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1.工业纯铝的特性1密度较小，约为2.7g/cm3 ；面心立方晶格（FCC）；2无同素异晶转变；导电、导热性好，仅次于银、金、铜。极强的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面生成致密的氧化膜，保护了内部金属不被腐蚀钝化现象。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀3；非磁性、无火花材料；4强度低，塑性好，比强度高；2. 用于制作铝合金的合金元素大致分为主加元素（硅、铜、镁、锌、锰等）和辅加元素（铬、钛、锆等）。铝与主加元素的二元相图一般都具有右图所示形式，根据该相图上最大溶解度D点，把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。成分在D点以左的合金，加热到固溶线以上时，可得到单相固溶体，塑性好，宜于进行压力加工，称为变形铝合金。变形铝合金又分为两类：成分在F点以左的合金，固溶体成分不随温度而变，属热处理不可强化合金；成分在DF点之间的合金，固溶体成分随温度而变，属热处理可强化铝合金。成分在D点以右的合金，由于有共晶组织存在，适于铸造，称为铸造铝合金。铸造铝合金中有成分随温度变化的固溶体，也能用热处理强化。但距D点越远，强化效果愈不明显。3 牌号 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4. 常用变形铝合金 防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度 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。 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 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5. Si对铝合金组织和性能的影响仅含硅元素的铝硅合金（如ZL102）通常称硅铝明。铸造后几乎全部得到共晶体组织(+Si), 1）具有优良的铸造性能：熔点低；流动性好（充型能力）；收缩小（热裂倾向小）。2） 对力学性能的影响：抗拉强度（需经变质处理）200MPa以上；伸长率（可达6%12%）；当Si14%，性能急剧恶化。3）对物理、化学性能的影响：降低密度（Si密度2.35）；降低导电性能；电导率下降（存在转折01.65）；耐磨性提高；线胀系数下降；抗蚀性好（Al2O3与SiO2保护膜、电位差小）；应力腐蚀倾向小。 4）对切削性能的影响：比Al-Cu、Al-Mg等铸造铝合金差，仅比纯铝好。共晶体增多可提高切削性能。过共晶范围随Si量增多切削功降低，但表面光洁度逐渐变差，产生积屑瘤，形成刀痕。 5）改善方法：细化初晶Si；加入易切削元素（Sn、Bi、Pb等）；加热切削、电解磨削、加入切削液等。6. 1. 变质处理在一般情况下，ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和 固溶体构成, 强度和塑性都较差。 浇铸前向合金液中加入占合金重量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 显著提高合金的强度及塑性。这种处理方法即是变质处理。 经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体加初生 固溶体,获得亚共晶组织是由于加入钠盐后，铸造冷却较快时共晶点右移的缘故。 其他变质方法 急冷，增加过冷度，控制Si晶体的长大 加入高纯Si(低P含量)；消除P异质晶核的作用 加入其它变质剂(详见后)7. 变质处理 Na或Na盐存在的问题：与水反应生成氢气，使得铸件产生皮下气泡 2增加粘度，阻碍气泡和夹杂的排除3.Na有效变质时间短（4060min），且温度越高，失效约快4.制备保存困难5.