工程材料教案-9有色金属及其合金VIP

.课程名称：工程材料 第 周，第 讲次摘 要授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.熟悉纯铝及常用铝合金的成分、牌号、性能与用途；2.熟悉纯铜及常用铜合金的分类、牌号、性能及用途；3.熟悉常用的轴承合金。【重 点】1.铝及铝合金的特性、分类与牌号及铝合金的强化；2. 铜及铜合金的特性、分类与牌号；3.轴承合金的性能与牌号；【难 点】铝合金的热处理特点；铝合金的牌号与强化、铜合金分类与牌号。内 容【本讲课程的引入】工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等，金属及合金。有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。【本课程的内容】第一节 铝及其合金铝及其合金在工业上是仅次于钢的一种重要金属，尤其是要航空、航天、电力工业及日常生活用品中得到广泛的应用。一 工业纯铝1. 铝及铝合金的性能特点（1）密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。（2）抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。（3）加工性能好，比强度高，纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性（=3050%，=80%），易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，n=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。2用途：广泛用于制造电线、电缆、散热器、器皿用具等。3牌号：工业纯铝依据纯度有7个牌号，分别为L1L7，顺序号越大，纯 度越低，其纯度分别为99.7% 99.6% 99.5%。 铝含量大于99.93%叫高纯铝，其有5个牌号，分别为LG1LG5， 顺序号越大，则纯度越高，例LG5铝含量大于99.996%。为增加铝的强度，通常加入Cu、Si、Mg、Mn、Zn等元素而制成铝合金。二 铝合金（一）铝合金的分类 铝合金都有如图9-1所示的一般相图。成分在D点以左的合金，加热到固溶线DF以上，将会得到单相的固溶体，塑性很好，适于压力加工，故合金含量小于D点的铝合金叫做：图9-1 铝合金状态图的一般类型1形变铝合金：此种合金亦可分为两类：不能热处理强化的铝合金：成分在F点以左的合金，因其成分不随温度的变化而变化，故不能借助于热处理进行强化；能热处理强化的铝合金：成分在D-F之间的合金，其固溶体的成分随温度而变化，故可借助于固溶强化提高其强度。2铸造铝合金：成分位于D点以右的合金，由于有共晶组织存在，流动性好， 适于铸造，故称为铸造铝合金。铸造铝合金也有成分随温度而变化的相，故也能用热处理加以强化，但距D点越远，合金中的相的相对含量越少，强化效果越不明显。（二）铝合金的热处理1铝合金的热处理特点：固溶处理：将可热处理强化的铝合金加热到单相区某一温度，得到单相 固溶体，随后水冷，获得单相过饱和固溶体组织的一种处理工艺。上述工艺亦即铝合金的淬火，但其和钢的淬火不同，高碳钢淬火后，强度、硬度立即提高，而塑性则急剧下降；铝合金淬火后，强度和硬度并不高，塑性仍很好。时效强化：淬火后的铝合金放置在低于固溶线以下的某一温度，随时间的延 长，其强度、硬度显著提高，而塑性下降，此谓之时效强化。例如含铜4%的铝合金：平衡状态下：b=180200MPa =18%淬火后：b=240250MPa =2022%室温下放置45天：b=420MPa =18%时效形式有两种：自然时效和人工时效。（1）铝合金的时效强化将成分位于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（淬火），获得过饱和固溶体称为固溶处理。这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使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（时效强化）。在室温下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。图9-2 Al-Cu合金部分相图图9-3 Al-Cu合金的自然时效时效曲线显然合金能发生时效强化的必要条件是：高温能形成均匀固溶体且快冷（淬火）时不发生晶体结构和成分的变化；固溶体中溶质含量随温度降低而显著降低。图9-4 含4% Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线上图为含4% Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线，可见，室温时效时，在时效初期的几个小时内，强度不发生明显变化，这一时间称为孕育期，比时合金塑性很高，极容易进行铆接、弯曲和校直等操作，时效温度愈高，孕育期愈短，时效速度愈快，达到最高强度的时间愈短，最大强度值愈低，强化效果愈小。当温度低于-50时，孕育期很长，甚至可以保持相对稳定，即低温可以抑制时效的进行。2时效强化原理：淬火状态下，铜原子均匀分布在过饱和固溶体里，如图9-5a,晶格畸变并不严重，故强度、硬度升高不多，塑性仍好；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区形成，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。GpI I的化学成分接近于CuAl2，具有正方晶格（以”表示），随着GpI I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”。实际上的时效不一定会出现上述四个阶段，如自然时效只出现1、2阶段，温度较高的人工时效则主要包括3、4阶段。如图9-3、9-4。下面我们将具体介绍一下铝合金的牌号、性能和用途。（三）形变铝合金根据合金的特性，形变铝合金可分为四类：1防锈铝：主要有AL-Mn、AL-Mg合金，其抗腐蚀性好；牌号：LF5、LF11、LF21，见表9-1。2硬铝：属于AL-Cu-Mg-Mn系合金。牌号：LY1、LY11等。3超硬铝：AL-Cu-Mg-Zn系合金，其强度在铝合金中是最高的。牌号：LC4、LC54锻铝：AL-Cu-Mg-Si系合金，具有良好的锻造性能。牌号：LD2、LD6等。如上各牌号的铝合金，其应用见表9-1。（四）铸造铝合金铸造铝合金可分为四类：1AL-Si系：代号ZL101、ZL1022AL-Cu系：代号ZL201、ZL2023AL-Mg系：代号ZL301、ZL3024AL-Zn系：代号ZL401、ZL402其牌号、性能、用途见表9-2。在铸造Al合金中，变质处理细化晶粒的原因一般认为是Na等元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生固溶体。 图9-5 ZL102合金变质前的显微组织 图9-6 ZL192合金变质后的显微组织第二节 铜及铜合金一 工业纯铜纯铜的颜色为玫瑰红色，它的表面常形成一层紫红色的氧化物，故称紫铜。