工程材料教學(xué)案_9有色金屬和合金

1、 范文范例指導(dǎo)參考 課程名稱：工程材料第周，第講次 摘要 授課題目 （章、節(jié)） 本講目的要求及重點難點： 【目的要求】 1.熟悉純鋁及常用鋁合金的成分、牌號、性能與用途； 2.熟悉純銅及常用銅合金的分類、牌號、性能及用途； 3.熟悉常用的軸承合金。 【重點】 1.鋁及鋁合金的特性、分類與牌號及鋁合金的強化； 2. 銅及銅合金的特性、分類與牌號； 3.軸承合金的性能與牌號； 【難點】鋁合金的熱處理特點；鋁合金的牌號與強化、銅合金分類與牌號。 內(nèi)容 【本講課程的引入】 工業(yè)生產(chǎn)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

2、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(xiàn)代工業(yè)生活中不 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 可缺少的金屬材料。重點介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金及軸承合金。 【本課程的內(nèi)容】 第一節(jié)鋁及其合金 鋁及其合金在工業(yè)上是僅次于鋼的一種重要金屬，尤其是要航空、航天、電 力工業(yè)及日常生活用品中得到廣泛的應(yīng)用。 一 工業(yè)純鋁 1. 鋁及鋁合金的性能特點 （1）密度小，熔點低，導(dǎo)電性、導(dǎo)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(dǎo)電性僅次于 Cu 、 Au 、Ag 。鋁合金的密度也很小，熔點更低，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性不如純鋁、鋁及鋁

3、合 金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。 （2）抗大氣腐蝕性能好 鋁和氧的化學(xué)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(nèi)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(gòu)轉(zhuǎn)變，具有 較高的塑性（ =30 50%，=80%），易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能， 純鋁的強度低， n=70Mpa ，雖經(jīng)冷變形強化，強度可提高到150 250 Mpa ， 但也不能直接用于制作受力的結(jié)構(gòu)件，而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強 度可達到 500600 Mpa ，相當(dāng)于低合

4、金鋼的強度，比強度高，成為飛機的主要 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 結(jié)構(gòu)材料。 2 用途： 廣泛用于制造電線、電纜、散熱器、器皿用具等。 3 牌號： 工業(yè)純鋁依據(jù)純度有7 個牌號，分別為L1L7，順序號越大，純 度越低，其純度分別為99.7%99.6%99.5% 。 鋁含量大于 99.93% 叫高純鋁，其有 5 個牌號，分別為LG1 LG5 ， 順序號越大，則純度越高，例LG5 鋁含量大于 99.996% 。 為增加鋁的強度，通常加入Cu 、Si、Mg 、 Mn 、Zn 等元素而制成鋁合金。 二 鋁合金 （一）鋁合金的分類 鋁合金都有如圖9-1 所示的一般相圖。成分在D 點以左的合金，加

5、熱到固溶 線 DF 以上，將會得到單相的固溶體，塑性很好，適于壓力加工，故合金含量小于 D 點的鋁合金叫做： 溫 度L L + 形狀合金鑄造合金 + M 不能熱處能熱處理強化 理強化 Al F WM100% 圖 9-1 鋁合金狀態(tài)圖的一般類型 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 1 形變鋁合金： 此種合金亦可分為兩類： 不能熱處理強化的鋁合金：成分在 F 點以左的合金，因其成分不隨溫度 的變化而變化，故不能借助于熱處理進行強化； 能熱處理強化的鋁合金：成分在 D-F 之間的合金，其固溶體的成分隨 溫度而變化，故可借助于固溶強化提高其強度。 2 鑄造鋁合金： 成分位于 D 點以右的合金， 由于有

6、共晶組織存在， 流動性好， 適于鑄造，故稱為鑄造鋁合金。 鑄造鋁合金也有成分隨溫度而變化的相，故也能用熱處理加以強化，但距 D 點越遠，合金中的相的相對含量越少，強化效果越不明顯。 （二）鋁合金的熱處理 1 鋁合金的熱處理特點： 固溶處理：將可熱處理強化的鋁合金加熱到單相區(qū)某一溫度，得到單相 固溶體，隨后水冷，獲得單相過飽和固溶體組織的一種處理工藝。上述工藝亦即 鋁合金的淬火，但其和鋼的淬火不同，高碳鋼淬火后，強度、硬度立即提高，而 塑性則急劇下降；鋁合金淬火后，強度和硬度并不高，塑性仍很好。 時效強化： 淬火后的鋁合金放置在低于固溶線以下的某一溫度，隨時間的延 長，其強度、硬度顯著提高，而塑

