一些重要的金屬和合金

1、一些重要的有色金屬及合金一些重要的有色金屬及合金Non-ferrous metals and alloys緒論緒論1、有色金屬的重要地位、有色金屬的重要地位1）在先進(jìn)工業(yè)和尖端技術(shù)上的應(yīng)用 宇航、航空、航海、汽車、石油化工、電子、原子能等近代工業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)展：l 高強(qiáng)度；l 高韌型；1、為什么含石墨的鑄鐵中一般Si含量較高?白口鑄鐵?灰口鑄鐵?球墨鑄鐵?2、什么叫應(yīng)力腐蝕?l密度?。ㄝp質(zhì)的）；l耐高溫、耐腐蝕；l具有各種特殊物理性能的材料和新的加工工藝。具體表現(xiàn)為：它是制造各種優(yōu)質(zhì)合金鋼及耐熱鋼所需的合金元素；許多有色金屬、合金具有比重小、比強(qiáng)度比強(qiáng)度( (材料材料的強(qiáng)度與它的表觀密度之比

2、的強(qiáng)度與它的表觀密度之比) )高、耐熱、耐腐蝕和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、彈性及一些特殊的物理性質(zhì)；應(yīng)用舉例：l 新型發(fā)動(dòng)機(jī)用材料新型發(fā)動(dòng)機(jī)用材料 主要是主要是Ti合金與合金與Ni、Al合金和鋼合金和鋼l 形狀記憶合金(TiNi)20時(shí)的原始狀態(tài)時(shí)的原始狀態(tài)l形狀記憶合金(TiNi)20時(shí)的被拉長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)的被拉長(zhǎng)狀態(tài)l形狀記憶合金(TiNi)高于高于50時(shí)正在收縮中時(shí)正在收縮中l(wèi)形狀記憶合金(TiNi)基本恢復(fù)到原始狀態(tài)基本恢復(fù)到原始狀態(tài)2) 地殼中的含量地殼中的含量lAl(8.8%); Mg(2.1%); Ti(0.6%); Fe(5.1%);lW、Sn、Mo、Sb、Hg、Pb、Zn（在世界位前列

3、）；l Cu、Al、Mn（占有重要地位）l 鈦和稀土位世界第一。l 因此, 中國(guó)發(fā)展有色金屬和合金，大有可為。3) 內(nèi)容主要包括：內(nèi)容主要包括：l 鋁以及鋁合金；l 鈦及鈦合金第一節(jié)第一節(jié) 鋁及其合金鋁及其合金一、工業(yè)純鋁一、工業(yè)純鋁1、工業(yè)純鋁的獨(dú)特性能和優(yōu)點(diǎn)、工業(yè)純鋁的獨(dú)特性能和優(yōu)點(diǎn)1）鋁很輕，d = 2.7g/cm3(d Fe=7.8g/cm3; dCu=8.1g/cm3)，它是各種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的基本單元；2）導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性優(yōu)良 Ag Cu Al(以體積計(jì)，依次減弱） 如果以重量計(jì)，比Cu還好。3）塑性好；這與面心立方結(jié)構(gòu)有關(guān)，它能實(shí)施冷或熱壓力加工制成各種型材；l 抗大氣腐蝕性能好。在

4、表面能形成極致密的氧化鋁薄膜；l 強(qiáng)度很低(b=80MPa100MPa),冷變形加工后b=150MPa250MPa;2 2、應(yīng)用、應(yīng)用電線、電纜以及導(dǎo)熱和抗大氣腐蝕對(duì)強(qiáng)度不高的用品與器皿。3 3、雜質(zhì)與分類、雜質(zhì)與分類（1）雜質(zhì)：工業(yè)純鋁，與化學(xué)純鋁不同，含有雜鋁中有極低雜質(zhì)元素鐵，就會(huì)析出化合物鋁中有極低雜質(zhì)元素鐵，就會(huì)析出化合物鋁中有雜質(zhì)元素硅，就會(huì)共晶硅析出鋁中有雜質(zhì)元素硅，就會(huì)共晶硅析出質(zhì)，最常見(jiàn)的Fe與Si，F(xiàn)e與Si含量影響它的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性；對(duì)塑性極為不利。(2)工業(yè)純鋁的牌號(hào)依其雜質(zhì)的限量來(lái)編制的 L1、L2、L3（ 數(shù)字越大，純度越高）二、鋁合金的熱處理原理二、鋁合金的熱處理原