对坩埚和工具等设备腐蚀严重 其他变质剂：Sr (0.020.06%)：延长有效时间RE (1%)Sb (0.10.5%)：大大延长变质时间 Bi (0.20.25)过共晶Al-Si合金的变质(细化初晶Si) 加变质元素P，增加AlP异质核心的作用加As(砷)，生成AlAs，作用类似 超声波振动结晶 急冷 低温铸造 高压铸造8 固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。这种相称为固溶体。工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。 9 固溶体分成置换式固溶体和间隙式固溶体两大类。置换式固溶体溶质原子处于溶剂原子的位置上，即置换了溶剂原子，如黄铜中，锌置换了铜原子；间隙式固溶体是溶质原子处于溶剂原子的间隙处，如铁中，碳原子处在铁原子排列的间隙处. 10 淬火：将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、贝氏体和奥氏体等的热处理工艺。11 含铜量对Al-Cu二元合金力学性能的影响1.含铜量在5.0%6.0%，抗拉强度最大，伸长率降低。6%时两者均急剧下降 2.含铜量在4.0%6.0%，铸造性能差（热裂倾向大，收缩率大，共晶体中CuAl2在熔点附件塑性很低，收缩时易拉裂3.含铜量提高，力学性能降低，固溶体与CuAl2间电位差较大，耐腐蚀性不好。 4.铜铝二元合金铸造性能差，应用不广，可加入Mn、Ti、Ni、Cd、Ce（铈）等元素获得高强度和耐热合金。 12 含Ti量对合金性能的影响少量Ti可使组织细化，成分分不均匀，提高强化效果，0.2%0.25%最佳，过多产生Ti的偏析13 杂质对合金性能的影响 控制杂质含量 硅影响最大14 高强度合金特点：1.材料纯度高。多采用高纯铝配制，杂质铁、硅含量控制严2.加入有益微量元素15 耐热铸造铝合金 是指在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷(动态和静态)的长时间作用下，具有抗塑性变形(蠕变)和破坏能力及导热性好和密度低等特点。16 铸造耐热铝合金的耐热性影响因素1.固溶体化学成分固溶体化学组成愈复杂，组织结构愈稳定，合金的耐热性愈好2.第二相性质 第二相的热稳定性愈高，晶粒愈细，沿晶界分布的弥散相愈高，则愈能阻滞固溶体在高温下的变形，合金的耐热性就越好17 提高铸造耐热铝合金耐热性的途径：1.固溶体强化 耐热温度高低取决于原子键结合的强度，在合金中添加合适的元素，可以大大提高原子键结合强度，提高耐热性。多元合金较二元合金原子键结合强度大2.第二相性质 第二相即热处理过程中的析出相。析出相化学组成和晶格结构越复杂，和固溶体结构组成差别越大，形成新相得扩散越慢，高温下溶解度变化越小，合金抗热和蠕变能力越高3.第二相得形状和分布游离片状或多面体、球体对基体变形阻碍作用小，没有强化作用。形状复杂、热稳定性好、在晶界上形成封闭的网状或骨架状分布的第二相对耐热性较好.晶界性质、晶粒大小和加入微量元素的 元素沿晶界形成网膜可提高晶界强度和抗蠕变能力，使晶间裂纹不易发展。某元素分布在晶粒内部能强化固溶体和提高再结晶 均匀固溶体单相合金，晶粒大耐热性高。有第二相的多相合金，晶粒愈细，耐热性越高18 合金元素对铝镁合金的影响1、Si a硅是ZL301（镁含量较高）的有害杂质，但1%左右的硅可改善ZL301的铸造性能 b在含镁量较少（5%）的ZL303，Si会使其室温力学性能降低，但会提高高温力学性能c硅的存在对合金的耐蚀性能影响不大19 、镁及镁合金的特性a比重轻 镁(1.74) 铝(2.70) 铁(7.87)；b比强度和比刚度 比铝、钢高；c良好的阻尼减震性能；d优良的导电、导热性能；e良好的电磁屏蔽性能；f良好的机加工性能；g废料易回收重复使用；20 镁合金分类1镁合金一般按三种分类方式：化学成分、成形工艺和是否含Zr。a化学成分：二元、三元和多元，一般将Mg与其中最主要元素归为不同二元系(如Mg-Al、Mg-RE等)；b成形工艺：变形镁合金和铸造镁合金(砂型、金属型、挤压、低压、高压、熔模)；c是否含锆：含锆和不含锆(Zr主要作用是细化晶粒)21 镁及镁合金的耐腐蚀技术 提高镁合金耐蚀性能：a提高镁及镁合金的纯度；b 添加新合金化元素开发新合金；c表面保护；化学处理、阳极氧化、有机物涂层、电镀d 采用新工艺和新技术；快速凝固技术、离子注入激光表面熔覆22 铜合金的优点及其分类 1. 