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1、第三章 金属材料,3.1 碳钢3.2 合金钢3.3 铸钢与铸铁3.4 有色金属及其合金,黑色金属,3.4 有色金属及其合金,3.4.1 铝及铝合金3.4.2 铜及铜合金3.4.3 钛及钛合金3.4.4 轴承合金,3,特性：(1)密度小(2.7g/cm3)、比强度高(2)有优良的物理、化学性能 导电性好，抗大气腐蚀能力好(Al2O3)，磁化率极低,良好的低温性能(纯铝-235塑性和冲击韧度也不降低)(3)加工性能良好 铝(FCC,=3050%,=80%)及铝合金(退火状态)的塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。超高强铝合金成型后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。,3.4.1
2、 铝及铝合金,4,一、纯铝,分类:高纯铝：L05L01，数字越小，纯度越低工业高纯铝：L0，L00，“0”个数增加，纯度降低(LG5LG1)工业纯铝：L1L7，数字越大，纯度越低用途：高纯铝主要用于科学研究及制作电容器;工业高纯铝的主要用途是配制铝合金;工业纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。,5,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,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),二、铝合金,6,1、铝合金的分类及强化机制,变形铝合金：D点以左，加热时能形成单相固溶体组织，塑性好，适于变形加工Al-F不可热处理强化F-D
3、可热处理强化铸造铝合金：D点以右，由于冷却时有共晶反应发生,流动性较好,适于铸造生产,1)铝合金的分类,7,将成分位于相图中DF之间的合金加热到固溶线以上，保温获得单相后迅速水冷，得到过饱和的 固溶体,（2）时效强化（第二相强化）在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。,2）铝合金的强化机制,（1）固溶处理,时效的条件：合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,8,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;低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性
4、,抑制时效的进行。,9,回归,一切能时效硬化的合金都有回归现象。自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。,自然时效后的铝合金,在230 250 短时间(几秒至几分钟)加热后,快速水冷至室温时,可以重新变软。如再在室温下放置,则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。,10,2、变形铝合金,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号,11,（1）防锈铝合金,Al-Mn系 和Al-Mg系
5、合金Mg：固溶强化，降低密度，抗腐蚀Mn：固溶强化，抗腐蚀高的塑性，低中等强度，优良的抗腐蚀及焊接性能不能进行热处理强化，退火/冷作硬化态使用。LF21（3A21）(Al-Mn合金)用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。LF5（5A05）(Al-Mg合金)用于焊接容器、管道，以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。,12,（2）硬铝合金（Al-Cu-Mg系）,可时效强化，亦可形变强化Cu、Mg强化相，Mn耐蚀性强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。低合金硬铝 2A01(LY1)：Mg、Cu含量较低,塑性好,强度低。时效强化。常称铆钉硬铝。标
6、准硬铝 2A11(LY11)：合金元素中等，强度和塑性中等。退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件。高合金硬铝 2A12(LY12)：合金元素较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。,13,（3）超硬铝合金（Al-Mg-Zn-Cu系）,牌号有7A04(LC4)、7A09(LC9)等。固溶处理和人工时效强度最高的铝合金。抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。,飞机用座椅轨道及航空零件,飞机前起落架,14,(4)
7、锻铝合金（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系）,牌号2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10)合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。固溶处理和人工时效。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件,15,变形铝合金的主要牌号、成分、机械性能及用途,16,3、铸造铝合金,2)性能特点良好的铸造性能力学性能不如变形铝合金成本较低3)应用：适合于形状复杂的零构件、箱体、壳体、活塞等,1）分类及牌号,铝合金发动机缸体和缸盖,17,铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小）,变质处理 显著提高力学性能。组织 变质前，共晶体（粗针状S
8、i+基体）+初晶Si 变质后，共晶体（细点状Si+基体）+初晶,ZL102的铸态组织，未变质，500,变质处理后，100,Al-Si 铸造铝合金（硅铝明）,18,3.4.2 铜及铜合金,铜及铜合金有下列特性：(1)优异的物理、化学性能导电性、导热性极佳；对大气和水的抗蚀能力很高；铜是抗磁性物质。(2)良好的加工性能塑性加工性能优良，容易冷、热成型；切削加工性能优良，铸造铜合金有很好的铸造性能；焊接性好。(3)某些特殊机械性 例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)，抗卡咬，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)，弹性稳定。(4)色泽美观,19,一、纯铜（紫铜）,FCC，无同素异构体，牌号T1