5、理l 鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時(shí)效；l 退火屬軟化處理，目的是獲得穩(wěn)定的組織或優(yōu)良的工藝塑性；l 淬火時(shí)效為強(qiáng)化處理，借助時(shí)效強(qiáng)化以提高合金的強(qiáng)度性能。1、Al-4Cu 合金組織性能的一般變化1）如下圖為 Al-Cu相圖；2）在548進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變：L+(CuAl2)3)銅在相中的極限溶解度為5.65%，隨著溫度的下部分鋁部分鋁-銅系相圖銅系相圖降，固溶度急劇減小，室溫下為0.05%；l組成為CuAl2，按化學(xué)式計(jì)算， 相中銅的含量為54.08%,但實(shí)際為52.553.9%;lAl-4Cu合金在緩冷時(shí)獲得的組織為（+）兩相；l鑄造組織的抗拉強(qiáng)度為150MPa。4）如果將該合金加熱到固溶

6、度曲線以上，并迅速淬入干冰（-78），形成過(guò)飽和固溶體（含4%Cu)；抗拉強(qiáng)度為200MPa;若長(zhǎng)期在干冰內(nèi)保存，機(jī)械性能沒(méi)有明顯變化；5）但若從干冰中取出于室溫下放置，則兩小時(shí)后，開(kāi)始出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，硬度與強(qiáng)度增高，并隨時(shí)間的增加，而加劇，八天后達(dá)最大值，以后不再變化；剛淬火后，剛淬火后，HB=722天，天，HB=1028天，天，HB=1015015硬硬度度時(shí)間（天）時(shí)間（天）6）如將同一合金置于稍高的溫度環(huán)境內(nèi)，例如50，經(jīng)兩天后硬度就可以達(dá)到最高值，但其變化規(guī)律仍與室溫相同；7）自然時(shí)效和人工時(shí)效）自然時(shí)效和人工時(shí)效l 自然時(shí)效：將淬火得到的過(guò)飽和固溶體置于室溫或低于100的溫度環(huán)境下，由

7、于停留時(shí)間的增加，硬度和強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。l 人工時(shí)效：將合金置于100以上的環(huán)境中，硬度變化要復(fù)雜一些。這種在100以上所造成的時(shí)效硬化現(xiàn)象。l 過(guò)時(shí)效：超過(guò)硬度峰值的時(shí)效。Al-4Cu合金人工時(shí)效硬度的變化合金人工時(shí)效硬度的變化2、過(guò)飽和固溶體的性質(zhì)、過(guò)飽和固溶體的性質(zhì)l 合金時(shí)效處理前，先要通過(guò)固溶處理以獲得過(guò)飽和固溶體；l 固溶體不僅對(duì)溶質(zhì)原子是過(guò)飽和的，而且對(duì)空位這種晶體缺陷也是過(guò)飽和的，即處于雙重飽和；l 沉淀析出過(guò)程是一種原子擴(kuò)散過(guò)程，而空位的存在是原子擴(kuò)散所必須具備的條件，因此，固溶體中的空位濃度及其溶質(zhì)原子間的交互作用性質(zhì)，必然對(duì)沉淀動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響；l 純鋁和鋁合金淬火得到

