吉林大学工程材料课件——第八章 有色金属材料

1、第八章有色金属及合金第八章有色金属及合金 通常把通常把铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材料料，而把，而把非铁金属及其合金称为有色金属材料非铁金属及其合金称为有色金属材料。与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；又如银、又如银、铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工业不可缺少的材料。业不可

2、缺少的材料。虽然有色金属虽然有色金属 使用量少，使用量少，在机械在机械制造业中仅占制造业中仅占4.5%左右左右，但它是现代工业中不可缺少，但它是现代工业中不可缺少的材料。的材料。 主要用途：主要用途：电线、电缆电线、电缆 4、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。 3、面心立方晶格，强度低（面心立方晶格，强度低（b=80-100MPa），）， 塑塑性好（性好（=80%），），可以通过压力加工成各种型材，与其可以通过压力加工成各种型材，与其面心立方晶体有关。面心立方晶体有关。 2、导电性和导热性好导电性和导热性好，仅次于银、铜、金居第四位。，仅次于银、铜

3、、金居第四位。 特性：特性： 1、熔点低，比重小熔点低，比重小。熔点为。熔点为660.4 密度密度 2.72 第一节第一节 铝及其合金铝及其合金一、工业纯铝一、工业纯铝牌号：牌号：工业纯铝牌号有工业纯铝牌号有 L1 L2 . L7 数字大纯度低数字大纯度低 工业高纯铝牌号有工业高纯铝牌号有L0 L00 高纯铝高纯铝 L01 L02 L04 数字大纯度高数字大纯度高。 二、铝合金及二、铝合金及 强化方法强化方法 （一）概述（一）概述 1、合金化、合金化 在纯铝中加入在纯铝中加入Si 、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，等元素，经热处理可使强度比纯铝提高经热处理可使强度比纯铝提高34倍。倍。 2、铝合

4、金状态图（一般式）、铝合金状态图（一般式） 共同特点是：基本相都是铝基共同特点是：基本相都是铝基 固溶体和固溶体和 共晶体。其中共晶体。其中 为固溶体或化合物。为固溶体或化合物。 3、铝合金的分类及特性、铝合金的分类及特性 根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。即，即，变形铝合金和变形铝合金和 铸造铝合金铸造铝合金。 变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧制、挤压等压力加工。制、挤压等压力加工。 铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。Al 合金含量（

5、合金含量（Si Mg Cu 等）等）温度温度DL + 变形铝合金变形铝合金铸造铝合金铸造铝合金热处理不能强化热处理不能强化热处理能强化热处理能强化D/F +L铝合金一般相图铝合金一般相图 1、热处理强化、热处理强化 强化方法：强化方法：固溶处理时效强化。固溶处理时效强化。 固溶处理：固溶处理：将合金加热到溶解度曲线以上某一温将合金加热到溶解度曲线以上某一温度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理的方法称固溶处理。的方法称固溶处理。 时效强化：时效强化：

6、固溶处理的合金在较低温度下随时间固溶处理的合金在较低温度下随时间的延长发生进一步强化的现象的延长发生进一步强化的现象(强度和硬度上升）称时强度和硬度上升）称时效硬化或时效强化。效硬化或时效强化。 （二）铝合金强化方法（二）铝合金强化方法以铝铜合金为例以铝铜合金为例，获得过饱和的获得过饱和的固溶固溶体。体。其强度可以达到其强度可以达到250MN/m2。时效强化：时效强化：固溶处理的固溶处理的合金随时间的延续而发合金随时间的延续而发生进一步强化的现象称生进一步强化的现象称时效硬化或时效强化时效硬化或时效强化。例如：固溶处理的合金例如：固溶处理的合金，如果在室温放置，如果在室温放置4-5例如例如4%

