工程材料教案9有色金属及其合金.docx

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1、工程材料教案9有色金属及其合金课程名称：工程材料 第 周，第 讲次 摘 要 授课题目 本讲目的要求及重点难点： 1.熟悉纯铝及常用铝合金的成分、牌号、性能与用途； 2.熟悉纯铜及常用铜合金的分类、牌号、性能及用途； 3.熟悉常用的轴承合金。 1.铝及铝合金的特性、分类与牌号及铝合金的强化； 2. 铜及铜合金的特性、分类与牌号； 3.轴承合金的性能与牌号； 铝合金的热处理特点；铝合金的牌号与强化、铜合金分类与牌号。 内 容 工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等，金属及合金。 有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许

2、多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。 第一节 铝及其合金 铝及其合金在工业上是仅次于钢的一种重要金属，尤其是要航空、航天、电力工业及日常生活用品中得到广泛的应用。 一 工业纯铝 1. 铝及铝合金的性能特点 密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。 纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。 抗大气腐蚀性能好 铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，

3、防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。 加工性能好，比强度高，纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性，易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，n=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。 2用途：广泛用于制造电线、电缆、散热器、器皿用具等。 3牌号：工业纯铝依据纯度有7个牌号，分别为L1L7，顺序号越大，纯 度越低，其纯度分别为99.

4、7% 99.6% 99.5%。 铝含量大于99.93%叫高纯铝，其有5个牌号，分别为LG1LG5， 顺序号越大，则纯度越高，例LG5铝含量大于99.996%。 为增加铝的强度，通常加入Cu、Si、Mg、Mn、Zn等元素而制成铝合金。 二 铝合金 铝合金的分类 铝合金都有如图9-1所示的一般相图。成分在D点以左的合金，加热到固溶线DF以上，将会得到单相的固溶体，塑性很好，适于压力加工，故合金含量小于D点的铝合金叫做： 温 度L + L形状合金铸造合金+ M不能热处能热处理强化理强化AlFWM100%图9-1 铝合金状态图的一般类型 1形变铝合金：此种合金亦可分为两类： 不能热处理强化的铝合金：成

5、分在F点以左的合金，因其成分不随温度的变化而变化，故不能借助于热处理进行强化； 能热处理强化的铝合金：成分在D-F之间的合金，其固溶体的成分随温度而变化，故可借助于固溶强化提高其强度。 2铸造铝合金：成分位于D点以右的合金，由于有共晶组织存在，流动性好， 适于铸造，故称为铸造铝合金。 铸造铝合金也有成分随温度而变化的相，故也能用热处理加以强化，但距D点越远，合金中的相的相对含量越少，强化效果越不明显。 铝合金的热处理 1铝合金的热处理特点： 固溶处理：将可热处理强化的铝合金加热到单相区某一温度，得到单相 固溶体，随后水冷，获得单相过饱和固溶体组织的一种处理工艺。上述工艺亦即铝合金的淬火，但其和

6、钢的淬火不同，高碳钢淬火后，强度、硬度立即提高，而塑性则急剧下降；铝合金淬火后，强度和硬度并不高，塑性仍很好。 时效强化：淬火后的铝合金放臵在低于固溶线以下的某一温度，随时间的延 长，其强度、硬度显著提高，而塑性下降，此谓之时效强化。 例如含铜4%的铝合金： 平衡状态下：b=180200MPa =18% 淬火后：b=240250MPa =2022% 室温下放臵45天：b=420MPa =18% 时效形式有两种：自然时效和人工时效。 铝合金的时效强化 将成分位于DF之间的合金加热到固态溶解度线DF以上某一温度，获得单相固溶体，然后水冷，获得过饱和固溶体称为固溶处理。 这种过饱和固溶体是不稳定的，

7、在室温放臵或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和固溶体趋于发生某种程度的分解，使合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化。 Al Cu 合金部分相图在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。 含4%Cu的铝合金自然时效曲线图9-2 Al-Cu合金部分相图 图9-3 Al-Cu合金的自然时效时效曲线 显然合金能发生时效强化的必要条件是：高温能形成均匀固溶体且快冷时不发生晶体结构和成分的变化；固溶体中溶质含量随温度降低而显著降低。 含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线 图9-4 含4% Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线 上图为含4% Cu的A

