有色金屬及其合金-(2471)

1、第八章 有色金屬及合金,,引言,工業(yè)生產中，通常把以鐵為基的金屬材料稱為黑色金屬，如鋼與鑄鐵，把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬，如鉛、金屬、鎳、鋅、鈦、銅等，金屬及合金。有色金屬及合金與鋼鐵材料相比，具有許多特殊性能，是現代工業(yè)生活中不可缺少的金屬材料。本章重點介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金及軸承合金。,有色金屬及合金,一、鋁及鋁合金 二、銅及銅合金 三、軸承合金四、鈦及鈦合金的性能特點,一、鋁及鋁合金,1.鋁及鋁

2、合金的性能特點2.提高鋁及鋁合金強度的主要途徑 3.鋁及鋁合金的分類及用途,1.鋁及鋁合金的性能特點,（1）優(yōu)良的物理性能 （2）抗大氣腐蝕性能好 （3）加工性能好，比強度高,（1）優(yōu)良的物理性能,密度小，熔點低，導電性、導熱性好，磁化率低純鋁的密度2.72g/cm3，僅為鐵的1/3，熔點為660.4℃，導電性僅次于Cu、Au、Ag。鋁合金的密度也很小，熔點更低，但導電、導熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。,

3、（2）抗大氣腐蝕性能好,鋁和氧的化學親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會很快形成一層致密的氧化膜，防止內部繼續(xù)氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞，因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。,（3）加工性能好，比強度高,純鋁為面心立方晶格，無同素異構轉變，具有較高的塑性（δ=30～50%，ψ=80%），易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能，純鋁的強度低，σn=70Mpa，雖經冷變形強化，強度可提高到150～250 Mpa，但也不

4、能直接用于制作受力的結構件，而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強度可達到500～600 Mpa，相當于低合金鋼的強度，比強度高，成為飛機的主要結構材料。,2.提高鋁及鋁合金強度的主要途徑,鋁合金的分類鋁合金的分類提高強度主要途徑分類,鋁合金相圖的一般形式,,鋁合金的分類,1、根據合金的成分和生產工藝不同將鋁合金分為兩類：變形鋁合金和鑄造鋁合金。成分小于D點的合金——變形鋁合金。成分大于D點的合金，由于凝固時發(fā)生共晶反應，熔點低、

5、流動性好，適于鑄造——鑄造鋁合金。2、在變形鋁合金中，成分小于F點的不能熱處理強化——稱為不能熱處理強化的鋁合金，而成分位于F與D之間的合金，其固溶體成分隨溫度而變化，可進行固溶強化+時效處理強化——稱為能熱處理強化的鋁合金。,鋁合金的分類,形變鋁合金,鑄造鋁合金,不能熱處理強化鋁合金,能熱處理強化鋁合金,,,提高強度途徑分類,冷變形（加工硬化）變質處理（細化晶粒強化）固溶+時效處理（時效強化）,（1）時效強化,固溶處理

6、 將成分位于D～F之間的合金加熱到固態(tài)溶解度線DF以上某一溫度，獲得單相固溶體α，然后水冷（淬火），獲得過飽和固溶體α稱為固溶處理。時效強化 這種過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，在室溫放置或在低于固溶度線的某一溫度下加熱時，使過飽和α固溶體趨于發(fā)生某種程度的分解，使合金的強度和硬度明顯提高，這種現象稱為時效或時效硬化（時效強化）。在室溫下進行的時效稱為自然時效，在加熱條件下進行的時效稱為人工時效。合

7、金發(fā)生時效的條件 時效規(guī)律,合金發(fā)生時效的條件,合金能在高溫形成均勻的固溶體固溶體中溶質的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。,含4%Cu的鋁合金自然時效曲線,,,含4%Cu的鋁合金在不同溫度下的 人工時效曲線,,,時效規(guī)律,時效溫度越高, 強度峰值越低, 強化效果越小;時效溫度越高, 時效速度越快, 強度峰值出現所需時間越短; 低溫使固溶處理獲得的過飽和固溶體保持相對的穩(wěn)定性,

8、 抑制時效的進行。,時效強化的原因,分析表明：在時效過程中溶質原子發(fā)生了如下的變化，首先溶質原子發(fā)生富集，形成富集區(qū)，使晶格畸變加大，使位錯運動阻力增大，強度提高，其次隨時間的延長，富集區(qū)的原子趨于有序化，趨于形成第二相，但還沒形成第二相，其與原晶格保持共格關系，晶格畸變進一步增大，使強度進一步提高，隨時間的繼續(xù)延長，第二相形成并逐漸離與母體的共格關系，這時晶格畸變減小，強度下降。,（2）細晶強化,純鋁和鋁合金在澆注前進行變質處理，即在

