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1、第八章:材 料 家 族 之 二 丰富多彩的有色金属,前 言,在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.,丰 富 多 彩 的 有 色 金 属,有色金属的种类很多，根据他们的蕴藏状况和物理特性基本可分为以下四类：,（1）有色重金属 铜、镍、锡、铅、锑、钴、汞等，他们的密度较大，约为711g/cm3。,（2）有色轻金属 铝、镁、钙、钾、钠、钡等，他们的密度小于5g/cm3。,（3）贵金属 金、银及
2、铂族金属（铂、铑、钯、铱、锇、钌）等，因其价值比一般金属贵得多而得名，这些金属在空气中不会被氧化。,（4）稀有金属 在80余种有色金属元素中，其中大约50种被认为是稀有金属。,一、铝及铝合金性能特点 纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72)，熔点低(660.4),导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,铝合金制造的机翼,第一节:上 天 用 得 最 多 的 材 料 铝合金,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝
3、合金两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.,铝合金分类示意图,二、铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。,汽化器(热交换管为LF21),常用的Al-Mn系合金有 LF21（3A21），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有 LF5（5A05），其密度比纯,铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如
4、LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.,飞机翼梁(腹板为硬铝合金),超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金.热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁、起落架等.,飞机主起落架,锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A8
5、0)、LD9(2A90)等。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),高比强铝合金机翼,Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。ZL102(ZAlSi12),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。,一、工业纯钛 纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti,由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,第 二 节：又 轻 又 强 的 材 料钛合金,一、钛及钛合金的特性
6、,钛是一种银白色的金属，比重为4.5，钛的熔点为1668，热胀系数小，其制成的钛合金抗拉强度可达1500MPa，钛合金可在550以下工作，钛和钛合金的低温韧性很好，在-253（液氮温度）时仍有良好韧性。,钛与氮、碳结合生成的氮化钛、碳化钛也是非常耐热及坚硬的物质，是制作高耐热高耐磨工具的材料。,纯钛主要用于 350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,二、钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.,按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加
7、顺序号表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。,+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.,二、钛合金的种类及应用,（1）型钛合金（TA型）：,此类合金退火组织为单相固溶体（为密排六方晶格），不可热处理强化，强度较低，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优于其他钛合金。如导弹燃料罐、飞机压气机叶片。,（2）型钛合金（TB型）,该类合金（体心立方晶格）塑性好，易冷成形。其主要用于飞机上使用温度不高但要求高强度的零部件，如弹簧、紧固件、轴等。,（3）+型钛合金（TC型）,该合金室温为+两相混合组织，兼有上述型和型
8、钛合金的特点：强度高、塑性好，具有良好的耐热、耐蚀及低温韧性，综合性能突出，应用最广。主要用于400以下工作的飞机压气机叶片、火箭外壳、火箭液氢燃料箱、耐海水腐蚀的受力零件及化工耐蚀零件；,第 三 节:最 早 应 用 的 金 属 铜及铜合金,一、纯铜,纯铜密度为8.9g/cm3，属重金属，熔点为1083；其为面心立方晶格，强度低（但比纯铝高），塑性好，使其易于加工；其导电性、导热性仅次于银，居第二位，使其广泛用于电器及热交换产品场合,热轧铜合金,青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期
9、主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記一書中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。,青铜：第一种合金,夏钺,戈,铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54、锡16.40、铝1.12，为泥范铸造。,永乐大钟,中国古铜镜,Copper mirrors,27,Cu Sn Pb Zn,第一个合金材料：铜锡合金（青铜）,结构与性能的关系,Alloy,28,铜及铜合金,铜及铜合金性能特点纯铜呈
10、紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。,热轧铜合金,铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性.铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。,二、铜合金及其应用,黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。,常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、