其熔点1083，比重8.9，大约是铝的3倍多，是钢的1.15倍。1性能：具有较高的导电导热性能；耐蚀性好；具有良好的塑性，=50%；硬度、强度较低，b=200250Mpa。2用途：用做导电材料；造船及机制方面的耐蚀件。3牌号：根据纯铜中杂质含量的不同，工业纯铜分为四个牌号，如表9-3。由于纯铜的机械性能较差，所以各种结构件几乎不用纯铜而是广泛地利用它的合金，我们将简略介绍几种较常见的铜合金；二、铜合金铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。（一）黄铜1定义：以锌（Zn）为主要合金元素的铜基合金。其有良好的力学性能、加工性能、导电导热性能，且色泽美丽，是有色金属中应用最广的金属材料。2性能：a机械性能：黄铜的机械性能和锌的含量有很大的关系，如图9-9，Zn=30%时，塑性最好；Zn=3945%时，强度最高：Zn45%时，塑性和强度急剧下降，故黄铜的含锌量小于45%。b其它性能：耐蚀性好；工艺性能好；价格较纯铜便宜。3牌号及用途：a.普通黄铜：如表9-4所示。b特殊黄铜：为改善普通黄铜的性能，可在 Cu-Zn合金的基础上加入AL、Fe、Si、Mn、Pb、Sn等元素而形成特殊黄铜编号方法如下：符号+主添加元素符号+铜含量+主添加元素含量如：HSn62-1 ，主添加元素Sn，Cu=62% ，Sn =1%。如表9-5所示。c铸造黄铜：如表9-6 所示。 其牌号H+平均铜含量，如H62表62%Cu的其余量Zn。4.黄铜的分类黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。普通黄铜，就是Cu-Zn二元合金，见下图，当Zn含量36%，时单相，Zn含量36%而47%时组织+两相工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47%。 图9-7 单相黄铜的显微组织 图9-8 双相黄铜的显微组织室温组织为单相的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号有H80、H70、H68，其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。+黄铜又称双相黄铜，强度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散热器等。特殊黄铜：在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能。其牌号：H + 主加元素符号 + 平均铜含量 + 主加元素平均含量，如HMn58-2，含58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。 无论普通黄铜，还是特殊黄铜，铸造黄铜牌号前加“z”，如：ZH62 、ZHMn58-2、ZcuZn38、ZCuZn40Mn2注意：虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压力加工（挤压、冲压、弯曲等）成形时，由于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象称为黄铜的“季裂”。为了防止这种现象，冷压力加工后的黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力的退火（250300保温1h以上）（二）青铜：原指Cu-Sn合金，其具有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性但。近几十年来，为节省贵重金属锡而用AL、Si、Pb、Be等元素来替代Sn而制得的合金也称之为青铜，故青铜可分为两大类：锡青铜和无锡青铜。其牌号：Q + 主加元素符号 + 主加元素平均含量（+其他元素的平均含量）。QAl5含5%Al的Al青铜，同样铸造青铜前加“z”锡青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，是人类历史上应用最早的铜合金。是Cu-Sn二元合金，锡青铜在大气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。此外，为了改善锡青铜的性能，还加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高铸造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高弹性极限等。主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。1锡青铜： 性能：a机械性能：如图9-10所示:Sn5-6%时，Snb；Sn20%时，Snb；故工业用锡青铜的含锡量为3-14%。b其它性能：极高的耐蚀性、耐磨性；加入P可具有较高的e。用途：Sn10%，塑性较低，但强度较高，适用于铸造；磷青铜可做弹簧零件。牌号：见表9-7所示。2铝青铜：以铝为主添加元素的铜合金，一般含AL=5-11%。其耐蚀性好，强度和硬度比锡青铜高，耐磨性好，用于重要的耐磨耐蚀件。其牌号见表9-7。3铍青铜：以铍为主添加元素的铜基合金，一般含AL=1.7-2.5%。其强度和硬度均超过其它铜合金，其牌号和用途见表9-7。4白铜：白铜是以Ni为主要合金元素的合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材料。以Ni为主添加元素的铜基合金，其牌号B5，Bzn15-20。第三节 钛及钛合金1钛及钛合金性能特点：（1）密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，纯钛是纯白色轻金属，密度为4.507g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668，高于铁，在882.5发生同素异构转变，882.5以上为-Ti（体心立方晶格），882.5以下为-Ti（密排六方晶格），钛合金的密度也较小，也有同素异构转变。（2）加工性能好，比强度高，低温韧性好。纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，b最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械性能。（3）抗腐蚀性能好钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。第四节 轴承合金轴承合金是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。一 性能要求1具有足够的抗压强度和硬度；（耐磨）2塑性和韧性要好；（抗冲击）3与轴之间有良好的磨合能力；（摩擦系数小）4有良好的导热性和耐蚀性；5有良好的工艺性且价格低廉。轴承材料通常要满足上述性能的要求都不能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同的多相合金。通常是软基体上均匀分布一定数量和大小的硬质点，或者硬基体上分布一定数