第四章 有色金属材料.ppt

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1、第四章第四章有色金属及合金有色金属及合金通常把铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材通常把铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材料，而把非铁金属及其合金称为有色金属材料。料，而把非铁金属及其合金称为有色金属材料。与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；又如银、在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；又如银、铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工业不可缺少的材料。虽然有

2、色金属业不可缺少的材料。虽然有色金属使用量少，在机械使用量少，在机械制造业中仅占制造业中仅占4.5%左右，但它是现代工业中不可缺少左右，但它是现代工业中不可缺少的材料。的材料。主要用途：电线、电缆主要用途：电线、电缆4、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。3、面心立方晶格，强度低（、面心立方晶格，强度低（b=80-100MPa），），塑塑性好（性好（=80%），），可以通过压力加工成各种型材，与其面可以通过压力加工成各种型材，与其面心立方晶体有关。心立方晶体有关。2、导电性和导热性好，仅次于银、铜、金居第四位。、导电性和导热性好，仅次于银、铜、金居

3、第四位。特性：特性：1、熔点低，比重小。熔点为、熔点低，比重小。熔点为660.4 密度密度2.724-1铝及铝合金铝及铝合金一、工业纯铝一、工业纯铝牌号：工业纯铝牌号有牌号：工业纯铝牌号有L1L2.L7数字大纯度低数字大纯度低工业高纯铝牌号有工业高纯铝牌号有L0L00高纯铝高纯铝L01L02L04数字大纯度高。数字大纯度高。二、铝合金及二、铝合金及强化方法强化方法（一）概述（一）概述1、合金化、合金化在纯铝中加入在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，等元素，经热处理可使强度比纯铝提高经热处理可使强度比纯铝提高34倍。倍。2、铝合金状态图、铝合金状态图共同特点是：基本相都是铝基共同特点

4、是：基本相都是铝基 固溶体和固溶体和 共晶体。其中共晶体。其中 为固溶体或化合物。为固溶体或化合物。3、铝合金的分类及特性、铝合金的分类及特性根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。即，变形铝合金和即，变形铝合金和铸造铝合金。铸造铝合金。变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧制、挤压等压力加工。制、挤压等压力加工。铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。Al合金含量（合金含量（SiMgCu等）等）温度温度DL +变形铝合金变形铝合金铸造铝合金铸造铝合金热

5、处理不能强化热处理不能强化热处理能强化热处理能强化D/F+L铝合金一般相图铝合金一般相图1、热处理强化、热处理强化强化方法：固溶处理时效强化。强化方法：固溶处理时效强化。固溶处理：固溶处理：将合金加热到溶解度曲线以上某一温将合金加热到溶解度曲线以上某一温度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理的方法称固溶处理。的方法称固溶处理。时效强化：时效强化：固溶处理的合金在较低温度下随时间固溶处理的合金在较低温度下随时间的延长发生进一步强化的现象的延长发生进一步

6、强化的现象(强度和硬度上升）称强度和硬度上升）称时效硬化或时效强化。时效硬化或时效强化。（二）铝合金强化方法（二）铝合金强化方法以铝铜合金为例以铝铜合金为例，获获得得过过饱饱和和的的固固溶溶体体。其其强强度度可可以以达达到到250MN/m2。时时效效强强化化：固固溶溶处处理理的的合合金金随随时时间间的的延延续续而而发发生生进进一一步步强强化化的的现现象象称称时时效效硬硬化化或或时时效效强强化化。例例如如：固固溶溶处处理理的的合合金金，如果在室温放置如果在室温放置4-5例如例如4%Cu的铝合金加热到的铝合金加热到相区相区中某一温度，经过一中某一温度，经过一段时间保温，使获得单一的段时间保温，使获

7、得单一的固溶体组织，然后投入水固溶体组织，然后投入水中快速淬火，使次生相中快速淬火，使次生相CuAl2来不及从来不及从中析出中析出时效过程：分四个阶段：时效过程：分四个阶段：第一阶段，形成第一阶段，形成GP区区(Guinier,Preston)，溶质原子的富集，溶质原子的富集，引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。第二阶段，第二阶段，Gp区有序化区有序化,随着原子的进一步富集，原子有序的随着原子的进一步富集，原子有序的排列起来，成分结构接近排列起来，成分结构接近CuAl2，称，称“，与母相共格，引起晶与母相共格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。

