吉林大學(xué)工程材料課件——第八章 有色金屬材料

1、第八章有色金屬及合金第八章有色金屬及合金 通常把通常把鐵及其合金（鋼、鑄鐵）稱為黑色金屬材鐵及其合金（鋼、鑄鐵）稱為黑色金屬材料料，而把，而把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬材料非鐵金屬及其合金稱為有色金屬材料。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良特性，例如與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良特性，例如鋁、鎂、鈦及其合金具有密度小，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，鋁、鎂、鈦及其合金具有密度小，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在飛機(jī)，汽車制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛；在飛機(jī)，汽車制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛；又如銀、又如銀、銅、鋁及其合金的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性好，是電器，儀表工銅、鋁及其合金的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性好，是電器，儀表工業(yè)不可缺少的材料。業(yè)不可

2、缺少的材料。雖然有色金屬雖然有色金屬 使用量少，使用量少，在機(jī)械在機(jī)械制造業(yè)中僅占制造業(yè)中僅占4.5%左右左右，但它是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少，但它是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。的材料。 主要用途：主要用途：電線、電纜電線、電纜 4、抗大氣腐蝕好，其表面有一層致密的氧化膜?？勾髿飧g好，其表面有一層致密的氧化膜。 3、面心立方晶格，強(qiáng)度低（面心立方晶格，強(qiáng)度低（b=80-100MPa），）， 塑塑性好（性好（=80%），），可以通過壓力加工成各種型材，與其可以通過壓力加工成各種型材，與其面心立方晶體有關(guān)。面心立方晶體有關(guān)。 2、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅、金居第四位。，僅次于銀、銅

3、、金居第四位。 特性：特性： 1、熔點(diǎn)低，比重小熔點(diǎn)低，比重小。熔點(diǎn)為。熔點(diǎn)為660.4 密度密度 2.72 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)純鋁牌號：牌號：工業(yè)純鋁牌號有工業(yè)純鋁牌號有 L1 L2 . L7 數(shù)字大純度低數(shù)字大純度低 工業(yè)高純鋁牌號有工業(yè)高純鋁牌號有L0 L00 高純鋁高純鋁 L01 L02 L04 數(shù)字大純度高數(shù)字大純度高。 二、鋁合金及二、鋁合金及 強(qiáng)化方法強(qiáng)化方法 （一）概述（一）概述 1、合金化、合金化 在純鋁中加入在純鋁中加入Si 、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，等元素，經(jīng)熱處理可使強(qiáng)度比純鋁提高經(jīng)熱處理可使強(qiáng)度比純鋁提高34倍。倍。 2、鋁合

4、金狀態(tài)圖（一般式）、鋁合金狀態(tài)圖（一般式） 共同特點(diǎn)是：基本相都是鋁基共同特點(diǎn)是：基本相都是鋁基 固溶體和固溶體和 共晶體。其中共晶體。其中 為固溶體或化合物。為固溶體或化合物。 3、鋁合金的分類及特性、鋁合金的分類及特性 根據(jù)加工工藝特性和合金元素含量可分為兩大類。根據(jù)加工工藝特性和合金元素含量可分為兩大類。即，即，變形鋁合金和變形鋁合金和 鑄造鋁合金鑄造鋁合金。 變形鋁合金：具有良好的塑性，可進(jìn)行鍛造、軋變形鋁合金：具有良好的塑性，可進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓等壓力加工。制、擠壓等壓力加工。 鑄造鋁合金：流動性好，宜鑄造，不宜壓力加工。鑄造鋁合金：流動性好，宜鑄造，不宜壓力加工。Al 合金含量（

5、合金含量（Si Mg Cu 等）等）溫度溫度DL + 變形鋁合金變形鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金熱處理不能強(qiáng)化熱處理不能強(qiáng)化熱處理能強(qiáng)化熱處理能強(qiáng)化D/F +L鋁合金一般相圖鋁合金一般相圖 1、熱處理強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化 強(qiáng)化方法：強(qiáng)化方法：固溶處理時效強(qiáng)化。固溶處理時效強(qiáng)化。 固溶處理：固溶處理：將合金加熱到溶解度曲線以上某一溫將合金加熱到溶解度曲線以上某一溫度，得到單一的固溶體組織，然后在水中迅速冷卻，度，得到單一的固溶體組織，然后在水中迅速冷卻，使第二相來不及析出，形成過飽和固溶體。這種處理使第二相來不及析出，形成過飽和固溶體。這種處理的方法稱固溶處理。的方法稱固溶處理。 時效強(qiáng)化：時效強(qiáng)化：