优点： 较高的力学性能、耐磨性能，很高的导热性和导电性，抗腐蚀性能好 2.分类： 青铜：不以锌为主加元素的统称为青铜，按主加元素不同分为锡青铜、铝青铜、铅青铜、铍青铜等。黄铜：以锌为主加元素的称为黄铜，按第二种合金元素的不同分为锰黄铜、铝黄铜、硅黄铜、铅黄铜23 铜锡二元合金的性能及工艺特点a力学性能：取决于组织中+ 共析体比例，含锡量及冷却速度决定，含锡5%10%最佳b结晶温度宽，形成缩松，储存润滑油（耐磨件有利），可退火改善。c糊状凝固，线收缩，易热裂d锡不易氧化，不易蒸发，不需挡渣系统，不用底铸e线收缩率是铜合金中最小的，冷裂倾向小，适用铸造形状复杂的铸件或工艺品f反偏析：铸件表面会渗出灰白色颗粒状富锡分泌物，俗称“冒锡汗”24 防止反偏析的工艺措施1.放置冷铁（金属激冷物），提高冷却速度，出现层状凝固;2.调整化学成分，如加入锌，缩小结晶温度范围；3.采取有效地精炼除气措施，减少合金中的含气量25 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜（Sn，Pb，Zn46） 铅的作用：自润滑，降低摩擦系数，提高耐磨性；有助于消除显微缩松，提高耐水压性能；改善切削加工性能含铅量上限为6%，太高力学性能明显下降26 铝青铜性能特点a力学性能： 取决于铝含量，6%伸长率最高，11%强度最高，一般控制在911%b抗腐蚀性能：表面有一层致密的Al2O3惰性保护膜，在海水、氯盐及酸性介质中有良好的抗腐蚀性。但不能出现2相（阳极），可加4%左右的镍扩大相，消除2相c铸造性能：结晶温度范围小，流动性好，铸件组织致密，壁厚效应小。凝固时体收缩率较大，易形成集中性大缩孔，需严格控制顺序凝固（冷铁）27 铝青铜的缓冷脆性铝青铜的特有缺陷，即在缓慢冷却的条件下，共析 +2（586）的产物2呈网状在相晶上析出，形成隔离晶体联结的脆性硬壳，使合金发脆，即“缓冷脆性”，也称为“自动退火脆性”28 消除缓冷特性的工艺措a施加入铁、锰等合金，增加相稳定性；b加入镍扩大相区，消除相；c提高冷却速度29 黄铜优缺点结晶温度范围小，充型能力强，锌沸点低可除气，因而铸造性能好，力学性能比锡青铜高应用广泛缺点：脱锌腐蚀。形成微电池，阳极相（富锌相）腐蚀，剩下相（铜）骨架30 性能a力学性能1.与锌含量有关，32%为单相组织（铜为基的固溶体），面心立方晶格，塑性好；2.30%左右伸长率最大，继续增加含量，伸长率下降；3.32%39%出现相（CuZn为基的固溶体），体心立方晶格，强度硬度高；4.室温下至45%出现峰值，超过此含量后强度、伸长率均剧烈下降b铸造性能1.结晶温度范围小，流动性好，熔化温度比锡青铜低；2.锌本身是脱氧剂，不用脱氧，铸造工艺简单；3.含锌40%的黄铜沸点只有1050，低于熔炼温度，能带走铜液中的气体和夹杂；4. 收缩率较大，易形成缩孔，应设计大的冒口和冷铁31 提高铸造黄铜性能的途径1.合金化 加入铝、锰、硅、铅、镍等合金，通过固溶强化相和相，在保留良好铸造性能的同时，提高力学性能抗腐蚀性能和切削性能等；2.细化晶粒 加入铁活微量硼、钒、锆等元素，细化晶粒，提高力学性能，改善铸造性能3.提高合金纯度 严格控制杂质铋、硫等含量（形成低熔点相），可加入铈钙锂等改善32 锌铝合金的类型a按铸造方法分，可分为压铸合金和重力铸造合金两大类；b按用途来分，可分为仪表用合金、阻尼合金、模具合金及零件耐磨合金等。33 锌铝合金的使用特点：a良好的轴承性能，具有较低的摩擦系数、较高的承载能力和较高的耐磨性b成本低、能耗少及污染小，锌铝铸造合金的生产成本仅为铜合金的1/3c生产周期短，锌金属熔化潜热比铝低，传递到模具上的热量少d机加工性能好e表面质量优越，可经受各种防腐装饰处理f良好的耐腐蚀性g较高的导电导热性，与铜、铝合金基本相同h良好的铸造成型性能，可铸造较薄的铸件i非磁性及非火花性，可制造抗干扰零件j良好的电磁性及无线电屏蔽性34 锌铝合金的结晶特点a合金含铝量的不同出现共晶、包晶及匀晶反应b出现固相、及其他相c固态相变：共析转变、脱溶反应、调幅分解35 合金元素的作用a Cu：1.提高合金抗拉强度、硬度，2.提高合金韧性(Cu%=2% 3.过高会增加热裂倾向b,Mg：1.少量镁提高屈服强度、抗拉强度、硬度(0.01%)2.