銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)-相圖、紫銅

銅及銅合金物理冶金基礎(chǔ)銅的基本特點(diǎn)、應(yīng)用及分類1主要內(nèi)容紫銅的組織與性能4銅合金設(shè)計(jì)的基本原理2典型白銅與青銅的組織與性能6黃銅的組織與性能5金屬塑性加工原理7典型銅合金相圖3緒論03典型銅合金相圖Cu-Zn二元相圖

二元相圖

合金相圖是一種研究合金化的基本工具。通過(guò)它可以了解各合金系中各種成分的合金、它們的相組成以及不同組織的形成和變化規(guī)律，從而為確定合金成分提供依據(jù)。H80黃銅H65黃銅H80黃銅組織變化：L→αH65黃銅組織變化：L→α→α+β→α→α+γ合金凝固過(guò)程中平衡組織的變化：3典型銅合金相圖Cu-Ni二元相圖3典型銅合金相圖Cu-Al二元相圖3典型銅合金相圖Cu-Si二元相圖Cu-Sn二元相圖3典型銅合金相圖

三元相圖Cu-Zn-Fe系室溫截面圖Cu-Zn-Mn系a-等溫液相線及800℃、400℃、360℃的固溶范圍；b-20℃時(shí)的固溶范圍銅的基本特點(diǎn)、應(yīng)用及分類1主要內(nèi)容紫銅的組織與性能4銅合金設(shè)計(jì)的基本原理2典型白銅與青銅的組織與性能6黃銅的組織與性能5金屬塑性加工原理7典型銅合金相圖34紫銅的組織與性能

紫銅也稱為純銅，呈玫瑰紅色，因表面形成氧化銅膜呈紫色而得名。通常由電解法制得，又稱電解銅。按其所含成分可分為四個(gè)品種：普通純銅（T1、T2、T3、T4）、無(wú)氧銅（TU1、TU2）、脫氧銅（TUP、TUMn）和特種銅（磷銅、碲銅、銀銅）。

紫銅具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、抗腐蝕性能、加工成形性能、可焊性能、拋光性能和表面處理性能等，廣泛用于電工及電子工業(yè)，還大量用于制造汽車水箱、熱交換設(shè)備、供水系統(tǒng)的各種零部件等。氧含量極少氧含量較高加入了不同的微量合金元素4.1合金元素對(duì)紫銅性能的影響4紫銅的組織與性能各元素對(duì)銅的電導(dǎo)率影響4紫銅的組織與性能

合金元素均不同程度地降低銅的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。固溶元素（Cd、Ag例外）的影響最大，呈第二相析出的元素的影響則較小。加工因素對(duì)銅的電導(dǎo)率也有所影響，大的冷變形率可使銅的電導(dǎo)率下降約2個(gè)百分點(diǎn)IACS。4紫銅的組織與性能

合金元素及雜質(zhì)對(duì)銅的軟化溫度和晶粒大小也有較大影響。

固溶元素及雜質(zhì)對(duì)銅冷、熱壓力加工性能的影響很??；很少固溶或幾乎不固溶于銅的雜質(zhì)及微量元素，則視其所形成的過(guò)剩相的情況不同，對(duì)銅的壓力加工性能將有著不同的影響：例如，氧、硫、硒在銅中易形成Cu2O、Cu2S、Cu2Se等脆性化合物，降低銅的塑性；鉛、鉍與銅易生成易熔共晶，熱軋易裂。

合金元素及雜質(zhì)對(duì)銅的加工性能的影響視固溶狀態(tài)不同而存在差異。

固溶和生成彌散析出相的雜質(zhì)和微量元素，均提高銅的軟化溫度。高純銅的晶粒隨退火溫度的升高而迅速長(zhǎng)大，并且晶粒尺寸也很不均勻。導(dǎo)電用銅則由于氧化亞銅存在，在通常的退火溫度范圍內(nèi)，可有效地抑制晶粒長(zhǎng)大。4.1.1氧的影響

