有色金屬課件

有色金屬

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凡不是以鐵為主要元素的金屬都屬于有色金屬。工程上常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鈦、鋅及其合金。有色金屬鋁及鋁合金鋁及鋁合金是應(yīng)用非常廣泛的一類金屬結(jié)構(gòu)材料。航空上主要用于飛機(jī)的蒙皮、隔框、長(zhǎng)梁、桁條和鍛、鑄件等。一架波音747客機(jī)，需要消耗約18.6噸鋁，航天技術(shù)上主要用于氣動(dòng)加熱溫度在150℃以下的運(yùn)載火箭和宇宙飛行器，也用在衛(wèi)星、航天飛機(jī)等其他航天器結(jié)構(gòu)上。有色金屬4.3.1鋁合金的分類鋁合金按加工方法可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又可分為不可熱處理強(qiáng)化合金和可熱處理強(qiáng)化合金。有色金屬不可熱處理強(qiáng)化的合金可熱處理強(qiáng)化的合金變形鋁合金鑄造鋁合金aa+bL+aL+bL合金元素含量溫度ADEF圖4-6鋁合金分類示意圖有色金屬4.3.2變形鋁合金變形鋁合金通常經(jīng)不同的變形加工方式生產(chǎn)成各種半成品提供使用，如板、棒、管、線、型材及鍛件等。根據(jù)合金的特性，變形鋁合金可分為以下幾類：1.防銹鋁合金2.硬鋁合金3.超硬鋁合金4.鍛造鋁合金有色金屬1.防銹鋁合金防銹鋁其特點(diǎn)是抗蝕好、易于加工成形和焊接。但不能熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度較低。適于制作要求抗腐蝕及受力不大的零部件，如油管、油箱等。這類合金主要是Al-Mn系和Al-Mg系。有色金屬2.硬鋁合金硬鋁是目前航空工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類變形鋁合金。其特點(diǎn)是具有強(qiáng)烈的時(shí)效硬化能力。強(qiáng)度高,抗蝕性和焊接性能較差。用以制造飛行器各種承力構(gòu)件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱等。硬鋁主要為A1-Cu-Mg和A1-Cu-Mn系。有色金屬3.超硬鋁合金超硬鋁是在硬鋁的基礎(chǔ)上再加鋅而成，強(qiáng)度高于硬鋁，故稱超硬鋁合金，應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，如翼梁、螺旋槳葉、起落架等。有色金屬4.鍛造鋁合金鍛鋁具有良好的熱塑性、焊接、抗蝕、冷加工等性能。以Al-Mg-Si系為主。有色金屬變形鋁合金的加工及熱處理狀態(tài)代號(hào)有色金屬4.3.3鑄造鋁合金鑄造鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是比重小，比強(qiáng)度較高，并有良好的抗蝕性和鑄造工藝性。鑄造鋁合金按成分不同可分為以下五類：1.Al-Si系合金2.Al-Cu系合金3.Al-Mg系合金4.Al-Zn系合金5.Al-Re系合金有色金屬4.3.4鋁合金的熱處理鋁合金通常采用的熱處理操作主要有退火、淬火和時(shí)效。有色金屬1.退火不論變形鋁合金或鑄造鋁合金都可以進(jìn)行退火。變形鋁合金的退火主要有再結(jié)晶退火、消除應(yīng)力退火和完全退火。有色金屬2.淬火和時(shí)效淬火和時(shí)效是鋁合金的強(qiáng)化熱處理。鋁合金淬火的目的是為了將高溫下的固溶體固定到室溫，得到均勻的過飽和固溶體。鋁合金的淬火加熱溫度一般應(yīng)高于其飽和溶解度曲線，而低于其熔化溫度。鋁合金淬火后的性能與鋼淬火后得到的馬氏體組織大不相同。其塑性顯著增加，而強(qiáng)度和硬度提高不多，需經(jīng)時(shí)效處理,才能提高強(qiáng)度、硬度。有色金屬時(shí)效就是淬火后的鋁合金在室溫停留或加熱保溫后其強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象。