降低韧性、塑性 降低蠕变趋势 提高抗晶间腐蚀 提高耐磨性过高 提高热裂倾向出现明显屈服点c.Mn：稍提高合金屈服强度、抗拉强度，其他无明显影响d.Si：使等轴枝晶变为取向的树枝状枝晶在低Al合金中出现块状Si相e杂质元素铅和锡：降低抗拉强度、冲击韧性及伸长率铁含量大于0.2%降低伸长率36 钛合金的特点a优点 比强度高 抗蚀性好(海水、氨介质) 耐热性较好(400500 oC) 我国Ti资源丰富 b 缺点 制取工艺复杂 价格昂贵37 钛的合金化1.a稳定元素为了衡量a稳定元素 在钛合金中稳定a相的程度，提出了铝当量的概念2. 中性元素定义：对Ti的b转变温度影响不明显的元素特征：a一般在a、b两相中均有较大的溶解度，甚至形成无限固溶体(Zr)bSn、Ce、La、Mg等也属中性元素c也能对a相起到强化作用，同时降低塑性，但影响不如Al大dCe、La等稀土元素可起到细化晶粒、提高热稳定性、提高高温抗拉强度的作用。3.b稳定元素 定义：降低Ti的b转变温度的元素 特征：又可分为b同晶稳定元素和b共析稳定元素b同晶稳定元素与b-Ti晶格类似，能与其形成无限置换互溶，而在a-Ti中有限互溶b共析稳定元素在a和b-Ti中均为有限固溶，但在b-Ti中溶解度较大，与Ti形成具有共析反应的相图，这类元素又可分为慢共析和快共析两种。38 马氏体相变原理：钛或钛合金中的相在快冷时原子来不及通过扩散转变成平衡相，只能通过切变方式近程迁移，形成稳定元素过饱和的固溶体，实质上也是同素异构转变。特征：表面出现浮凸 39 马氏体力学性能 由于钛合金中马氏体是置换型固溶体，只有较小强化作用，另外， 严重降低屈服强度。40 相变1. 淬火相变 位于Ck附近的合金从相区淬火后可转变为相，相与相共格，为转变的中间过渡相。b晶型特征：合金元素含量较低时为六方结构；合金元素增加变为菱方晶系。c相变特征：无扩散转变，无表面浮凸。d组织形态：相离子尺寸很小且高度弥散分布。 2. 等温相变淬火后形成的亚稳相在550以下等温(回火或时效)可转变为相(等温相)。b相变特征：形核为切变方式，长大为扩散方式。c组织形态：椭球形或立方体形。力学性能：一种硬脆相，使得合金硬度、强度和弹性模量升高，但降低塑性(80%无宏观塑性)，50%时有较好强塑性配合。41 +钛合金的基本组织类型与性能a魏氏组织 获得条件：变形开始和终了温度都在相区，变形量较小(50%)；将合金加热到相区再缓慢冷却。组织特征：粗大的原始晶粒；晶界；晶内片状束，取向不一；晶界宽度和晶内束尺寸均受冷速影响。b网篮组织 获得条件：变形在转变温度附近，或在相区开始变形，在两相区终止变形，变形量较大(50%80%)。 组织特征：原始晶界被破坏；出现少量颗粒状晶界；晶内片状束变短，交错排列。c双态组织获得条件：在两相区上部变形或在两相区变形后加热到两相区上部温度再空冷(板条状+相+初生相)或淬火(针状马氏体+初生相)。组织特征：转变组织为基体；互不相连的初生相(50%)为基体；一定量的转变组织(温度过低将不发生转变)。42 各类组织性能特点：a魏氏组织 拉伸强度较高 塑性最差(晶粒粗大、网状晶界) 疲劳性能差 断裂韧性高(晶间断裂比例小，裂纹扩展路径曲折) 蠕变抗力及持久强度高(晶粒粗大、次生弥散度)b网篮组织(综合性能较优) 塑性略高于魏氏组织 疲劳性能高于魏氏组织 断裂韧性较低 极好的高温持久强度c双态组织和等轴组织 较高的疲劳性 较高的塑性 断裂韧性较差 高温性能也不如魏氏组织和网篮组织43 初生相对力学性能的影响：a、对强度影响不大；b、断面收缩率增大；c、疲劳极限提高；d、冲击韧性略有增加；e、抗蠕变及持久强度降低。其量为1545%综合性能最佳。 44 轴承合金 轴承的作用：支承轴颈；承受轴的压力和冲击；载荷传递轴承的分类：滑动轴承(工作平稳、承受较大载荷，速度高)；滚动轴承 45 基本性能要求a力学性能 抗挤压强度 工作温度范围内的硬度 抗冲击性能 疲劳强度抗咬合性 定义：发生干摩擦使轴承金属软化而被轴颈表面刮走的现象提高抗咬合性：轴承合金对润滑油的良好吸附能力；高温硬度 嵌藏性 镶嵌掉下的硬质点而不致划伤表面 顺应性 轴承合金以塑性变形来适应轴的方向摩擦性能 耐磨性减磨性(摩擦因数尽量小) 硬质点托起轴颈 硬质点减小轴与轴承接触面积 硬质点使润滑油均匀分布 耐腐蚀性 抵抗润滑油中的有机酸和硫化物的腐蚀作用 导热性 避免温升而影响机器正常运转46 比重偏析 密度SbSn，相比重小于相，结晶时上浮 消除措施：加入Cu出现化合物Cu6Sn5 形成针状或星状骨架适量加入Cu(2.56.0%)，否则发脆47 ZchSnSb11-6合金优缺点： 150 oC时有较高强度 磨损小 比重偏析小 导热性好 线胀系数小 抗咬合性好 耐腐蚀 塑性较差 疲劳强度较差48 铅基轴承合金 性能特点a塑性好b疲劳强度较锡基合金高c成本低廉d力学性能较差e耐腐蚀性能较差f常常靠添加合金元素(Sb、Sn、Cu、Ni、Na、Ca等)来提高综合性能和使用性能49 铅钙钠系合金三元合金性能特点 1. 