工程材料 第五章

1、第五章 工程非鐵合金(有色金屬) 及粉末冶金材料,通常，人們將鐵、鉻、錳及其合金稱為黑色金屬。除此以外的所有其它金屬統(tǒng)稱為非鐵合金,也稱為有色金屬。,它們的種類很多,包括: 1.輕金屬:比重小于3.5的金屬稱為輕金屬； 如鋁、鎂、鈹、鋰等。 2.重金屬:比重大于3.5的金屬稱為重金屬； 如銅 、鋅、鉛、鎳等。 3.貴金屬:如金、銀和鉑等金屬。 4.稀有金屬:如鎢、釩、鉬、鈮、鈦和鋯等金屬。 5.放射性金屬:如鐳、鈾和釷等金屬。,非鐵合金具有許多鋼鐵材料所沒有的特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能、因而成為現(xiàn)代工業(yè)尤其是許多高科技產(chǎn)業(yè)中不可缺少的材料.工業(yè)上廣泛使用的有鋁、銅、鈦、鎂、鋅、合金以及軸承合金

2、.,5.1 鋁及鋁合金,鋁及鋁合金是目前工業(yè)中重要性僅次于鋼鐵的金屬材料,應(yīng)用范圍也日益增大. 一、工業(yè)純鋁 鋁具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 鋁的比重為2.72（g/cm3），約為鐵的三分之一。 鋁的熔點(diǎn)與其純度有關(guān)，當(dāng)純度為 99.996%時(shí)，熔點(diǎn)為660.24。 鋁具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀和銅，居第三位。 鋁在大氣中具有優(yōu)良的抗蝕性。,鋁在室溫中即能與空氣中的氧化合，表面生成一層薄而致密并與基體金屬牢固結(jié)合的氧化膜，阻止氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散而起保護(hù)作用。但在堿和鹽的水溶液中鋁的氧化膜會(huì)很快被破壞，故鋁在堿和鹽的溶液中抗蝕性不好。此外，鋁的氧化膜在熱的稀硝酸中也極易被溶解。

3、,鋁資源豐富,成本相對(duì)較低.工業(yè)純鋁的壓力加工產(chǎn)品代號(hào)用“鋁”字漢語拼音第一個(gè)字母“L”加順序號(hào)表示,數(shù)字越大純度越低。如L1、L2L6. 工業(yè)高純鋁的牌號(hào)以LG1、LG2LG5表示其數(shù)字越大,純度越高.純鋁隨雜質(zhì)含量增加,性能有所下降. 純鋁主要用于電線、電纜、電器及制作某些要求質(zhì)輕、導(dǎo)熱或防銹但強(qiáng)度要求低的器具.,一、 鋁合金的熱處理 純鋁的強(qiáng)度低,不宜作為受力的結(jié)構(gòu)材料使用.在鋁中加入合金元素配制成鋁合金，可改變其組織結(jié)構(gòu)與性能。經(jīng)常加入的合金元素有銅、鋅、鎂、硅、錳以及稀土元素等。 鋁合金基本保持了純鋁的性能優(yōu)點(diǎn),而且顯著增加了強(qiáng)度.大多數(shù)鋁合金還可以通過熱處理進(jìn)一步提高強(qiáng)度,其中有些

4、抗拉強(qiáng)度可達(dá)480680MPa,相當(dāng)于低合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度水平,從而具有很高的比強(qiáng)度(即強(qiáng)度與密度之比).,三、鋁合金的分類、牌號(hào)及應(yīng)用,鋁合金依據(jù)工藝特點(diǎn)不同，可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。 1、變形鋁合金 變形鋁合金與鑄造合金不同之處在于，變形鋁合金是鑄錠經(jīng)過冷、熱壓力加工后形成的各種型材. 根據(jù)主要性能特點(diǎn)和用途,變形鋁合合金又可分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金.(見表5-1 P127),(1)防銹鋁合金 防銹鋁合金包括鋁-鎂系合金以及工業(yè)純鋁。這類鋁合金的主要性能特點(diǎn)是具有優(yōu)良的抗腐蝕性能,因而得名防銹鋁合金，簡(jiǎn)稱為防銹鋁。此外,還具有良好的塑性與焊接性，適宜壓力加工和

