度和塑性都很低，為改善組織和性能，必須做變質(zhì)處理；在液態(tài)合金中，加入0.1%Na或2~3%鈉鹽(2/3NaF+1/3NaCl)；第七章有色金屬第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

5.鑄造鋁合金（1）簡單硅鋁明變質(zhì)處理后組織：共晶體中硅由粗大針狀變?yōu)榧毩?，初生的塊狀硅，被樹枝狀的α固溶體替代，即過共晶組織變?yōu)閬喒簿ЫM織。性能：

ZL-102接近共晶成分，流動性很好。α相與Si相的電極電位差很小，抗蝕性好。ZL102的鑄態(tài)組織第七章有色金屬第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日5.鑄造鋁合金

（2）復(fù)雜硅鋁明

在簡單的Al-Si二元合金中，加入Cu、Mg、Mn等合金元素，就形成了復(fù)雜硅鋁明，因Cu、Mg在鋁中的溶解度有變化，所以可以熱處理強化。

●常用的牌號有：

ZL-101、ZL-104、ZL-103發(fā)動機缸體及缸蓋第七章有色金屬第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日7.2鎂及鎂合金

1.純鎂性能

鎂的密度為1.74g/cm3（約相當于鋁的2/3）電極電位很低，所以抗蝕性很差，鎂的化學活性很強。高溫下鎂氧化更劇烈，如果氧化反應(yīng)放出的熱量不能及時散發(fā)，則很容易燃燒。鎂為密排六方晶格，故力學性能很低，尤其是塑性比鋁低得多（δ=10％），不能用作結(jié)構(gòu)材料。

2.鎂合金化

主要的合金元素：鋁、鋅及錳。

在鎂中都有溶解度變化，可利用熱處理方法（淬火+時效）來強化，強度可達300～350MPa。第七章有色金屬第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.鎂合金分類與編號按加工工藝可分為：變形鎂合金與鑄造鎂合金。

●變形鎂合金牌號以“MB”加數(shù)字表示，如MB1、MB2等；●鑄造鎂合金牌號以“ZM”加數(shù)字表示，如ZM1、ZM5等。國外應(yīng)用較廣泛的鎂合金是壓鑄鎂合金，有四個系列：

AZ系列Mg-Al-Zn；AM系列Mg-Al-Mn；

AS系列Mg-Al-Si；AE系列Mg-Al-RE。我國各有三個系列：

●鑄造鎂合金：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn?！褡冃捂V合金：Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。第七章有色金屬第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.鎂合金特點

（1）性能特點：

比強度高、減振性好、切削加工性好、抗蝕性差（2）熱處理特點：

合金元素含量較少的鎂合金：退火處理

合金元素含量較多的鎂合金：淬火＋人工時效，且時間較長。

鎂的化學穩(wěn)定性低，加熱溫度應(yīng)準確控制。在普通電爐中加熱必須通入保護氣氛(一般通入SO2氣體或在爐中放置一定數(shù)量的硫鐵礦碎塊)，以防鎂合金的氧化燃燒。第七章有色金屬第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日鎂合金的主要合金元素有Al、Zn和Mn等，有害元素有Fe、Ni和Cu等。第七章有色金屬

5.合金元素對鎂合金的影響第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日6.變形鎂合金的組織及性能

MBl5－－－Mg-Zn-Zr系合金，

高強度變形鎂合金；由于其含鋅量高，且在鎂中的溶解度隨溫度變化較大，能形成強化相MgZn，所以能熱處理強化。●鋯在鎂中能細化晶粒，并能改善抗蝕性。組織組成：

●

α相和沿晶界分布的β相組成，并存在孿晶組織。熱處理工藝：

●經(jīng)熱擠壓的型材及鍛件不經(jīng)淬火，只進行人工時效即可強化。人工時效的溫度一般為160~170℃，保溫10～24小時。

●MBl5合金是常用變形鎂合金中抗拉強度和屈服強度最高的。第七章有色金屬第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日性能：

☆

400℃以下擠壓，擠壓合金已發(fā)生再結(jié)晶。

☆

300℃進行冷擠壓，材料內(nèi)部保留了許多冷加工的顯微組織特征。

☆在再結(jié)晶溫度以下擠壓可使擠壓制品獲得更好的力學性能。應(yīng)用：

室溫下承受大載荷零件，如機翼長桁、翼肋等，使用溫度不超過150℃。第七章有色金屬6.變形鎂合金的組織及性能第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日7.鑄造鎂合金的組織及性能