8、l合金在不同温度下的时效曲线，可见，室温时效时，在时效初期的几个小时内，强度不发生明显变化，这一时间称为孕育期，比时合金塑性很高，极容易进行铆接、弯曲和校直等操作，时效温度愈高，孕育期愈短，时效速度愈快，达到最高强度的时间愈短，最大强度值愈低，强化效果愈小。当温度低于-50时，孕育期很长，甚至可以保持相对稳定，即低温可以抑制时效的进行。 2时效强化原理：淬火状态下，铜原子均匀分布在过饱和固溶体里，如图9-5a, 晶格畸变并不严重，故强度、硬度升高不多，塑性仍好； 第一阶段：形成溶质原子Cu的富集区- GpI区，随着GpI区形成，引起固溶体严重畸变，使位错运动受到阻碍。 第二阶段：随着时间的延续

9、，溶质原子继续向GpI区扩散富集，并有序化而形成GpI I区。GpI I的化学成分接近于CuAl2，具有正方晶格，随着GpI I区形成，将引起固溶体更严重的畸变，使位错运动受到更大阻碍。 第三阶段：溶质原子Cu继续富集，第二阶段形成的”相逐渐达到CuAl2的成分，并部分地与母相固溶体的晶格脱离，形成一种过渡相，随着 的形成，固溶体的晶格畸变程度减轻，合金趋于软化。 第四阶段：稳定的相- CuAl2形成，并与母相固溶体完全脱离联系，使固溶体的晶格畸变大为减轻，时效产生的强化效果显著减弱，合金软化，这种现象称为“过时效”。 实际上的时效不一定会出现上述四个阶段，如自然时效只出现1、2阶段，温度较高

10、的人工时效则主要包括3、4阶段。如图9-3、9-4。 下面我们将具体介绍一下铝合金的牌号、性能和用途。 形变铝合金 根据合金的特性，形变铝合金可分为四类： 1防锈铝：主要有AL-Mn、AL-Mg合金，其抗腐蚀性好； 牌号：LF5、LF11、LF21，见表9-1。 2硬铝：属于AL-Cu-Mg-Mn系合金。 牌号：LY1、LY11等。 3超硬铝：AL-Cu-Mg-Zn系合金，其强度在铝合金中是最高的。 牌号：LC4、LC5 4锻铝：AL-Cu-Mg-Si系合金，具有良好的锻造性能。 牌号：LD2、LD6等。如上各牌号的铝合金，其应用见表9-1。 铸造铝合金 铸造铝合金可分为四类： 1AL-Si系

11、：代号ZL101、ZL102 2AL-Cu系：代号ZL201、ZL202 3AL-Mg系：代号ZL301、ZL302 4AL-Zn系：代号ZL401、ZL402 其牌号、性能、用途见表9-2。 在铸造Al合金中，变质处理细化晶粒的原因一般认为是Na等元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生固溶体。 图9-5 ZL102合金变质前的显微组织 图9-6 ZL192合金变质后的显微组织 第二节 铜及铜合金 一 工业纯铜 纯铜的颜色为玫瑰红色，它的表面常形成一层紫红色

12、的氧化物，故称紫铜。其熔点1083，比重8.9，大约是铝的3倍多，是钢的1.15倍。 1性能：具有较高的导电导热性能； 耐蚀性好； 具有良好的塑性，=50%； 硬度、强度较低，b=200250Mpa。 2用途：用做导电材料；造船及机制方面的耐蚀件。 3牌号：根据纯铜中杂质含量的不同，工业纯铜分为四个牌号，如表9-3。 由于纯铜的机械性能较差，所以各种结构件几乎不用纯铜而是广泛地利用它的合金，我们将简略介绍几种较常见的铜合金； 二、铜合金 铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。 黄铜 1定义：以锌为主要合金元素的铜基合金。其有良好的力学性能、加工性能、导电导热性能，且色泽美丽，是有色金属

13、中应用最广的金属材料。 2性能： a机械性能：黄铜的机械性能和锌的含量有很大的关系，如图9-9， Zn=30%时，塑性最好； Zn=3945%时，强度最高： Zn45%时，塑性和强度急剧下降，故黄铜的含锌量小于45%。 b其它性能：耐蚀性好；工艺性能好；价格较纯铜便宜。 3牌号及用途： a.普通黄铜：如表9-4所示。 b特殊黄铜：为改善普通黄铜的性能，可在 Cu-Zn合金的基础上加入AL、 Fe、Si、Mn、Pb、Sn等元素而形成特殊 黄铜编号方法如下： 符号+主添加元素符号+铜含量+主添加元素含量如： HSn62-1 ，主添加元素Sn，Cu=62% ，Sn =1%。如表9-5所示。 c铸造黄