5、焊接。 這類鋁合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，機(jī)械性能比較低。為了提高其強(qiáng)度，可用冷加工方法使其強(qiáng)化。但由于防銹鋁的切削加工工藝性能差，故適用制作焊接管道、容器、鉚釘以及其它冷變形零件。,(2)硬鋁合金 鋁-銅-鎂系合金是應(yīng)用較早，用途很廣的鋁合金。它有強(qiáng)烈的時(shí)效強(qiáng)化作用，經(jīng)時(shí)效處理后具有很高的硬度、強(qiáng)度，故鋁-銅-鎂系合金總稱為硬鋁合金。此外，這類合金還具有優(yōu)良的加工工藝性能，可以加工成板、棒、管、線、型材及鍛件等半成品，廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中。,硬鋁合金的主要合金元素是銅、鎂，此外還含有錳和一些雜質(zhì)元素鐵、硅、鎳、鋅等。 不同牌號(hào)的硬鋁合金具有不同的化學(xué)成分，其性能特點(diǎn)亦不同。含銅、鎂量低

6、的硬鋁強(qiáng)度較低而塑性高； 含銅、鎂量較高的硬鋁則強(qiáng)度高而塑性較低。,(3)超硬鋁合金 鋁-鋅-銅系合金是目前室溫強(qiáng)度最高的一類鋁合金，其強(qiáng)度達(dá)500700MPa，超過高強(qiáng)度的硬鋁LY12合金(400-430 MPa)，故稱為超硬鋁合金。 超硬鋁合金中，主要合金元素是鋅、鎂、銅，有時(shí)還加入少量鉻、錳、鈦等元素。在超硬鋁中加入錳和鉻可以提高合金在淬火狀態(tài)下的強(qiáng)度和人工時(shí)效強(qiáng)化效果，同時(shí)改善合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。這類合金有較好的熱塑性、適宜壓延、擠壓和鍛造,焊接性能也較好.,(4)鍛鋁合金 包括鋁-鎂-硅-銅系和鋁-銅-鎂-鎳-鐵系兩類合金,具有優(yōu)良的鍛造工藝性能，主要用作制作外形復(fù)雜的鍛件,故稱為

7、鍛鋁合金。鍛鋁合金是在鋁-鎂-硅系合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。,2、鑄造鋁合金 鑄造鋁合金除要求具備一定的使用性能外，還要求具有優(yōu)良的鑄造工藝性能。成分處于共晶的合金具有最佳鑄造性能，但由于此時(shí)合金組織中出現(xiàn)大量硬脆的化合物，使合金的脆性急劇增大。因此，實(shí)際使用的鑄造合金并非都是共晶合金。它與變形鋁合金相比較只是合金元素含量高一些,約為825。,鑄造鋁合金的牌號(hào)用“鑄鋁”二字的漢語拼音第一個(gè)大寫字母“ZL”加三位數(shù)字表示， 第一位數(shù)表示合金系別：（1為鋁硅系合金； 2為鋁銅系合金；3為鋁鎂系合金；4為鋁鋅系合金）。第二、三位數(shù)字表示合金的順序號(hào)。如ZL111表示11號(hào)鋁硅系鑄造鋁合金。,(1)鋁-

