材料科学基础(第13章)

1、合肥工业大学 刘宁第十三章第十三章 有色金属及合金有色金属及合金l第一节 铝及铝合金l一、铝及铝合金的性能特点及分类编号l纯铝的密度小（2.7g/cm3）、熔点低（660）、强度低（b/80MPa）、塑形高（=80%）。l铝合金热处理以后强度高，特别是比强度（b/）高，是重要的航空结构材料。l引言l铝材是有色金属中使用量最大、应用面最广的金属材料，我国铝的消费量的增长异常惊人，从1991年的86.8万吨迅速增加到2000年的353.27万吨，现在每年还在持续增加，消费量大约占世界的16左右。铝和合金有很多优越的性能:(1)密度低;(2)塑性高; (3)易强化; (4)导电好;(5)耐腐蚀;(6

2、)易回收;(7)采用TIG(惰性气体钨极保护焊)或者MIG(惰性气体保护金属极电弧焊)方法可焊接;(8)易表面处理。l高纯铝的牌号有L01、L02、L03、L04四种，编号越大，纯度越高（99%99.9995%）。l工业纯铝的纯度为98%99%，牌号有L1、L2、L3、L4 、L5五种，编号越大，纯度越低。l铝合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素等。l根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。l变形铝合金呈单相固溶体状态，塑形好，适于压力加工。通过冷变形和热处理，可使强度进一步提高。l变形铝合金按照性能和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四

3、种。l防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，而硬铝、超硬铝和锻铝属于可热处理强化的合金。l铝合金品种繁多，国际上变形铝合金牌号已经有400余种，我国GB/T3190-2008新标准改变了原来标准的牌号表示方法，直接采用国际牌号组织的命名原则，采用四位数字表示。按照主要合金元素分9大系列铝合金。l1XXX 纯铝l2XXX AlCu系（Cu210%，其中Cu46%时强 度最高。）l3XXX AlMn系l4XXX AlSi系l5XXX AlMg系l6XXX AlMgSi系l7XXX AlZn系l如果第2位是0或A表示原始合金，如果19或BY表示改型合金。l铸造铝合金按照加入的主要合金元素不同，分为AlS

4、i系、 AlCu系、 AlMg系和AlZn系四种合金。lZL 1XX, AlSi系lZL 2XX, AlCu系lZL 3XX, AlMg系lZL 4XX, AlZn系l第2、3位表示合金顺序号。l二、铝及铝合金的强化l纯铝的力学性能较低，通过合金化、热处理或其它强化方式，可以使铝合金在保持密度小，耐腐蚀好的条件下，显著得到强化。l1、形变强化l对于纯铝及不能热处理强化的铝合金，例如AlMn合金等，只能以退火态或冷作硬化态使用。冷作硬化使强度升高，但塑形下降。l退火温度300500，保温13小时。l2、时效硬化l可以热处理强化的合金，例如AlCu、AlCuMg、AlMgSi等， Al与Cu、Mg

5、、Si等形成CuAl2、Mg2Si、 Al2CuMg等金属间化合物，可以提高强度与硬度。l例如含4%Cu的AlCu合金，室温平衡组织为+ CuAl2 ，加热到550水冷，然后加热时效。时效过程中组织变化如下：l（1）在室温和较低温度下，在母相（100）晶面上形成Cu原子富集区（GP区），直径约59nm,厚度约0.5nm，与基体保持共格关系。l（2）形成相l100200，随着时效的继续，Cu原子在GP区的基础上继续富集，成分接近CuAl2，与基体仍保持共格关系，111100。相比于GP区，由于相产生更大的共格应变，最大尺寸直径约为140150nm，厚度10nm。l（3）形成相l经过更高温度或延长

6、时效时间，将析出形成相，相成分与CuAl2相当，是相长大与基体失去共格关系转变为半共格关系而形成的。l形成相后期与形成相初期具有最大的强化效果。l（4）形成平衡相l相即CuAl2是由相在更高温度时效或延长保温时间获得。由于已经是非共格关系，此时，合金强度和硬度下降。l3、固溶强化和细晶强化l纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，Cu、Mg、Si、Zn、Mn等一般都能形成有限固溶体，并且，有较大的固溶度，具有较大的固溶强化作用。变形铝合金中加微量Ti、Zr、Be及稀土元素，能够形成难熔化合物，可作为非均匀形核的核心，从而细化晶粒。l三、变形铝合金l1、不能热处理强化的铝合金l主要有