在室溫下進(jìn)行的時(shí)效成為自然時(shí)效。在加熱情況下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。時(shí)效過程是第二相從飽和固溶體中沉淀的過程。有色金屬鋁合金時(shí)效的強(qiáng)化效果2503003504000123456(天)200℃150℃20℃100℃-5℃-50℃sb(MPa)圖4-7淬火LY12的時(shí)效曲線有色金屬4.3.5純鈦和鈦合金純鈦熔點(diǎn)1667℃,比重4.5g/cm3,室溫下為密排六方結(jié)構(gòu),882.5℃以上為體心立方結(jié)構(gòu)。鈦合金按其組織可分成α型(TA)、β型(TB)、α+β型(TC)。有色金屬鈦合金的特點(diǎn)a.比強(qiáng)度高：鈦合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，比重只有鋼的一半。b.熱強(qiáng)度高：鈦合金可在550℃以下工作，可望提高到600℃。c.低溫性能好：鈦合金低溫韌性很好，在-253℃時(shí)仍具有良好的韌性。d.抗蝕性好：鈦在大氣、水、海水、硝酸、稀硫酸等腐蝕介質(zhì)中的抗蝕性優(yōu)于不銹鋼。例如，某冷凝管在海水中試驗(yàn)16年之后，未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。鈦合金的主要缺點(diǎn)是工藝性差有色金屬鈦合金應(yīng)用現(xiàn)有航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是多用途的α+β型Ti-6A1-4V合金。用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲(chǔ)氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-253℃。許多民用領(lǐng)域如氯堿化工業(yè)及海水用泵、閥、管道、換熱器、冷凝器等，也廣泛采用鈦合金，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。有色金屬4.3.6鎂合金鎂合金在常用工程金屬材料中密度最小，為1.8g/mm3，約為鋁合金的2/3，鈦合金的1/3，鋼的1/4。鎂合金分為變形鎂合金(MB)和鑄造鎂合金(ZM)二大類有色金屬鎂合金特點(diǎn)和應(yīng)用鎂合金有較大承受沖擊載荷的能力，可制造受猛烈碰撞的零件。例如飛機(jī)的輪轂。美國(guó)近年為陸軍生產(chǎn)的一種“癟氣下行駛”的車輪。這種輪子的輪胎和輪轂之間裝有12.2kg重的鎂合金壓鑄環(huán)形件，萬一輪胎被彈片扎破漏氣，裝這種輪子的軍車可在48km/h速度下行駛而不使車輛受損。有色金屬4.4塑料和橡膠塑料和橡膠是以高分子聚合物為基礎(chǔ)添加各種助劑而成的混合物體系，在常溫下有固定的形狀和強(qiáng)度，在高溫下具有可塑性的高分子材料。塑料和橡膠的區(qū)別是塑料在常溫下處于玻璃態(tài)，強(qiáng)度較高；橡膠在常溫下處于高彈態(tài)，彈性較大。有色金屬塑料根據(jù)塑料的用途，可以分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三大類。大多數(shù)塑料都能在加熱時(shí)反復(fù)地塑化，稱之為熱塑性塑料。另外有一些塑料，它們只能在第一次加工時(shí)塑化，做成固定的形狀。以后再把它加熱，形狀不再發(fā)生變化，這類塑料稱為熱固性塑料。熱固性塑料由于其內(nèi)部高分子的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使本身的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性都較熱塑性塑料好。