8、的過(guò)飽和空位是極不穩(wěn)定的，容易向晶界或其它缺陷地帶遷移，或形成位錯(cuò)。l 但對(duì)于Al-Cu合金，銅原子與空位間存在一定的結(jié)合能，即銅原子與空位結(jié)合在一起，使空位能夠比較穩(wěn)定地處于固溶體中，不容易向缺陷地帶遷移和消失。這種攜帶空位的銅原子在形成新相時(shí)的擴(kuò)散過(guò)程，要比沒(méi)有空位時(shí)容易得多。3、時(shí)效過(guò)程中的組織變化、時(shí)效過(guò)程中的組織變化 時(shí)效過(guò)程是第二相從過(guò)飽和固溶體中沉淀的過(guò)程，是固態(tài)相變的一種，通過(guò)新相的形核和長(zhǎng)大的方式完成轉(zhuǎn)變。1）相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化）相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化 當(dāng)因相中出現(xiàn)新相時(shí)，系統(tǒng)自由能的總變化為：G=-V Gv+S+V上式： G為系統(tǒng)自由能的總變化；V為新相的總體積； Gv

9、為單位體積新舊二相自由能之差，應(yīng)為負(fù)值；S為相界面的總面積；為單位面積相界面的界面能；為單位體積新相形成時(shí)的彈性應(yīng)變能（由于新舊兩相的比容或晶體結(jié)構(gòu)不同造成的）。2 2）以）以Al-CuAl-Cu合金為，分析它的相變過(guò)程合金為，分析它的相變過(guò)程l G.P.G.P.區(qū)形成區(qū)形成：在室溫下即可生成；它是銅原子在鋁晶體的六面體100上聚集，形成了圓片狀的脫溶區(qū)（厚度不超過(guò)幾個(gè)原子距離、直徑小于（10nm)；它沒(méi)有獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)，完全保持母相的晶格，并與母相共格；由于銅原子較鋁原子小，G.P.區(qū)產(chǎn)生一定的彈性收縮。l相：如果將Al-4Cu合金在較高的溫度下進(jìn)行時(shí)效, G.P.區(qū)的直徑急劇長(zhǎng)大，而且銅原

10、子和鋁原子逐漸形成規(guī)則的排列，即所謂正方有序化結(jié)構(gòu)。 過(guò)渡相在基體的100面上形成為圓片狀組織，厚度為8-20，直徑為150-400。 過(guò)渡相與基體完全共格，但在Z軸方向上的晶格常數(shù)比基體晶格常數(shù)的兩倍小一些，產(chǎn)生約4%的錯(cuò)配度。因此，它造成一個(gè)彈性共格應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用。l相：繼續(xù)增加時(shí)效時(shí)間或提高時(shí)效溫度，例如將Al-4Cu 合金時(shí)效溫度提高到200，過(guò)渡相轉(zhuǎn)變?yōu)?，它屬于正方點(diǎn)陣，其中a=b=4.04，c=5.80，名義成分為CuAl2。其大小則決定于時(shí)效時(shí)間和溫度，直徑約為100-6000，厚度為100-150。 由于在 Z軸方向的錯(cuò)配度過(guò)大（約30%），在（010）和（10

11、0）面上的共格關(guān)系遭到破壞， 與基體成半共格關(guān)系。此時(shí)，它的應(yīng)變能減小，意味著晶格畸變的減少，合金的硬度和強(qiáng)度下降，開(kāi)始進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段。l相：進(jìn)一步提高時(shí)效溫度和延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，過(guò)渡到平衡相，由于此時(shí)析出相與基體完全失去共格關(guān)系，故相的出現(xiàn)，意味著合金的硬度和強(qiáng)度顯著下降。 以上可以看出：時(shí)效析出強(qiáng)化的原理三、鋁合金1、分類(1)鋁合金相圖的一般類型 如下圖所示。溫溫度度成分成分Me, %D Al Fba鋁合金相圖的一般類型鋁合金相圖的一般類型（2）根據(jù)成分與生產(chǎn)工藝分二大類 形變鋁合金和鑄造鋁合金l 變形鋁合金：變形鋁合金：凡是位于 D左邊的合金，在加熱時(shí)能形成單相固溶體，塑性較好，適于壓力加