航空工業(yè)上應(yīng)用較多的是ZM5合金，屬Mg-A1-Zn系。組織組成：

α相+晶界析出的β相

Mg-Al-Zn合金組織成分常常出現(xiàn)晶內(nèi)偏析現(xiàn)象，先結(jié)晶部分含Al量較多，后結(jié)晶部分含Mg量較多。晶界含Al量較高，晶內(nèi)含Al量較低；表層Al含量較高，里層Al含量較低。壓鑄Mg-Al-Zn合金組織

第七章有色金屬第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日7.鑄造鎂合金的組織及性能冷卻速度的影響：壓鑄組織表層組織致密、晶粒細??；而心部組織晶粒比較粗大。因而表面層硬度明顯高于心部硬度。熱處理：淬火+人工時效由于其含鋁量較高，能形成較多的強化相Mg17A112。應(yīng)用：

ZM5合金廣泛用于制造飛機、發(fā)動機、儀表等承受較高負荷的結(jié)構(gòu)件或殼體。第七章有色金屬第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

8.冶金缺陷對鎂合金性能的影響

●鎂合金夾雜物主要是MgO，同時還有Al2O3、SiO2、Fe2O3以及MgC12、NaCl、KCl等?！耔T造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源，有利于裂紋萌生。鎂合金鑄錠夾雜物掃描電子顯微形貌第七章有色金屬第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日9.

鎂合金的應(yīng)用存在的問題鎂元素極為活潑，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，因此，鎂合金的生產(chǎn)難度很大；鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術(shù)有待進一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差；現(xiàn)有工業(yè)鎂合金的高溫強度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫（150～350℃）場合的應(yīng)用；鎂合金的常溫力學性能，特別是強度和塑韌性有待進一步提高；鎂合金的合金系列相對很少，變形鎂合金的研究開發(fā)嚴重滯后，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場合的要求。

第七章有色金屬第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日7.2鎂及鎂合金江鈴汽車第七章有色金屬第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬物理性能：銀白色，熔點：1667℃［比Fe(1553℃)高］，密度：4.5g/cm3。晶格類型：具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

當溫度>882.5℃時，為體心立方，稱為β-Ti；

當溫度<882.5℃時，為密排六方，稱為α-Ti。性能優(yōu)點：

1、比強度高；2、熱強度高；3、抗蝕性高。牌號：TA1－TA37.3鈦及鈦合金

1.純鈦退火組織為α單相固溶體第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬合金元素溶于α-Ti中形成α固溶體，溶于β-Ti中形成β固溶體，因溶解度的變化，都可提高其強度。

2．鈦合金(a)(b)(c)(d)

（a）為添加Zr的完全固溶型相圖；（b）為添加鋁、氮、氧、錫、碳、鎵等的α相穩(wěn)定型相圖；（c）為添加鈮、鉭、鉬、釩等的β相穩(wěn)定型相圖；（d）為添加銀、銅、鈷、鉻、鐵、氫、錳、鎳、鎢、鉍、硅等的β共析型相圖。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬按鈦合金熱處理組織可分為：

α型鈦合金：組織為α固溶體，牌號為TA；

β型鈦合金：組織為β固溶體，牌號為TB；（α+β）型鈦合金：

組織為(α+β)固溶體，牌號為TC。

2．鈦合金第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬（1）α型鈦合金

退火組織：單相α固溶體，室溫下為六方晶格。特點：不能進行熱處理強化，只進行退火處理，室溫強度不高。耐熱性高于合金化程度相同的其它鈦

合金。加工特點：壓力加工性較差，多采用熱壓加工成形。

2．鈦合金第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬（2）β型鈦合金

組織：單相β固溶體，室溫、高溫均為體心立方晶格。特點：可用熱處理強化（淬火＋時效）性能：室溫強度較高。

耐熱性不高。350℃以下使用。熱穩(wěn)定性較差。壓力加工性能較好，熔煉工藝較復(fù)雜，目前應(yīng)用較少。

2．鈦合金第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

（3）α+β型鈦合金組織：α+β固溶體特點：即可以在退火狀態(tài)下使用，又可在淬火、時效狀態(tài)