8、格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。第三阶段，形成过渡相第三阶段，形成过渡相，溶质原子继续富集，化学成分逐渐溶质原子继续富集，化学成分逐渐达到达到CuAl2的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。第四阶段，第四阶段，相形成与长大，形成稳定的相形成与长大，形成稳定的CuAl2。与母相完全与母相完全脱离共格联系，晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合脱离共格联系，晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合金发生软化，这种现象称金发生软化，这种现象称“过时效过时效“。实实际际

9、上上，时时效效过过程程不不一一定定全全部部包包括括以以上上四四个个阶阶段段，自自然然时时效效只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。自然时效：自然时效：在室温下进行的时效称自然时效在室温下进行的时效称自然时效（强（强度可以达到度可以达到400MN/m2），人工时效：人工时效：在加热条件下进行的时效称人工时效在加热条件下进行的时效称人工时效（100200C）。）。人工时效的效果不如自然时效效果好，但时间短。人工时效的效果不如自然时效效果好，但时间短。例：含例：含4Cu的铝合金，固溶强化后强度为的铝合金，固溶强化后强度为250MPa自自然失效后（然失

10、效后（45天）达到天）达到400MPa。强化机理：强化机理：在铝的在铝的过饱和过饱和 固溶体晶格内形成溶固溶体晶格内形成溶质原子富集区及铝化物且与质原子富集区及铝化物且与 固溶体保持共格关系，固溶体保持共格关系，使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合金的强度。金的强度。2、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。3、固溶强化、固溶强化合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。4、加入变质剂，进行变质处理

11、、加入变质剂，进行变质处理细晶强化。细晶强化。例：例：AlSi铸造合金，浇铸前加入铸造合金，浇铸前加入23钠盐混合钠盐混合物（物（2/3NaF+1/3NaCl-变质剂），结晶时产生大量晶变质剂），结晶时产生大量晶核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。铝硅合金变质处理前铝硅合金变质处理前铝硅合金变质处理后铝硅合金变质处理后特点：合金元素少，热处理强化不起作用，只能特点：合金元素少，热处理强化不起作用，只能用加工硬化的方法强化。用加工硬化的方法强化。三、常用铝合金三、常用铝合金铝合金分为两大类：变形铝合金、铸造铝合金铝合金分为两大类：变形铝合金、铸

12、造铝合金（一）变形铝合金（一）变形铝合金变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。合金、超硬铝合金和锻铝合金。1、防锈、防锈铝铝主要合金元素：主要合金元素：Mn，Mg常用牌号：常用牌号：LF5、LF11、LF21等等L铝铝F防锈防锈数字顺序号数字顺序号用途：制造油箱、油管等用途：制造油箱、油管等。用途：制造铆钉、螺旋桨叶片等用途：制造铆钉、螺旋桨叶片等。3、超硬铝合金、超硬铝合金特点：可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。特点：可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。2、硬铝合金、硬铝合金主要合金元素：主要合金元素

13、：CuMg常用牌号：常用牌号：LY1、LY11等。L铝铝Y硬硬数字顺序号数字顺序号主要合金元素：主要合金元素：ZnMgCu常用牌号常用牌号:LC4LC6L铝铝C超硬超硬数字顺序号数字顺序号特点：这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最特点：这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最高的一种铝合金。高的一种铝合金。用途：制造飞机大梁、蒙皮等。用途：制造飞机大梁、蒙皮等。特点：具有良好的锻造成型性，可固溶处理特点：具有良好的锻造成型性，可固溶处理+人工人工时效强化。时效强化。用途：制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞。用途：制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞。4.锻铝合金锻铝合金主要合金元素：主要合金

