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1、1,非铁金属材料是指钢铁材料以外的各种金属材料，又称为有色金属，而把钢铁材料称为黑色金属。这些金属及其合金具有许多特殊的性能，例如比强度高、导电性或导热性好、耐腐蚀性及耐热性高等。因为他们有着钢铁材料无法替代的性能，所以在机电、仪表、特别是航海、航空、航天等工业中具有重要的作用。本章仅介绍几种工程材料中常用的非铁金属的性能特点及使用状况。,第八章 非铁金属材料,铝及铝合金 铜及铜合金钛及钛合金 铸造轴承合金,2,一、纯铝二、常用铝合金三、铝合金的热处理,第一节 铝及铝合金,3,一、工业纯铝,1特点,比重小、比强度高 比重为2.7g/cm3，仅为钢的三分之一，铝合金经处理后，单位质量材料能承受的
2、载荷远大于高强度钢。优良的物理、化学性能 导电性和导热性仅次于Au、Ag、Cu，但单位重量的导电能力却是铜的200。铝表面可生成致密的氧化膜，可以有效的抵抗大气腐蚀，但不耐酸、碱、盐液腐蚀。铝为非铁磁性材料。良好的加工性能 强度不高(b80100MPa)，塑性很好(3540 80),熔点低(Tm=660)。冷变形、切削、铸造、焊接都比较容易。含杂质。Fe,Si,Cu,Zn,Mg等，前两者常见。形成杂质相，降低Al的塑性、导电性和耐腐蚀性,4,2、工业纯铝的牌号和用途,（1）工业纯铝（Al9999.85%）铸造纯铝:如 ZAl99.5（GB/T80631994）Z 铸造 Al 铝的元素符号 99
3、.5 Al的含量99.5 wt,变形铝：如 lA99（GB/T164741996）l 表示组别（1：纯Al，2：含Cu 3：含Mn，4：含Si，5：含Mg）A 原始铝或铝合金（B：改型）99 铝的含量99 wt,（2）高纯Al（Al 99.85%）牌号：L01、L02、L03、L04 编号愈大，表示纯度愈高 用途：电子器件、科学研究,用途：电线、电缆、器皿等,5,二、铝合金,1、定义：由于纯Al的强度低，通常加入合金元素来提高纯Al的强度，添加了合金元素的材料统称为Al合金。,2、Al合金的相图 Al合金中的主要添加元素：Cu、Mg、Zn、Si、Mn和 Re 铝和大部分金属元素的相图如图所示。
4、它们与Al常构成共晶相图，如右图所示。不同元素在Al中的固溶度不同，即在右图中的D、F点位置不同,6,3常见Al合金,根据合金的成分和生产工艺不同，将铝合金分为两类：变形铝合金和铸造铝合金。,成分小于D点的合金，可由铝合金铸锭经过冷、热加工后形成的各种规格的板、棒、带、丝、管状等型材变形铝合金。在变形铝合金中，成分小于F点的合金不能热处理强化（防锈铝），成分在F-D点之间的合金能热处理强化（硬铝）。成分大于D点的合金，由于凝固时发生共晶反应，熔点低、流动性好，塑性较差，可由液态直接浇注成工件毛坯，适于铸造铸造铝合金；,7,三铝合金的热处理,工艺：固相线以下2040，保温几个小时至几十个小时 目
5、的：使成分均匀化，消除加工硬化，消除内应力，改善性能。,2、时效强化,1、退火,（1）时效强化处理钢淬火后得到含碳过饱和的马氏体组织，强度、硬度显著提高而塑性、韧性急剧降低，回火时马氏体发生分解，强度、硬度降低，塑性、韧性提高铝合金的时效强化处理也要进行淬火，得到过饱和固溶体，但其强度、硬度并不高，而塑性、韧性较好，过饱和固溶体在随后的室温或加热条件下再发生分解，并出现时效现象,三种工艺,退火,时效回归,8,时效强化现象,固溶热处理：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热处理（淬火）。时效处理：这种过饱和固溶体是不稳定的
6、，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，随着停留时间的延长，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。分为自然时效（室温）和人工时效（加热）两种。含4Cu的铝合金，固溶强化后强度为250MPa自然失效后（45天）达到400MPa。,9,时效规律,时效温度越高,强度峰值越低,强化效果越小；时效温度越高,时效速度越快,强度峰值出现所需时间越短；低温使原子扩散能力弱，固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性,抑制时效的进行。,10,（3）时效强化的机理,铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的共格及半共格沉淀相（尺寸小于100nm的第二相）
