有色金屬材料

關(guān)于有色金屬材料第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

主要用途：電線、電纜

4、抗大氣腐蝕好，其表面有一層致密的氧化膜。

3、面心立方晶格，強(qiáng)度低（σb=80-100MPa），

塑性好（ψ=80%），可以通過壓力加工成各種型材，與其面心立方晶體有關(guān)。

2、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅、金居第四位。

特性：1、熔點低，比重小。熔點為660.4℃密度2.72§4-1鋁及鋁合金一、工業(yè)純鋁牌號：工業(yè)純鋁牌號有L1L2……..L7數(shù)字大純度低工業(yè)高純鋁牌號有L0L00

高純鋁L01L02……L04數(shù)字大純度高。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

二、鋁合金及強(qiáng)化方法（一）概述

1、合金化在純鋁中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，經(jīng)熱處理可使強(qiáng)度比純鋁提高3－4倍。2、鋁合金狀態(tài)圖共同特點是：基本相都是鋁基固溶體和＋

共晶體。其中為固溶體或化合物。

3、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。即，變形鋁合金和鑄造鋁合金。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。鑄造鋁合金：流動性好，宜鑄造，不宜壓力加工。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四Al

合金含量（SiMgCu等）溫度DL+變形鋁合金鑄造鋁合金熱處理不能強(qiáng)化熱處理能強(qiáng)化D/F+L鋁合金一般相圖第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

1、熱處理強(qiáng)化強(qiáng)化方法：固溶處理－時效強(qiáng)化。

固溶處理：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，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。

時效強(qiáng)化：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(強(qiáng)度和硬度上升）稱時效硬化或時效強(qiáng)化。

（二）鋁合金強(qiáng)化方法第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四以鋁銅合金為例，獲得過飽和的α固溶體。其強(qiáng)度可以達(dá)到250MN/m2。時效強(qiáng)化：固溶處理的合金隨時間的延續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象稱時效硬化或時效強(qiáng)化。例如：固溶處理的合金，如果在室溫放置4-5例如4%Cu的鋁合金加熱到α相區(qū)中某一溫度，經(jīng)過一段時間保溫，使獲得單一的α固溶體組織，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2

來不及從α中析出第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四時效過程：分四個階段：第一階段，形成GP區(qū)(Guinier,Preston)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，位錯受阻，強(qiáng)度提高。第二階段，Gp區(qū)有序化,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CuAl2，稱θ“，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。第三階段，形成過渡相θ′，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學(xué)成分逐漸達(dá)到CuAl2的化學(xué)成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變減輕，對位錯阻礙減少，合金趨向軟化。第四階段，θ相形成與長大，形成穩(wěn)定的CuAl2。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，合金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱“過時效“。

實際上，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。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

自然時效：在室溫下進(jìn)行的時效稱自然時效（強(qiáng)度可以達(dá)到400MN/m2），人工時效：在加熱條件下進(jìn)行的時效稱人工時效（100－200oC）。人工時效的效果不如自然時效效果好，但時間短。

例：含4％Cu的鋁合金，固溶強(qiáng)化后強(qiáng)度為250MPa自然失效后（4－5天）達(dá)到400MPa。

強(qiáng)化機(jī)理：在鋁的過飽和固溶體晶格內(nèi)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與固溶體保持共格關(guān)系，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。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四2、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。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四4、加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理—細(xì)晶強(qiáng)化。例：Al－Si鑄造合金，澆鑄前加入2－3％鈉鹽混合物（2/3NaF+1/3NaCl-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。鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理后第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

特點：合金元素少，熱處理強(qiáng)化不起作用，只能用加工硬化的方法強(qiáng)化。三、常用鋁合金鋁合金分為兩大類：變形鋁合金、鑄造鋁合金

（一）變形鋁合金變形鋁合金按其性能和用途分為：防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。1、防銹鋁主要合金元素：Mn，Mg

常用牌號：LF5、LF11、LF21等

L－鋁F－防銹

數(shù)字－順序號

用途：制造油箱、油管等。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四用途：制造鉚釘、螺旋槳葉片等。3、超硬鋁合金

特點：可用熱處理時效強(qiáng)化，也可冷變形加工硬化。2、硬鋁合金

主要合金元素：Cu－Mg常用牌號：

LY1、LY11等。

L－鋁Y－硬數(shù)字－順序號

主要合金元素：Zn－Mg－Cu

常用牌號:LC4LC6L－鋁C－超硬數(shù)字－順序號

特點：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。第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

用途：制造飛機(jī)大梁、蒙皮等。

特點：具有良好的鍛造成型性，可固溶處理+人工時效強(qiáng)化。

用途：制造直升飛機(jī)的葉片、航空發(fā)動機(jī)活塞。

4.鍛鋁合金

主要合金元素：Mg－Si－Cu,Cu－Mg－Ni

常用牌號：LD5LD7L－鋁D－鍛造數(shù)字－順序號第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四四、鑄造鋁合金

