第八章-有色金属及其合金

第八章 有色金属及其合金(Non-ferrous metal and alloy)教学目的：掌握铝合金、铜合金的强化机理及组织、性能特点；熟悉铝合金、铜合金的表示方法；了解滑动轴承合金的组织性能特点。本章重点：1、铝合金的强化机理及组织、性能特点 2、铜合金的强化机理及组织、性能特点本章难点：铝合金、铜合金的强化机理参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，20052、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，20013、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997专业词汇：non-ferrous metal; non-ferrous alloy; aluminum alloy; copper alloy;deformation aluminum alloy; wrought copper alloy; wrought magnesiumalloy; cast aluminum alloy; cast copper alloy; cast magnesium alloy;aging; 有色金属：除钢铁以外的所有金属统称为有色金属。有色金属： a、 轻金属：密度3.5, Al 2.72, Mg 1.74, Be, Li。b、 重金属：Pb，Cu，Ni，Hg。c、 贵金属：Au，Ag，Pt，Pd。e、 稀有金属：W，Mo，V，Ti，Nb，Zr，Ta。f、 放射性金属：Ra，U。 有色金属及其合金与钢铁相比，具有许多特性：Al，Mg，Ti及其合金密度小。Au，Cu，Ag及其合金导电性好。Ni，Mo，Nb，Co及其合金耐高温。Cr，Ni，Ti及合金具有优良的耐蚀性。故有色金属及其合金的应用越来越多，在国民经济中占重要地位。如飞机制造业中，轻金属占总重量的95%，钢铁及其它材料占5%。近年来，汽车制造业中铝合金、镁合金的使用量越来越多，而镁合金在家电、信息产业的应用近年来急剧增长（年递增20%）。镁合金是最轻的工程金属材料，具有高强度、导热性好、减震性好、电磁屏蔽能力强、加工性好（压铸表面质量高），易回收利用，属绿色环保材料。我国是镁资源大国，储量和原镁产量居首位，约占世界总量的三分之一以上，主要分布在西部地区，但长期以来，由于技术水平落后，镁只能作为初级产品低价出口，精加工产品却大量进口（以吨为单位出口，以克为单位进口）。钛及其合金不论在化学介质中，还是在海水或淡水中都有良好的抗腐蚀性。第一节 铝及其合金一、工业纯铝 1、铝的性质 具有面心立方晶格，无同素异构转变。 密度2.72，约为铁的三分之一，铝合金密度一般为2.52.88之间。 具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金。 在大气中具有优良的抗腐蚀性（与氧亲和力大，能形成一层致密的氧化膜）。 具有高塑性、较低的强度 L04 99.996% =45% b=50MN/m2 2、纯铝的表示方法L04 L03 L02 L0 L00 L14#高纯铝 3#高纯铝 2#高纯铝 1#工业高纯铝 2#工业高纯铝 1#工业纯铝 99.996% 99.99% 99.96% 99.90% 99.85% 99.7%L2 L7 2#工业纯铝 7#工业纯铝98%二、铝合金的成分、组织和性能特点1、 成分：纯铝的机械性能不高，为了提高铝的机械性能，在铝中加入Cu、Zn、Mg、Si、Mn、RE等元素制成铝合金。铝合金仍保持纯铝密度小，抗蚀好等特点，但机械性能高的多。2、 组织特点：合金元素在铝中的溶解度一般都是有限的，因此铝合金组织中除了形成铝基固溶体（）外，还有第二相（金属间化合物）出现。CuAl2 相; Mg2Si 相;Al2CuMg S相，二元铝合金状态图的基本形式为有限固溶体类性。3、 性能特点：机械性能对比 低碳钢 低合金钢 高合金钢 铸铁 铝合金相对密度 1.0 1.0 1.0 0.92 0.35相对比强度极限 1.0 1.6 2.5 0.60 1.8相对比屈服极限 1.0 1.7 4.2 0.70 2.94.3相对比刚度 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5三、铝合金的分类 根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合金分为：加工变形铝合金、铸造铝合金两大类。