14、元素：MgSiCu,CuMgNi常用牌号：常用牌号：LD5LD7L铝铝D锻造锻造数字顺序号数字顺序号四、铸造铝合金四、铸造铝合金 用途：铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的用途：铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。合金系：合金系：AlSiAlCuAlMgAlZn牌号表示方法：字母牌号表示方法：字母“ZL”三位数字三位数字ZL铸铝铸铝;第一位数字表示合金类别第一位数字表示合金类别 1表示铝硅系，表示铝硅系，2表示铝铜系表示铝铜系3表示铝镁系，表示铝镁系，4表示铝锌系表示铝锌系第第二、三位数字表示顺序号。二

15、、三位数字表示顺序号。例如：例如：ZL102、ZL202、LZ302等。等。特点：铸造性能好（特点：铸造性能好（Al-Cu合金差）合金差）1、工业纯铜、工业纯铜（又称紫铜）（又称紫铜）物理性能：密度为物理性能：密度为8.93g/cm3，熔点为熔点为1083，呈面呈面心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、导热性能好导热性能好。强度低，不能作为结构材料使用。强度低，不能作为结构材料使用。应用：电线、电缆应用：电线、电缆第二节第二节铜及合金铜及合金2、黄铜：、黄铜：化学成分：主要元素是铜和锌。含锌量化学成分：主要元素是铜和锌。含锌量050

16、。呈淡黄色。呈淡黄色。性能特点：强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐性能特点：强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。黄黄铜铜普通黄铜普通黄铜CuZn合金，合金，H59、H62、H70等 H黄铜黄铜数字数字Cu%应用：水管、油管、散热器等。应用：水管、油管、散热器等。特殊黄铜特殊黄铜普通黄铜基础上加入普通黄铜基础上加入AlMnPbSi进一步提高强度、硬度、耐磨性和进一步提高强度、硬度、耐磨性和耐蚀性。耐蚀性。牌号：牌号：HPb59-1表示含铅黄铜，表示含铅黄铜，Cu%=59Pb%=1应用：制造船舶、化工中的高强耐应用：制造船舶、化工中的高

17、强耐蚀零件钟表、机械的轴瓦耐蚀零件钟表、机械的轴瓦耐磨零磨零件等件等分类、牌号及应用：分类、牌号及应用：3、青铜、青铜主要成分：主要成分：Cu-Sn合金，应用最早合金。近代又合金，应用最早合金。近代又发展了含发展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的铜合金，习惯上也的铜合金，习惯上也都称为青铜。都称为青铜。特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。牌号：牌号：Q+元素符号含量元素符号含量QSn4-3QAl5ZQSn10-5等等（3Zn）（5Pb）应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹簧，耐磨和抗磁零件簧，耐磨和抗磁零件4、白铜

18、白铜相图是匀晶相图，是单相组织。能够作为很好的耐蚀材料，如Monel alloy系列，见第三章。其中经常加入Zn固溶强化，还能提高耐蚀性。如CuNi15Zn20，其耐蚀性和机械性能都很好。另外加入Mn，有高电阻和低电阻温度系数，CuNi40Mn2被称为康铜，作为低温热电偶使用(500-600以下)以及在此温度下的变阻器和加热器。CuNi43Mn1又名考铜，性能与康铜类似，可作为变阻器，低温热电偶和补偿导线。五、铜基形状记忆合金五、铜基形状记忆合金所谓形状记忆合金是指一类具备马平衡氏体相变的合金。合金在室温发生马氏体相变后，对马氏体变形。当将变形后的马氏体再加热到高温，则合金自动回复到原来母相的

19、形状。如果对形状记忆合金的母相状态在马氏体转变温度之上变形形成应力诱发马氏体，同样在加热到As点以上后能够回复到母相原始形状。这是因为在相变过程中，有序的母相与马氏体相之间是共格关系，具有晶体学的可逆性和马氏体变体之间的自协调，以层错作为不变点阵切变，而且马氏体相变阻力小，其弹性应变、热滞和体积变化也小。其变形的能量主要以弹性能形式储存在马氏体与母相之间的共格界面上及界面附近。在对马氏体加热过程中，马氏体在弹性能作用下逆切变，而转变沿可逆路径返回，使形成的母相又回复到原来形状。以黄铜为基础的CuZnAl合金和以铝青铜为基础的CuAlNi合金就具有很好的形状记忆效应。4-3钛及钛合金钛及钛合金