8、硅鑄造合金 鋁-硅鑄造合金具有極好的流動(dòng)性，小的鑄造收縮率、小的線膨脹系數(shù)和優(yōu)良的焊接性、抗蝕性以及足夠的機(jī)械性能。但合金的致密度較小，適宜制造致密度要求不太高的、形狀復(fù)雜的鑄件。,(2)鋁-銅鑄造合金 鋁-銅鑄造合金的最大特點(diǎn)是耐熱性高，是所有鑄造鋁合金中最高的一類合金.其高溫強(qiáng)度隨銅含量的增加而提高，而合金的鑄縮率和形成裂紋的趨向則減小。但由于銅含量增加，使合金的脆性增加,故鑄造鋁銅合金的銅含量一般不超過14。,(3)鋁-鎂鑄造合金 鋁-鎂鑄造合金是比重最小(2.55)、耐蝕性最好、強(qiáng)度最高 (抗拉強(qiáng)度可達(dá)350MPa)的鑄造鋁合金。但由于結(jié)晶溫度范圍寬，故流動(dòng)性差,形成疏松趨向大、其鑄造

9、性能不如鋁-硅合金好。,(4)鋁-鋅鑄造合金 鋅在鋁中的溶解度很大，極限溶解度為32。鋁中加入10以上的鋅能顯著提高合金的強(qiáng)度，故鋁鋅鑄造合金具有較高的強(qiáng)度，是最便宜的一種鑄造鋁合金。其主要缺點(diǎn)是抗蝕性差。,5.2銅及銅合金,銅及銅合金是人類歷史上使用最早的金屬材料,并且至今仍在工業(yè)中有著重要應(yīng)用.,一、工業(yè)純銅： 1、純銅的外觀呈紫色,常稱紫銅.相對(duì)密度為8.96,熔點(diǎn)為1083C,純銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能極好，無磁性，有高的化學(xué)穩(wěn)定性,且具有優(yōu)良的耐蝕性和塑性、韌性,但硬度很低,不能熱處理強(qiáng)化. 工業(yè)純銅常用于制造導(dǎo)線、電纜、傳熱體及耐蝕器材、電器元件等，一般不用于制造結(jié)構(gòu)零件。,銅的儲(chǔ)量小,

10、價(jià)格較貴.工業(yè)純銅有T1、T2、T3三個(gè)牌號(hào),“T”為銅的漢語拼音字首,其后的數(shù)字越大,純度越低.純銅中的雜質(zhì)主要有鉛、鉍、氧、硫、和磷等,它們對(duì)純銅的性能影響極大,不僅可以使其導(dǎo)電性能降低,而且還會(huì)使其在冷、熱加工中發(fā)生冷脆和熱脆現(xiàn)象.因此,必須控制純銅中的雜質(zhì)含量.,二、銅合金的分類、牌號(hào)及應(yīng)用 利用冷變形強(qiáng)化可使銅的強(qiáng)度b由約230MPa提高到400500MPa,但塑性急劇下降,因此要在增加強(qiáng)度的同時(shí)保持較高的塑性，必須使銅合金化.常用的合金元素有鋅、錫、鋁、錳、鎳等,它們加入銅中可起到固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化等作用. 銅合金獲得較高的力學(xué)性能的同時(shí),仍基本保持了純銅的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn).,常用的銅合

11、金有黃銅和青銅兩大類,另外還有白銅(銅鎳合金). 根據(jù)生產(chǎn)方法的不同,銅合金又分壓力銅合金和鑄造銅合金.,1、黃銅 黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，其外觀色澤呈金黃色。黃銅可分為 普通黃銅:銅鋅二元合金為普通黃銅,壓力加工普通黃銅的代號(hào)為“H”后跟表示銅含量的百分?jǐn)?shù),例如H58表示W(wǎng)cu=68%,其余為鋅的普通黃銅. 特殊黃銅:在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入其他元素的銅合金稱為特殊黃銅.其代號(hào)由“H”、主加合金元素符號(hào)、銅平均含量百分?jǐn)?shù)、合金元素含量百分?jǐn)?shù)組成,例如HMn58-2表示W(wǎng)cu=58%、WMn=2%、其余為鋅的錳黃銅.,2、青銅除了以鋅為主加元素之外的其余銅合金統(tǒng)稱為青銅，其外觀色澤呈棕