A L 1 变形铝合金 2铸造铝合金 +L C 3不能热处理强化的铝合金 1 2 4能热处理强化的铝合金 3 4 + 1、铸造铝合金 一般而言，具有共晶成分的合金具有优良的铸造性能。铸造铝合金为了保证足够的机械性能，并不完全都是共晶成分，只是合金元素含量较高，在825% 2、变形铝合金 这类铝合金要经冷、热加工成各种型材，因此要求具有良好的冷热加工工艺性能，组织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形铝合金中合金元素的含量比较低，一般不超过B点成分。合金元素总量5% 变形铝合金按其成分和性能特点，又可分为不能热处理强化的铝合金和可热处理强化的铝合金。 不能热处理强化的铝合金，合金含量少于状态图中D点的成分，其中包括一些热处理强化效果不明显的合金。这类合金具有良好的抗蚀性，故称防锈铝合金。 可热处理强化的铝合金，合金元素含量位于B、D之间，可通过热处理显著提高机械性能，包括硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。四、铝合金的强化机理1、 固溶强化合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体，其固溶强化作用，使其强度提高。铝的合金化一般都形成有限固溶体，且都具有较大的极限溶解度。2、 时效强化由于铝没有同素异构转变，故其热处理相变与钢不同。铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减小，故铝合金经加热到一定温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体，这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某温度时，其强度、硬度随时间的延长而提高，塑性、韧性则降低，这一过程称为时效（时效强化）。淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。3、 过剩相强化当铝中加入的合金元素超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，成为过剩相。这类过剩相多为硬而脆的金属间化合物，起阻碍滑移和位错运动的作用，使铝合金强度、硬度提高，但塑、韧性下降，过剩相过多时，合金便脆，强度急剧下降。对于铸造铝合金，过剩相强化是主要手段。4、 细化晶粒强化在铝合金中添加微量合金元素西化组织是提高机械性能的另一种重要手段。细化组织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。 铸造铝合金常加入微量变质剂（2/3NaF+1/3NaCl）进行变质处理。变形铝合金中添加微量的钛、锆、铍及稀土元素，它们能形成难溶化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，以提高强度及塑性。五、铝合金时效强化的机理（以Al-Cu合金为例） 铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的过程，包括四个阶段： 第一阶段：形成溶质原子Cu的富集区（Cu原子在固溶体100晶面上偏聚）-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GpII区。GpII的化学成分接近于CuAl2，具有正方晶格（以”表示），随着GpII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”。 一般自然时效只出现第一、第二阶段，后两阶段由于原子扩散能力不足不出现。温度较高的人工时效，则主要是第三、第四阶段，因为温度较高，原子扩散能力很大，第一、二阶段来不及出现即进入后二阶段。六、铝合金的表示方法1、 铸造铝合金ZL * * 表示合金顺序号 表示合金系列 1-Si 2-Cu 3-Mg 4-Zn 铸造铝合金 ZL102 表示第2号铝硅铸造合金ZL405表示第5号铝锌铸造合金 2、 变形铝合金的牌号防锈铝 LF+顺序号 “LF5”硬铝 LY+顺序号 “LY12”超硬铝 LC+顺序号 “LC4”锻铝 LD+顺序号 “LD5”七、常用铸造铝合金1、 Al-Si系铸造铝合金（硅铝明）不含其它合金元素的称为简单硅铝明，除硅外尚有其它合金元素的称为特殊硅铝明。a、 简单硅铝明含1113%Si，铸造后几乎全部得到共晶组织，因而流动性很好，铸造发生热裂的倾向小，但铸件致密度不高。