銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)-黃銅

銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)銅的基本特點(diǎn)、應(yīng)用及分類1主要內(nèi)容紫銅的組織與性能4銅合金設(shè)計(jì)的基本原理2典型白銅與青銅的組織與性能6黃銅的組織與性能5金屬塑性加工原理7典型銅合金相圖3緒論05黃銅的組織與性能

黃銅是指以鋅為主要合金元素的銅合金，其外觀顏色隨含鋅量的增加由金黃變成淺黃，故名黃銅。改變黃銅中鋅的含量可以得到不同力學(xué)性能的黃銅。黃銅中鋅的含量越高，其強(qiáng)度也較高，塑性稍低。工業(yè)中采用的黃銅含鋅量不超過45%，含鋅量再高將會(huì)產(chǎn)生脆性，使合金性能變壞。黃銅普通黃銅特殊黃銅Cu-ZnCu-Zn-X鉛黃銅(Cu-Zn-Pb)錳黃銅鋁黃銅鐵黃銅硅黃銅鎳黃銅(Cu-Zn-Mn)(Cu-Zn-Al)(Cu-Zn-Fe)(Cu-Zn-Si)(Cu-Zn-Ni)α黃銅(＜36%Zn)α＋β兩相黃銅(36%～46.5%Zn)β黃銅（47%～50%Zn）Cu-Zn相圖

黃銅的機(jī)械性能優(yōu)于紫銅，耐蝕性則與紫銅相似，對于非氧化性酸、堿、中性鹽溶液、水、大氣等都有良好的耐蝕性，并且黃銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能。由于黃銅的這些特點(diǎn)，使它在軍事、電力、電子、石油及民用工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其用量僅次于紫銅。5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

（1）鋅的影響黃銅的物理性能與含鋅量的關(guān)系

在簡單黃銅中，Zn是唯一的合金元素，Sb、Pb、P、Fe、As、Bi等則是雜質(zhì)，Zn對黃銅的物理性能的影響如下圖：（1）鋅的影響5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響鋅含量對黃銅力學(xué)性能的影響

Zn對黃銅力學(xué)性能的影響5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響（2）鐵的影響不同含鐵量的H70在退火時(shí)的晶粒度與硬度變化情況

鐵對簡單黃銅的機(jī)械性能沒有顯著影響，在黃銅中的溶解度極小，常以富鐵相質(zhì)點(diǎn)分布在基體中，具有細(xì)化晶粒的作用(右圖)。當(dāng)黃銅中有硅存在時(shí)，鐵與硅會(huì)形成高硬度(HV950)的硅化鐵質(zhì)點(diǎn)，使切削性能變壞。鐵含量對黃銅硬度和晶粒度的影響5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響（3）鉛和秘的影響

鉛和秘影響黃銅的高溫加工性能。鉛在簡單黃銅中是有害雜質(zhì)，它常呈顆粒狀分布在晶界上的易熔共晶中，當(dāng)黃銅的含鉛量>0.03%時(shí)，使黃銅在熱加工時(shí)出現(xiàn)熱脆性，但對冷加工性能無明顯影響。

鉍常呈連續(xù)的脆性薄膜分布在黃銅晶界上，既產(chǎn)生熱脆性，又產(chǎn)生冷脆性，對黃銅的危害性遠(yuǎn)比鉛為大(約為鉛的5-10倍)，其允許含量比鉛更小。5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

隨著溫度的降低，銻在a黃銅中的溶解度急劇減小(見左圖)，甚至銻含量小于0.1%時(shí)就會(huì)析出脆性化合物Cu2Sb，它呈網(wǎng)狀分布在晶界上，嚴(yán)重?fù)p害黃銅的冷加工性能。銻還促使黃銅產(chǎn)生熱脆性。

（4）銻的影響加入微量鋰可以減少銻對黃銅塑性的有害影響。

含30%Zn的Cu-Zn-Sb系相圖的縱截面5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響（5）磷的影響

磷很少固溶于銅-鋅合金，在a黃銅中超過0.05-0.06%磷，就出現(xiàn)脆性相Cu3P，降低黃銅塑性。

磷顯著提高冷加工黃銅的再結(jié)晶溫度，在退火時(shí)容易產(chǎn)生晶粒大小不均勻現(xiàn)象，但少量磷可使黃銅鑄錠晶粒細(xì)化，提高黃銅的機(jī)械性能。（6）砷的影響

室溫時(shí)砷在黃銅中的溶解度<0.1%，過量則產(chǎn)生脆性化合物Cu3As，分布在晶界上，降低黃銅塑性，黃銅中加入0.02-0.05%砷，可防止黃銅脫鋅，提高黃銅的耐蝕性。5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