7、性下降，此謂之時效強化。 例如含銅 4%的鋁合金： 平衡狀態(tài)下： b =180 200MPa=18% word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 淬火后：b =240 250MPa=20 22% 室溫下放置 4 5 天：b =420MPa=18% 時效形式 有兩種：自然時效和人工時效。 （ 1）鋁合金的時效強化 將成分位于 DF 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，然后水冷（淬火），獲得過飽和固溶體稱為固溶處理。 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(xiàn)象稱為時效

8、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。 Al Cu 合金部分相圖 圖 9-2Al-Cu合金部分相圖 word 版整理 含 4%Cu 的鋁合金自范然文時范例效指曲導(dǎo)線參考 圖 9-3Al-Cu合金的自然時效時效曲線 含4%Cu的鋁合金在不同溫度下的 顯然合金能發(fā)生時效強化的必要條件是：高溫能形成均勻固溶體且快冷（淬 人工時效曲線 火）時不發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和成分的變化；固溶體中溶質(zhì)含量隨溫度降低而顯著降低。 圖 9-4含 4% Cu 的 Al 合金在不同溫度下的時效曲線 上圖為含 4% Cu 的 Al 合金在不同溫度下的時效曲線，可見，室溫時效時

9、， 在時效初期的幾個小時內(nèi)，強度不發(fā)生明顯變化，這一時間稱為孕育期，比時合 金塑性很高，極容易進行鉚接、彎曲和校直等操作，時效溫度愈高，孕育期愈短， 時效速度愈快，達到最高強度的時間愈短，最大強度值愈低，強化效果愈小。當(dāng) 溫度低于 -50 時，孕育期很長，甚至可以保持相對穩(wěn)定，即低溫可以抑制時效的 進行。 2時效強化原理：淬火狀態(tài)下，銅原子均勻分布在過飽和固溶體里， 如圖 9-5a, word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 晶格畸變并不嚴(yán)重，故強度、硬度升高不多，塑性仍好； 第一階段： 形成溶質(zhì)原子 Cu 的富集區(qū)（ Cu 原子在固溶體 100 晶面上偏聚） - Gp I 區(qū)，隨著 Gp I 區(qū)形

10、成，引起固溶體嚴(yán)重畸變，使位錯運動受到阻礙。 第二階段： 隨著時間的延續(xù)，溶質(zhì)原子繼續(xù)向 Gp I 區(qū)擴散富集，并有序化而形成 Gp I I 區(qū)。 Gp I I的化學(xué)成分接近于 CuAl2 ，具有正方晶格（以”表示），隨著 Gp I I 區(qū)形成，將引起固溶體更嚴(yán)重的畸變，使位錯運動受到更大阻礙。 第三階段： 溶質(zhì)原子 Cu 繼續(xù)富集，第二階段形成的”相逐漸達到CuAl2 的成分，并部分地與母相固溶體的晶格脫離，形成一種過渡相，隨著的 形成，固溶體的晶格畸變程度減輕，合金趨于軟化。 第四階段： 穩(wěn)定的相- CuAl2 形成，并與母相固溶體完全脫離聯(lián)系，使 固溶體的晶格畸變大為減輕，時效產(chǎn)生的強化

11、效果顯著減弱，合金軟化，這種現(xiàn) 象稱為“過時效”。 實際上的時效不一定會出現(xiàn)上述四個階段，如自然時效只出現(xiàn)1、2 階段，溫 度較高的人工時效則主要包括3、 4 階段。如圖 9-3 、 9-4 。 下面我們將具體介紹一下鋁合金的牌號、性能和用途。 （三）形變鋁合金 根據(jù)合金的特性，形變鋁合金可分為四類： 1 防銹鋁： 主要有 AL-Mn 、 AL-Mg 合金，其抗腐蝕性好； 牌號： LF5、LF11、LF21，見表 9-1 。 2 硬鋁： 屬于 AL-Cu-Mg-Mn系合金。 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 牌號： LY1、LY11 等。 3 超硬鋁： AL-Cu-Mg-Zn系合金，其強度在