氧幾乎不固溶于銅。含氧銅凝固時(shí)，氧以（Cu＋Cu2O）共晶體的形式析出，分布于晶界上。氧與其他雜質(zhì)共存時(shí)則影響極為復(fù)雜，例如微量氧可氧化高純銅中的微量雜質(zhì)Fe、Sn、P等，提高銅的電導(dǎo)率，若雜質(zhì)含量較多，則氧的這種作用就顯不出來(lái)。氧能部分削弱Sb、Cd對(duì)銅導(dǎo)電性的影響，但不改變As、S、Se、Te、Bi等對(duì)銅導(dǎo)電性的影響。有些紫銅還特意保留一定量的氧，一方面它對(duì)銅性能的影響不大，另一方面Cu2O可與Bi、Sb、As等雜質(zhì)起反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)的球狀質(zhì)點(diǎn)分布于晶粒內(nèi)，消除了晶界脆性。含氧量極低，晶界清晰含0.39％氧，(Cu＋Cu2O)共晶體4紫銅的組織與性能4紫銅的組織與性能

氧稍微提高銅的強(qiáng)度，但降低銅的塑性和疲勞極限。氧對(duì)銅的導(dǎo)電率影響不大。氧對(duì)銅性能的影響4.1.2氫的影響

氫在液態(tài)與固態(tài)銅中的溶解度均隨著溫度的升高而增大（下表）。氫在固態(tài)銅中形成間隙式固溶體，提高銅硬度。含氧銅在氫氣氛中退火時(shí)，氫可與銅中的Cu2O反應(yīng)，產(chǎn)生高壓水蒸氣，使銅破裂，俗稱“氫病”，CO也能使Cu2O中的Cu還原，生成高壓CO2使銅破裂，但不像氫那樣敏感。在1大氣壓下氫在銅中的溶解度

不過(guò)，氫病的發(fā)生與危害程度與溫度有關(guān)。在150oC時(shí)，因水蒸氣處于聚集狀態(tài)，不引發(fā)氫病，含氧銅即使在氫氣氛中耽置10a也不破裂；在200oC時(shí)可放置1.5a，在400oC氫氣中只能停放70h。以Mg或B脫氧的銅不發(fā)生氫病。4紫銅的組織與性能

硫在室溫銅中的溶解度為零。硫在銅中以Cu2S的彌散的質(zhì)點(diǎn)存在，降低銅的電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率，也極大地降低銅的塑性，但可顯著改善銅的可切削性能。硫?qū)?9.99％銅性能的影響見上表。硫?qū)︺~的性能影響4.1.3硫的影響4紫銅的組織與性能磷對(duì)銅的性能影響4紫銅的組織與性能4.1.4磷的影響

磷在銅中的最大溶解度（714oC共晶溫度時(shí)）為1.75％，室溫時(shí)幾乎為零，顯著降低銅的電導(dǎo)率（表8）及熱導(dǎo)率，但對(duì)銅的力學(xué)性能與焊接性能有良好的影響，磷對(duì)在700oC退火300min后的銅性能的影響見表8。4.1.5鐵的影響

1050oC時(shí)，鐵在銅中的溶解度可達(dá)3.5％，635oC時(shí)的溶解度下降到0.15％。鐵的有益作用是：細(xì)化銅晶粒，延遲銅的再結(jié)晶過(guò)程，提高其強(qiáng)度與硬度。鐵也有不利的一面：降低銅的塑性、電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率。4.1.6鉍的影響

鉍在銅中的溶解度可忽略不計(jì)。鉍在270oC與銅形成共晶體，其中的鉍呈薄膜分布于晶界，嚴(yán)重降低銅的加工性能。因此，其含量不得大于0.002％。銅質(zhì)板式換熱器4紫銅的組織與性能4.1.7稀土元素的影響

