工程材料教案9有色金屬及其合金

91/19課程名稱《工程材料》 第 周，第 摘 要授課題目〔章、節(jié)〕本講目的要求及重點(diǎn)難點(diǎn)：【目的要求】1.生疏純鋁及常用鋁合金的成分、牌號(hào)、性能及用途；2.生疏純銅及常用銅合金的分類、牌號(hào)、性能及用途；3.生疏常用的軸承合金?！局?點(diǎn)】1.鋁及鋁合金的特性、分類及牌號(hào)及鋁合金的強(qiáng)化；2.銅及銅合金的特性、分類及牌號(hào)；3.軸承合金的性能及牌號(hào)；【難 點(diǎn)】鋁合金的熱處理特點(diǎn)；鋁合金的牌號(hào)及強(qiáng)化、銅合金分類及牌號(hào)。內(nèi) 容【本講課程的引入】鐵，把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬，如鉛、金屬、鎳、鋅、鈦、銅等，金屬及合金。生活中不行缺少的金屬材料。重點(diǎn)介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金及軸承合金。【本課程的內(nèi)容】第一節(jié)鋁及其合金鋁及其合金在工業(yè)上是僅次于鋼的一種重要金屬，尤其是要航空、航天、電力工業(yè)及日常生活用品中得到廣泛的應(yīng)用?！I(yè)純鋁鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)密度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，磁化率低。2.72g/cm31/3660.4℃，導(dǎo)電性僅次于Cu、Au、Ag。鋁合金的密度也很小，熔點(diǎn)更低，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。抗大氣腐蝕性能好層致密的氧化膜，防止內(nèi)部連續(xù)氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞，因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。加工性能好，比強(qiáng)度高，純鋁為面心立方晶格，無同素異構(gòu)〔δ=050ψ=80%強(qiáng)度可提高到15～250Mp而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強(qiáng)度可到達(dá)500～600Mpa，相當(dāng)于低合金鋼的強(qiáng)度，比強(qiáng)度高，成為飛機(jī)的主要構(gòu)造材料。用途：廣泛用于制造電線、電纜、散熱器、器皿用具等。7個(gè)牌號(hào)，分別為L1～L7，挨次號(hào)越大，純度越低其純度分別為99.7% 99.6% 99.5%……。99.935LG1～LG5，挨次號(hào)越大，則純度越高，例LG599.996%。為增加鋁的強(qiáng)度，通常參加Cu、Si、Mg、Mn、Zn成鋁合金。二鋁合金〔一〕鋁合金的分類9-1所示的一般相圖。成分在D加熱到固溶線DF以上，將會(huì)得到單相的α壓力加工，故合金含量小于D溫度 LL+α℃外形合金鑄造合金α不能熱處能熱處理強(qiáng)化理強(qiáng)化

α+MAlF

W×100%M9-1鋁合金狀態(tài)圖的一般類型1．形變鋁合金：此種合金亦可分為兩類：不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金：成分在F理進(jìn)展強(qiáng)化；能熱處理強(qiáng)化的鋁合金：成分在D-F之間的合金，其α提高其強(qiáng)度。D流淌性好，適于鑄造，故稱為鑄造鋁合金。鑄造鋁合金也有成分隨溫度而變化的α化，但距D點(diǎn)越遠(yuǎn)，合金中的α顯?！捕充X合金的熱處理1．鋁合金的熱處理特點(diǎn)：α到單相αα種處理工藝。上述工藝亦即鋁合金的淬火，但其和鋼的淬火不同，高碳鋼淬火后，強(qiáng)度、硬度馬上提高，而塑性則急劇下降；鋁合金淬火后，強(qiáng)度和硬度并不高，塑性仍很好。時(shí)效強(qiáng)化淬火后的鋁合金放置在低于固溶線以下的某一溫度隨時(shí)間的延 長，其強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性下降，此謂之時(shí)效強(qiáng)化。4%的鋁合金：平衡狀態(tài)下：σb=180～200MPa δ=18%淬火后：σb=240～250MPa δ=20～22%室溫下放置4～5天：σb=420MPa δ=18%時(shí)效形式有兩種：自然時(shí)效和人工時(shí)效?！?〕鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化將成分位于D～FDF度，獲得單相固溶體α，然后水冷〔淬火，獲得過飽和固溶體α稱為固溶處理。一溫度下加熱時(shí)，使過飽和α固溶體趨于發(fā)生某種程度的分解，使合〔時(shí)效強(qiáng)化。在室溫下進(jìn)展的時(shí)效稱為自然時(shí)效在加熱條件下進(jìn)展的時(shí)效稱為人工時(shí)效。 