12、綠色。青銅可分為普通青銅（以錫為主加元素的銅基合金，又稱為錫青銅）和特殊青銅（不含錫的青銅合金，又稱為無錫青銅）。,(1) 錫青銅是以錫為主加元素的銅合金.錫青銅最主要的特點(diǎn)是耐蝕、耐磨和彈性好,錫青銅在大氣、海水和蒸氣等環(huán)境中的耐蝕性優(yōu)于銅和黃銅.鑄造錫青銅流動(dòng)性差,縮松傾向大,組織不致密,因此凝固時(shí)體積收縮率很小,適合于澆注外形尺寸要求嚴(yán)格的鑄件.錫青銅多用于制造軸承、軸套、彈性元件以及耐蝕、抗磁零件等.,(2)鋁青銅鋁青銅是以鋁為主加元素的銅合金.鋁青銅的耐蝕性和耐磨性優(yōu)良,力學(xué)性能高于黃銅和錫青銅. (3)鈹青銅-鈹青銅是以鈹為主加元素的銅合金.鈹青銅不僅強(qiáng)度大、彈性好、而且耐蝕、耐磨

13、、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性優(yōu)良,還具有無磁性、受沖擊時(shí)無火花等優(yōu)點(diǎn),但價(jià)格較貴. 主要用于制造精密儀器或儀表的彈性元件、耐磨零件以及塑料模具等.,5.3其他非鐵合金簡(jiǎn)介,一、鈦及鈦合金 純鈦的相對(duì)密度為4.54,約為鋼的3/5;熔點(diǎn)1668C,固態(tài)下具有同素異晶轉(zhuǎn)變.在882.5C以下為密排六方晶格的-Ti, 882.5C以上為體心立方晶格的-Ti.鈦有很好塑性,強(qiáng)度不高(b=230260MPa).鈦在硫酸、硝酸、鹽酸和堿溶液中有優(yōu)良的耐蝕性,且抗大氣和海水腐蝕的能力超過不銹鋼和銅合金.鈦中的雜質(zhì)O2、N2、H2對(duì)鈦的性能影響很大.鈦的資源豐富,但冶煉工藝復(fù)雜,所以成本較高.,鈦的合金化可以使其強(qiáng)度大大提

14、高,鈦合金的抗拉強(qiáng)度b可達(dá)1500 MPa,其比強(qiáng)度是常用金屬材料中最高的.鈦合金是很好耐熱材料,可在500600C下工作,又有很好的低溫韌性,是唯一能在低溫(-253C)下使用的工程金屬材料. 鈦合金的主要缺點(diǎn)是硬度低,耐磨性不好和切削加工性能較差等. 可用于制作400C以下工作或低溫下工作的零件,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件,化工用泵、低溫高壓容器等.,二、鎂及鎂合金 鎂的相對(duì)密度為1.74,約為鋁的2/3,溶點(diǎn)615C,固態(tài)下無同素異晶轉(zhuǎn)變. 鎂合金化主要也是依靠合金元素的固溶化和時(shí)效過程中的沉淀強(qiáng)化來提高合金的強(qiáng)度.在鎂中加入的合金元素有鋁、鋅、鋯、稀土和錳等.鎂合金的強(qiáng)度可達(dá)到300 MPa左右

15、,鎂合金的性能特點(diǎn)是比強(qiáng)和比剛度高,減震性好,抗沖擊能力較強(qiáng),切削加工性和拋光性能優(yōu)良,易于鑄造和熱加工.鎂合金是目前為止常用的工程材料中密度最小的,因此多用于航天工焐,此外在電子、儀器儀表等行業(yè)中也獲得應(yīng)用.,5.4 軸承合金,軸承合金是用來制造滑動(dòng)軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的合金.當(dāng)軸承支承著軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作時(shí),軸瓦與軸發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦,同時(shí)承受軸頸傳遞的交變載荷.,根據(jù)滑動(dòng)軸承的工作條件和應(yīng)具備的性能,對(duì)軸承合金的要求: 1）有足夠的強(qiáng)度和硬度，以承受較高的周期性載荷； 2）塑性和韌性好，以保證軸承與軸的配合良好，并耐沖擊和振動(dòng)； 3）與軸之間有良好的磨合能力及較小的摩擦系數(shù)，并能保留潤(rùn)滑油，減少磨