12、鋁合金中是最高的。 牌號： LC4 、LC5 4 鍛鋁： AL-Cu-Mg-Si 系合金，具有良好的鍛造性能。 牌號： LD2、LD6 等。如上各牌號的鋁合金，其應(yīng)用見表9-1。 （四）鑄造鋁合金 鑄造鋁合金可分為四類： 1AL-Si 系：代號 ZL101、 ZL102 2AL-Cu 系：代號 ZL201、 ZL202 3AL-Mg 系：代號 ZL301、 ZL302 4AL-Zn 系：代號 ZL401、ZL402 其牌號、性能、用途見表9-2 。 在鑄造 Al 合金中，變質(zhì)處理細化晶粒的原因一般認(rèn)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(chǎn)

13、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(xiàn)了初生固溶體。 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 圖 9-5ZL102 合金變質(zhì)前的顯微組織圖 9-6ZL192 合金變質(zhì)后的顯微組織 第二節(jié)銅及銅合金 一 工業(yè)純銅 純銅的顏色為玫瑰紅色，它的表面常形成一層紫紅色的氧化物，故稱紫銅。 其熔點 1083 ，比重 8.9 ，大約是鋁的 3 倍多，是鋼的 1.15 倍。 1 性能： 具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能； 耐蝕性好； 具有良好的塑性， =50%； 硬度、強度較低， b =200 250Mpa 。 2 用途： 用做導(dǎo)電材料；造船及機制方面的耐蝕件。 3

14、牌號： 根據(jù)純銅中雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為四個牌號，如表9-3 。 由于純銅的機械性能較差，所以各種結(jié)構(gòu)件幾乎不用純銅而是廣泛地利用它 的合金，我們將簡略介紹幾種較常見的銅合金； 二、銅合金 銅合金按化學(xué)成分可分為黃銅、青銅和白銅三大類。 （一）黃銅 1定義： 以鋅（ Zn）為主要合金元素的銅基合金。其有良好的力學(xué)性能、加 工性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且色澤美麗，是有色金屬中應(yīng)用最廣的金屬材料。 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 2 性能： a 機械性能： 黃銅的機械性能和鋅的含量有很大的關(guān)系，如圖9-9 ， Zn=30% 時，塑性最好； Zn=39 45%時，強度最高： Zn45% 時，塑性

15、和強度急劇下降，故黃銅的含鋅量小于 45%。 b 其它性能： 耐蝕性好；工藝性能好；價格較純銅便宜。 3 牌號及用途： a. 普通黃銅： 如表 9-4 所示。 b 特殊黃銅： 為改善普通黃銅的性能，可在Cu-Zn 合金的基礎(chǔ)上加入 AL 、 Fe、 Si、 Mn 、Pb 、Sn 等元素而形成特殊 黃銅編號 方法如下： 符號 +主添加元素符號 +銅含量 +主添加元素含量如： HSn62-1 ，主添加元素 Sn，Cu=62%，Sn =1%。如表 9-5 所示。 c 鑄造黃銅： 如表 9-6 所示。 其牌號 H+平均銅含量，如H62 表 62%Cu 的其余量 Zn。 4.黃銅的分類 word 版整理

16、 范文范例指導(dǎo)參考 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類；按生產(chǎn)方式 可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類。 普通黃銅，就是 Cu-Zn 二元合金，見下圖，當(dāng)Zn 含量 36%，時單相，Zn 含量 36%而 47%時組織+兩相工業(yè)上所用的黃銅Zn 含量一般不超過47%。 圖 9-7 單相黃銅的顯微組織圖 9-8雙相黃銅的顯微組織 室溫組織為單相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。+ 黃銅又稱雙相黃銅，強度高，塑性差、常 用 H59、H62 用