11、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,青铜除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。加工青铜的牌号为：Q+主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。,青铜制品,常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,3铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.,铍青铜制品,常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。用
12、于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.,普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5,B5、B19等。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等.,白铜以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。,第 四 节：耐 热 又 耐 蚀 的 材 料 镍合金,一、纯镍的基本性能,镍是银白色的金属，密度为8.9g/cm3，熔点为1455，具有面心立方晶格，强度较高，塑性较好，导热性差，电阻较大。在空气、水、海水、许多盐溶液、有机介质特别是各种碱液中因镍表
13、面的钝化膜保护而有极强的耐蚀性，其耐海水及热碱腐蚀的能力在金属中表现突出.。,二、镍合金及其应用,镍合金是在镍中加入铜、铬、钼、钨、钛、铝等而形成的，用于高温、耐蚀场合。,超耐热合金定义能在7001200高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。对高温材料的要求在高温下有优良的抗腐蚀性在高温下有较高的强度和韧性,40,超耐热合金,41,Example,航空燃起轮机中使用的高温合金示意图,1压气机叶片2燃烧室3涡轮盘4涡轮叶片,主要部件占发动机重量70由超耐热合金构成燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-Co基合金制造高压氧涡轮泵和高压氢涡轮
14、泵上的叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成,Metals with high melting point,原子中未成对的价电子数很多强化学键；原子半径较小晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大。,42,铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢中温（600800）条件下使用镍基超耐热合金镍含量一般50%在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力钴基超耐热合金含钴量4065的奥氏体高温合金在7301100下，具有一定的高温 强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。,43,超耐热合金的分类,Chapter6 Metallic Materials,44,提高超耐热合
15、金性能的途径,45,(1),在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3或SiO2等氧化物保护膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀的主要措施。,合金结构,46,(2),工艺技术,定向凝固叶片旋转时，所受的拉力和热应力，平行于叶片纵轴，定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使得热疲劳寿命提高10倍以上。,粉末冶金采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成型工序制成零件，可以消除偏析现象，组织成分均匀并可以大大节省材料,第五节：多功能多用途的材料 稀有金属,、稀有金属在国民经济中的地位,二、几种典型稀有金属,1
16、锂及其应用,锂其密度仅为0.54g/cm3左右，熔点低，约180，化学性活泼。,锂可用在制造微晶玻璃（可用于制造耐热炊具）、黑白电视显像管、绝缘泡沫玻璃等方面。,锂基润滑脂具有独特的润滑性能，工作温度范围宽（-60200），安定性和抗水性好，使用寿命长，应用广泛。,2钨及其应用,钨是熔点最高（3400）的纯金属，故钨合金可作为高温结构材料，如制造喷气发动机喷咀、进出口套管及飞船发动机推进器等,3钼及其应用,钼的性质同钨较接近，其熔点约2620，在高温下具有较高的高温强度。在1000以上，钼的比强度是最高的，因此他是极有用的高温结构材料,4锆和铍,锆是类似于钛一样易钝化的高熔点金属（熔点达180
17、0），具有类似于钛的耐蚀性，并且具有很低的慢中子吸收截面，是原子能工业中的重要结构材料，具有比钢高得多的比强度和比刚度，并在高温下也能保持较高的强度和刚度，已用于卫星结构件。,第 六 节：材 料 开 发 的 魔 水 神奇的稀土元素,、在冶金行业的应用,稀土作为添加剂，可以净化钢液，改变钢中夹杂物的形态和分布；细化晶粒，改善钢的组织，从而改进合金的力学、物理和加工性能，提高合金的热稳定性和耐腐蚀性。,稀土在铸铁中除有除气净化作用之外，还可使石墨形态球化，细化晶粒，从而提高铸铁的强度、耐磨性以及铸造性能等,二、在玻璃陶瓷行业的应用,稀土可使玻璃着色，如铈钛氧化物能使玻璃变黄，添加氧化钕的玻璃呈鲜红
18、色，高品位的氧化镨可使玻璃变成绿色。以氧化钇、氧化镝为主再配以其他稀土而制得的高温透明陶瓷及红色、绿黄色玻璃。,三、在石油化工上的应用,他们的催化活性优于不含稀土的分子筛催化剂。用于炼油业作石油裂解的催化裂化剂，可以提高汽油等轻质油的产出率约5%，提高裂解装置能力约20%30%。,四、稀土在生物方面的应用,稀土可对生物体内激素或酶的形成或激活起催化作用，被称之为“超级激素”。,稀土还是一种生理激活剂，饲料中添加少量稀土可以激活动物体内的生长因子，促进酶的转化，提高饲料转化率，促进动物生长发育，增强动物的免疫功能。,五、在轻工印染行业上的应用,稀土催干剂广泛用于油漆行业，代替钴及其他传统的有色金
19、属催干剂，具有无铅、低毒等优点，在印染工业上使用稀土作为助染剂。,六、稀土磁性材料,稀土磁性材料包括稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存贮材料及稀土巨磁阻材料等。,七、稀土荧光、发光材料,稀土荧光、发光材料包括灯用稀土荧光材料、显示用发光材料、稀土卤化物灯用发光材料、稀土激光材料等。,八、稀土贮氢材料,一般为含有稀土金属元素的合金或金属间化合物，如LaNi5。,九、汽车尾气净化用催化剂材料,由于稀土尾气催化剂独特的优点，不仅可以节约稀少的贵金属资源，又能显著降低催化剂的成本。,十、其它,用稀土铈可代替有严重放射性的钍制作的电极材料；钐、铕、钆的热中子俘获截面在材料中名列前茅，可用于原子能反应堆中的结构材料及控制棒。,