Al–Cu合金局部相圖492ul-線圖9-3 Al-Cu合金的自然時(shí)效時(shí)效曲線快冷〔淬火〕時(shí)不發(fā)生晶體構(gòu)造和成分的變化；固溶體中溶質(zhì)含量隨溫度降低而顯著降低。7/19人工時(shí)效曲線9圖9-4 含4%Cu的Al合金在不同溫度下的時(shí)效曲線4%CuAl溫時(shí)效時(shí)，在時(shí)效初期的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化，這一時(shí)間稱為孕育期，比時(shí)合金塑性很高，極簡(jiǎn)潔進(jìn)展鉚接、彎曲和校直等操作，時(shí)效溫度愈高，孕育期愈短，時(shí)效速度愈快，到達(dá)最高強(qiáng)度的-50℃時(shí)，孕育期很長，甚至可以保持相對(duì)穩(wěn)定，即低溫可以抑制時(shí)效的進(jìn)展。2．時(shí)效強(qiáng)化原理：淬火狀態(tài)下，銅原子均勻分布在過飽和固溶體9-5a,晶格畸變并不嚴(yán)峻，故強(qiáng)度、硬度上升不多，塑性仍好；第一階段：形成溶質(zhì)原子Cu的富集區(qū)〔Cu原子在固溶體{100}晶面上偏聚〕-Gp[I]區(qū)，隨著Gp[I]區(qū)形成，引起固溶體α使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙。其次階段：隨著時(shí)間的連續(xù)，溶質(zhì)原子連續(xù)向Gp[I]區(qū)集中富集，并有序化而形成Gp[II]區(qū)。Gp[IICuAl2，具有正910/19方晶格〔以θ”表示，隨著Gp[II變，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到更大阻礙。第三階段：溶質(zhì)原子Cu連續(xù)富集，其次階段形成的θ”相漸漸到達(dá)CuAl2αθ’，隨著θ’的形成，固溶體的晶格畸變程度減輕，合金趨于軟化。第四階段：穩(wěn)定的θCuAl2形成，并及母相α離聯(lián)系，使α減弱，合金軟化，這種現(xiàn)象稱為“過時(shí)效”。實(shí)際上的時(shí)效不肯定會(huì)消滅上述四個(gè)階段，如自然時(shí)效只消滅1、23、4階段。如圖9-3、9-4。下面我們將具體介紹一下鋁合金的牌號(hào)、性能和用途。〔三〕形變鋁合金依據(jù)合金的特性，形變鋁合金可分為四類：1．防銹鋁：主要有AL-Mn、AL-Mg牌號(hào)：LF5、LF11、LF219-1。硬鋁：屬于AL-Cu-Mg-Mn牌號(hào)：LY1、LY11牌號(hào)：LC4、LC5鍛鋁：AL-Cu-Mg-Si牌號(hào)：LD2、LD69-1?！菜摹宠T造鋁合金鑄造鋁合金可分為四類：AL-Si系：代號(hào)ZL101、ZL102……AL-Cu系：代號(hào)ZL201、ZL202……AL-Mg系：代號(hào)ZL301、ZL302……AL-Zn系：代號(hào)ZL401、ZL402……9-2。在鑄造AlNa等元素能促進(jìn)硅的形核，并吸附在硅晶體的外表，阻擋硅的長大。同時(shí)鈉的存在使液態(tài)合金產(chǎn)生5～10℃的過冷度，并使共晶點(diǎn)向右移動(dòng)，這α固溶體。9-5ZL1029-6ZL192變質(zhì)后的顯微組織其次節(jié)銅及銅合金—工業(yè)純銅倍。1．性能：具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；耐蝕性好；具有良好的塑性，δ=50%；硬度、強(qiáng)度較低，σb=200～250Mpa。2．用途：用做導(dǎo)電材料；造船及機(jī)制方面的耐蝕件。3．牌號(hào)：依據(jù)純銅中雜質(zhì)含量的不同，工業(yè)純銅分為四個(gè)牌號(hào)，9-3。地利用它的合金，我們將簡(jiǎn)單介紹幾種較常見的銅合金；二、銅合金銅合金按化學(xué)成分可分為黃銅、青銅和白銅三大類?！惨弧滁S銅學(xué)性能、加工性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且色澤秀麗，是有色金屬中應(yīng)用最廣的金屬材料。性能：圖9-9，Zn=30%時(shí)，塑性最好；Zn=39～45%時(shí)，強(qiáng)度最高：Zn>45%時(shí)，塑性和強(qiáng)度急劇下降，故黃銅的含鋅45%。其它性能：耐蝕性好；工藝性能好；價(jià)格較純銅廉價(jià)。3．牌號(hào)及用途：9-4Cu-Zn根底上參加AL、Si、Mn、Pb、Sn黃銅編號(hào)方法如下：符號(hào)+主添加元素符號(hào)+銅含量+主添加元素含量如：HSn62-1，主添加元素Sn，Cu=62%，Sn=1%。如表9-59-6所示。其牌號(hào)HH6262%Cu的其余量Zn。4.黃銅的分類生產(chǎn)方式可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類。一般黃銅，就是Cu-Zn二元合金，見以下圖，當(dāng)Zn36%，時(shí)單相α，Zn含量＞36%而＜47%時(shí)組織α+β”兩相工業(yè)上所用的黃銅Zn47%。