工程材料與制造技術(shù)基礎(chǔ)-任云鵬-第6章

工程材料及其成形基礎(chǔ)主講：任云鵬Email:renyp@6.4第6章有色金屬及其合金鋁及鋁合金銅及銅合金軸承合金其它有色金屬及其合金Microlattice，中空結(jié)構(gòu)，99.99%是空氣，壁厚100nm。包裹一枚雞蛋從25層樓落下，雞蛋可毫發(fā)無損。波音公司研制。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵、錳、鉻及其合金稱為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。Al、Cu、Ni、Mg、Ti、Zn用量占有色金屬的90%。有色金屬的產(chǎn)量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性，如特殊的電、磁、熱性能，耐蝕性能及高的比強度(強度與密度之比)等，已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的金屬材料。材料占汽車凈重比AlFe塑料其它橡膠磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纖維各種材料在先進汽車中占的重量百分比6.1鋁及鋁合金一、鋁及鋁合金性能特點鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素。8%

純鋁：具有銀白色金屬光澤密度小(2.72，僅為鐵的1/3)，熔點低(660.4℃)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。強度、硬度低，塑性好，易加工。耐空氣腐蝕。無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。鋁合金制造的機翼

鋁合金：鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等。既具有高強度又保持純鋁的優(yōu)良特性。經(jīng)強化處理，鋁合金可獲得與低合金鋼相近的高強度。耐高溫性能差。彈性模量低。選材時不必考慮硬度，因為最硬的鋁也不如最軟的鋼。鋁合金：變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金：可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金。鑄造鋁合金：D點右邊出現(xiàn)共晶組織，熔點低，流動性好，適合鑄造。鋁合金分類示意圖二、鋁合金的分類鋁合金一般具有共晶相圖。三、鋁合金的熱處理可熱處理強化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時效。固溶處理：是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過飽和的固溶體組織的處理。加熱固溶淬火過飽和時效析出時效：是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強化相的熱處理。四、鋁合金的牌號、性能及用途1、變形鋁合金根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國際四位數(shù)字體系牌號或采用國標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號。鋁合金共9個系列：1XXX，純鋁2XXX，銅為主要合金3XXX，錳為主要合金4XXX，硅為主要合金5XXX，鎂為主要合金6XXX，鎂、硅為主要合金，Mg2Si為強化相7XXX，鋅為主要合金8XXX，其他合金為主要合金9XXX，備用合金組第二位為字母，表示純鋁或改型情況，A為純鋁，B~Y表示已改型。最后兩位是數(shù)字。GB3190-82中的舊牌號仍可繼續(xù)使用，變形鋁合金表示方法為:

防銹鋁合金：LF+序號

硬鋁合金：LY+序號

超硬鋁合金：LC+序號鍛鋁合金：LD+序號鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬防銹鋁合金：LFAl-Mn、Al-Mg單相固溶體，抗蝕性高、塑性及焊接性能較好。不可熱處理強化，但可冷變形強化。3A21可用作管道、容器、油箱5A03有較高的抗疲勞性能和抗振性，耐熱性較差?？芍圃煦T釘、飛機行李架等硬鋁合金（杜拉鋁）：LYAl-Cu-Mg、Al-Cu-Mn可通過固溶-時效強化獲得相當(dāng)高的強度，為可熱處理的鋁合金。耐蝕性較純鋁差。耐熱性好，常用作飛機構(gòu)件、蒙皮、螺旋槳、葉片等。超硬鋁合金：LCAl-Zn-Mg-Cu強度最高的變形鋁合金，具有良好的熱塑性、疲勞性較差、耐熱性和耐蝕性不高。淬火+人工時效強化處理，用于溫度低，受力大的結(jié)構(gòu)件。7A04，常用作飛機蒙皮、大梁、起落架等。鍛鋁合金：LDAl-Mg-Si-Cu合金元素種類多但用量少，熱塑性好，鍛造性能好且力學(xué)性能好。6A02，用作葉輪、接頭鋁鋰合金：密度小，比強度高，比剛度大，疲勞性能好，耐蝕性好，為新型超輕結(jié)構(gòu)材料。高強度鋁合金的應(yīng)用：高強鋁合金具有很高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天及其運載工具的結(jié)構(gòu)材料，如：運載火箭的液體燃料箱（減重5%）超音速飛機和汽車的結(jié)構(gòu)件輕型戰(zhàn)車的裝甲等協(xié)和客機，2馬赫速度，從倫敦到紐約3小時。飛行時會變長24cm。美F-117隱身戰(zhàn)斗機

