第六章-有色金属及其合金综述.ppt

第六章有色金属及其合金 non ferrousmetalandalloy 1 掌握铝合金 铜合金的强化机理及组织 性能特点 本章教学目的 2 熟悉铝合金 铜合金的表示方法 3 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2 铜合金的强化机理及组织 性能 本章难点 铝合金 铜合金的强化机理 参考文献 1 崔忠圻等 金属学与热处理原理 哈尔滨工业大学出版社 19982 王忠 机械工程材料 清华大学出版社 2005 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 有色金属及其合金的应用越来越多 在国民经济中占越来越重要地位 飞机制造业 轻金属占总重量的95 钢铁及其它材料占5 汽车制造业中铝合金 镁合金的使用量越来越多 镁合金在 3C 产品的应用近年来急剧增长 年递增20 C COMPUTERC COMMUNICATIONC CONSUMERELECTRONICSPRODUCTS 钛及其合金在航天 航空 化工等领域应用越来越多 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 5 2 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 L0499 996 45 b 50MN m2 2 纯铝的牌号 L04L03L024 高纯铝3 高纯铝2 高纯铝99 996 99 99 99 96 L0L00L11 工业高纯铝2 工业高纯铝1 工业纯铝99 90 99 85 99 7 L2 L72 工业纯铝7 工业纯铝99 5 98 二 铝合金的成分 组织和性能特点 1 成分特点 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 但机械性能比纯铝高的多 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 Al2CuMgS相 二元铝合金状态图的基本型式为有限固溶体型 3 性能特点 与钢铁相比 铝合金具有较高的比强度 比刚度 较低的密度 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 01 01 00 920 35相对比1 01 62 50 601 8强度极限相对比1 01 74 20 702 9 4 3屈服极限相对比1 01 01 00 518 5刚度 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 把铝合金分为 加工变形铝合金铸造铝合金 2 1 3 4 Al D A B C 1 变形铝合金2 铸造铝合金3 不能热处理强化的铝合金4 能热处理强化的铝合金 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8 25 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 起固溶强化作用 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 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一温度时 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 合金变脆 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细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 进行变质处理 常用变质剂 2 3NaF 1 3NaCl 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 Gp I 区 随着Gp I 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Gp I 区扩散富集 并有序化而形成Gp II 区 Gp II 的化学成分接近于CuAl2 具有正方晶格 以 表示 随着Gp II 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 Si2 Cu3 Mg4 Zn铸造铝合金 如 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 a 简单硅铝明含11 13 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 ZL203ZL201 3 Al Mg系铸造铝合金ZL301ZL302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 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 0 1 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 Al 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 有晶间腐蚀倾向 故多采用淬火 自然时效 3 超硬铝合金LC3 LC4 LC5 LC6 LC9 Al Zn Mn Cu系 强度达500 700MN m2 主合金元素是Zn Mn Cu 同时加入少量的Mg Cr Ti 热处理特点 淬火 人工时效因为自然时效时间太长50 60天 且自然时效有较大的应力腐蚀倾向 Al 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 4 锻铝合金LD2 LD5 LD6 LD10 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 金属导电性排序 Ag Cu Au 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 HNO3 H2SO4 易被腐蚀 5 优良的成型加工性 可焊性 塑性 强度较低 HB 3 5 b 200 240MN m2 50 s 60 70MN m2 6 冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度 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 且沿晶界分布 热加工时 820 860 晶界熔化 热脆 因此应严格控制Pb Bi含量 Pb 0 005 0 03 Bi 0 002 0 003 机理 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 S 0 0015 O 0 0015 0 05 3 铜的氢病 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 O2 2H2O 2CO O2 2CO2 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 这种现象称为铜的氢病 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PT1 T4TU1 TU2TUP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 固溶强化 使铜的强度升高 2 时效强化Be Si Zn等在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合金简单黄铜 普通黄铜 Zn 50 复杂黄铜 特殊黄铜 Cu Zn 其它合金元素 组织 工业黄铜 Zn 50 室温组织是 相 相 相 Zn溶入Cu形成的有限固溶体 具有面心立方晶格 塑性好 具有优良的成型加工性 相 以电子化合物CuZn为基的固溶体 电子浓度3 2 相 具有体心立方晶格 高温下的 相中的Zn Cu原子分布没有规律 处于无序状态 具有良好的塑性 可进行热加工变形 缓冷至456 468 时 相发生有序化转变 塑性显著降低 含有 的黄铜不适于冷加工变形 再加热到有序温度以上 塑性恢复 工业黄铜按组织分a 单相黄铜 Cu 100 62 4 b 两相黄铜 Cu 56 62 4 2 Zn含量对黄铜性能的影响 随着Zn含量增加 黄铜的导电性 导热性降低 随着Zn含量增加 当组织为单 相时 黄铜的强度 塑性都增大 Zn含量30 32 塑性 达到最大 继续增加Zn含量 由于 出现 塑性下降 而强度 b继续提高 至45 46 Zn 合金进入单相 区 b急剧降低 随着Zn含量增加 黄铜 自裂 倾向增大 自裂 Zn 20 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260 300 1 2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H80HPb59 1普通黄铜含Cu80 Cu59 Pb1 表示含Pb1 特殊黄铜ZHAl67 2 5 表示含Al2 5 Cu67 的铸造黄铜 HSn70 1 表示含Sn1 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 经对出土汉镜进行分析 成分如下 Cu 65 70 Sn 24 26 Pb 1 9 Zn 0 5 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70 80 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 既硬又脆 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 7 时 由于组织中出现 相 塑性急剧降低 Sn 20 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3 14 范围 压力加工锡青铜 6 7 Sn铸造锡青铜 10 14 Sn c 锡青铜的铸造性Sn 3 14 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 是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 锌 铅等 P 脱氧 0 02 0 035 改善铸造性能 提高强度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Al 12 组织为 2 相 Al在Cu中的固溶体 面心立方晶格 塑性好 相 以电子化合物Cu3Al为基的固溶体 电子浓度3 2 体心立方晶格 565 以上稳定存在 565 发生共析反应 形成 2相 但必须充分缓冷 快冷 5 6 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