有色金屬4.4.1高聚物的力學(xué)性能高聚物的模量和強(qiáng)度與金屬材料相比，高聚物的模量和強(qiáng)度要低得多，其最大可能的斷裂伸長(zhǎng)率又比金屬高得多。高聚物的彈性模量范圍為7～35GPa，金屬材料的模量范圍為48～410GPa；高聚物的最大強(qiáng)度為240MPa，而金屬材料中某些合金的強(qiáng)度可達(dá)3000MPa；高彈態(tài)高聚物的斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)到1000％，而金屬塑性變形中最大的斷裂伸長(zhǎng)率不超過100％。有色金屬粘彈性理想的彈性固體材料受力時(shí)產(chǎn)生的彈性變形與時(shí)間無關(guān)。即變形與外力是同步的。而塑料受力時(shí)產(chǎn)生的彈性變形流變是隨時(shí)間而發(fā)展的。表現(xiàn)為：蠕變和應(yīng)力松馳有色金屬蠕變是在恒定應(yīng)力作用下變形隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象。例如架空的聚氯乙烯電線套管的緩慢變彎有色金屬應(yīng)力松馳是高聚物產(chǎn)生一定形變后，在保持變形量不變條件下，應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)展而逐漸衰減的現(xiàn)象。例如，連接管道的法蘭盤的密封墊片(硬橡膠制品)經(jīng)一定時(shí)間后，由于應(yīng)力松馳而產(chǎn)生泄漏。對(duì)線型分子鏈經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，應(yīng)力可降為零。有色金屬高聚物的沖擊韌性各類高聚物的沖擊韌性相差很大。未改性的聚苯乙烯，有機(jī)玻璃等脆性高聚物的沖擊韌性大都小于0.25J/cm2，聚碳酸酯等韌性高聚物的值大于0.9J/cm2。提高沖擊韌性有兩條途徑。一是將高聚物和增強(qiáng)纖維復(fù)合，提高強(qiáng)度。二是將塑料和橡膠共混，增加斷裂伸展率。兩種方法都可以使材料在受沖擊載荷時(shí)吸收更多的能量。經(jīng)過改性的高聚物其沖擊韌性可達(dá)8J/cm2。有色金屬常用工程塑料聚乙烯（PE）有色金屬聚乙烯（PE）聚乙烯是發(fā)展最為迅速，產(chǎn)量最大的一種塑料品種。按照聚合反應(yīng)的壓力，可分為高壓法和低壓法。高壓法制成的聚乙烯。由于產(chǎn)品的密度較小，僅0.910g/cm3－0.925g/m3，因此被稱為低密度聚乙烯（LDPE）。用低壓法生產(chǎn)的聚乙烯密度高，達(dá)0.941g/cm3～0.965g/cm3，故稱為高密度聚乙烯（HDPE）。HDPE是不透明的白色粉末，力學(xué)性能是所有PE產(chǎn)品中最好的。熔點(diǎn)也高于LDPE。有色金屬聚乙烯（PE）用途PE是制備包裝材料的重要原料，可以做成中空容器、食品周轉(zhuǎn)箱，也可以做成各種日用雜品。PE還能紡成纖維，制作漁網(wǎng)或繩索，將PE纖維做成絮片，可以代替棉花作保暖材料。利用PE優(yōu)良的電絕緣性，經(jīng)交聯(lián)處理的LDPE已大量用于制作電纜的絕緣層。PE還是電視、雷達(dá)等高頻電器的絕緣材料，并能用于海底電纜的絕緣。有色金屬聚氯乙烯樹脂（PVC）PVC是塑料中產(chǎn)量較大的品種之一。其價(jià)格低廉、性能優(yōu)良。有色金屬PVC性能及用途PVC質(zhì)地很硬，通過加人增塑劑，可以變成比PE還柔軟的塑料，用于制備各種不同的用品。作為硬塑料，PVC可以用于制造在常溫下使用的不耐壓的容器、管材或板材，如化工廠的輸液管道、管配件、貯槽和輸液泵的泵體材料。PVC的板材在建筑上有很多的應(yīng)用。在PVC中混入大量的碳酸鈣做成鈣塑料，可以提高塑料的硬度，降低成本，用于代替鋼鐵或木材，制作塑料門窗、樓梯扶手、地板、天花板和電線套管等。將PVC輕度發(fā)泡，可以制成塑料地毯和塑料墻紙等。有色金屬PVC樹脂非常透明，氣密性又好，適于制作包裝瓶，用于飲料、藥品和化妝品的外包裝。PVC軟塑料主要用于制作薄膜或日用品。