銅-鋅相圖

簡單黃銅中，鋅大量溶解于銅中(右圖)，但有實(shí)際應(yīng)用的是含鋅在50%以內(nèi)的黃銅，共有十個(gè)牌號(hào)。

Cu-Zn系中，固態(tài)下分別具有一定成分范圍的α、β、γ、δ、ε、η等六個(gè)相，在454一468℃有β(無序固溶體)~β′(有序固溶體)轉(zhuǎn)變。5.1.2簡單黃銅的組織普通黃銅在生產(chǎn)條件下按含鋅量及組織特性分類5.1.2簡單黃銅的組織5.1.2簡單黃銅的組織鑄態(tài)，組織為呈樹枝狀偏析的α相固溶體，黑色部分為富鋅區(qū)，這種鋅在α相中的偏析經(jīng)加熱退火后便會(huì)很快消除。H90黃銅熱軋退火態(tài)，基體為呈孿晶分布的α相。α單相黃銅H68，鑄造態(tài)，按平衡態(tài)應(yīng)該是單相，但由于非平衡冷卻或有時(shí)鋅含量偏高而出現(xiàn)少量β相。H68，熱軋態(tài)，由a至c，隨著終軋溫度的提高，再結(jié)晶晶粒（等軸α晶粒）越大。abcα單相黃銅5.1.2簡單黃銅的組織（α+β）兩相黃銅abca：典型的α+β雙相組織，白色基底為α相，黑色為β相；b：擠壓態(tài)組織，經(jīng)加工變形后成帶狀組織；c：經(jīng)退火處理，α再結(jié)晶孿晶組織，部分β相溶入α相，剩余的呈黑色點(diǎn)狀。H625.1.2簡單黃銅的組織5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

物理性能5.1.3簡單黃銅的性能

黃銅的物理性能與含鋅量及工藝因素有關(guān)：5.1.3簡單黃銅的性能黃銅的物理性能與含鋅量的關(guān)系5.1.3簡單黃銅的性能5.1.3簡單黃銅的性能

力學(xué)性能

普通黃銅的強(qiáng)度隨鋅含量的增加而提高，而塑性隨鋅含量增加而降低，在含鋅15%(H85)時(shí)達(dá)到低谷。隨鋅含量的繼續(xù)增加，塑性隨之提高，含量達(dá)到32%(H68)時(shí)達(dá)到頂峰。5.1.3簡單黃銅的性能5.1.3簡單黃銅的性能5.1.3簡單黃銅的性能

耐蝕性能普通黃銅的耐蝕性能

黃銅的耐蝕性是其重要使用性能之一。下表所示為普通黃銅的耐蝕性能。5.1.3簡單黃銅的性能

由上表可知，黃銅在大氣中腐蝕得很慢，在淡水中黃銅的腐蝕速度也不大，在海水中則有可能達(dá)到0.1mm/a。隨著溫度的升高腐蝕速度會(huì)加快，高速時(shí)在過飽和蒸汽中能引起沖擊腐蝕。在坑內(nèi)地下水中有Fe2(SO4)3離子時(shí)黃銅極易腐蝕。

含鋅低于15%的黃銅在各種介質(zhì)中有與紫銅完全相似的耐蝕性。但含鋅量高于15%的黃銅特別是（a+β）兩相黃銅易發(fā)生脫鋅腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂。5.1.3簡單黃銅的性能

加工性能a黃銅（＜36%Zn）

單相α黃銅有良好的加工性能，其塑性隨著鋅含量的增加而增加，出現(xiàn)β’相之前達(dá)到最大值。熱軋前的加熱一方面能提高鑄錠的塑性，另一方面能消除其大部分偏析，達(dá)到接近平衡結(jié)晶的狀態(tài)。

α黃銅尤其是含32%-33%Zn的黃銅具有很好的冷加工性能。黃銅的再結(jié)晶溫度隨其鋅含量的增加而降低，生產(chǎn)中采用的退火溫度為500-700℃，組織為等軸的α晶粒。5.1.3簡單黃銅的性能

由于室溫下β′較脆，故（a+β）兩相黃銅的塑性較a黃銅差。但β′相在450-460℃時(shí)有一個(gè)β′→β的有序無序轉(zhuǎn)變，無序的β相遠(yuǎn)比有序的β′相塑性高，故熱加工時(shí)常需加熱至無序區(qū)進(jìn)行。（a+β）雙相黃銅在冷軋時(shí)必須嚴(yán)格控制其加工率，以防沿脆性的β相開裂。（a+β）兩相黃銅（36-46.5%Zn）β黃銅（46.5-50%Zn）室溫下既硬又脆，但在高溫有良好的塑性，比α黃銅更易加工。5.1.3簡單黃銅的性能5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入其它合金元素構(gòu)成復(fù)雜黃銅。根據(jù)加入的第三組元的類別可分為：鉛黃銅、鋁黃銅、錫黃銅、鐵黃銅等。第四、第五組元?jiǎng)t不在名稱或符號(hào)中標(biāo)出，僅以數(shù)字表示其名義加入量。復(fù)雜黃銅的物化性能及力學(xué)性能較普通黃銅有了不同程度的改善和提高。

新元素加入之后本應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的多元合金相圖分析其金相組織，但通常再加元素的含量都較高，故常以Cu-Zn二元相圖為基礎(chǔ)，再考慮添加元素對α、α+β相界線左右移動(dòng)的影響來大致了解其金相組織。人們把加入某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%后，其金相組織相當(dāng)于增加或減少多少含鋅量的系數(shù)Ki稱為該元素的鋅當(dāng)量系數(shù)。5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