6、固溶處理的合金在較低溫度下隨時間固溶處理的合金在較低溫度下隨時間的延長發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象的延長發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象(強(qiáng)度和硬度上升）稱時強(qiáng)度和硬度上升）稱時效硬化或時效強(qiáng)化。效硬化或時效強(qiáng)化。 （二）鋁合金強(qiáng)化方法（二）鋁合金強(qiáng)化方法以鋁銅合金為例以鋁銅合金為例，獲得過飽和的獲得過飽和的固溶固溶體。體。其強(qiáng)度可以達(dá)到其強(qiáng)度可以達(dá)到250MN/m2。時效強(qiáng)化：時效強(qiáng)化：固溶處理的固溶處理的合金隨時間的延續(xù)而發(fā)合金隨時間的延續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象稱生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象稱時效硬化或時效強(qiáng)化時效硬化或時效強(qiáng)化。例如：固溶處理的合金例如：固溶處理的合金，如果在室溫放置，如果在室溫放置4-5例如例如4%

7、Cu的鋁合金加熱到的鋁合金加熱到相區(qū)相區(qū) 中某一溫度，經(jīng)過一中某一溫度，經(jīng)過一段時間保溫，使獲得單一的段時間保溫，使獲得單一的固溶體組織，然后投入水固溶體組織，然后投入水中快速淬火，使次生相中快速淬火，使次生相CuAl2 來不及從來不及從中析出中析出時效過程：分四個階段：時效過程：分四個階段：第一階段，形成第一階段，形成GP1區(qū)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，區(qū)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，位錯受阻，強(qiáng)度提高。位錯受阻，強(qiáng)度提高。第二階段，形成第二階段，形成GP11，Gp區(qū)有序化區(qū)有序化,隨著原子的進(jìn)一步富集，隨著原子的進(jìn)一步富集，原子有序的排列起來，成分結(jié)構(gòu)接近原子有序的排列起來，成分結(jié)構(gòu)

8、接近CuAl2，稱，稱“，與母相共，與母相共格，引起晶格進(jìn)一步畸變，位錯進(jìn)一步受阻，強(qiáng)度進(jìn)一步提高。格，引起晶格進(jìn)一步畸變，位錯進(jìn)一步受阻，強(qiáng)度進(jìn)一步提高。第三階段，形成過渡相第三階段，形成過渡相，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學(xué)成分逐漸，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學(xué)成分逐漸達(dá)到達(dá)到CuAl2的化學(xué)成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變的化學(xué)成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變減輕，對位錯阻礙減少，合金趨向軟化。減輕，對位錯阻礙減少，合金趨向軟化。第四階段，第四階段，相形成與長大，形成穩(wěn)定的相形成與長大，形成穩(wěn)定的CuAl2。與母相完全。與母相完全脫離共格聯(lián)系，晶格畸變大為減輕，強(qiáng)化效果顯著減弱，合脫離共格

9、聯(lián)系，晶格畸變大為減輕，強(qiáng)化效果顯著減弱，合金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱“過時效過時效“。 實(shí)際上，時效過程不一定全部包括以上四個階段，自然時效實(shí)際上，時效過程不一定全部包括以上四個階段，自然時效只有一二階段，人工時效只能觀察到三、四階段。只有一二階段，人工時效只能觀察到三、四階段。 自然時效自然時效：在室溫下進(jìn)行的時效稱自然時效在室溫下進(jìn)行的時效稱自然時效（強(qiáng)（強(qiáng)度可以達(dá)到度可以達(dá)到400 MN/m2）， 人工時效：人工時效：在加熱條件下進(jìn)行的時效稱人工時效在加熱條件下進(jìn)行的時效稱人工時效（100200C）。）。 人工時效的效果不如自然時效效果好，但時間短。人工時效的效果不如

10、自然時效效果好，但時間短。 例：例：含含4Cu的鋁合金，固溶強(qiáng)化后強(qiáng)度為的鋁合金，固溶強(qiáng)化后強(qiáng)度為250MPa自自然失效后（然失效后（45天）達(dá)到天）達(dá)到400MPa。 強(qiáng)化機(jī)理：強(qiáng)化機(jī)理： 在鋁的在鋁的 過飽和過飽和 固溶體晶格內(nèi)形成固溶體晶格內(nèi)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與 固溶體保持共格關(guān)系，固溶體保持共格關(guān)系，使得晶格嚴(yán)重畸變，使位錯運(yùn)動受到阻礙，提高了合使得晶格嚴(yán)重畸變，使位錯運(yùn)動受到阻礙，提高了合金的強(qiáng)度。金的強(qiáng)度。 2、對變形鋁合金通過冷變形加工硬化，使強(qiáng)度提高。對變形鋁合金通過冷變形加工硬化，使強(qiáng)度提高。 3、固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 合金元素溶入鋁晶格中形成