可采用压铸，增加致密度。b、 特殊硅铝明为了增加铝合金强度，向合金加入能形成强化相CuAl2（相），Mg2Si（相）,Al2CuMg（S相）的合金元素 Cu、Mg。2、 Al-Cu系铸造铝合金合金中含有少量共晶组织，故铸造性能不好，抗蚀性及强度也低于硅铝明，应用较少。如，ZL203 ZL2013、 Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302优点：耐蚀性好，强度高，密度小（2.55 比纯铝还轻）。缺点：铸造性能差。4、 Al-Zn系铸造铝合金 ZL401优点：铸造性能好，强度高（铸造冷却时自行淬火），经时效后就有较高的强度，价格低。缺点：抗蚀性差，热裂倾向大。八、常用变形铝合金1、防锈铝合金包括铝镁系、铝锰系、工业纯铝，这类合金不能进行热处理强化，机械性能比较低，为了提高其强度，可采用冷加工方法使其强化（加工硬化）。a、 铝镁系防锈铝LF2、LF3、LF5、LF6主合金元素是Mg，此外还加入少量Mn、Ti系，随着Mg含量的增多，合金的强度、塑性也相应提高。当Mg含量超过5%时，合金的抗应力腐蚀性能降低。当Mg含量超过7%时，塑性降低。加入少量的Mn，不仅能改善合金的抗腐蚀性，还能提高合金的强度，少量的钛、钒起细化组织的作用。组织：单相固溶体。b、 铝锰系LF21Mn是该合金的主要元素，1.01.6%含量具有较高的强度、塑性、抗蚀性；合金中加入少量的钛，0.4%Fe细化组织。2、硬铝合金LY1、LY2、LY3、4、6、8、10、11、12、14、16、17Al-Cu-Mg系，它有强烈的时效强化作用，经时效处理后具有很高的硬度、强度，同时具有优良的加工工艺性能。含Cu、Mg量低的硬铝合金，强度低而塑性高，Cu、Mg量高则强度高、塑性低。硬铝合金淬火+人工时效，有晶格腐蚀倾向，故多采用淬火+自然时效。3、超硬铝合金 LC3、LC4、LC5、LC6、LC9Al-Zn-Mn-Cu系，强度达500700MN/m2，主合金元素是Zn、Mg、Cu，同时加入少量的Mn、Cr、Ti。热处理特点：淬火+人工时效。因为自然时效时间太长5060天，且自然时效有较大的应力腐蚀倾向。4、铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10Al-Mn-Si-Cu系合金具有优良的锻造工艺性能。热处理特点：自然时效很难达到最大的强化效果，必须采用人工时效。第二节 铜及合金一、铜的性质1、 具有面心晶格，无同素异构转变。2、 密度8.94，熔点1083，无磁性。3、 导电、导热性好，仅次于银（Ag、Cu、AuA、Mg、Zn、Ni、Cd、Co、Fe、Pt、Sn、Pb）4、 具有较高的化学稳定性在大气、淡水中均有优良的抗蚀性；在温水中抗蚀性较差。在大多非氧性介质中（HF、HCL）抗蚀性较好，而在氧化性介质中易被腐蚀（HNO3、H2SO4）。 5、优良的成型加工性、可焊性、塑性，强度较低。HB=3.5，b=200240 MN/m2，s=6070MN/m2，=50%5、 冷变形加工可显著提高纯龙的强度和硬度，但塑性、导电率降低，经退火后可消除加工硬化现象。二、杂质对铜性能的影响 工业纯铜常见杂质：氧、硫、铅、铋、砷、磷等。这些杂质的存在，均使铜的导电率降低。 1、热脆现象产生原因：铅、铋杂质存在，铅、铋与铜能形成熔点很低的共晶体（Cu+Bi 270），（Cu+Pb 326），且晶界分布，热加工时（820860），晶格熔化热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含量。Pb（0.005%0.03%） Bi (0.002%0.003%)。2、冷脆现象产生原因：硫、氧杂质存在。硫、氧与铜形成共晶体，Cu+Cu2S，（1067），Cu+Cu2O（1065），且沿晶界分布，熔点较高，不会引起热脆。但Cu2S、Cu2O属于脆性化合物，冷加工时易产生脆性开裂。因此应严格控制S、O含量(S0.0015%；O：0.0015%0.05%）。3、氢病 含有氧的纯铜在含有氢气或一氧化碳等还原性气氛中加热时，氢气及一氧化碳气体会渗入Cu中，与氧发生反应，形成不溶于Cu的水蒸汽和二氧化碳。2H+O22H2O；2CO+O22CO2 在局部产生很大的应力，造成微裂纹，使Cu在随后的加工或使用过程中发生断裂，这种现象称为氢病。故含氧、铜应在氧化性气氛中进行退火、热加工。三、工业纯铜的表示方法 T+顺序号 TU+顺序号 TU+P 工业纯铜 无氧铜 脱氧铜 脱氧剂P T1T4 TU1、TU2 TUP 磷脱氧铜 TUMn 锰脱氧铜四、铜的合金化 纯铜的强度不高（b=200-240 s=60-70 =50%），虽然冷加工硬化可以适当提高强度，但是Cu的塑性、导电率下降，因此常加入合金元素提高铜的强度。 