9、澆鑄前向合金注液中加入變質劑，可有效地細化晶粒，從而提高合金強度，稱為細化晶粒強化。細晶強化對于變形鋁合金的作用細晶強化對于鑄造鋁合金的作用,細晶強化對于變形鋁合金的作用,對于純鋁和變形鋁合金，常用的變質劑Ti、B、Nb、Zr等元素，它們所起的作用就是形成外來晶核，從而細化鋁的晶粒。,細晶強化對于鑄造鋁合金的作用,對于鑄造鋁合金：典型的鑄造鋁合金是鋁硅系合金（硅鋁明），這類合金具有優(yōu)良的鑄造性能（熔點低，流動性好，收縮性小）和焊接性

10、能好，尤以含11～13%Si的二元鋁硅合金鑄造性能最好?？梢姡X硅合金鑄造后幾乎全部得到（α+Si）的共晶體，其中Si量粗大針葉狀，使合金變脆，強度和塑性都很低，不宜作為工業(yè)合金使用，若對其采用變質處理，在澆注前向合金中加入占合金重量2～3%的變質劑（2份NaF和1份NaCl），可將針狀Si改變?yōu)榧毿×頢i，得到細小均勻的共晶體和初生α固溶體的亞共晶組織（α+Si）+α，顯著提高合金的強度和塑性。,鑄造鋁合金中，變質處理細化晶粒的

11、原因,在一般認為是Na等元素能促進硅的形核，并吸附在硅晶體的表面，阻止硅的長大。同時鈉的存在使液態(tài)合金產生5～10℃的過冷度，并使共晶點向右移動，這樣不僅形核率增加，細化共晶組織而且使合金組織中出現了初生α固溶體。,純鋁與鋁合金的細晶強化（變質處理）示意圖,未變質處理,,,變質處理后,3.鋁及鋁合金的分類及用途,純鋁 鋁合金,純鋁,按純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁三類高純鋁：99.996%～99.93% 用于科研， 代號L

12、04～L01；工業(yè)高純鋁：99.9%～99.85% 用于作Al合金原料、鋁箱，代號L0、L00；工業(yè)純鋁：99.0%～98.0% 作管、線、棒、代號L1～L6，數字大。,鋁合金,(一）變形鋁合金防銹鋁合金硬鋁合金超硬鋁合金鍛鋁合金（二）鑄造鋁合金 Al-Si系合金Al-Cu系合金Al-Mg系合金Al-Zn 系合金,鋁合金牌號,鋁合金的牌號表示方法：Al+主要合金元素符號+主要合金元素平均含量，若為鑄造鋁合金前

13、面加“Z”，如ZAlSi12表示平均硅含量為12%的鑄造鋁合金。按國家標準規(guī)定，防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁代號分別用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一組順序號表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而鑄造鋁合金的代號用“ZL”兩個字母和三個數字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等,（一) 變形鋁合金,1.防銹鋁合金 ( LF ) : Al – Mn 通過固溶強化提高鋁合金的

14、 強度和抗蝕性 ( 比純鋁好 )。 例如:LF21。 Al – Mg 通過固溶強化提高鋁合金的 強度和抗蝕性 ( 比純鋁輕 )。 例如:LF2、LF6等。,2.硬鋁合金 ( LY ) : Al – Cu – Mg 通過時效強化提鋁合金強度,但耐蝕性不高。LY1、LY11、LY12。,3.超硬鋁合

15、金 ( LC ) : Al – Zn – Mg – Cu 通過時效強化和形成的強化相,使鋁合金達到最高的硬度和強度。但耐蝕性較差。LC4、LC9。,飛機主起落架,4.鍛鋁合金 ( LD ) : Al – Mg – Si – Cu 具有良好的熱塑性, 通過固溶處理和人工時效 來提高鋁合金的力學性能。

16、 LD5、LD6、LD10。,壓氣機葉片,活塞(裙部為鋁硅合金),ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ) 55×,1.鑄造鋁 – 硅合金 ( ZL101～ZL111 ) :,（二）鑄造鋁合金,硅鋁明,簡單硅鋁明 組織α+Si共晶體，它的最大優(yōu)點是鑄造性能好，此外，密度小，抗蝕性，耐熱性，焊接性也相當好，但強度低，這類合金只適用于制造形狀復雜但對強度要求不高的鑄件，如儀表殼體等。特殊硅鋁明在該合金的基礎上