稀土元素一般幾乎不固溶于銅，但少量的稀土金屬不管是單個(gè)加入，還是以混合稀土的形式加入，都對(duì)銅的力學(xué)性能有益，而對(duì)銅的電導(dǎo)率影響不大，這類元素加入適量時(shí)可鈰對(duì)Cu－0.3Pb合金性能的影響與銅中雜質(zhì)鉛、鉍等形成高熔點(diǎn)化合物，呈細(xì)小的球形質(zhì)點(diǎn)均布于晶粒內(nèi)，細(xì)化晶粒，提高銅的高溫塑性。4紫銅的組織與性能4紫銅的組織與性能組織說(shuō)明：純銅液的結(jié)晶前沿是沿扁錠模四周逐漸進(jìn)行的，其冷卻方向是上、下及側(cè)面同時(shí)進(jìn)行的于是就形成柱狀自上、下及側(cè)面同時(shí)向中心發(fā)展，結(jié)果在中心線及邊緣的45°處柱狀晶彼此接觸，構(gòu)成最后結(jié)晶的薄弱面（箭頭所指），弱面處最易有低熔點(diǎn)的雜質(zhì)富集，導(dǎo)致熱軋開坯時(shí)產(chǎn)生開裂。4.2紫銅的組織4紫銅的組織與性能材料名稱：T2銅處理情況：180*640mm半連續(xù)鑄造扁錠組織說(shuō)明：半連續(xù)鑄造有較強(qiáng)的冷卻條件，邊緣成核多，故邊部為較細(xì)短的柱狀晶，中心部分冷至成核溫度以下。由于晶核較少，故中心為較粗的等軸晶，無(wú)明顯薄弱面存在。4紫銅的組織與性能材料名稱：T2銅（實(shí)物照片）處理情況：850℃下熱加工組織說(shuō)明：熱加工后的加工銅α相為完全再結(jié)晶組織，溫度較高，晶粒較大，有明顯的退火孿晶。4紫銅的組織與性能4.3物理性能下圖(b)，無(wú)下圖(a)4紫銅的組織與性能純銅冷拉引起的導(dǎo)電率降低T2的電阻率與變形率的關(guān)系退火溫度對(duì)T2電阻率的影響見左圖?。ū?h）4紫銅的組織與性能。下表。下表。4紫銅的組織與性能（5）彈性模量20℃時(shí)純銅的彈性模量為105-137GPa，切變模量為38-48GPa。溫度和加工率對(duì)銅的彈性模量的影響見下圖。4紫銅的組織與性能

軋制銅板帶會(huì)出現(xiàn)板織構(gòu)，拉制線材存在著絲織構(gòu)，退火后又會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶織構(gòu)。材料有織構(gòu)時(shí)，各個(gè)方向的物理、化學(xué)、力學(xué)性能會(huì)不一致，即有各向異性現(xiàn)象。各向異性板帶材在沖壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)制耳，存在制耳的產(chǎn)品不但成品率較低，而且可能產(chǎn)生裂紋，提高制造成本、縮短工件使用期限?？棙?gòu)愈大。各向異性愈嚴(yán)重，制耳就愈大，危害也越大。（6）織構(gòu)與各向異性1mm厚銅板的各向異性情況4紫銅的組織與性能

要完全消除制耳幾乎是不可能的，特別是在加工率大時(shí)，但可以通過(guò)控制冷軋前后的退火工藝和加工率將各向異性減到最小，從而使制耳率降到最低限度：1）控制最后冷軋加工率不超過(guò)60%，冷軋前退火溫度在700℃左右，冷軋后的最終退火溫度為550-600℃(對(duì)1.0mm厚的銅板)。2）當(dāng)冷軋加工率不大(約50%)時(shí)，冷軋前可在較寬的溫度范圍內(nèi)退火，也不影響紫銅板、帶力學(xué)性能的均勻性；當(dāng)冷軋加工率較大(70%-80%)時(shí)，則冷軋前的退火溫度范圍縮小至550-600℃，方可獲得均一的力學(xué)性能。提高最終退火溫度，將增加紫銅板、帶力學(xué)性能的各向異性。3）取消中間退火，采用大的冷軋加工率〔如大于95%)，并選擇合理的最終退火工藝，可使紫銅板、帶獲得較好的“偽各向同性”，從而在深沖時(shí)得到杯口較齊的制品。4紫銅的組織與性能4.4化學(xué)性能Cu與大氣、水等接觸時(shí)，反應(yīng)生成難溶于水的堿性硫酸銅CuSO4·

3Cu(OH)2和堿性碳酸銅CuCO3·

3Cu(OH)2薄膜，又稱為銅綠。這層薄膜與銅基體結(jié)合牢固，本身致密，能防止銅繼續(xù)腐蝕。因此，銅在大氣、純凈淡水、流速慢的海水中都具有很強(qiáng)的抗蝕性，在這些介質(zhì)中使用時(shí)，可不加保護(hù)。

銅的氧化速度在高溫下會(huì)顯著加快，生成正方晶格的致密的紅色Cu2O膜，不形成CuO，因?yàn)樗诟邷叵聲?huì)分解為游離氧和Cu2O。無(wú)氧銅在高溫退火時(shí)，氧會(huì)滲入銅的表面層內(nèi)。4紫銅的組織與性能4.5力學(xué)性能紫銅的典型力