14、铜：如表9-6 所示。 其牌号H+平均铜含量，如H62表62%Cu的其余量Zn。 4.黄铜的分类 黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。 普通黄铜，就是Cu-Zn二元合金，见下图，当Zn含量36%，时单相，Zn含量36%而47%时组织+两相工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47%。 图9-7 单相黄铜的显微组织 图9-8 双相黄铜的显微组织 室温组织为单相的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号有H80、H70、H68，其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。+黄铜又称双相黄

15、铜，强度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散热器等。 特殊黄铜：在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能。 其牌号：H + 主加元素符号 + 平均铜含量 + 主加元素平均含量，如HMn58-2，含58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。 无论普通黄铜，还是特殊黄铜，铸造黄铜牌号前加“z”，如：ZH62 、ZHMn58-2、ZcuZn38、ZCuZn40Mn2 注意：虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压力加工成形时，由于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象称为黄铜的“

16、季裂”。为了防止这种现象，冷压力加工后的黄铜零件必须进行消除内应力的退火 青铜：原指Cu-Sn合金，其具有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性但。近几十年来，为节省贵重金属锡而用AL、Si、Pb、Be等元素来替代Sn而制得的合金也称之为青铜，故青铜可分为两大类：锡青铜和无锡青铜。 其牌号：Q + 主加元素符号 + 主加元素平均含量。 QAl5含5%Al的Al青铜，同样铸造青铜前加“z” 锡青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，是人类历史上应用最早的铜合金。是Cu-Sn二元合金，锡青铜在大气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。 此外，为了改善锡青铜的性

17、能，还加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高铸造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高弹性极限等。 主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。 1锡青铜： 性能： a机械性能：如图9-10所示: Sn5-6%时，Sn； bSn20%时，Sn； b故工业用锡青铜的含锡量为3-14%。 b其它性能：极高的耐蚀性、耐磨性；加入P可具有较高的。 e用途：Sn10%，塑性较低，但强度较高，适用于铸造； 磷青铜可做弹簧零件。 牌号：见表9-7所示。 2铝青铜：以铝为主添加元素的铜合金，一般含AL=5-11%。其耐蚀性好，强度和硬度比锡青铜高，耐磨性好，用于重要的耐磨耐蚀件。其

18、牌号见表9-7。 3铍青铜：以铍为主添加元素的铜基合金，一般含AL=1.7-2.5%。其强度和硬度均超过其它铜合金，其牌号和用途见表9-7。 4白铜： 白铜是以Ni为主要合金元素的合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材料。 以Ni为主添加元素的铜基合金，其牌号B5，Bzn15-20。 第三节 钛及钛合金 1钛及钛合金性能特点： 密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，纯钛是纯白色轻金属，密度为4.507

19、g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668，高于铁，在882.5发生同素异构转变a-Tib-Ti，882.5以上为-Ti，882.5以下为-Ti，钛合金的密度也较小，也有同素异构转变。 加工性能好，比强度高，低温韧性好。纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，b最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械性能。 抗腐蚀性能好 钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化 物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。 第四节 轴承合金 轴承合金是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。 一 性能要求 1具有足够的抗压强度和硬度； 2塑性和韧性要

20、好； 3与轴之间有良好的磨合能力； 4有良好的导热性和耐蚀性； 5有良好的工艺性且价格低廉。 轴承材料通常要满足上述性能的要求都不能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同的多相合金。通常是软基体上均匀分布一定数量和大小的硬质点，或者硬基体上分布一定数量和大小的软质点。 二 组织特点：软基体上分布着硬质点，如图9-11。 三 分类 1锡基轴承合金：旧牌号ZCHSnSb11-6，新牌号ZSnSb11Cu6，其它牌号和用途见表9-9。 锡基轴承合金是Sn为主并加入少量Sb、Cu等元素的合金，是一种软基体硬质点类型的轴承合金。图9-，Sn-Sb相图，可见，相是Sb在Sn中的固溶体，为软基体，当Sb含量大于7.5%时合金中出现方块形相，为硬质点，由于相轻，易造成偏析，所以在合金中加入Cu，先形成Cu3Sn化合物的针状格架，以防止浇注时相上浮，有效地减少偏析。同时Cu3Sn相的硬度比比相的高，也起硬质点的作用。 图9- 锡基轴承合金显微组织 铅基轴承合金：铅基轴承合金的基本成分是铅和锑。Pb-Sb合金在室温下的组织是由和两个相所组成。相是锑溶于铅中的固溶体，很软，软基体，相是铅溶于Sb中的固溶体，较硬。