高温强度好；抗咬合性好；抗冲击性好；2. 氧化倾向严重；线胀系数大；耐蚀性差；3.熔炼工艺复杂 Mg可减少Ca和Na的烧损，Sn可改善合金与钢壳的黏结度。50 铝基轴承合金性能特点：密度小；导热性好(锡基和铅基合金的510倍) 力学性能高 高温硬度 线胀系数大 抗咬合性差 对轴颈的磨损大 熔炼温度高，易产生氧化膜 浇铸工艺复杂(可采用冷轧工艺直接制备双金属带51 形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当外界条件，材料的变形随之消失 单程形状记忆效应材料在高温下制成某种形状在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。 双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象， 或称为可逆形状记忆效应全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。只能在 富镍的Ti- Ni合金中出现。 52 热弹性热力学的化学自由能减少与弹性的非化学自由能增加之和达到某一极小值便停止长大，这种热效应和弹性效应之间的平衡状态就是热弹性。伪弹性或超弹性当合金受拉力，由母相经应力诱发发生相变，形成马氏体；当去除应力后，部分应变因应力诱发马氏体逆相变为母相而回复，称为伪弹性；当应变全部回复时称为超弹性。53 形状记忆合金性能特点 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆 性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有物相容性。54 时效效应：(马氏体的高温分解和马氏体稳定化)母相时效：沉淀相析出，起初沉淀过程抑制马氏体相变使Ms点降低；随着析出相长大，使母相出现溶质原子贫富区，使Ms点升高或降低，使形状记忆性能恶化马氏体状态时效：在As以下温度时效，发生马氏体稳定化，表现为As、Af升高，逆转变MP受到抑制；热弹性马氏体转变量减少；记忆效应恶化。在As以上温度分级淬火或淬火后上淬可一定程度抑制马氏体稳定化发生55 马氏体状态时效：在As以下温度时效，发生马氏体稳定化，表现为As、Af升高，逆转变MP受到抑制；热弹性马氏体转变量减少；记忆效应恶化。在As以上温度分级淬火或淬火后上淬可一定程度抑制马氏体稳定化发生56 热处理的目的1.充分提高铸件的力学性能和切削加工性能等；2.消除内应力（铸件壁厚不均匀、快速冷却）3.稳定铸件的尺寸好哦组织4.消除偏析和不良组织形态57 铝合金的强化热处理原理1.固溶热处理（俗称淬火）:将合金加热到单相固溶体状态，并水冷至室温，获得过饱和固溶体组织2. 时效强化(时效): 固溶热处理后的合金在室温或加热至一定温度放置，随放置时间的延长，因过饱和固溶体不稳定而析出细小分散的的过渡相，使强度显著增高、塑性降低的现象。在室温进行的时效，称为自然时效；在加热条件下进行的时效，称为人工时效。58 铝合金时效强化的机理第一阶段：形成溶质原子Cu的富集区- GpI区，随着GpI区的形成，将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，溶质原子继续向GpI区扩散富集，并有序化而形成GpI I区第三阶段：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”。59 含4%Cu的铝合金 时效硬化规律(1) 时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小;(2) 时效温度越高, 时