11、有限固溶合金元素溶入鋁晶格中形成有限固溶體，使合金強(qiáng)度提高。如硅銅鎂錳等。體，使合金強(qiáng)度提高。如硅銅鎂錳等。 4、加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理、加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化。 例：例：AlSi鑄造合金，澆鑄前加入鑄造合金，澆鑄前加入23鈉鹽混合鈉鹽混合物（物（2/3NaF + 1/3NaCl-變質(zhì)劑），結(jié)晶時產(chǎn)生大量晶變質(zhì)劑），結(jié)晶時產(chǎn)生大量晶核，獲得細(xì)晶粒，合金的強(qiáng)度和塑性都得以提高。核，獲得細(xì)晶粒，合金的強(qiáng)度和塑性都得以提高。鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理后鋁硅合金變質(zhì)處理后 特點(diǎn)：特點(diǎn)：合金元素少，熱處理強(qiáng)化不起作用，只能合金元素少，熱處理強(qiáng)化不起作用，只

12、能用加工硬化的方法強(qiáng)化。用加工硬化的方法強(qiáng)化。三、常用鋁合金三、常用鋁合金鋁合金分為兩大類：變形鋁合金、鑄造鋁合金鋁合金分為兩大類：變形鋁合金、鑄造鋁合金 （一）變形鋁合金（一）變形鋁合金變形鋁合金按其性能和用途分為：變形鋁合金按其性能和用途分為：防銹鋁合金、硬鋁防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。 1、防銹、防銹 鋁鋁 主要合金元素：主要合金元素：Mn ， Mg 常用牌號常用牌號：LF5、LF11、LF21等等 L鋁鋁 F防銹防銹 數(shù)字順序號數(shù)字順序號 用途：制造油箱、油管等用途：制造油箱、油管等。用途：用途：制造鉚釘、螺旋槳葉片等制造鉚釘、螺旋槳葉片等。

13、3、超硬鋁合金、超硬鋁合金 特點(diǎn)：特點(diǎn)：可用熱處理時效強(qiáng)化，也可冷變形加工硬化?？捎脽崽幚頃r效強(qiáng)化，也可冷變形加工硬化。2 、硬鋁合金、硬鋁合金 主要合金元素：主要合金元素：Cu Mg常用牌號：常用牌號： LY1、 LY11等。 L鋁鋁 Y硬硬 數(shù)字順序號數(shù)字順序號 主要合金元素主要合金元素：Zn Mg Cu 常用牌號常用牌號: LC4 LC6 L鋁鋁 C超硬超硬 數(shù)字順序號數(shù)字順序號 特點(diǎn)特點(diǎn)：這類鋁合金是經(jīng)固溶處理和時效硬化后強(qiáng)度最這類鋁合金是經(jīng)固溶處理和時效硬化后強(qiáng)度最高的一種鋁合金。高的一種鋁合金。 用途：制造飛機(jī)大梁、蒙皮等用途：制造飛機(jī)大梁、蒙皮等。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有良好的鍛造成型

14、性，可固溶處理具有良好的鍛造成型性，可固溶處理+人工人工時效強(qiáng)化。時效強(qiáng)化。 用途：用途：制造直升飛機(jī)的葉片、航空發(fā)動機(jī)活塞制造直升飛機(jī)的葉片、航空發(fā)動機(jī)活塞。 4. 鍛鋁合金鍛鋁合金 主要合金元素主要合金元素：MgSiCu, CuMgNi 常用牌號常用牌號：LD5 LD7 L鋁鋁 D鍛造鍛造 數(shù)字順序號數(shù)字順序號四、鑄造鋁合金四、鑄造鋁合金 用途用途：鑄造鋁合金主要用于制造重要的形狀復(fù)雜的鑄造鋁合金主要用于制造重要的形狀復(fù)雜的鋁合金零件，例如汽車、拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的活塞等。鋁合金零件，例如汽車、拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的活塞等。 合金系合金系：AlSi AlCu AlMg AlZn 牌號表示方法：牌號表示方

15、法：字母字母“ZL”三位數(shù)字三位數(shù)字 ZL鑄鋁鑄鋁; 第一位數(shù)字表示合金類別第一位數(shù)字表示合金類別 1表示鋁硅系表示鋁硅系， 2表示鋁銅系表示鋁銅系 3表示鋁鎂系表示鋁鎂系， 4表示鋁鋅系表示鋁鋅系 第第 二、三位數(shù)字表示順序號。二、三位數(shù)字表示順序號。 例如：例如：ZL102、 ZL202、LZ302等。等。 特點(diǎn)特點(diǎn)：鑄造性能好（鑄造性能好（Al-Cu合金差）合金差） 1、工業(yè)純銅、工業(yè)純銅 （又稱紫銅）（又稱紫銅） 物理性能：物理性能：密度為密度為8.93g/cm3 ，熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為1083 ，呈面，呈面心立方晶格，表現(xiàn)出優(yōu)異的冷、熱壓力加工性能，導(dǎo)電、心立方晶格，表現(xiàn)出優(yōu)異的冷、熱壓力加