向普通黃銅中加w(Si)為1%后，相當(dāng)于又增加w(Zn)為10%后的合金組織，硅的加入將明顯縮小α相區(qū)。加入w(Ni)為1%后，相當(dāng)于減少w(Zn)為1.5%的合金組織，故使α相區(qū)擴(kuò)大。

Cu-Zn二元合金加入其他元素后相當(dāng)于鋅的總含量X可用下式計(jì)算：5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

判斷相組成的標(biāo)準(zhǔn)是：X＜36%時(shí)為α單相，X在36%～46.5%時(shí)為α+β雙相，X在46.5%～50%時(shí)為β相。

以HAl59-3-2為例，此時(shí)w(Cu)為59%，w(Zn)為[100-(59+3+2)]%=36%，將鋁的鋅當(dāng)量系數(shù)為6、鎳的鋅當(dāng)量系數(shù)為-1.5代入公式，則：

X=｛36+[3×6+2×(-1.5)]/36+59+[3×6+2×(-1.5)]｝×100%=46.4%36%Zn46.4%Zn5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

鉛幾乎不固溶于Cu-Zn合金，存在于固溶體晶界處，經(jīng)過壓力加工在固溶體中以獨(dú)立的游離鉛相存在。游離的鉛質(zhì)點(diǎn)既有潤滑作用，使其用作減磨零件，又可使切屑呈崩碎末狀。故鉛黃銅可進(jìn)行高速切削并獲得光潔表面。

但當(dāng)w(Pb)超過3%后，鉛不會(huì)進(jìn)一步改善合金的可切削性能，反而會(huì)使合金的力學(xué)性能全面下降。鉛在α單相黃銅中的溶解度w(Pb)小于0.03%。通常α單相鉛黃銅只能進(jìn)行冷軋或熱擠。而β相中可固溶w(Pb)達(dá)0.3%以上，且α+β雙相黃銅在加熱中會(huì)發(fā)生α+β→β的轉(zhuǎn)變，鉛此時(shí)可由晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)，從而減輕了鉛對黃銅的危害，提高了材料的高溫塑性。5.2.1鉛黃銅的組織與性能1）物理性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能2）力學(xué)性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能HPb61-1鉛黃銅的高溫力學(xué)性能3）工藝性能及主要用途5.2.1鉛黃銅的組織與性能處理情況：鑄態(tài)組織說明：由于含銅量的增加，合金鑄態(tài)下基體為α相，β相數(shù)量大為減少。由于鉛的加入量增加，黑色的點(diǎn)狀鉛相呈明顯網(wǎng)狀分布。游離的鉛質(zhì)點(diǎn)，既有潤滑作用，使合金可作減磨零件，又可使切屑呈崩碎狀，但w（Pb）超過3%后，其加工性能不再有明顯提高，此合金適宜作鐘表零件。5.2.1鉛黃銅的組織與性能5.2.1鉛黃銅的組織與性能冷拉成直徑為4.1mm的絲材的組織絲材縱向邊部組織，基體為a相，隱約可見其晶界及孿晶沿拉伸方向呈斷續(xù)狀分布，其組織由α+β組成。絲材心部組織、在白色基體中可見到晶界及孿晶，由于絲材中心部位的變形率較表面處小，所以β相沿拉伸方向變形的幅度較小，其相對較寬而短。絲材的橫截面組織，白色基體相中的晶界、孿晶較明顯，β相呈顆粒狀，分布較均勻。5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能5.2.2錫黃銅的組織與性能1）物理性能5.2.2錫黃銅的組織與性能2）力學(xué)性能5.2.2錫黃銅的組織與性能5.2.2錫黃銅的組織與性能5.2.2錫黃銅的組織與性能3）工藝性能及主要用途5.2.2錫黃銅的組織與性能鑄態(tài)，基體為α相，灰色部分為不平衡的β相分解的（α+γ）共析體，通常經(jīng)加熱退火后可消失，故經(jīng)熱加工、冷加工、退火后的組織為單一的α相。擠壓態(tài)，基體組織為單相α相，再結(jié)晶孿晶組織。此合金有“季裂”傾向，常用作船舶、熱電廠中高溫耐蝕冷凝器管。5.2.2錫黃銅的組織與性能

試樣取自鑄錠邊緣，冷卻強(qiáng)度較大，因而組織細(xì)密，β相來不及分解，故為α+β雙相組織，并一直保持在加工及成品使用過程中。

此牌號(hào)合金也有“季裂”傾向，常用作與海水、汽油接觸的船舶零件。5黃銅的組織與性能5.1簡單黃銅的組織與性能

5.1.1合金元素及雜質(zhì)對簡單黃銅性能的影響

5.1.2簡單黃銅的組織

5.1.3簡單黃銅的性能5.2復(fù)雜黃銅的組織與性能

5.2.1鉛黃銅的組織與性能

5.2.2錫黃銅的組織與性能

5.2.3鋁黃銅的組織與性能

5.2.4硅