7、有关。,两相独立,11,例子：Cu-Al合金,第一阶段，形成富铜区（GPI区），溶质原子的富集，引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。,第二阶段，形成GPII，Gp区有序化,随着原子的进一步富集，原子有序的排列起来，成分结构接近CuAl2，称”，与母相共格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。,第三阶段，形成过渡相，溶质原子继续富集，化学成分逐渐达到CuAl2的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。,第四阶段，相形成与长大，形成稳定的CuAl2。与母相完全脱离共格联系，形成和两独立相（图8-4 b），晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合金发
8、生软化，这种现象称“过时效“。,Cu和Al形成有限固溶体，两者原子半径相近且晶格均为FCC,Wcu=4.3%：室温为和，加热至550C，淬火，得过饱和，室温下缓慢向+转变,12,3、回归处理,将经过自然时效处理的铝合金在200-250C短时间（几秒至几分钟）加热然后迅速水冷，可是合金的性能又回到接近新淬火状态的水平，即可重新变软。这种性能复原的现象称为回归。经回归处理的合金在室温下放置一段时间，硬度和强度又重新上升，类似自然时效处理的状态，但回归次数一般不超过四次。在飞机制造业中，常采用回归处理使铝合金软化，以便进行铆接和修复工作。人工时效处理后的铝合金没有回归现象。,13,三、铝合金的牌号和
9、应用（自行阅读）,1.铸造铝合金,牌号：ZLxxx表示，ZL为铸铝，后为三位数字，第一个数字表示合金类型，即主合金元素(1Si 2Cu 3Mg 4Zn等)，后两位的顺序号表示其它合金元素，对应不同的化学成分，但在这里没有钢那样明显。各自的成分和性能特点查相关手册。,主要用途：铸造铝合金用于制造形状复杂的零件，例如仪表、内燃机活塞、飞机等壳体零件。主要利用质轻、比强度高的特点。,处理特点：铸造中采用钠盐变质处理来细化晶粒。事后进行均匀化、时效强化等处理。,14,常用铸造铝合金成分应用列表,15,2.形变铝合金,由冶金厂进行处理并加工成各种型材，包括铝板、铝带、铝棒、线材、管材、角铝和各种异型材等
10、，通常使用厂家不必再进行材质处理。,由于在合金中加入的合金元素不同，性能特点也各不相同。常见的形变铝合金有：,防锈铝合金硬铝合金超硬铝合金锻铝合金,16,硬铝：牌号LYxx 通常为Al-Cu-Mg合金。主要用来制造飞机的大梁和蒙皮等，也用来制造机械构件。,防锈铝：牌号LFxx，主要用来制造航空油箱、油管、以及器皿、日用品、门窗装饰品等。,17,锻铝：牌号LDxx，常为Al-Cu-Mg-Si合金。塑性较好，可锻造成型，用来制造一些复杂的结构零件。,形变铝合金的具体成分和性能指标参数参看教材附表。,超硬铝：牌号LCxx，通常为Al-Cu-Mg-Zn合金。主要用来制造飞机上受力大的零件。,18,第二
11、节 铜及铜合金,纯铜比重8.9g/cm3，熔点1083，fcc，无同素异晶转变。铜是人类用得最早的金属材料。,铜及其合金的性能特点,优异的导电性和导热性；对大气、水有良好的耐腐蚀性；良好的加工性能，可以冷、热变形成型，可以铸造成型，便于切削加工；强度不高、硬度低（b=200250 MPa，40-50HB）、塑性好（=50%，=70%）；但有些合金有好的减摩性、耐磨性，有些合金有高的弹性极限和疲劳极限；外表色泽美观。,19,一、工业纯铜,成分：以铜为主体，其他为杂质，其中常见元素有Pb、Bi、O、S、P等，它们降低了材料的导电、导热性能，特别是高温或低温下明显降低材料的塑性。,牌号：T1-T4
12、其铜的含量为。纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称为紫铜。,T1 99.95%T2 99.90%T3 99.70%T4 99.5%,用途：用于电工导体材料，制作电线、电缆、电气开关、导电垫圈、螺杆等。T3、T4为一般用铜材，制作油管、油嘴等。,再结晶退火是工业纯铜常用的热处理方式，以消除内应力，改变晶粒大小，退火温度一般在500-700C。退火铜应在水中快速冷却，减少加热时形成的氧化皮，得到光洁表面,20,二、铜合金,21,1.黄铜,Zn在很大范围内可以在Cu中溶解，Zn加入到Cu中形成的合金称为黄铜，这时材料呈颜色淡黄色。牌号：H+铜平均含量（数字）。H70:WCu=70%,真金不怕
