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1第7章有色金屬及其合金2在工業(yè)生產(chǎn)中,通常把鐵及其合金稱(chēng)為黑色金屬,把其它非鐵金屬及其合金稱(chēng)為有色金屬。3與鋼鐵等黑色金屬材料相比,有色金屬具有許多優(yōu)良的特性,是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。例如,鋁、鎂、鈦等具有相對(duì)密度小,比強(qiáng)度高的特點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶等行業(yè);銀、銅、鋁等具有優(yōu)良導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的材料廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)和儀表工業(yè);鈾、鎢、鉬、鐳、釷、鈹?shù)仁窃幽芄I(yè)所必需的材料,等等。4§7-1鋁及鋁合金§7-1-1工業(yè)純鋁純鋁是一種銀白色的輕金屬,熔點(diǎn)為660℃,具有面心立方晶格,沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁的密度小(只有2.72g/cm3);導(dǎo)電性好,僅次于銀、銅和金;導(dǎo)熱性好,比鐵幾乎大三倍。純鋁化學(xué)性質(zhì)活潑,在大氣中極易與氧作用,在表面形成一層牢固致密的氧化膜,可以阻止進(jìn)一步氧化,從而使它在大氣和淡水中具有良好的抗蝕性。
5鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等,此外還有Cr、Ni、Ti、Zr、稀土等輔加元素。
鋁合金型材鋁鑄件鋁合金絲6§7-1-2鋁合金的分類(lèi)鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖??蓪X合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類(lèi)。形變鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化兩類(lèi)。7鑄造鋁合金,則是將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成型鑄件,要求合金應(yīng)具有良好的鑄造性能,如流動(dòng)性好、收縮小、抗熱裂性高。形變鋁合金,是指合金經(jīng)熔化后澆成鑄錠,再經(jīng)壓力加工(鍛造、扎制、擠壓等)制成板材、帶材、棒材、管材、線材以及其它各種型材,要求具有較高的塑性和良好的工藝成型性能。8§7-1-3鋁合金的熱處理
可熱處理強(qiáng)化形變鋁合金的 熱處理方法:固溶處理+時(shí)效。固溶處理是指將合金加熱單相區(qū)恒溫保持,形成單相固溶體,然后快速冷卻,室溫下得到過(guò)飽和固溶體組織的工藝。固溶處理后的鋁合金在室溫下放置一定時(shí)間或稍許(低溫)加熱,從過(guò)飽和固溶體中析出彌散強(qiáng)化相,使鋁合金的強(qiáng)度和硬度明顯提高,這種合金的性能隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)效。9室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)自然時(shí)效(Naturalaging);加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)人工時(shí)效(Artificialaging)。時(shí)效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。人工時(shí)效時(shí),若時(shí)效溫度過(guò)高,合金會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,稱(chēng)之為過(guò)時(shí)效。含4%Cu鋁合金的時(shí)效曲線
10鋁合金時(shí)效強(qiáng)化與其在時(shí)效過(guò)程中所產(chǎn)生的組織有關(guān)。以Al-4%Cu合金為例:在室溫時(shí)的平衡組織為α+CuAl2(CuAl2即為平衡相θ),加熱到固相線以上,第二相CuAl2完全溶入α固溶體中,淬火后獲得在鋁中的過(guò)飽和固溶體,有自發(fā)分解的傾向。當(dāng)給予一定溫度與時(shí)間條件時(shí)便要發(fā)生分解,包括以下四個(gè)階段:
11第一階段:在過(guò)飽和α固溶體的某一晶面上產(chǎn)生銅原子偏聚現(xiàn)象,形成銅原子富集區(qū)(GP[Ⅰ]區(qū)),從而使α固溶體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙,合金強(qiáng)度提高。第二階段:隨時(shí)間延長(zhǎng),GP[Ⅰ]區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,并發(fā)生有序化,便形成有序的富銅區(qū),稱(chēng)為GP[Ⅱ]區(qū),其成分接近CuAl2(θ相),成為中間狀態(tài),常用θ″表示。θ″的析出,進(jìn)一步加重了α相的晶格畸變,使合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高。第三階段:隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展,銅原子在GP[Ⅱ]區(qū)繼續(xù)偏聚。當(dāng)銅與鋁原子之比為1:2時(shí),形成與母相保持共格關(guān)系的過(guò)渡相θ′。θ′相出現(xiàn)的初期,母相的晶格畸變達(dá)到最大,合金強(qiáng)度達(dá)到峰值。第四階段:時(shí)效后期,過(guò)渡相θ′從鋁基固溶體中完全脫落,形成與基體有明顯相界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相CuAl2,稱(chēng)為θ相。此時(shí)θ相與基體的共格關(guān)系完全破壞,共格畸變隨之消失,隨著θ相質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大,合金明顯軟化,強(qiáng)度、硬度降低。12Al-4%Cu合金時(shí)效的基本過(guò)程可以概括為:合金淬火→過(guò)飽和α固溶體→形成銅原子富集區(qū)(GP[Ⅰ]區(qū))→銅原子富集區(qū)有序化(GP[Ⅱ]區(qū))→形成過(guò)渡相θ′→析出平衡相θ(CuAl2)+平衡的α固溶體。13§7-1-4鋁合金的牌號(hào)、性能及用途