9、T4，编号越大，纯度越低。纯铜主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低,不宜作结构材料。,纯铜管,20,（）黄铜 Cu-Zn系合金,普通黄铜：单相黄铜 如 H80，含 80%Cu，单相，塑性好，可冷成型 双相黄铜 如 H62，+，可热变形,二、铜合金,铜+合金元素铜合金 黄铜、青铜和白铜,21,(a)单相黄铜,Cu-Zn合金的显微组织,(b)双相黄铜+,组织,工业黄铜的实际锌含量多47，其退火组织可以是单相 或双相+。,22,牌号、性能、用途,单相黄铜H80、H70、H68 塑性很好，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。双相黄铜H62、H59 可进行热变形，常热轧成棒材、板
10、材。可铸造。,23,复杂黄铜 改善Cu-Zn合金的耐蚀性、机械性能。,钟表,海船,海船,船舶及化工机械,编号：H+主加元素符号+铜质量分数+主加元素质量分数,24,黄铜制品,25,压力加工青铜Sn青铜 如 QSn4-3，含4%Sn、3%Zn，其余为 Cu。做轴承、弹簧等。Al青铜 如 QAl 10-3-1.5，做耐蚀、抗磨的齿轮、轴套等 Be青铜 如 QBe2，做重要弹簧，高速轴承等。铸造青铜 如Sn青铜，ZCuSn10Zn2。,（2）青铜 Cu-Sn系合金,船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖),26,（3）白铜 Cu-Ni 系合金,以镍为主要合金元素，B（白）+镍质量分数，例B19铜、
11、镍无限固溶，单相，可冷、热变形，较好的强度和优良的塑性。它的抗蚀性很好，电阻率较高。用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。,27,钛及钛合金,钛及钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵。,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,28,纯钛,性能：银白色，熔点1680，密度4.54 g/cm3，比铝大但比钢轻43%。钛有很好的强度，约为铝的6倍，所以钛的比强度（强度/相对密度）在结构材料中是很高的。钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。晶体结构同素异构转变 882.5
12、时，密排六方-Ti-Ti（体心立方）牌号及用途工业纯钛 TA1TA3，编号越大杂质越多纯钛可制作在350以下工作的、强度要求不高的零件。,29,合金元素溶入-Ti 中，形成固溶体，溶人-Ti 中形成 固溶体。,二、钛合金,铝、碳、氮、氧、硼等为稳定化元素。,铁、钼、镁、铬、锰、钒为 稳定化元素。,分类：a 钛合金、钛合金和(a+)钛合金。牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。,30,钛中加入铝、硼等稳定化元素获得钛合金。钛合金的室温强度低于 和(a+)钛合金，但高温(500一600)强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热
13、处理只进行退火(消除应力退火或再结晶退火)。典型牌号：TA7，成分：Ti-5Al-2.5Sn用途：使用温度500；主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。,（1）钛合金,钛泵,31,钛中加入钼、铬、钒等 稳定化元素得到 钛合金。钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。在时效状态下，合金的组织为相和弥散分布的细小相粒子。典型牌号：TBl，成分：Ti-3Al-13V-11Cr用途：一般在 350以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。,(2)钛合金,32,钛中加入a 和 稳定化元素所得到的(a+)钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压
14、，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50%100%,(3)(a+)钛合金,典型牌号：TC4，成分：Ti-6Al-4V强度高，塑性好，在400时组织稳定，蠕变强度较高，低温韧性好，抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀用途：在400 以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。,块状()基体针状,33,(1)退火 消除应力退火，450650，14h 再结晶退火，650850，13h 消除加工硬化。(2)淬火和时效：适用 钛合金和(a+)钛合金 目的：提高钛合金的强度和硬度。淬火温度：a+两相区的上部范围，淬火后部分a保留下来，细小的相转为
15、成介稳定相或a相或两种均有，经时效后获得好的综合机械性能。若加热到区，晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。钛合金的时效温度一般在450一550 之间。,三、钛及钛合金的热处理,34,3.4.4 轴承合金,滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料工作条件：轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷性能：强硬度、塑韧性和疲劳强度好，与轴的磨合能力、减摩性好、导热、较小的膨胀系数、抗蚀性好,轴瓦,35,ZChSnSb11-6的组织，100,组织特点,既软又硬:在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。,软基体硬质点硬基体软质点,36,代号：ZCh基本元素符号（Sn或Pb）
16、主加元素符号主加元素含量+辅加元素含量。Z铸造，Ch轴承ZChSnSb11-6表示含w(Sb)=11%、w(Cu)=6%、余量为锡Sn的锡基轴承合金，ZChPbSb16-16-2表示含w(Sb)=16%、w(Sn)=16%、w(Cu)=2%、余量为铅Pb的铅基轴承合金。,工业上常用的是锡基、铅基轴承合金,又称巴氏合金,37,(1)Sn基轴承合金(锡基巴氏合金),软基体硬质点ZChSnSb11-6（含11%Sb，6%Cu，余Sn）。软基体+硬质点（白方块是-SnSb 白针状Cu6Sn5）,摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，制造重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低(不高于150)。,38,也是一种软基体硬质点类型ZChPbSb16-16-2()共晶软基体+硬质点（方块状SnSb+针状Cu6Sn5）,(2)Pb基轴承合金(铅基巴氏合金),合金的铸造性能和耐磨性较好(但比锡基轴承合金低)，价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,39,