PVC薄膜的透光性、染色性、保溫性、耐撕裂性和耐穿刺性都比PE薄膜好，不僅大量用于日用塑料薄膜制品的制備，如雨衣、桌布、窗簾、浴簾等，而且是制備農(nóng)用薄膜的重要原料。PVC的染色性非常好，制得的產(chǎn)品鮮艷、美觀，深受人們的喜愛，常用來制造玩具、涼鞋和人造革等。PVC具有優(yōu)良的電絕緣性能，是制備電線、電纜的絕緣層和保護(hù)套管的原料。有色金屬PVC塑料缺點(diǎn)主要是耐溫性差，通常的使用溫度為一15℃～60℃。在60℃以上就會(huì)變形。PVC很容易老化，使制品顏色變深，質(zhì)地變脆。PVC塑料最致命的缺點(diǎn)是在高溫或燃燒時(shí)會(huì)分解，放出能使人窒息的氯化氫氣體，不僅污染環(huán)境，甚至造成對(duì)生命的威脅。因此PVC的使用，特別是在建材中的應(yīng)用已經(jīng)受到限制。有色金屬ABS樹脂（丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚樹脂）ABS的名稱是來自丙烯睛（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）和苯乙烯（Styrene）三種單體的第一個(gè)字母。是一種以苯乙烯樹脂為基料、通過三種單體共聚或共混制備而成的高強(qiáng)度樹脂。有色金屬這種樹脂綜合了三種組分的優(yōu)點(diǎn)，丙烯睛使它具有耐化學(xué)腐蝕性，丁二烯使它具有耐沖擊性和韌性，苯乙烯使它有良好的加工性、染色性和剛性，因此，ABS樹脂的綜合性能非常優(yōu)異。不僅抗沖擊性好，硬度高，而且絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性都好，使ABS樹脂在家電和汽車工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如電視機(jī)、洗衣機(jī)、電話等家用電器及儀器儀表的外殼，冰箱及其他冷凍設(shè)備的內(nèi)膽，汽車儀表板及其他車用零件，齒輪、泵的葉輪、塑料管道等。有色金屬尼龍（聚酰胺）是最實(shí)用的、產(chǎn)量最大的工程塑料。它的性能良好，尤其是經(jīng)過玻璃纖維增強(qiáng)后，強(qiáng)度更佳，應(yīng)用更廣。尼龍塑料有很好的耐磨性、韌性和抗沖擊強(qiáng)度。主要用作具有自潤(rùn)滑作用的齒輪和軸承。有色金屬聚碳酸酯（PC）PC是一種韌而剛性的塑料，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性高，特別適于制備精密儀器中的齒輪、照相機(jī)零件。醫(yī)療器械的零部件。PC的耐沖擊性能也很好，可制造銀行的安全玻璃和警察的防暴盾牌，也可用作電動(dòng)工具的外殼。PC還具有良好的電絕緣性，是制備電容器的優(yōu)良材料。PC的耐溫性好，可反復(fù)消毒，近年來被大量用于制備嬰兒奶瓶、飲水杯（又稱“太空杯”）和凈水桶（用于盛裝“太空水”）等中空容器。PC的透光性好，可用于制備飛機(jī)風(fēng)檔，透明儀表板。同時(shí)，也是制備CD光盤的原料。有色金屬.聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯有有非常優(yōu)良的耐高低溫性能，能在-260℃到250℃的溫度下長(zhǎng)期使用。化學(xué)性穩(wěn)定。由于它在王水中也不會(huì)溶解，被譽(yù)為“塑料王”。聚四氟乙烯的上述特性在工業(yè)上被用于制備化工設(shè)備和管道的耐腐蝕內(nèi)襯。聚四氟乙烯有很低的磨擦系數(shù)，是優(yōu)良的減磨材料。在工業(yè)上，可用作轉(zhuǎn)動(dòng)部件的密封件。在民用上被用于制備不粘鍋的涂料。有色金屬聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯的介電常數(shù)高，能耐很高的電壓，可以用于制造高頻微波設(shè)備中的絕緣材料。