13、火炼,22,双相黄铜：WZn32%,组织为和两相。强度较高，但塑性比单相黄铜差许多，在一定温度下，转变成单相，提高塑性，可进行热加工变形。,Zn能明显改善力学性能，并随Zn含量的增加，强度和塑性同时提高。单相黄铜：相,单相固溶体，冷塑性变形能力极好，当WZn=30-32时，延伸率达到最大值(10)；当Zn含量增加到45时，强度b达到最大值(约650MPa)，一般Wzn50%,超过此值后合金很脆，无应用价值。,Zn对黄铜性能的影响：,23,特殊黄铜 在Cu-Zn黄铜的基础上加入Sn、Pb、AL、Si、Mn等元素，改变相应的性能。,牌号：H元素符号XX-X，元素符号为Zn以外的主元素，第一部分数字
14、为含铜量，第二部分数字为Zn外的主元素量，余量为Zn。例如：HPb64-2表示含铜量为64%，含铅2%，其余为锌的黄铜。,用途：品种繁多，例如铅黄铜HPb64-2可用来制作钟表或汽车用一般零件；铝黄铜HAl77-2可用来制作齿轮、涡轮、衬套、螺旋桨的耐腐蚀零件等等。,24,自裂：经冷变形的黄铜工件，有时存放几天后会自行破裂，这种现象即黄铜的自裂。加工应力和腐蚀介质联合作用引起自裂。Wzn25%时，倾向于自裂。抑制自裂：去应力退火，或加入Si、As脱锌：黄铜在盐类水溶液中发生锌的腐蚀。Zn的电极电位比Cu低得多，更易发生电化学腐蚀。解决办法：降低锌含量(15%),黄铜的自裂与脱锌,25,2.青铜
15、,牌号：Q元素符号XX-X；其中：Q表示青铜 元素符号为主元素 第一部分数字为主合金元素的含量 第二部分数字为其它合金元素的含量。对铸造青铜在前面加字母Z。,以Sn或Al或Be为主要合金元素的铜合金表面呈青灰色，Cu-Sn合金为主,26,（1）锡青铜（Cu-Sn合金）成分：Sn=3 14 wt%性能：Sn 7 wt%（单相）塑性好，适用于冷加工成型。Sn=10-14 wt%（包晶）强度高，适用于铸造成型。耐腐蚀能力：表面形成致密膜，在大气、海水、碱性溶液中优于黄铜，但在氨水和酸性溶液中极易腐蚀 用途：铸造形状复杂，截面厚薄相差较大的制器。,27,（2）铝青铜（CuAl合金）成分：Al=57 w
16、t%；性能：Al=57 wt%适用于冷加工 Al=712 wt%适用于铸造，与锡青铜相比，强度、硬度 和耐腐蚀性更好。用途：齿轮、涡轮、弹簧及船用耐蚀零件（3）鈹青铜（CuBe合金）成分：Be=1.72.5 wt%性能：可通过热处理和加工硬化获得高的强度和硬度，最高b=1500 MPa，超过了40Cr钢调质后的强度(1000MPa).此外，具有高的弹性极限和疲劳极限，高的耐腐蚀性和好的导电性能。用途：制造耐磨件，如齿轮、衬套和电接触器,28,3.白铜,白铜是CuNi系合金，以及Cu-Ni-Zn、Cu-Ni-Mn系合金的通称。,这类铜合金不仅具有较好的强度和优良的塑性，可以进行冷、热变形加工，而
17、且耐腐蚀性很好。主要用来制造蒸气和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、化工机械零件及医疗器械等。含锰量较高的白铜可用来制作热电偶丝及变阻器，另一典型用途就是镶牙和制作奖牌。,29,第三节 铸造轴承合金,30,一、轴与轴瓦的配合,轴是最基本和常用的重要构件，轴需要轴承来支撑，并且轴和轴承之间存在着相对运动，有时是高速运动。为了使轴受到的磨损最小，使用寿命延长，必须减小轴与轴瓦间的摩擦；轴的加工周期长，成本高，相对而言，轴瓦更换更容易，这就需要有良好的减摩材料来制造轴瓦或内衬。,31,二、轴承合金的性能与组织,制造轴瓦或内衬的合金称为铸造轴承合金。,有较小的摩擦系数，并能保持润滑剂以减轻轴的磨损；
18、有较高的抗压强度和疲劳强度，以承受工作中的负荷；有足够的塑性和韧性，抵抗冲击和振动；有高的耐磨性，但又不能损伤轴颈；有好的导热性和耐蚀性，防止咬合及抗润滑剂的腐蚀。,1.轴承合金的性能特点,32,软基体上均匀分布硬质点；硬基体上均匀分布软质点。,2.轴承合金的组织,轴在轴瓦中转动时，软基体被磨损而凹陷，硬质点耐磨相对凸起。凹陷部分可保持润滑油，凸起部分可支持轴的压力，并使轴与轴瓦的接触面积减小，保证了近乎理想的摩擦条件和极低的摩擦系数；另外，软基体还能嵌藏外来硬质点，以免划伤轴颈。,33,三、常用铸造轴承合金,铸造轴承合金按成分分有锡基、铅基、铝基、铜基、铁基，前两种用得最多，常称为“巴氏合金”，因材料较软以内衬形式焊合在轴瓦上。,黑：软基体；白：硬质点,