7、Cu的铝合金加热到的铝合金加热到相区相区 中某一温度，经过一中某一温度，经过一段时间保温，使获得单一的段时间保温，使获得单一的固溶体组织，然后投入水固溶体组织，然后投入水中快速淬火，使次生相中快速淬火，使次生相CuAl2 来不及从来不及从中析出中析出时效过程：分四个阶段：时效过程：分四个阶段：第一阶段，形成第一阶段，形成GP1区，溶质原子的富集，引起晶格畸变，区，溶质原子的富集，引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。位错受阻，强度提高。第二阶段，形成第二阶段，形成GP11，Gp区有序化区有序化,随着原子的进一步富集，随着原子的进一步富集，原子有序的排列起来，成分结构接近原子有序的排列起来，成分结构

8、接近CuAl2，称，称“，与母相共与母相共格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。第三阶段，形成过渡相第三阶段，形成过渡相，溶质原子继续富集，化学成分逐渐溶质原子继续富集，化学成分逐渐达到达到CuAl2的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。第四阶段，第四阶段，相形成与长大，形成稳定的相形成与长大，形成稳定的CuAl2。与母相完全与母相完全脱离共格联系，晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合脱离共格联系，

9、晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合金发生软化，这种现象称金发生软化，这种现象称“过时效过时效“。 实际上，时效过程不一定全部包括以上四个阶段，自然时效实际上，时效过程不一定全部包括以上四个阶段，自然时效只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。 自然时效自然时效：在室温下进行的时效称自然时效在室温下进行的时效称自然时效（强（强度可以达到度可以达到400 MN/m2）， 人工时效：人工时效：在加热条件下进行的时效称人工时效在加热条件下进行的时效称人工时效（100200C）。）。 人工时效的效果不如自然时效效果好，但时间短。人工时效的效果不如自然时

10、效效果好，但时间短。 例：例：含含4Cu的铝合金，固溶强化后强度为的铝合金，固溶强化后强度为250MPa自自然失效后（然失效后（45天）达到天）达到400MPa。 强化机理：强化机理： 在铝的在铝的 过饱和过饱和 固溶体晶格内形成固溶体晶格内形成溶质原子富集区及铝化物且与溶质原子富集区及铝化物且与 固溶体保持共格关系，固溶体保持共格关系，使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合金的强度。金的强度。 2、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。 3、固溶强化固溶强化 合金元素溶入铝晶格中形成有限固

11、溶合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。 4、加入变质剂，进行变质处理、加入变质剂，进行变质处理细晶强化。细晶强化。 例：例：AlSi铸造合金，浇铸前加入铸造合金，浇铸前加入23钠盐混合钠盐混合物（物（2/3NaF + 1/3NaCl-变质剂），结晶时产生大量晶变质剂），结晶时产生大量晶核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。铝硅合金变质处理前铝硅合金变质处理前铝硅合金变质处理后铝硅合金变质处理后 特点：特点：合金元素少，热处理强化不起作用，只能合金元素少，热处理强化不起作用，只能用加

12、工硬化的方法强化。用加工硬化的方法强化。三、常用铝合金三、常用铝合金铝合金分为两大类：变形铝合金、铸造铝合金铝合金分为两大类：变形铝合金、铸造铝合金 （一）变形铝合金（一）变形铝合金变形铝合金按其性能和用途分为：变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。合金、超硬铝合金和锻铝合金。 1、防锈、防锈 铝铝 主要合金元素：主要合金元素：Mn ， Mg 常用牌号常用牌号：LF5、LF11、LF21等等 L铝铝 F防锈防锈 数字顺序号数字顺序号 用途：制造油箱、油管等用途：制造油箱、油管等。用途：用途：制造铆钉、螺旋桨叶片等制造铆钉、螺旋桨叶片等。3、超

13、硬铝合金、超硬铝合金 特点：特点：可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。2 、硬铝合金、硬铝合金 主要合金元素：主要合金元素：Cu Mg常用牌号：常用牌号： LY1、 LY11等。 L铝铝 Y硬硬 数字顺序号数字顺序号 主要合金元素主要合金元素：Zn Mg Cu 常用牌号常用牌号: LC4 LC6 L铝铝 C超硬超硬 数字顺序号数字顺序号 特点特点：这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最高的一种铝合金。高的一种铝合金。 用途：制造飞机大梁、蒙皮等用途：制造飞机大梁、蒙皮等。 特点：特点：具有良好的锻造成型性，可

