有色金屬及其合金.ppt

1、第三章 有色金屬及其合金,材料科學與工程學院,材料科學概論,有色金屬,定義：除黑色金屬 ( 鋼、鐵 ) 以外的所有金屬。 常用有色金屬分類： 重金屬(密度3.5)：Cu、Ni 等。 輕金屬(密度3.5)：Al、Mg 等。 貴重金屬：Au、Ag、Pt 等。 稀有金屬： Ti、W、Nb、Re 等。 半金屬：Si、Ge 等。,3.1 鋁及鋁合金,純鋁：f.c.c結(jié)構(gòu)，相對密度?。?.7），熔點低 （658）導電導熱性好，塑性高，耐腐蝕， 強度低。 鋁合金：在純鋁中加入Cu、Mg、Si、Mn、Zn等合金 元素。 鋁合金分類： 不能熱處理強化鋁合金 形變鋁合金 能熱處理強化鋁合金 鑄造鋁合金,鋁合金的分

2、類圖,鋁合金的熱處理,退火： 形變鋁合金: 消除應(yīng)力,便于后續(xù)加工。 鑄造鋁合金：消除應(yīng)力；均勻成分。 淬火（固溶處理）：500+水冷 使基體相過量地溶入合金元素。,自然時效：室溫下自然存放。（周期長） 人工時效：人為加熱保溫進行的時效,時效強化： 經(jīng)固溶處理后的合金，在200以下，第二相彌散析出，強度增高的現(xiàn)象。,一、形變鋁合金, 壓力加工鋁合金、熟鋁 按用途分：防銹鋁（LF）、硬鋁（LY）、 鍛鋁（LD）、 超硬鋁（LC）。,1、防銹鋁 LF Al-Mg(Mn)合金，單 相耐蝕；Mg、Mn固溶強化作 用；不能熱處理強化，只能 形變強化。,2、硬鋁合金 LY,AlCuMg雙相合金，可通過時效

3、強化，合金元素含量越高，強度、硬度越高，但耐蝕性下降。,3、超硬鋁合金 LC,飛機主起落架,Al Cu Mg Zn： 在硬鋁的基礎(chǔ)上增加合金元 素品種，如Zn、Cr、Mn等。 時效處理可形成多種復雜的 強化相，使鋁合金達到最高 的硬度和強度。但塑性、韌 性及耐蝕性較差。,4、鍛鋁合金 ( LD ),壓氣機葉片,Al Mg Si Cu， 合金元素種類多，但用 量少。熱塑性、鑄造性 和力學性能都較好?？?通過鍛造制作形狀復雜， 承受重載的零件。,二、 鑄造鋁合金 ZL,鑄造Al Si合金（ZL1XX） 鑄造Al Cu合金（ZL2XX） 鑄造Al Mg合金（ZL3XX） 鑄造Al Zn合金（ZL4X

4、X）,1、鑄造鋁硅合金 ( ZL101ZL111 ),-硅鋁明 成分：Si%在10%13% 接近共晶成分。 變質(zhì)處理：為防粗大針狀Si晶體析出，澆注前向合金液中加入變質(zhì)劑,以細化合金組織,提高強度和塑性。 性能:共晶組織,鑄造性能好,具有良好的力學性能、耐蝕。 不能進行熱處理強化，因Si在-Al中溶解度很小。,硅鋁明組織、應(yīng)用,ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ),活塞(鋁硅合金),2、鑄造鋁銅合金 ( ZL201ZL203 ),汽缸頭,有較高的強度及耐熱性，但鑄造性能和耐蝕性較差，比重大。用于要求較高強度和較高溫度的鑄件。,3.鑄造鋁鎂合金（ZL301、ZL302）,強度高、耐蝕性好、比重小

5、，但鑄造性能和耐熱性較差。可淬火時效。,4、鑄造鋁鋅合金(ZL401、ZL402),大型空壓機活塞(ZL401),具有良好的鑄造性，經(jīng)變質(zhì)處理和時效處理后，強度高；但耐蝕性差，有熱裂傾向。,3.2 鈦及鈦合金,一、工業(yè)純鈦及鈦的合金化,1、純鈦 -Ti(h.c.p) -Ti(b.c.c) 熔點：1667，密度：4.5g/cm3 強度：與結(jié)構(gòu)鋼相當，比強度最高，理想的航空材料。 高耐蝕：大氣、海水、氧化性酸等。 加工性能差：h.c.p不易塑性變形。,2、鈦的合金化及其分類,元素影響,穩(wěn)定元素：Al、N、B，擴大相。,穩(wěn)定元素：Cr、 Mo、V等，擴大相。,中性元素：對轉(zhuǎn)變溫度不明顯，Sn、Zr,

6、分類,型鈦合金 TA,型鈦合金 TB,+型鈦合金 TC,按供貨組織狀態(tài)分：,二、鈦合金的熱處理,淬火： C淬火無意義。 時效（500）：使過飽和亞穩(wěn)相析出細小的第二相，彌散強化。 退火：提高塑性、韌性，消除應(yīng)力、穩(wěn)定組織,三、常用鈦合金,1、型鈦合金,組織：單相固溶體。 熱處理：退火處理。 加工性：h.c.p結(jié)構(gòu)， 只能熱壓加工成形。 性能：室溫強度不高， 耐熱性最好。,成分：CC之間，通過淬火得亞穩(wěn)定相。 加工性：b.c.c結(jié)構(gòu)，塑性較好。 熱處理：淬火+時效。 性能：室溫強度較高，但因組織不穩(wěn)定，不宜高溫使用。,2、型鈦合金,3、+型鈦合金,組織：+兩相， 組織穩(wěn)定。 使用狀態(tài)：退火；淬火