12、工。 形變鋁合金形變鋁合金：防銹鋁、硬鋁、超硬鋁及鍛鋁。l 鑄造合金：鑄造合金：D以右合金，有共晶組織，適于鑄造而不適合于壓力加工。 鑄造鋁合金：鑄造鋁合金：按主要合金元素不同分：Al-Si，Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn。（3）編號(hào) 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：1）鑄造鋁合金：“ZL”+3個(gè)數(shù)字，如ZL102ZL203;防銹鋁用“LF”+一組順序號(hào)； 硬鋁，“LY” 超硬鋁，“LC”+一組順序號(hào)表示； 鍛鋁：“LD”2) 2、鑄造鋁合金2.1定義：用來(lái)制作鑄件的鋁合金稱為鑄造鋁合金；l 要求該合金有良好的鑄造性能；l 因而，必須有適當(dāng)數(shù)量的共晶體；2.2 若干鋁合金相圖特點(diǎn) Cu、Mg、Mn、

13、Zn和Si等五種常見(jiàn)合金元素都能與鋁形成共晶體：l 但Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn系中形成的共晶體中含有硬脆的化合物，因而隨著這些共晶體的出現(xiàn)，合金性能迅速變壞；l 對(duì)于Al-Cu和Al-Mg系，共晶體不多，因此鑄造性能不好。l Al-Zn共晶點(diǎn)的Zn成分為95%,當(dāng)選用共晶點(diǎn)附近成分時(shí)，它成為Zn合金了。l 實(shí)驗(yàn)證明：Al-Si 合金中隨著共晶體數(shù)量的增加，鑄造性能、機(jī)械性能都越來(lái)越好；l因此，以Al-Si為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的一類鑄造合金是最重要的。2.3 Al-Si 系鑄造鋁合金系鑄造鋁合金（硅鋁明）Al-Si系鑄造鋁合金稱為硅鋁明合金硅鋁明合金：l 簡(jiǎn)單硅鋁明：不含其他合金元素；l

14、特殊硅鋁明：除硅外含有其它合金元素；（1）簡(jiǎn)單硅鋁明）簡(jiǎn)單硅鋁明1）鑄造特點(diǎn)）鑄造特點(diǎn)l 含硅1113%的合金鑄造后全部為共晶體，因此該成分的合金鑄造時(shí)流動(dòng)性好，熱裂傾向??；l 但是致密度不高，主要該合金吸氣，導(dǎo)致結(jié)晶時(shí)能生成大量縮孔，l 因此，該合金適合于鑄造形狀復(fù)雜，但致密度要求不高的鑄件。2）組織特點(diǎn)）組織特點(diǎn)l 粗大的硅的針狀晶體和固溶體構(gòu)成的共晶體。粗鋁鋁-硅二元相圖硅二元相圖共晶點(diǎn)的溫度為577共晶點(diǎn)成分為:11.7wt%粗針狀硅嚴(yán)重降低合金的塑性；l變質(zhì)處理：Na、Ti、B等Na：溶入合金溶液的活性鈉一方面促進(jìn)硅的形核，另一方面能在初生的硅晶體表面阻礙硅晶體的生長(zhǎng)；變?yōu)閬喒簿ЫY(jié)晶

15、可能是Na右移共晶點(diǎn)。Ti：TiAl3、TiB2先于固溶體析出，成為固溶體的非自發(fā)結(jié)晶中心。l 該合金的優(yōu)點(diǎn)：鑄造性能好，焊接性能好，比重小，抗蝕性、耐熱性好；l 缺點(diǎn)：強(qiáng)度不夠高，鑄件密度小，不能淬火時(shí)效強(qiáng)化。未變質(zhì)的Al-12%Si合金組織，X500Al-12%Si合金變質(zhì)后的組織，X500（2）特殊硅鋁明）特殊硅鋁明l變質(zhì)后的硅鋁明，其強(qiáng)度提高不多，滿足不了負(fù)荷較大的零件的要求；l為了強(qiáng)化，可以在少許降低其中含硅量的同時(shí)，向合金中加入能形成強(qiáng)化相CuAl2(相）、Mg2Si(相）、Al2CuMg(S相）等合金元素，這樣的合金除變質(zhì)處理外，還能進(jìn)行淬火時(shí)效，進(jìn)一步提高硅鋁明的強(qiáng)度；l加入的