16、工性能，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好導(dǎo)熱性能好 。強(qiáng)度低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。強(qiáng)度低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。 應(yīng)用：電線、電纜應(yīng)用：電線、電纜 第二節(jié)第二節(jié) 銅及合金銅及合金 2、黃銅、黃銅： 化學(xué)成分化學(xué)成分：主要元素是銅和鋅。含鋅量主要元素是銅和鋅。含鋅量050。呈淡黃色呈淡黃色。 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高（比鋁合金高）；耐磨性和耐強(qiáng)度高（比鋁合金高）；耐磨性和耐海水腐蝕性好，都優(yōu)于鋁合金和碳鋼。海水腐蝕性好，都優(yōu)于鋁合金和碳鋼。黃黃銅銅普通黃銅普通黃銅 CuZn合金，合金， H59、H62 、H70等 H黃銅黃銅 數(shù)字?jǐn)?shù)字Cu% 應(yīng)用：水管、油管、散熱器等。應(yīng)用：水管、油管、散熱器等。特殊黃銅特殊

17、黃銅 普通黃銅基礎(chǔ)上加入普通黃銅基礎(chǔ)上加入Al Mn Pb Si 進(jìn)一步提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和進(jìn)一步提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和 耐蝕性。耐蝕性。 牌號：牌號：HPb59-1 表示含鉛黃銅，表示含鉛黃銅， Cu%=59 Pb%=1 應(yīng)用：應(yīng)用：制造船舶、化工中的高強(qiáng)耐制造船舶、化工中的高強(qiáng)耐 蝕零件鐘表、機(jī)械的軸瓦耐蝕零件鐘表、機(jī)械的軸瓦耐 磨零磨零 件等件等分類、牌號及應(yīng)用：分類、牌號及應(yīng)用： 3、青銅、青銅 主要成分：主要成分： Cu-Sn合金，應(yīng)用最早合金。近代又合金，應(yīng)用最早合金。近代又發(fā)展了含發(fā)展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的銅合金，習(xí)慣上也的銅合金，習(xí)慣上也都稱為青銅。都稱為青銅

18、。 特性：具有極高的耐磨性并耐蝕性好。特性：具有極高的耐磨性并耐蝕性好。 牌號牌號：Q+元素符號含量元素符號含量 QSn4-3 QAl5 ZQSn10-5 等等 （3Zn） （5Pb） 應(yīng)用：耐磨件如齒輪、軸套、蝸輪，儀器上的彈應(yīng)用：耐磨件如齒輪、軸套、蝸輪，儀器上的彈 簧，耐磨和抗磁零件簧，耐磨和抗磁零件 理想的軸承合金的組織應(yīng)是軟基體上均勻分布著理想的軸承合金的組織應(yīng)是軟基體上均勻分布著硬質(zhì)點(diǎn)。軟的基體被磨損下凹，可貯存潤滑油并形成硬質(zhì)點(diǎn)。軟的基體被磨損下凹，可貯存潤滑油并形成連續(xù)的油膜；硬質(zhì)點(diǎn)則凸起來支撐軸頸，使軸承和軸連續(xù)的油膜；硬質(zhì)點(diǎn)則凸起來支撐軸頸，使軸承和軸頸的實(shí)際接觸面積小，減

19、小摩擦。如圖示頸的實(shí)際接觸面積小，減小摩擦。如圖示： 第三節(jié)第三節(jié) 滑動軸承合金滑動軸承合金 用于制造滑動軸承及其內(nèi)襯的合金用于制造滑動軸承及其內(nèi)襯的合金 一、性能要求一、性能要求 1、要求軸承合金必須具有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲要求軸承合金必須具有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。勞強(qiáng)度。 2、足夠的塑性和韌性。、足夠的塑性和韌性。 3、低的摩擦系數(shù)低的摩擦系數(shù) 4、良好的導(dǎo)熱性和小的膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性和小的膨脹系數(shù)。 二、分類及主要成分二、分類及主要成分 錫基軸承合金錫基軸承合金 Sn+銻（銻（Sb）和銅）和銅 鉛基軸承合金鉛基軸承合金 Pb+Sb+Sn+Cu 還有銅基軸承合金、還有銅基軸承合金、鋁基、等鋁基、等 四、工業(yè)中常用的軸承合金四、工業(yè)中常用的軸承合金 工業(yè)上稱巴氏合金（巴比特合金）（錫基和鉛基工業(yè)上稱巴氏合金（巴比特合金）（錫基和鉛基軸承合金）軸承合金