(1)形變鋁合金①形變鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法
防銹鋁合金:LF+序號(hào)硬鋁合金:LY+序號(hào)超硬鋁合金:LC+序號(hào)鍛鋁合金:LD+序號(hào)鋁合金波紋管鋁合金制品14②常用形變鋁合金a.
防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg的主要作用是提高 抗蝕能力和塑性,并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體,抗蝕性、焊接性能好,易于變形加工,但切削性能差。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,常利用加工硬化提高強(qiáng)度。
衛(wèi)星天線(LF2)15汽化器(熱交換管為L(zhǎng)F21)常用的Al-Mn系合金有LF21(3A21),其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁,用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5(5A05),其密度比純
鋁小,強(qiáng)度比Al-Mn合金高,在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,如制造管道、鉚釘及承受中等載荷的零件。16b.
硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金,并含少量Mn。可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化,也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)度、硬度高,加工性能好,耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金LY11(2A11)、LY12
(2A12)
,用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件,如螺旋槳、梁。飛機(jī)翼梁(腹板為硬鋁合金)機(jī)翼各翼面位置圖17c.
超硬鋁合金屬Al-Cu-Mg-Zn系合金,并含有少量Cr和Mn。時(shí)效強(qiáng)化效果超過(guò)硬鋁合金。強(qiáng)度最高;耐熱性、耐蝕性差。
飛機(jī)主起落架常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等,主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機(jī)的大梁、起落架等。18d.
鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金:
可鍛性好,力學(xué)性能高,用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件,如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金: 常用牌號(hào)有LD7(2A70)、LD8
(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件,如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。壓氣機(jī)葉片19美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)
(所用材料大部分是鋁合金)高比強(qiáng)鋁合金機(jī)翼20(2)鑄造鋁合金
Al-Si系:代號(hào)為ZL1+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Cu系:代號(hào)為ZL2+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Mg系:代號(hào)為ZL3+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Zn系:代號(hào)為ZL4+兩位數(shù)字順序號(hào)21①Al-Si系鑄造鋁合金
★又稱(chēng)硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金,稱(chēng)為簡(jiǎn)單硅鋁明。
★在普通鑄造條件下,ZL102組織幾乎全部為共晶體,由粗針狀的硅晶體和固溶體組成,強(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上通常用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理,得到細(xì)小均勻的共晶體加一次固溶體組織,以提高性能。未變質(zhì)處理
經(jīng)變質(zhì)處理