16、元素為：Cu、Mg等，形成強(qiáng)化相；l實(shí)例：1）Zl101中含Si較少（68%)，但含少量Mg，Mg除變質(zhì)外，可以進(jìn)行淬火及人工時(shí)效處理（強(qiáng)化相Mg2Si)，這樣獲得的合金強(qiáng)度b=200230MPa(原先為160170MPa）;2)Zl107鑄鋁：加入少量Cu( 減少Si) 強(qiáng)化相為 CuAl2;3)同時(shí)加入同時(shí)加入CuCu與與MgMg：Al-Si-Cu-MgAl-Si-Cu-Mg系鑄造鋁合金系鑄造鋁合金n 這類合金采用多元少量原則，有多種合金元素存在，形成的強(qiáng)化相較多：CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg，Zl110、Zl105和Zl108就是這樣的合金。在這類合金中，上述強(qiáng)化相的共同作用使

17、合金在淬火時(shí)效后獲得很高的強(qiáng)度及硬度。 n應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜、性能要求高，如在較高溫度下工作的零件（用在汽車、拖拉機(jī)及各種內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上）。2.4 其它的一些合金系lAl-Cu系鑄造鋁合金：鑄造性能不好，抗蝕性差，比強(qiáng)度低；lAl-Mg系：耐蝕性好；強(qiáng)度高；lAl-Zn系：自行淬火，時(shí)效強(qiáng)化。3、形變鋁合金、形變鋁合金3.1 防銹鋁合金（LF)Al-Cu合金系的主要強(qiáng)化相為CuAl2,它本身有較強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化能力和熱穩(wěn)定性，因而該合金系適合高溫工作。Al-Cu合金淬火+時(shí)效處理后，硬度的變化Al-Mg合金相圖，表明它可以進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理相為Mg5Al6l淬火+時(shí)效處理后的 Al-Mg 合金的性

18、能存在著一個(gè) Mg 的最佳含量；l含鎂太高，淬火加熱時(shí)難于完全固溶，從而使合金的強(qiáng)度與塑性下降。l簡(jiǎn)單的 Al-Zn二元鑄造合金由于沒(méi)有突出的優(yōu)點(diǎn)未獲實(shí)際應(yīng)用。lAl-Zn-Si合金是為了改善Al-Zn合金的鑄造工藝性；l Zn在鋁中有很高的溶解度，在鑄造冷卻中不發(fā)生分解，故獲得相當(dāng)?shù)墓倘軓?qiáng)化；l具有自淬火效應(yīng)，這對(duì)于制造形狀復(fù)雜、要求高尺寸穩(wěn)定性的零件十分有利。(1) 主要合金元素主要合金元素Mn：在鋁中通過(guò)固溶強(qiáng)化提高合金的強(qiáng)度以及抗蝕能力；含Mn的防銹鋁均具有比純鋁更好的抗蝕性。Mg：對(duì)合金的抗蝕性損傷較小，固溶強(qiáng)化效果較好，使合金比重降低。(2) 幾種防銹鋁合金的主要特點(diǎn)：幾種防銹鋁合金的主要特點(diǎn)：l Al-Mn(1.01.6%):抗蝕性好，強(qiáng)度高，可焊性好，切削性能差些（太軟）。l Al-Mg(2-10%):比重小，強(qiáng)度高，相當(dāng)好的抗蝕性，在冷變形或退火狀態(tài)下使用。l 錳起固溶強(qiáng)化作用；錳小于1.6%，強(qiáng)度較高，塑性較好，工藝性能也好；l 大于1.6%時(shí)，由于MnAl6形成，合金變形時(shí)容易開(kāi)裂；l 錳提高合金的再結(jié)晶溫度l 這些合金均是單相固溶體，不能熱處理強(qiáng)化，可以施以冷壓力加工強(qiáng)化。3.2 硬鋁合金硬鋁合金(LY)（1）成分：）成分：Al-C