17、作水管、油管、散熱器等。 特殊黃銅：在普通黃銅的基礎(chǔ)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。 其牌號：H + 主加元素符號+ 平均銅含量+ 主加元素平均含量，如 HMn58-2 ，含 58%Cu 、2%Mn 的特殊黃銅。 無論普通黃銅，還是特殊黃銅，鑄造黃銅牌號前加 “z”，如：ZH62 、ZHMn58-2 、 ZcuZn38 、 ZCuZn40Mn2 注意： 雖然黃銅具有優(yōu)良抗蝕性，但當(dāng)零件以冷壓力加工（擠壓、沖壓、彎 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 曲等）成形時，由于其中有殘余內(nèi)應(yīng)力存在，在氨、濕

18、氣、海水作用下，極易出 現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象稱為黃銅的“季裂”。為了防止這種現(xiàn)象，冷壓力加工后 的黃銅零件（如彈殼等）必須進行消除內(nèi)應(yīng)力的退火（250 300保溫 1h 以上） （二）青銅： 原指 Cu-Sn 合金，其具有高的耐蝕性、較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及良 好的切削加工性但。近幾十年來，為節(jié)省貴重金屬錫而用AL 、Si、Pb 、Be 等元 素來替代 Sn 而制得的合金也稱之為青銅，故青銅可分為兩大類：錫青銅和無錫青 銅。 其牌號： Q + 主加元素符號+ 主加元素平均含量（ +其他元素的平均含量） 。 QAl 5 含 5%Al 的 Al 青銅，同樣鑄造青銅前加“z” 錫青銅：是以錫為主要合金元素的

19、銅合金，是人類歷史上應(yīng)用最早的銅合金。 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。 1 錫青銅：性能： a 機械性能： 如圖 9-10 所示 : Sn5-6%時， Sn； b word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 Sn20%時， Sn； b 故工業(yè)用錫青銅的含錫量為3-14%。 b 其它性能： 極高的耐蝕性、耐磨性；加

20、入P 可具有較高的e。 用途： Sn10%，塑性較低，但強度較高，適用于鑄造； 磷青銅可做彈簧零件。 牌號： 見表 9-7 所示。 2 鋁青銅： 以鋁為主添加元素的銅合金，一般含AL=5-11% 。其耐蝕性好， 強度和硬度比錫青銅高，耐磨性好，用于重要的耐磨耐蝕件。其牌號見表9-7 。 3 鈹青銅： 以鈹為主添加元素的銅基合金，一般含AL=1.7-2.5% 。其強度和 硬度均超過其它銅合金，其牌號和用途見表9-7 。 4 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

21、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(guān)鍵材料。 以 Ni 為主添加元素的銅基合金，其牌號B5， Bzn15-20 。 第三節(jié)鈦及鈦合金 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 1鈦及鈦合金性能特點： （1）密度小、熔點高，固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，純鈦是純白色輕金屬，密度 為 4.507g/cm 3，介于 Al 和 Fe 之間，熔點 1668 ，高于鐵，在 882.5 發(fā)生同 素異構(gòu)轉(zhuǎn)變TiTi ，882.5 以上為-Ti（體心立方晶格），882.5 以下為 -Ti（密排六方晶格），鈦合金的密度也較小，也有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 （2）加

22、工性能好，比強度高，低溫韌性好。純鈦強度低，塑性好，易于壓力 加工成型。鈦合金的強度很高，b 最高可達 1400Mpa ，與某些高強度合金鋼相 近。還具有良好的低溫機械性能。 （3）抗腐蝕性能好 鈦及鈦合金在大氣、海水、含氧酸和濕氯氣中其表面極易形成致密的氧化 物和氮化物的保護膜，具有優(yōu)良的抗蝕性。 第四節(jié)軸承合金 軸承合金是指制造滑動軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的合金。 一 性能要求 1具有足夠的抗壓強度和硬度； （耐磨） 2塑性和韌性要好； （抗沖擊） 3與軸之間有良好的磨合能力； （摩擦系數(shù)?。?4有良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性； 5有良好的工藝性且價格低廉。 word 版整理 范文范例指導(dǎo)參考 軸承材料通常要滿足上述性能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(shù)量和大小的硬質(zhì)點，或者 硬基體上分布一定數(shù)量和大