17、加入適當合金元素Cu、Mn、Mg、Ni等元素，發(fā)展成能時效強化的鋁合金，稱為特殊硅鋁明，具有良好的鑄造性和較高的抗蝕性及足夠的強度，如ZL108、ZL109是我國目前常用的鑄造鋁活塞的材料。,2.鑄造鋁 – 銅合金 ( ZL201～ZL203 ) : 有較高的強度、塑性及耐熱性,但鑄 造性能和耐蝕性較差。,鋁銅合金鑄造組織 ( 化染 ) 210×,汽缸頭,3.鑄造鋁 – 鎂合金 ( ZL301

18、、ZL302 ) : 有較高的強度、韌性及耐蝕性,但鑄 造性能和耐熱性較差。,鋁鎂合金鑄造組織 (化染) 150×,鼓風機用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),4.鑄造鋁 – 鋅合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的鑄造性,經變質處理和時效處理后,強度高,但耐蝕性差。,大型空壓機活塞(ZL401),二、銅及銅合金,1.銅及銅合金的性能特點2.銅及銅合

19、金的分類及用途,1.銅及銅合金的性能特點,優(yōu)異的物理、化學性能 導電、導熱性、抗蝕、抗磁能力高 良好的加工性能 塑性好；鑄造性好某些特殊機械性能 優(yōu)良的減摩性和耐磨性，高的彈性極限和疲勞極限,2.銅及銅合金的分類及用途,純銅銅合金黃銅青銅白銅,2.銅及銅合金的分類及牌號,純銅(紫銅) T1、T2、T3、Tu1，Tu2 銅合金 黃銅普通黃銅 H× ×表示含銅62%,其余為Zn的黃銅 特殊黃銅

20、HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。余量為Zn的鉛黃銅 青銅錫青銅 QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%P的錫-磷青銅 特殊青銅白銅 BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn的錳白銅,純銅,我國工業(yè)有三個牌號：即一號銅（99.95%Cu）、二號銅（99.90%Cu），三號銅（99.7%Cu），其代號分另為T1、T2、T3。 此外，純銅除工業(yè)純銅外，還有一類叫無氧銅，其含氧量極低，不大于0.003%，其代號

21、有Tu1，Tu2，“u”是“無”漢語拼音字首。 純銅退火狀態(tài)，強度低，塑性好（σb=250～270Mpa，δ=35～45%），經冷加工變形后強度升高，而塑性急劇降低（σb=400～500Mpa，δ=1～3%）。不能用作受力的結構材料，工業(yè)純銅主要用導電、導熱，兼有抗腐蝕性的器材，如電線、電纜、電器開關等，無氧銅主要作真空器件。,銅合金,純銅強度低，雖然冷加工變形可提高其強度，但塑性顯著降低，不能制作受力的結構件。為了滿足制作結

22、構件的要求，在銅中加入合金元素，通過固溶強化，時效強化及過剩相強化等途徑提高合金的強度，獲得高強度的銅合金。常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。銅合金按其化學成分可分為黃銅、青銅、白銅三大類。,黃銅,黃銅是以Zn為主要合金元素的銅合金，具有良好的機械性能，易加工成型，對大氣、海水有相當好的抗蝕能力，是應用最廣的重要有色金屬材料。 黃銅按其所含合金元素的種類可分為普通黃銅和特殊黃銅兩

23、類；按生產方式可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類。,普通黃銅,普通黃銅，就是Cu-Zn二元合金，當Zn含量＜36%，時單相α，Zn含量＞36%而＜47%時組織α+β’兩相工業(yè)上所用的黃銅Zn含量一般不超過47%。單相黃銅：室溫組織為單相α的黃銅又稱單相黃銅，強度較低、塑性特別好，適于壓力加工，常用代號有H80、H70、H68，其中H70、H68強度較高，大量用作槍彈殼和炮彈筒，故有“彈殼黃銅”之稱。雙相黃銅：α+β’黃銅又稱雙相黃銅，

24、強度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散熱器等。,普通黃銅的組織特征圖,單相黃銅 H68,,,雙相黃銅H59,,黃銅的力學性能與含鋅量的關系圖,,常用的黃銅應用,金獎黃銅 --- H90,彈殼黃銅 --- H70 ( H68 ),日用黃銅 --- H62 ( H59 ),冷凝器管,特殊黃銅,在普通黃銅的基礎上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黃銅，它們比普通黃銅具有更高的強度、硬度、抗腐蝕性能,黃銅

25、的“季裂”,雖然黃銅具有優(yōu)良抗蝕性，但當零件以冷壓力加工（擠壓、沖壓、彎曲等）成形時，由于其中有殘余內應力存在，在氨、濕氣、海水作用下，極易出現應力腐蝕開裂現象——稱為。為了防止這種現象，冷壓力加工后的黃銅零件（如彈殼等）必須進行消除內應力的退火（250～300℃保溫1h以上）,青銅,青銅是以Sn、Al、Si、Be、Ti等為主要合金元素的銅合金按照生產方式：加工青銅和鑄造青銅兩類。錫青銅：是以錫為主要合金元素的銅合金，是人類歷史上應用