用途：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。

合金系：Al－SiAl－CuAl－MgAl－Zn

牌號表示方法：字母“ZL”＋三位數(shù)字

ZL－鑄鋁;

第一位數(shù)字表示合金類別

1－表示鋁硅系，2－表示鋁銅系

3－表示鋁鎂系，4－表示鋁鋅系第二、三位數(shù)字表示順序號。例如：ZL102、ZL202、LZ302等。

特點：鑄造性能好（Al-Cu合金差）第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四1、工業(yè)純銅（又稱紫銅）物理性能：密度為8.93g/cm3，熔點為1083℃，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、導(dǎo)熱性能好。強(qiáng)度低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。應(yīng)用：電線、電纜第二節(jié)銅及合金2、黃銅：化學(xué)成分：主要元素是銅和鋅。含鋅量0－50％。呈淡黃色。

性能特點：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。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四黃銅普通黃銅Cu－Zn合金，H59、H62、H70等

H－黃銅數(shù)字－Cu%

應(yīng)用：水管、油管、散熱器等。特殊黃銅普通黃銅基礎(chǔ)上加入AlMnPbSi

進(jìn)一步提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性。牌號：HPb59-1表示含鉛黃銅，

Cu%=59Pb%=1

應(yīng)用：制造船舶、化工中的高強(qiáng)耐蝕零件鐘表、機(jī)械的軸瓦耐磨零件等分類、牌號及應(yīng)用：第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四3、青銅

主要成分：Cu-Sn合金，應(yīng)用最早合金。近代又發(fā)展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的銅合金，習(xí)慣上也都稱為青銅。

特性：具有極高的耐磨性并耐蝕性好。

牌號：Q+元素符號＋含量

QSn4-3QAl5ZQSn10-5等（3％Zn）（5％Pb）

應(yīng)用：耐磨件如齒輪、軸套、蝸輪，儀器上的彈簧，耐磨和抗磁零件第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四4、白銅

白銅相圖是勻晶相圖，是單相組織。能夠作為很好的耐蝕材料，如Monelalloy系列，見第三章。其中經(jīng)常加入Zn固溶強(qiáng)化，還能提高耐蝕性。如CuNi15Zn20，其耐蝕性和機(jī)械性能都很好。另外加入Mn，有高電阻和低電阻溫度系數(shù)，CuNi40Mn2被稱為康銅，作為低溫?zé)犭娕际褂?500-600℃以下)以及在此溫度下的變阻器和加熱器。CuNi43Mn1又名考銅，性能與康銅類似，可作為變阻器，低溫?zé)犭娕己脱a(bǔ)償導(dǎo)線。

第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四五、銅基形狀記憶合金

所謂形狀記憶合金是指一類具備馬平衡氏體相變的合金。合金在室溫發(fā)生馬氏體相變后，對馬氏體變形。當(dāng)將變形后的馬氏體再加熱到高溫，則合金自動回復(fù)到原來母相的形狀。如果對形狀記憶合金的母相狀態(tài)在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之上變形形成應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，同樣在加熱到As點以上后能夠回復(fù)到母相原始形狀。這是因為在相變過程中，有序的母相與馬氏體相之間是共格關(guān)系，具有晶體學(xué)的可逆性和馬氏體變體之間的自協(xié)調(diào)，以層錯作為不變點陣切變，而且馬氏體相變阻力小，其彈性應(yīng)變、熱滯和體積變化也小。其變形的能量主要以彈性能形式儲存在馬氏體與母相之間的共格界面上及界面附近。在對馬氏體加熱過程中，馬氏體在彈性能作用下逆切變，而轉(zhuǎn)變沿可逆路徑返回，使形成的母相又回復(fù)到原來形狀。

第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四以黃銅為基礎(chǔ)的CuZnAl合金和以鋁青銅為基礎(chǔ)的CuAlNi合金就具有很好的形狀記憶效應(yīng)。

第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四§4-3鈦及鈦合金

Ti的熔點高于Fe，達(dá)1668℃。在882.5℃發(fā)生密排六方的相(低溫相)向體心立方的相的轉(zhuǎn)變。相的a=0.2951nm，c=0.4684nm。其鈍化電位低，在常溫下其表面可形成氧化物和氮化物組成的致密鈍化膜。能耐大氣、濕氣，海水，硝酸，硫酸，氯化物和濕氯氣的腐蝕。因此廣泛使用于化工設(shè)備中。但不能超過550℃。在此溫度以上，則金屬吸收氧化膜而造成基體與O、N、C強(qiáng)烈反應(yīng)，造成污染和材料脆化而無法使用。高純Ti的b=220-260MPa，s=120-170MPa，=50-60%，=70-80%。此塑變能力在密排六方中是罕見的，與其c/a值較低有關(guān)。除在多個晶面上可進(jìn)行滑移外，還有多個孿晶面。