1、固溶强化加入Zn、Sn、Al、Ni等合金元素，形成铜的固溶体产生固溶强化，使铜的强度升高。 2、时效强化Be、Siz在Cu中的溶解度随温度的降低而降低，使合金具有时效强化的功能。 3、过剩相强化 合金元素的加入量超过铜的最大溶解度时，便产生过剩相，使合金强度提高。但过剩相数量太多时，合金脆化，强度下降。 4、细化晶粒强化 Cu中加入少量Fe、Ni等合金元素，能细化晶粒，提高机械强度。五、黄铜1、 黄铜的成分与组织 成分 黄铜是Cu-Zn合金，包括 a：简单黄铜（普通黄铜） Zn5% b：复杂黄铜（特殊黄铜） Cu-Zn+其它合金元素 组织 工业黄铜（Zn20%的黄铜，经冷变形后，在潮湿的大气或海水中，尤其有氨存在时，会发生自动破裂（应力腐蚀破裂）。 防止自裂的措施：a、低温去应力退火 260300，12小时 b、往黄铜中加入Sn、Si、Al、Ni等元素 c、表面镀Sn或Zn 黄铜的铸造性能良好，Zn38%时，由于结晶温度间隙较小，流动性好。3、 黄铜的表示方法H 80 HPb 59 1 含Cu80% Pb 1% 普通黄铜 Cu 59% 表示含Pb1%特殊黄铜ZHAl 67-2.5 ：表示含Al 2.5%，Cu67%的铸造黄铜。HSn 70-1：表示含Sn 1%、Cu70%的特殊黄铜（海洋黄铜，防脱锌）六、青铜青铜使人类历史上应用最早的一种合金，我国公元前2000多年的夏商时期就开始使用青铜铸造钟、鼎、武器、镜等。经对出土汉镜分析，成分如下：Cu（6570%），Sn（2426%），Pb（19%），Zn（05%）。金相组织几乎完全是Cu31Sn8（相），颜色呈青灰色故称青铜。青铜最早是指Cu-Sn合金，后来把Cu-Al、Cu-Si、Cu-Be、Cu-Mn、Cu-Pb合金都称为青铜。为了区别，分别称为铝青铜、硅青铜、 铅青铜等。1、 锡青铜 a、组织 Cu-Sn合金相图非常复杂，由几个包晶转变和共析转变组成，转变产物有：、等相。 相：Sn在Cu中的置换固溶体，具有面心立方晶格，塑性良好，适于冷热变形加工。 相：以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，电子浓度3/2，体心立方晶格。586以上稳定存在，塑性良好，适于热加工；586发生共析反应，形成+相，塑性急剧降低 相：以电子化合物为基的固溶体，晶格结构尚未确定，只能在520以上稳定存在，520发生共析反应，分解为+相。 相：以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格，硬而脆。相很稳定，在350发生共析转变，形成+相。但转变速度极其缓慢，一般很难进行。只有经7080%的变形，数千小时退火，才能完成转变，故称相是青铜的基本室温组织。 相：以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体，密排六方晶格，即硬而脆，在青铜中无使用价值。b、Sn含量对青铜性能的影响 Sn含量较低时，Snb，塑性变化不大。 Sn7%时，由于组织中出现相，塑性急剧降低。 Sn20%时，不仅塑性降低，强度也急剧下降。 故工业上锡青铜Sn含量在314%范围。压力加工锡青铜：67%Sn， 铸造锡青铜：1014%Snc、 锡青铜的铸造性Sn：314%范围内，青铜的结晶温度间隔很大，流动性差，易产生偏析，铸造性能差。但铸造收缩率很小，使有色合金中收缩率最小的合金，可用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件。d、 其它合金元素（磷、镁、铅等）P脱氧，0.020.035% 改善铸造性能，提高强度。（传说）Zn节约部分锡，缩小合金结晶温度间隔，改善铸造性能，提高铸件气密性。Pb提高耐磨性。e、 青铜的其它性能良好的抗蚀性（除酸外），优于纯铜和黄铜；无磁性，冲击不产生火花，无冷脆现象，耐磨性高（相）。2、 铝青铜a、组织常用铝青铜 Al56/min） +2被抑制，而发生类似钢的马氏体转变，形成密排六方晶格的介稳态相，适量且分布均匀时，强度高，数量太多，则合金变脆。 2相：以电子化合物Cu9Al4为基的固溶体，复杂立方晶格，硬而脆。 b、Al含量对铝青铜性能的影响Al强度、塑性提高， Al45%时，塑性降低。Al78%，塑性急剧降低，Al1011%，强度降低。故压力加工铝青铜：Al 57%；铸造铝青铜：Al712%。 c、其它元