(所用材料大部分是鋁合金)高比強鋁合金機翼2、鑄造鋁合金（簡稱鑄鋁）Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號鋁硅合金（硅鋁明）成分在共晶點附近熔點低，流動性好，收縮小，耐蝕性好強度與塑性較差，多用鈉鹽混合物進行變質(zhì)處理用作內(nèi)燃機活塞、氣缸體、儀表外殼等鋁銅合金流動性好，強度高有熱裂和疏松傾向，耐蝕性差制造要求高強度或高溫條件下工作的零件鋁鎂合金強度高，密度小，耐蝕性好鑄造性能及耐熱性差用作在腐蝕性介質(zhì)（海水）中工作的零件鋁鋅合金強度高，價格便宜鑄造性能、焊接性能和切削加工性能好耐蝕性差，熱裂傾向大制造醫(yī)療器械、儀表零件6.2銅及銅合金

一、銅及銅合金性能特點純銅：呈紫紅色，故又稱紫銅，相對密度為8.9，熔點為1083℃。具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。塑性好，但強度低，不適宜做結(jié)構(gòu)材料。銅的冶煉礦石精選在反射爐或電爐中熔煉，銅、鐵、硫及其他貴重金屬在爐底形成冰銅冰銅送入轉(zhuǎn)爐，通入壓縮空氣，使鐵、硫氧化除掉，得到粗銅（99%）粗銅在還原氣氛中熔化、脫氧，電精煉后得到精煉銅（純銅，99.5~99.95%）純銅一般用作導(dǎo)電材料、散熱器、導(dǎo)管等銅合金：常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等既提高了強度，又保持了純銅特性。銅合金分為黃銅、青銅和白銅。銅管銅與黃銅帶二、黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。黃銅鑄件黃銅棒1、普通黃銅銅與鋅的二元合金稱為普通黃銅。與純銅比，黃銅的塑性較好，強度提高，耐蝕性提高，加工性能提高，價格降低。力學(xué)性能與Zn的百分含量有關(guān)。普通黃銅的牌號為：H(黃)+表示銅平均百分含量的數(shù)字。常用牌號：H80、H70、H68，適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。H59、H62，適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導(dǎo)管、散熱器等。汽車機油泵襯套2、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。特殊黃銅強度、耐蝕性和抗磨性比普通黃銅好，鑄造性能改善。特殊黃銅分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅。鑄造黃銅：ZCuZn16Si4壓力加工黃銅：HPb59-1黃銅制品黃銅棒三、青銅除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。青銅可分為兩類：錫青銅（以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%）。無錫青銅（鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等）。1）錫青銅良好的強度、硬度、耐磨性和鑄造性能。錫對青銅力學(xué)性能的影響。青銅制品白銅件6%以下，塑性上升；6%以上，塑性下降，強度繼續(xù)增加。20%以上，強度也下降。一般工業(yè)用錫青銅錫含量為3~14%。8%以下，適合壓力加工。10%以上，塑性差，適合鑄造。錫青銅流動性差，不易形成集中縮孔，不適合鑄造要求致密度高和密封性好的鑄件。但錫青銅收縮率小，適合鑄造形狀復(fù)雜，壁厚的零件。牌號：壓力加工錫青銅：Q+Sn+數(shù)字，例如QSn4-3，表示Sn4%，Zn3%，Cu93%。鑄造錫青銅：Z+Cu+Sn+數(shù)字+別的元素符號+數(shù)字，例如ZCuSn10P1，表示Sn10%，P1%，Cu89%。性能錫青銅耐蝕性比純銅和黃銅都好，耐磨性也好，多用來制造軸承，軸套，蝸輪等。2）無錫青銅：不含錫的青銅添加Al、Si、Pb、Mn、Be等元素。強度、耐磨性較高，良好的耐蝕性，價格低廉。（1）鋁青銅，如ZCuAl10Fe3。Al含量5~10%。耐磨性、耐蝕性好，鑄造、切削性能較差，不能釬焊。常用來鑄造承受重載的零件。（2）硅青銅，如QSi3-1。Si含量2~5%。彈性好，強度大，耐蝕性好，鑄件致密度高，常用來制造在海水中工作的彈性元件。（3）鉛青銅，如ZCuPb30疲勞強度高，減摩性好，能在高速重載下工作。（4）鈹青銅，如QBe2具有很高的彈性極限和疲勞強度，可做優(yōu)質(zhì)彈性元件。價格高。6.3軸承合金