16、損； 4）有良好的導(dǎo)熱性和抗蝕性； 5）有良好的工藝性，容易制造且價(jià)格低廉。,一、軟基體硬質(zhì)點(diǎn)的軸承合金 這類合金應(yīng)用最廣的是錫基和錫基軸承合金,其代號(hào)為:Z+基體元素和主加元素符號(hào)+主加元素含量+輔加元素符號(hào)及含量,牌號(hào)中的Z為鑄字的漢語拼音定首.,1)錫基軸承合金是Sn-Sb-Cu系合金. 錫基軸承合金膨脹系數(shù)和摩擦小，導(dǎo)熱性和耐蝕性好， 適于制造使用溫度小于150C的重要軸承合金.,2)鉛基軸承合金是Pb-Sb-Sn-Cu系合金.鉛基軸承合金的性能低于錫基軸承合金，但價(jià)格便宜,中低載荷下工作的軸瓦應(yīng)用較多.,二、硬基體軟質(zhì)點(diǎn)的軸承合金(銅基軸承合金),屬于這類的軸承合金有 鉛青銅（如ZC

17、uPb30） 錫青銅（如ZcuSnlOPbl）,1）鉛青銅：具有高的疲勞強(qiáng)度和承載能力，優(yōu)良的耐磨性、導(dǎo)熱性和低的摩擦系數(shù)，能在較高溫度（300C320C）下正常工作，可以制造在高速重載下工作的滑動(dòng)軸承。 2）錫青銅：能承受較大的載荷，廣泛用于中等速度及受較大的固定載荷的軸承，如電動(dòng)機(jī)、泵、金屬切削機(jī)床的軸承。,5.5粉末冶金材料,是直接用金屬粉末或金屬與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)壓制成形后燒結(jié)，以獲得金屬零件和金屬材料. 其制作工藝方法稱為粉末冶金法,它既是一種不溶煉的特殊冶金工藝,又是一種精密的少切削或無切削的零件成形加工技術(shù).,一、粉末冶金減摩材料 這是一類金屬和固體潤(rùn)滑劑(如石灰墨、

18、硫化物等)燒結(jié)而成的有較高孔隙率的粉末冶金材料.用這種材料制成的軸承、放在潤(rùn)滑油中浸潤(rùn),在毛細(xì)作用下可吸收大量潤(rùn)滑油 (一般含油率為12%30%),故稱為含油軸承,因而工作中不需經(jīng)常添加潤(rùn)滑油,使用方便.常用的有鐵基、銅基和鋁基含油軸承等.鐵基含油軸承載荷能力較大,后兩種則導(dǎo)熱性和耐蝕性好,摩擦系數(shù)也較小,它們一般用于制作中速,輕載的潤(rùn)滑軸承零件.,二、粉末冶金摩擦材料 這類粉末冶金材料通常由強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)高的金屬(鐵、銅等)作高基本組分,加入能增加摩擦系數(shù)的摩擦組分(如Al2O3、SiO2和石棉),以及能抗咬合、提高減摩性的潤(rùn)滑組分(如鉛、錫、石墨、二硫化鉬等)燒結(jié)而成.因此,它能較好地滿足摩擦材料所要求具備的較大的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性和磨合性、以及足夠的強(qiáng)度等方面的性能. 銅基摩擦材料常用于汽車、拖拉機(jī)、鍛壓機(jī)床的離合器與制動(dòng)器 鐵基摩擦材料多用于各種高速重載機(jī)器的制動(dòng)器.,三、粉末冶金結(jié)構(gòu)材料 這是由金屬(如碳鋼、合金鋼、鋁合金等)粉末為重要原料,以粉末冶金法制造結(jié)構(gòu)零件的材料.用這類材料制造的結(jié)構(gòu)材料,內(nèi)部組織均勻細(xì)致,無鑄造