下使用；通過淬火＋時效進行強化；性能：高的室溫強度和高溫強度；塑性較好；應(yīng)用最廣泛。（TC4---Ti6Al4V）

2．鈦合金第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日3．鈦合金的熱處理

（1）淬火α型鈦合金一般不進行淬火，多在退火狀態(tài)下使用。β型鈦合金（成分位于Cβ稍右的合金）的淬火溫度應(yīng)選在ACβ線附近，淬火后得到亞穩(wěn)的β相。加熱到這個溫度時，晶粒不會過分長大，因而不降低合金的力學性能。（α+β）鈦合金淬火加熱溫度一般選在（α+β）兩相區(qū)的上部范圍，這樣可以獲得較多數(shù)量的亞穩(wěn)β相，而且晶粒也不會過分長大。含有β穩(wěn)定元素的鈦合金相圖含有α穩(wěn)定元素的鈦合金相圖第七章有色金屬第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日3．鈦合金的熱處理

（2）時效

●實質(zhì)：依靠β′相在時效過程中分解析出高彌散的

α+β組織，使合金強化。

●時效溫度：500℃左右時效溫度過高，析出的α相粗大，強化效果差；時效溫度過低，保溫時間需要很長。第七章有色金屬第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬

（3）退火

再結(jié)晶退火

目的：消除加工硬化，恢復(fù)塑性，并獲得比較穩(wěn)定的組織。加熱溫度通常高于再結(jié)晶溫度，但低于“α＋β→β”相變溫度（β

型鈦合金除外），以避免晶粒長大。

去應(yīng)力退火

目的：消除機械加工或焊接過程中所形成的內(nèi)應(yīng)力。加熱溫度一般都低于再結(jié)晶溫度。

穩(wěn)定化退火

目的：對于一些含有鐵、錳、鉻等成分，并在高溫長期工作的鈦合金，為使合金組織盡可能接近平衡狀態(tài)，以免在使用過程中發(fā)生分解，使合金的熱穩(wěn)定性降低，需進行穩(wěn)定化退火。穩(wěn)定化退火多采用雙重退火法（或稱分級退火法）.第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬（4）強化熱處理

目的：消除晶界α相，粗大的α片群體和單獨粗大的α相。經(jīng)過強化熱處理后，合金的顯微組織發(fā)生了較大的變化，晶界α相消失，片狀α群體變薄、變短，相互間呈編織狀，合金的力學性能獲得了較大的改善。

主要方法：α-β固溶處理（ABST）；β固溶處理（BST），破碎組織處理（BUS）；GTEC處理；熱化學處理（TCT）；成分固溶處理（CST）；高溫滲氫處理（HTH）等。

3．鈦合金的熱處理第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日4．鈦合金的應(yīng)用（1）發(fā)動機業(yè)：

Ti5Al2.5Sn高強鈦合金—齒輪套、發(fā)動機外殼、葉片罩

Ti8Al1Mo1V高溫鈦合金—發(fā)動機葉片、陀螺儀導向罩、內(nèi)蒙皮

Ti6Al4V（抗拉強度≥895MPa）熱處理強化鈦合金—核心機葉片及葉輪

（2）航空業(yè)：

Ti6Al2Sn強化鈦合金—緊固件、導向裝置、重要結(jié)構(gòu)

Ti4AlMo1V鈦合金—飛機骨架

TiSn5Zr1Mo鈦合金—起落架、飛機承重架、緊固件

（3）航天業(yè)

鈦合金1M1315—火箭機盤、導彈基座構(gòu)件

鈦合金1M1550—導彈動力葉片套

鈦合金T-A6V—飛船主用材料

第七章有色金屬第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日

4．鈦合金的應(yīng)用F-22猛禽結(jié)構(gòu)用鈦36t，2臺發(fā)動機用鈦5t第七章有色金屬第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

4．鈦合金的應(yīng)用

俄羅斯的鈦合金潛艇第七章有色金屬第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日

4．鈦合金的應(yīng)用

頭顱模型及顱骨缺損的鈦合金修復(fù)體

第七章有色金屬第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬1、純銅力學和工藝性能：極好的塑性，可碾壓成極薄的板，拉成極細的銅線；

較低的抗拉強度，不宜作結(jié)構(gòu)材料；

鑄造性能差，熔化時易吸收CO和SO2等氣體，形成氣孔。工業(yè)純銅按含雜質(zhì)的量可分為四種：

T1、T2、T3、T4?！癟”是銅的漢語拼音字首，數(shù)字為編號，數(shù)字愈大則純度愈低。7.4銅及銅合金第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第七章有色金屬2、銅合金

在純銅中加入合金元素制成銅合金。按照化學成分的不同，可分為黃銅、青銅和白銅。（1）黃銅

以鋅為