7、+時效。 性能：高、低溫強度可兼顧，塑性變形較好。,應(yīng)用最廣泛,鈦合金的應(yīng)用,航空航天領(lǐng)域 軍用戰(zhàn)斗機上鈦合金的用量已穩(wěn)定在20以上 ； 第3代戰(zhàn)斗機F-15上鈦合金的用量占機身總質(zhì)量的27 ； 第4代戰(zhàn)斗機F-22鈦合金用量占41。,鈦合金的應(yīng)用,汽車工業(yè)領(lǐng)域 發(fā)動機氣門、連桿、氣門彈簧、彈簧座圈、凸輪軸、排氣系統(tǒng)等。,鈦合金的應(yīng)用,生物醫(yī)用材料領(lǐng)域 人工關(guān)節(jié)(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等)； 骨創(chuàng)傷用品(髓內(nèi)釘、托板、螺釘?shù)?； 脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)； 牙種植體、牙托、牙矯形絲； 人工心臟瓣膜； 介入性心血管支架；,鈦合金的應(yīng)用,兵器領(lǐng)域 美國陸軍采用鈦合金制造155mm輕型榴彈炮的車架

8、，使火炮質(zhì)量降低3.34t，減輕了約31 ； 俄羅斯從20世紀60年代中期開始先后生產(chǎn)了67艘“阿爾法”級全鈦潛艇。,鈦合金的應(yīng)用,日常消費品領(lǐng)域 采用鈦合金制造的自行車架； 鈦合金高爾夫球頭(桿)、網(wǎng)(羽毛)球拍等運動用品； 擊劍防護面罩、寶劍、冰刀、釣魚桿、釣魚用繞線架、賽艇用零部件； 滑雪杖、雪鏟、登山冰杖、登山釘?shù)取?3.3 銅及銅合金,一、純銅（紫銅） 密度大(8.94)，熔點1083，f.c.c結(jié)構(gòu)。 強度低、塑性好，可進行形變強化，但其塑性顯著下降。 很好的導熱、導電性，無磁性，抗大氣腐蝕。 牌號：T1T4，其后的數(shù)字愈大，純度愈低。 應(yīng)用：導線、導管、散熱器、冷凝器。,純銅組織

9、金相圖,二、銅合金,黃銅: Cu-Zn 銅合金的分類 白銅: Cu-Ni 青銅: Cu-Sn、Cu-Al、Cu-Be 1、黃銅（H、ZH） 普通黃銅：H68，表示Cu-Zn合金，含銅68%。 特殊黃銅：HPb59-1，Cu-Zn-Pb，銅59%、鉛1%、余量為鋅。,黃 銅 退 火 組 織,黃銅的力學性能與含鋅量的關(guān)系,常 用 黃 銅, 金獎黃銅 - H90 彈殼黃銅 - H70 ( H68 ) 日用黃銅 - H62 ( H59 ),黃銅的自裂與脫鋅,自裂-應(yīng)力腐蝕： 黃銅在塑性變形后產(chǎn)生較大應(yīng)力, 在潮濕 空氣中，或在微量氨的氣份中發(fā)生應(yīng)力腐 蝕。含鋅量越高,應(yīng)力腐蝕傾向越大。 脫鋅： 鋅的電

10、極電位遠低于銅, 所以在鹽水中黃 銅極易發(fā)生電化學腐蝕。,黃銅的熱處理,去應(yīng)力退火: 在200300左右退火,提高塑性 和彈性極限,消除應(yīng)力腐蝕。 再結(jié)晶退火: 在500700左右退火,消除加工 硬化,恢復塑性。,2、青銅（Q、ZQ）,（1）錫青銅 （QSn6.5、ZQSn10） Sn含量314%：6%出現(xiàn)脆性化合物，塑性下降；10%只能鑄造。 流動性不好，易形成分散縮孔，收縮率小，鑄造外形尺寸可保證，宜作工藝品。如雕像、銅鐘等。 耐大氣、海水等無機鹽溶液腐蝕，但對氨、強酸敏感。 加入微量的P、Al，提高耐磨性，適于軸承。,錫青銅含Sn量與性能的關(guān)系,+,b,+,壓力加工,鑄造加工,10,8,

11、錫青銅鑄造組織金相圖,（2）鋁青銅 QAl7,強度較高，可與鋼媲美；沖擊韌性、疲勞 強度很好；耐磨、耐蝕。 鑄造性能優(yōu)良，流動性好，形成集中縮孔， 組織致密。 含鋁量10%,可通過淬火+時效強化。 應(yīng)用： 齒輪、摩擦片、渦輪渦桿等。,（3）鈹青銅 QBe2,成分：含Be1.72.5%,室溫溶解度很低0.16%。 熱處理強化： 淬火（700800）+ 時效（300350） 性能：強度、硬度很高，可與高級合金鋼媲美。彈性極限、疲勞強度、耐磨性、抗蝕性也很高。 應(yīng)用：電器中的彈性元件、耐磨零件。,3、白銅（BZn15-20),成分： 主加元素 Ni,輔加元素有Zn、Mn、Fe等。 固態(tài)下Cu - Ni能無限互溶呈單相。 性能： 有較好的強度和優(yōu)良的塑性，能進 行冷、熱變形；抗蝕性較好。 用途： 主要用于制造船舶、儀器儀表、 化工耐蝕零件及醫(yī)療器械等上。 近年來大量用于裝飾材料。,鎂元素 IIA族堿土金屬，儲量豐富，居第六位； 室溫下呈銀白色，密度1.738 g/cm3 (20攝氏度)； 固液體積收縮