聚四氟乙烯也有不足之處，除了加工困難，原料資源少、價(jià)格高外，它的強(qiáng)度和硬度都較差，而且有較大的冷流性。在加壓下，它一直會(huì)慢慢地變形。大家所熟悉的作為管道密封材料的生料帶就是利用了聚四氟乙烯的冷流性。有色金屬4.5陶瓷無機(jī)非金屬材料有色金屬傳統(tǒng)陶瓷大都是從硅酸鹽礦物原料。經(jīng)加工—成型—燒結(jié)，得到的。采用純度較高的人工合成原料來制造能滿足高溫、高強(qiáng)、功能性等要求的特種陶瓷。常見的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。而特種陶瓷除燒結(jié)體外還包括單晶(晶須)、纖維、薄膜及超細(xì)粉體等。有色金屬4.5.1陶瓷的力學(xué)性能陶瓷比較脆。陶瓷材料抗拉強(qiáng)度的差別很大，低的可以小于0.69MPa，高的可達(dá)7GPa（例如在仔細(xì)控制條件下制備的Al2O3陶瓷晶須）。作為一類材料，只有少數(shù)陶瓷的抗拉強(qiáng)度超過172MPa。抗壓不抗拉：陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的5～10倍。陶瓷材料由于具有離子鍵和共價(jià)鍵而比較硬。多數(shù)陶瓷室溫彈性模量高于金屬。有色金屬4.5.2.氧化鋁(Al2O3)陶瓷氧化鋁是高熔點(diǎn)(熔點(diǎn)2050℃)氧化物中被研究和應(yīng)用最成熟最多的一種，原料來源豐富約占地殼重量的25%，價(jià)格低廉。耐高溫、耐腐蝕。硬度大。高溫絕緣性。介電性能優(yōu)良。有色金屬4.5.3氮化硅(Si3N4)陶瓷氮化硅化學(xué)性能穩(wěn)定，具有優(yōu)異電絕緣性；硬度高，有良好耐磨性，摩擦系數(shù)小(只有0.1-0.2)，本身具有潤(rùn)滑性；熱膨脹系數(shù)小，有優(yōu)越的抗高溫蠕變性能，強(qiáng)度在1200℃時(shí)仍不下降。用反應(yīng)燒結(jié)的氮化硅用于耐磨、耐腐蝕均合的泵和閥，如鹽酸泵，三氯化鐵泵，泥砂泵等。氮化硅耐高溫，又有較好的抗熱沖擊性和耐磨性，可用作高溫軸承，它是測(cè)量鋁液熱電偶套管的理想材料，用它還可用作輸送鋁液的電磁泵管道、閥門等。有色金屬4.5.4氮化硼(BN)氮化硼有六方BN和立方BN兩種。六方BN結(jié)構(gòu)與石墨相似，故又稱“白石墨”。具良好的耐熱性，導(dǎo)熱系數(shù)與不銹鋼相當(dāng)，熱穩(wěn)定性好。在2000℃仍然是絕緣體,是理想的高溫絕緣材料和散熱材料。六方BN硬度低，有自潤(rùn)滑性。立方氮化硼CBN晶體的硬度與金剛石相近，是優(yōu)良耐磨材料。用于磨料和金屬切削刀具?？芍苯忧邢鞔慊痄?。有色金屬4.6復(fù)合材料有色金屬4.6.1聚合物基復(fù)合材料1.聚合物基復(fù)合材料的性能（1）比強(qiáng)度、比模量大（2）耐疲勞性能好（3）減震性好（4）過載時(shí)安全性好（5）具有多種功能性a.耐燒燭性好。b.有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及減摩特性；c.高度的電絕緣性能或?qū)щ娦?；d.優(yōu)良的耐腐蝕性能；e.有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的特性。（6）有很好的加工工藝性有色金屬玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料GFRP玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料是指玻璃纖維（包括長(zhǎng)纖維、布、帶、氈等）作為增強(qiáng)材料，熱固性塑料（包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等）作為基體的纖維增強(qiáng)塑料，俗稱玻璃鋼。根據(jù)基體種類不同，可將GFRP分成三類，即玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂、玻璃纖