26、最早的銅合金。是Cu-Sn二元合金，錫青銅在大氣、海水、淡水及蒸汽中比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸及氨水中的抗蝕性較差。此外，為了改善錫青銅的性能，還加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高鑄造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高彈性極限等。主要用作耐蝕耐磨、防磁的零件，如儀器上的彈簧簧片、軸承、齒輪等。,白銅,白銅是以Ni為主要合金元素的合金。Ni和Cu在固態(tài)下能完全互溶，所以各類銅鎳合金均為α單相固溶體，具有很好的冷熱加

27、工性能，不能進行熱處理強化，只能用固溶強化和加工硬化來提高強度。白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機械及醫(yī)療器械中的關鍵材料。,白銅的用途,各類銅鎳合金均為α單相固溶體，具有很好的冷熱加工性能，不能進行熱處理強化，只能用固溶強化和加工硬化來提高強度。白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機械及醫(yī)療器械中的關鍵材料。,三、軸承合金,1.軸承合金的性能要求 2.軸承合金的分類及用途 3

28、.ChSnSb11-6 合金,1.軸承合金的性能要求,在工作溫度下有足夠的抗壓強度和疲勞強度，以承受軸所施加載荷。有足夠的塑性和韌性，以保證與軸配合良好并承受沖擊和振動。磨擦系數小，并能保持住潤滑油，以減少對軸頸的摩損。具有小的膨脹系數和良好的導熱性和耐蝕性，以防止軸瓦與軸頸強烈磨擦升溫而發(fā)生咬合，并抵抗?jié)櫥偷那治g。具有良好的磨合能力，以使載荷均勻分布。容易制造，價格低廉。,,,軸承合金的組織特征,軸承材料通常要滿足上述性能

29、的要求都不能是純金屬或單相合金，必須配以軟硬不同的多相合金。 通常是軟基體上均勻分布一定數量和大小的硬質點，或者硬基體上分布一定數量和大小的軟質點。,硬基體上分布軟質點組織特征圖,,2.軸承合金的分類及用途,常用的軸承合金按其化學成分可以分為錫基、鉛基、鋁基、銅基和鐵基等數種，前兩種錫基、鉛基稱為巴氏合金。錫基軸承合金 鉛基軸承合金,軸承合金的牌號,軸承合金一般在鑄態(tài)下使用，其號為ZCh + 基本元素符號 + 主加元素符號

30、 + 主加元素平均含量+輔加元素元素含量?！拌T”、“承”如ZChPbSn5-9。表示含5%Sn、9%Sb的鉛基軸承合金。,錫基軸承合金,錫基軸承合金是Sn為主并加入少量Sb、Cu等元素的合金，是一種軟基體硬質點類型的軸承合金。如圖，α相是Sb在Sn中的固溶體，為軟基體，當Sb含量大于7.5%時合金中出現方塊形β’相，為硬質點（Sb Sn化合物），由于β’相輕，易造成偏析，所以在合金中加入Cu，先形成Cu3Sn化合物的針狀格架，以防止?jié)?/p>

31、注時β’相上浮，有效地減少偏析。同時Cu3Sn相的硬度比比β’相的高，也起硬質點的作用。,,ZChSnSb11-6 合金組織金相圖,,鉛基軸承合金,鉛基軸承合金的基本成分是鉛和銻。Pb-Sb合金在室溫下的組織是由α和β兩個相所組成。α相是銻（Sb）溶于鉛中的固溶體，很軟，軟基體，β相是鉛溶于Sb中的固溶體，較硬。 但在實際應用中，通常中加入6～16%Sn，因為Sn既能溶于α相中提高合金的強度和硬度，又能形成SnSb硬質點，提高

32、合金的耐磨性。由α相的比重大于β，容易造成比重偏析，所以有時還加入1～2%Cu，防比重偏析，同時有硬的Cu2Sb相形成，還能提高合金的耐磨性。,軸承合金應用,內燃機軸瓦,巴氏合金軸瓦,四、鈦及鈦合金的性能特點,（1）密度小、熔點高，固態(tài)下有同素異構轉變，純鈦是純白色輕金屬，密度為4.507g/cm3，介于Al和Fe之間，熔點1668℃，高于鐵，在882.5℃發(fā)生同素異構轉變，882.5℃以上為β-Ti（體心立方晶格），882.5℃以下為