制造滑動軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金。軸承合金的性能：足夠的強度和硬度足夠的塑性和韌性良好的磨合性能高耐磨性，與軸摩擦系數(shù)小，并能存儲潤滑油，減少磨損。良好的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)。滑動軸承滾動軸承軸瓦不能太硬，否則會磨損軸頸；也不能太軟，否則承載能力太低。軸承合金需要既硬又軟。軸承合金的組織特點：軟基體上分布硬質(zhì)點或硬基體上分布軟質(zhì)點。軟質(zhì)點承受磨損而凹陷，硬質(zhì)點突出，減小軸與瓦的接觸面積。同時凹坑可存潤滑油，降低磨損。軟基體可承受沖擊和振動，但不能承受高負荷。以錫基和鉛基為主。錫基軸承合金：是以錫為主，加入少量銻、銅等元素組成的合金，熔點較低，是軟基體硬質(zhì)點組織類型的軸承合金。SnSb為硬質(zhì)點，Cu6Sn5在澆注是首先結(jié)晶，幫助SnSb分布均勻。硬度適當(dāng)，摩擦系數(shù)低。導(dǎo)熱性和耐蝕性較好。價格較高。常用軸承合金：工業(yè)上常用的是錫基、鉛基軸承合金。鉛基軸承合金：是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素的合金，也是軟基體硬質(zhì)點型軸承合金。硬質(zhì)點為SnSb和Cu3Sn。硬度與錫基軸承合金相仿，強度、韌性較差，耐蝕性也較差。但價格低，高溫強度好，有自潤滑性。為了提高軸承的壽命，一般在鋼制軸瓦上澆注一層薄而均勻的軸承合金，既可以提高承載能力，又節(jié)約材料。鋁基軸承合金：價格低，密度小，導(dǎo)熱性好，疲勞強度和高溫強度高。可連續(xù)軋制。應(yīng)用于高速重載場合。銅基軸承合金：軟質(zhì)點硬基體。疲勞強度高，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低。可用于航空發(fā)動機軸承。鋅基軸承合金：強度與硬度均較高，耐磨性較好。6.4其它有色金屬及合金1）鈦及鈦合金工業(yè)純鈦

純鈦密度?。?.5），熔點高（1677℃）。熱膨脹系數(shù)小。耐蝕性及抗氧化能力高。882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由密排六方-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方-Ti。純鈦塑性好、強度低，易于加工成型。600℃以上，性能惡化，不易加工。1）鈦及鈦合金鈦合金：-Ti，-Ti，（+）-Ti純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強度、比強度和再結(jié)晶溫度。-Ti，代號TA，合金元素為鋁、硼、錫等。組織為單相固溶體，不能熱處理強化。高溫強度高（500℃），焊接性能好。-Ti，代號TB，合金元素為鉬、鉻、釩等。組織為單相固溶體，可熱處理強化。室溫強度高，焊接和壓力加工性能好。（+）-Ti，代號TC，組織為+雙相組織，可熱處理強化?？珊感暂^差鈦合金被稱為航空合金，多用于飛機壓氣機部件、火箭、導(dǎo)彈、高速飛機的結(jié)構(gòu)件。美F-22戰(zhàn)機約36%重量的零件用鈦合金制造美SR-71偵察機約93%重量的零件用鈦合金制造，3馬赫，升限30000米博派元老，天火噴氣發(fā)動機燃料噴嘴，部件數(shù)20->1噴氣發(fā)動機燃燒室部件2）鎂合金密度小（1.74），熔點略低于鋁。耐蝕性與鋁相仿，但不耐海水腐蝕。彈性模量低（45G