第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四我國牌號用T表示Ti合金。TA表示組織為單相。TB表示組織為單相。TC表示組織為+兩相。TA類合金中TA1-TA3為工業(yè)純Ti。純度在99.5-99.0%之間。

型Ti合金中主要合金元素是穩(wěn)定性元素Al和中性元素Sn和Zr，同時起到固溶強(qiáng)化的效果。+類鈦合金中的主要合金元素除相穩(wěn)定性元素Al和中性元素Sn外，加入V、Mn、Cr、Fe、Mo等相穩(wěn)定元素。而型Ti合金主加元素為相穩(wěn)定元素Mo和Cr。為了提高熱處理強(qiáng)化效果，還加入少量Al和V。

第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

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。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)點則凸起來支撐軸頸，使軸承和軸頸的實際接觸面積小，減小摩擦。如圖示：

§4-4滑動軸承合金用于制造滑動軸承及其內(nèi)襯的合金

一、性能要求1、要求軸承合金必須具有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

2、足夠的塑性和韌性。

3、低的摩擦系數(shù)

4、良好的導(dǎo)熱性和小的膨脹系數(shù)。第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

二、分類及主要成分錫基軸承合金Sn+銻（Sb）和銅鉛基軸承合金Pb+Sb+Sn+Cu

還有銅基軸承合金、鋁基、等

第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

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）（錫基和鉛基軸承合金）錫銻合金ZchSnSb11-6

鉛銻合金ZChPbSb16-16-2(16%Sb,16%Sn,2%Cu)

三、牌號表示方法：ZCh+基本元素符號＋主加元素符號＋含量＋輔加元素平均含量例：ZChSnSb11-6ZCh－鑄造軸承Sn－基本元素是錫

Sb11－銻含量為11％6－銅含量6％第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

軟基體是Sb溶于Sn形成的固溶體呈暗黑色；硬質(zhì)點是SnSb,β相呈白方塊

用途：澆注大型機(jī)器的軸瓦，如氣輪機(jī)發(fā)動機(jī)等高速軸瓦。巴氏合金熔點和強(qiáng)度均較低，承受不了大的壓力，生產(chǎn)上常用離心澆注法將它們鑲鑄在08F鋼軸瓦上，制成所謂“雙金屬”軸承。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四一、鎂及鎂合金Mg既可以通過電解還原MgCl2，也可以通過化學(xué)還原MgO生產(chǎn)。其結(jié)構(gòu)為密排六方，熔點為6500C，沸點為11070C。Mg的比重低，為1.733。彈性模量低(45000MPa)、膨脹系數(shù)大(25.6×10-6/K)。由于其化學(xué)性質(zhì)活潑，在冶金中主要作為脫氧劑制取V、Cr、Ti等金屬。由于其形成的氧化膜很脆，所以沒有保護(hù)基體的作用，也就不耐蝕。但對堿金屬、鉻酸和氫氟酸耐蝕。在干燥空氣中不需要保護(hù)。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中作為球化劑使用。純Mg的塑性低、強(qiáng)度低、熔點低、比重低，一般不作為結(jié)構(gòu)材料使用?！?-5其它合金第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四Mg合金分為鑄造和鍛造Mg合金。常見變形Mg合金牌號為Mg2Mn，Mg3AlMnZn，Mg2MnCe，MgMn5Ce。其特點是合金含量較低、雜質(zhì)含量要求高以保證其塑性。加入的Mn基本上是以單質(zhì)形式析出，強(qiáng)化效果弱。但能與有害雜質(zhì)Fe化合以清除Fe對耐蝕性的有害作用。Ce主要是細(xì)化晶粒提高室溫和高溫強(qiáng)度。Al與Mg形成第二相，因此可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化(固溶處理加時效)。鑄造Mg合金主要牌號為ZMg4ZnZr，ZMg4ZnRE1Zr，ZMgZn3REZr，ZMg8AlZnMn。其中ZMg8AlZnMn應(yīng)用最廣?？蛇M(jìn)行各種熱處理。熱處理表示方法與Al合金相同。這里Zr的主要作用是細(xì)化晶粒。

第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四二、鋅及鋅合金

Zn是低熔點元素，其熔點只有419.4℃。但比重高達(dá)7.14，有一定強(qiáng)度(150MPa)和耐蝕性。為六方晶格，在室溫塑性不好。在100℃以上其塑性有較大提高，強(qiáng)