20、Ti的熔点高于Fe，达1668。在882.5发生密排六方的相(低温相)向体心立方的相的转变。相的a=0.2951nm，c=0.4684nm。其钝化电位低，在常温下其表面可形成氧化物和氮化物组成的致密钝化膜。能耐大气、湿气，海水，硝酸，硫酸，氯化物和湿氯气的腐蚀。因此广泛使用于化工设备中。但不能超过550。在此温度以上，则金属吸收氧化膜而造成基体与O、N、C强烈反应，造成污染和材料脆化而无法使用。高纯Ti的b=220-260MPa，s=120-170MPa，=50-60%，=70-80%。此塑变能力在密排六方中是罕见的，与其c/a值较低有关。除在多个晶面上可进行滑移外，还有多个孪晶面。我国牌号用

21、T表示Ti合金。TA表示组织为单相。TB表示组织为单相。TC表示组织为+两相。TA类合金中TA1-TA3为工业纯Ti。纯度在99.5-99.0%之间。型Ti合金中主要合金元素是稳定性元素Al和中性元素Sn和Zr，同时起到固溶强化的效果。+类钛合金中的主要合金元素除相稳定性元素Al和中性元素Sn外，加入V、Mn、Cr、Fe、Mo等相稳定元素。而型Ti合金主加元素为相稳定元素Mo和Cr。为了提高热处理强化效果，还加入少量Al和V。理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油

22、并形成连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴颈的实际接触面积小，减小摩擦。如图示：颈的实际接触面积小，减小摩擦。如图示：4-4滑动轴承合金滑动轴承合金用于制造滑动轴承及其内衬的合金用于制造滑动轴承及其内衬的合金一、性能要求一、性能要求1、要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳、要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳强度。强度。2、足够的塑性和韧性。、足够的塑性和韧性。3、低的摩擦系数、低的摩擦系数4、良好的导热性和小的膨胀系数。、良好的导热性和小的膨胀系数。二、分类及主要成分二、分类及主要成分锡基轴承合金锡基轴承合金Sn+锑（锑（Sb）

23、和铜和铜铅基轴承合金铅基轴承合金Pb+Sb+Sn+Cu还有铜基轴承合金、铝基、等还有铜基轴承合金、铝基、等四、工业中常用的轴承合金四、工业中常用的轴承合金工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基轴承合金）轴承合金）锡锑合金锡锑合金ZchSnSb11-6铅锑合金铅锑合金ZChPbSb16-16-2(16%Sb,16%Sn,2%Cu)三、牌号表示方法：三、牌号表示方法：ZCh+基本元素符号主加基本元素符号主加元素符号含量辅加元素平均含量元素符号含量辅加元素平均含量例：例：ZChSnSb11-6ZCh铸造轴承铸造轴承Sn基本元素是锡基本元素是锡Sb11锑含

24、量为锑含量为116铜含量铜含量6软基体是软基体是Sb溶于溶于Sn形成的固形成的固溶体呈暗黑色；溶体呈暗黑色；硬质点是硬质点是SnSb,相呈白方块相呈白方块用途：浇注大型机器的轴瓦，如气轮机发动机等高用途：浇注大型机器的轴瓦，如气轮机发动机等高速轴瓦。巴氏合金熔点和强度均较低，承受不了大的速轴瓦。巴氏合金熔点和强度均较低，承受不了大的压力，生产上常用离心浇注法将它们镶铸在压力，生产上常用离心浇注法将它们镶铸在08F钢轴瓦钢轴瓦上，制成所谓上，制成所谓“双金属双金属”轴承。轴承。一、镁及镁合金一、镁及镁合金Mg既可以通过电解还原既可以通过电解还原MgCl2，也可以通过化学还原，也可以通过化学还原M