圖9-7單相黃銅的顯微組織 圖9-8雙相黃銅的顯微組織室溫組織為單相α適于壓力加工，常用代號(hào)有H80、H70、H68，其中H70、H68強(qiáng)度較高，大量用作槍彈殼和炮彈筒，故有“彈殼黃銅”之稱。α+β”黃H59H62散熱器等。Ni等元素，形成特別黃銅，它們比一般黃銅具有更高的強(qiáng)度、硬度、抗腐蝕性能。其牌號(hào)：H+主加元素符號(hào)+平均銅含量+主加元素平均含量，如HMn58-258%Cu、2%Mn無論一般黃銅，還是特別黃銅，鑄造黃銅牌號(hào)前加“z”，如：ZH62、ZHMn58-2、ZcuZn38、ZCuZn40Mn2留意：雖然黃銅具有優(yōu)良抗蝕性，但當(dāng)零件以冷壓力加工〔擠壓、沖壓、彎曲等〕成形時(shí)，由于其中有剩余內(nèi)應(yīng)力存在，在氨、濕氣、海水作用下，極易消滅應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象——稱為黃銅的“季裂”。為了防止這種現(xiàn)象，冷壓力加工后的黃銅零件〔如彈殼等〕必需進(jìn)展消退內(nèi)應(yīng)力的退火〔250～300℃1h〕〔二〕青銅：原指Cu-Sn導(dǎo)熱性及良好的切削加工性但。近幾十年來，為節(jié)約貴重金屬錫而用AL、SiPbBe等元素來替代Sn銅可分為兩大類：錫青銅和無錫青銅。其牌號(hào)：Q+主加元素符號(hào)+主加元素平均含量〔+其他元素的平均含量。QAl55%Al的Al“z”的銅合金。是Cu-Sn比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸及氨水中的抗蝕性較差。此外，為了改善錫青銅的性能，還參加Zn、Pb、P等元素，ZnP極限等。主要用作耐蝕耐磨、防磁的零件，如儀器上的彈簧簧片、軸承、齒輪等。錫青銅：①性能：9-10Sn<5-6%時(shí)，Sn↑σb↑δ↑；Sn>5-6%時(shí)，Sn↑σb↑δ↓↓；Sn>20%時(shí)，Sn↑σb↓δ↓；3-14%。Pσe。②用途：Sn<7-8%，塑性較好，用于壓力加工；Sn>10%，塑性較低，但強(qiáng)度較高，適用于鑄造；磷青銅可做彈簧零件。③牌號(hào)：見表9-7所示。2．鋁青銅：以鋁為主添加元素的銅合金，一般含AL=5-11%。其耐蝕性好，強(qiáng)度和硬度比錫青銅高，耐磨性好，用于重要的耐磨耐蝕9-7。AL=1.7-2.5%9-7。白銅：白銅是以NiNiCuα不能進(jìn)展熱處理強(qiáng)化，只能用固溶強(qiáng)化和加工硬化來提高強(qiáng)度。工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵材料。以Ni為主添加元素的銅基合金，其牌號(hào)B5，Bzn15-20。第三節(jié) 鈦及鈦合金1．鈦及鈦合金性能特點(diǎn)：密度小、熔點(diǎn)高，固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，純鈦是純白色輕金屬，密度為4.507g/cm3，介于Al和Fe之間，熔點(diǎn)1668℃，高于鐵，在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 ，882.5℃以上為β-Ti〔體心立方晶格，882.5℃以下為α-T〔密排六方晶格，鈦合金的密度也較小，也有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。加工性能好，比強(qiáng)度高，低溫韌性好。純鈦強(qiáng)度低，塑性好，易于壓力加工成型。鈦合金的強(qiáng)度很高，σb1400Mpa，及某些高強(qiáng)度合金鋼相近。還具有良好的低溫機(jī)械性能?？垢g性能好的氧化物和氮化物的保護(hù)膜，具有優(yōu)良的抗蝕性。第四節(jié)軸承合金軸承合金是指制造滑動(dòng)軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的合金。一性能要求具有足夠的抗壓強(qiáng)度和硬度〔耐磨〕〔抗沖擊〕及軸之間有良好的磨合力量〔摩擦系數(shù)小〕有良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性；有良好的工藝性且價(jià)格低廉。軸承材料通常要滿足上述性能的要求都不能是純金屬或單相合金，必需配以軟硬不同的多相合金。通常是軟基體上均勻分布肯定數(shù)量和大小的硬質(zhì)點(diǎn)，或者硬基體上分布肯定數(shù)量和大小的軟質(zhì)點(diǎn)。9-11。三分類ZCHSnSb11-ZSnSb11Cu69-9。錫基軸承合金是Sn為主并參加少量SbCu9-，Sn-Sb，αSb在SnSb含量大于7.5%時(shí)合金中消滅方塊形β’相，為硬質(zhì)點(diǎn)SbSn化合物，由于β”相輕，易造成偏析，所以在合金中參加Cu，先形成Cu3Sn止?jié)沧r(shí)β”Cu3Sn相的硬度比比β”相的高，也起硬質(zhì)點(diǎn)的作用。圖9- 錫基軸承合金顯微組織〔2〕鉛基軸承合金：鉛基軸承合金的根本成分是鉛和銻。Pb-Sb合金在室溫下的