ZL102的鑄態(tài)組織22★加入其它合金元素(Cu,Mg)的鋁硅鑄造合金稱(chēng)特殊硅鋁明。★內(nèi)燃機(jī)中的活塞,在高速、高溫、高壓、變負(fù)荷下工作,所以要求制造活塞的材料必須比重小、高耐磨、高的耐蝕性、耐熱性,還要求活塞材料的線膨脹系數(shù)接近汽缸體的線膨脹系數(shù)。復(fù)雜鋁硅明基本上能滿足這一要求,它是制造活塞的理想材料?;钊?裙部為鋁硅合金)23②Al-Cu系鑄造鋁合金這類(lèi)合金的耐熱性好,強(qiáng)度較高;但密度大,鑄造性能、耐蝕性能差,強(qiáng)度低于Al-Si系合金。常用代號(hào)有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件,如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車(chē)活塞等。汽缸頭24③Al-Mg系鑄造鋁合金這類(lèi)合金的耐蝕性好,強(qiáng)度高,密度??;但鑄造性能差,耐熱性低。常用代號(hào)為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件,如艦船配件、氨用泵體等。鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)25④Al-Zn系鑄造鋁合金這類(lèi)合金的鑄造性能好,強(qiáng)度較高,可自然時(shí)效強(qiáng)化;但密度大,耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)常用代號(hào)為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車(chē)、飛機(jī)、儀器零件。26§7-2-1工業(yè)純鈦
純鈦密度?。?.5g/cm3),熔點(diǎn)高(1667℃)。在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Ti?-Ti。-Ti882.5℃~1667℃具有體心立方晶格;-Ti882.5℃以下具有密排六方晶格。純鈦比強(qiáng)度高,塑性、低溫韌性和耐蝕性好?!?.2鈦及鈦合金27工業(yè)純鈦的純度為99.0%~99.5%,其性能很大程度上取決于氧的含量。工業(yè)純鈦可分為T(mén)A1,TA2,TA3等三個(gè)牌號(hào),編號(hào)越大,雜質(zhì)越多。工業(yè)純鈦長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)300℃。28純鈦用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件,如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器,海水凈化裝置及艦船零部件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔29§7-2-2鈦的合金化純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變的溫度隨加入的合金元素的性質(zhì)和含量而定。加入的合金元素通常按其對(duì)鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響分成三類(lèi):①擴(kuò)大α相區(qū),使α→β轉(zhuǎn)變的溫度升高的元素稱(chēng)為α相穩(wěn)定元素,如Al、O、N、C、B等;②擴(kuò)大β相區(qū),使β→α轉(zhuǎn)變的溫度降低的元素稱(chēng)為β相穩(wěn)定元素,如Mo、V、Cr、Nb、Ta及稀土;③對(duì)相變溫度影響不大的元素稱(chēng)為中性元素,如Zr、Sn等。30按退火組織,鈦合金可分為:型鈦合金、型鈦合金和+型鈦合金三類(lèi)。它們的牌號(hào)分別用TA、TB、TC加順序號(hào)表示。如TA5、TB2、TC4等。鈦合金泵§7-2-3工業(yè)用鈦合金31(1)型鈦合金主加元素為鋁,還有錫、硼等。不能熱處理強(qiáng)化,通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相固溶體。
強(qiáng)度低于其他兩類(lèi)鈦合金,但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性?xún)?yōu)越。
鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體32常用牌號(hào)有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。
鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵33(2)型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時(shí)效處理后,組織為相基體上分布著細(xì)小的相粒子。合金強(qiáng)度高,但冶煉工藝復(fù)雜,應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用34型鈦合金有TB1、TB2兩個(gè)牌號(hào)。實(shí)際獲得應(yīng)用的僅有TB2一種。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤(pán)等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架35(3)+型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等??蛇M(jìn)行熱處理強(qiáng)化,強(qiáng)度高,塑性好,具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器36+型鈦合金以TC4(Ti-6Al-4V)應(yīng)用最廣、用量最大,其經(jīng)過(guò)淬火加時(shí)效處理后,組織為++時(shí)效析出的針狀。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織(電鏡)37+型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤(pán)渦噴13AⅡ發(fā)動(dòng)機(jī)38§7-2-4鈦及鈦合金的熱處理主要熱處理方式:退火、淬火、時(shí)效。(1)退火消除應(yīng)力退火:目的是消除工業(yè)純鈦和鈦合金零件加工或焊接后的內(nèi)應(yīng)力。退火溫度一般為
450℃~650℃,保溫1~4小時(shí),空冷。
再結(jié)晶退火:目的是消除加工硬化。對(duì)于純鈦一般用550℃~690℃溫度,而鈦合金用750
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