25、gO生产。其结构为密排六方，熔点为生产。其结构为密排六方，熔点为6500C，沸点为，沸点为11070C。Mg的比重低，为的比重低，为1.733。弹性模量低。弹性模量低(45000MPa)、膨胀系数大、膨胀系数大(25.610-6/K)。由于其化学。由于其化学性质活泼，在冶金中主要作为脱氧剂制取性质活泼，在冶金中主要作为脱氧剂制取V、Cr、Ti等等金属。由于其形成的氧化膜很脆，所以没有保护基体的金属。由于其形成的氧化膜很脆，所以没有保护基体的作用，也就不耐蚀。但对碱金属、铬酸和氢氟酸耐蚀。作用，也就不耐蚀。但对碱金属、铬酸和氢氟酸耐蚀。在干燥空气中不需要保护。在球墨铸铁生产中作为球化在干燥空气中

26、不需要保护。在球墨铸铁生产中作为球化剂使用。纯剂使用。纯Mg的塑性低、强度低、熔点低、比重低，的塑性低、强度低、熔点低、比重低，一般不作为结构材料使用。一般不作为结构材料使用。4-5其它合金其它合金 Mg合金分为铸造和锻造Mg合金。常见变形Mg合金牌号为Mg2Mn，Mg3AlMnZn，Mg2MnCe，MgMn5Ce。其特点是合金含量较低、杂质含量要求高以保证其塑性。加入的Mn基本上是以单质形式析出，强化效果弱。但能与有害杂质Fe化合以清除Fe对耐蚀性的有害作用。Ce主要是细化晶粒提高室温和高温强度。Al与Mg形成第二相，因此可进行热处理强化(固溶处理加时效)。铸造Mg合金主要牌号为ZMg4Zn

27、Zr，ZMg4ZnRE1Zr，ZMgZn3REZr，ZMg8AlZnMn。其中ZMg8AlZnMn应用最广。可进行各种热处理。热处理表示方法与Al合金相同。这里Zr的主要作用是细化晶粒。二、锌及锌合金二、锌及锌合金 Zn是低熔点元素，其熔点只有419.4。但比重高达7.14，有一定强度(150MPa)和耐蚀性。为六方晶格，在室温塑性不好。在100以上其塑性有较大提高，强度硬度降低。其用途主要是钢板、钢丝和钢制零件镀锌来抗蚀和装饰。Zn可以通过合金化强化。主要合金元素包括Al、Cu、Mg和RE，其中最主要的是Al。ZnAl铝合金其共晶温度为382。含5%的Al。反过来Zn在Al中的固溶度可达83

28、%。因此富Zn的固溶体有很大的固溶强化效果。ZnAl22在275发生 +共析转变。其中是含高Zn的固溶体，是含低Zn的固溶体，其固溶锌量明显降低。ZnAl22合金是最著名的超塑性合金，其变形量超过1000%。但由于较脆，目前没有得到广泛应用。Zn-Al合金的成分大致分为亚共析，过共析和共析合金。Al可以细化晶粒、固溶强化、在高温下具有超塑性、提高合金的流动性使铸件质量提高，并提高合金的耐氧化性。但增加合金晶间腐蚀倾向。Cu能显著防止晶间腐蚀作用。在含量低时(1.25%)，还能提高合金的硬度和抗拉强度。但含量高时，降低合金的流动性并增加合金尺寸不稳定性。少量Mg能明显提高合金的强度，但含量高时，

29、会使铸件产生热裂。此外，Mg能提高合金的耐晶间腐蚀性能。RE能细化晶粒和提高强度。而Pb、Cd、Sn都引起晶间腐蚀，Fe和Si则使合金加工性能变坏。1、铸造铝合金、变形铝合金、可热处理铝合金是根据什么来区分的？2、请说明下列铝合金的类型：LF5，LY12，LC4，LD5，ZL1013、请简述铝合金的强化途径。4、请简述铝合金的时效过程，影响铝合金的时效强化的因素。5、铜合金有哪几类，主要性能和用途如何？6、镁合金有哪些常用的合金系，有几种类型，热处理方式是什么？7、不同类型的钛合金的强韧化机理、应用与发展状况如何？8、滑动轴承合金在性能上有何要求，在组织上有何特点，试分析锡基轴承合金中合金元素的作用？