14、固溶处理具有良好的锻造成型性，可固溶处理+人工人工时效强化。时效强化。 用途：用途：制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞。 4. 锻铝合金锻铝合金 主要合金元素主要合金元素：MgSiCu, CuMgNi 常用牌号常用牌号：LD5 LD7 L铝铝 D锻造锻造 数字顺序号数字顺序号四、铸造铝合金四、铸造铝合金 用途用途：铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。 合金系合金系：AlSi AlCu AlMg AlZn 牌号表示方法：牌号表示方法：字

15、母字母“ZL”三位数字三位数字 ZL铸铝铸铝; 第一位数字表示合金类别第一位数字表示合金类别 1表示铝硅系表示铝硅系， 2表示铝铜系表示铝铜系 3表示铝镁系表示铝镁系， 4表示铝锌系表示铝锌系 第第 二、三位数字表示顺序号。二、三位数字表示顺序号。 例如：例如：ZL102、 ZL202、LZ302等。等。 特点特点：铸造性能好（铸造性能好（Al-Cu合金差）合金差） 1、工业纯铜、工业纯铜 （又称紫铜）（又称紫铜） 物理性能：物理性能：密度为密度为8.93g/cm3 ，熔点为熔点为1083 ，呈面呈面心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，

16、导电、导热性能好导热性能好 。强度低，不能作为结构材料使用。强度低，不能作为结构材料使用。 应用：电线、电缆应用：电线、电缆 第二节第二节 铜及合金铜及合金 2、黄铜、黄铜： 化学成分化学成分：主要元素是铜和锌。含锌量主要元素是铜和锌。含锌量050。呈淡黄色呈淡黄色。 性能特点性能特点：强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。黄黄铜铜普通黄铜普通黄铜 CuZn合金，合金， H59、H62 、H70等 H黄铜黄铜 数字数字Cu% 应用：水管、油管、散热器等。应用：水管、油管、散热器等。特殊黄铜特殊黄铜 普

17、通黄铜基础上加入普通黄铜基础上加入Al Mn Pb Si 进一步提高强度、硬度、耐磨性和进一步提高强度、硬度、耐磨性和 耐蚀性。耐蚀性。 牌号：牌号：HPb59-1 表示含铅黄铜，表示含铅黄铜， Cu%=59 Pb%=1 应用：应用：制造船舶、化工中的高强耐制造船舶、化工中的高强耐 蚀零件钟表、机械的轴瓦耐蚀零件钟表、机械的轴瓦耐 磨零磨零 件等件等分类、牌号及应用：分类、牌号及应用： 3、青铜、青铜 主要成分：主要成分： Cu-Sn合金，应用最早合金。近代又合金，应用最早合金。近代又发展了含发展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的铜合金，习惯上也的铜合金，习惯上也都称为青铜。都称为青铜。 特性

18、：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。 牌号牌号：Q+元素符号含量元素符号含量 QSn4-3 QAl5 ZQSn10-5 等等 （3Zn） （5Pb） 应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹 簧，耐磨和抗磁零件簧，耐磨和抗磁零件 理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴颈的实际接触面积小，减小摩擦。

19、如图示颈的实际接触面积小，减小摩擦。如图示： 第三节第三节 滑动轴承合金滑动轴承合金 用于制造滑动轴承及其内衬的合金用于制造滑动轴承及其内衬的合金 一、性能要求一、性能要求 1、要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳强度。劳强度。 2、足够的塑性和韧性。、足够的塑性和韧性。 3、低的摩擦系数低的摩擦系数 4、良好的导热性和小的膨胀系数、良好的导热性和小的膨胀系数。 二、分类及主要成分二、分类及主要成分 锡基轴承合金锡基轴承合金 Sn+锑（锑（Sb）和铜和铜 铅基轴承合金铅基轴承合金 Pb+Sb+Sn+Cu 还有铜基轴承合金、还有铜基轴承合金、铝基、等铝基、等 四、工业中常用的轴承合金四、工业中常用的轴承合金 工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基轴承合金）轴承合金