7、AlMn、AlMg系。由于具有优异的耐蚀性，故称为防锈铝。lAlMn系的主要牌号之一3A21（LF21）含1.01.6%Mn，退火组织为+MnAl6，MnAl6脆性大，故Mn含量一般不超过1.6%Mn。lAlMg系中除了Mg以外，还少量加入Mn、Ti、Si等元素。常用牌号为5A05（LF5）等，在工业上得到广泛应用（成分见P388表132）。l2、能热处理强化的铝合金l工业上得到广泛应用的热处理强化变形铝合金是三元系和四元系合金，主要有AlCuMg、AlCuMn、AlZnMg、AlZnMgCu系等。l（1）硬铝合金lAlCuMg系是典型的代表，由于强度和硬度高，故称为硬铝。l强化相主要有（Cu

8、Al2）相、（Mg5Al8）相、S（CuMgAl2）相和T（CuMg4Al6）相。l用于飞机蒙皮等零部件。l（2）超硬铝合金l超硬铝合金中强化相有（MgZn2）相和T（Al2Mg3Zn3）相。l强度588686MPa.l淬火+时效状态使用，淬火温度465475，120时效24小时。l不同铝合金时效工艺不同。l（3）锻造铝合金l四、铸造铝合金l常用的有AlSi、AlCu、AlMg、AlZn系四大类。l五、耐热铝合金l用于200300工作的零件，例如内燃机活塞和汽缸盖等。根据加工工艺特点又分为耐热变形铝合金和耐热铸造铝合金两类。l1、耐热变形铝合金l主要包括AlCuMn和AlCuMgFeNi系。l

9、2、耐热铸造铝合金l加入Fe、Ni有助于提高耐燃性，Fe、Ni比例为1时，形成热稳定性很好的Al9FeNi化合物。第二节第二节 钛及钛合金钛及钛合金l一、纯Til1. Ti的物理和力学性能l密度小，为4.51g/cm3，比强度是合金中最高的。l耐蚀性能优异(海水、硝酸、有机酸等)l耐热性能好(在500仍保持良好的力学性能)l低温性能好(在低温下仍有较好的延性和韧性)l无磁(用于潜艇壳体，不会引起水雷的爆炸)l形状记忆效应(NiTi形状记忆合金)l钛的原子序数为22，原子质量为47.9，晶格常数相(25)a=0.29504nm, c=0.46833nm;相(900)a=0.33065nm。纯钛的

10、密度是4.505g/cm3；熔点1668。纯钛的抗拉强度为265353MPa,钛合金为6861176MPa,目前，最高的可达1764MPa。强度已经与钢相当，但比强度要好的多。钛在航空航天、车辆、舰船、化工、电力、建筑、体育器材等方面获得应用。l美国战斗机的用钛比例如下：lF-14 24%lF-15 27%lF-117 25%lF-18 13%lF-22 41%l二、Ti的合金化lTi的合金化的目的就是利用合金元素对于Ti和Ti的作用，改变Ti和Ti的比例，达到改变性能的目的。l主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si等。lAl稳定相元素，在Ti中室温溶解度为7%

11、，有明显的固溶强化作用。lZr、Sn属中性元素， Zr在Ti和Ti中能形成无限固溶体， Sn的溶解度也很大。 Zr、Sn能强化相，也能提高抗蠕变能力。lMo、V属Ti形成元素，能形成无限固溶体，加入起固溶强化作用，提高热稳定性和抗蠕变能力。lFe、Mn、Cr、Cu、Si等能形成共析反应，稳定相能力比同晶型元素还大。l三、工业用Ti合金l按照退火组织可以分为、+三大类。lTC2lTC2名义成分：Ti-3Al-1.5Mn;其中Al是稳定晶型元素，主要溶入相，少量溶入相，有显著的固溶强化效果，不明显降低塑性。Mn是稳定晶型元素，加入可以进一步强化合金和改善合金的热塑性。lTC2合金由于Mn含量低，在

12、合金组织中相数量较少，故热处理不能强化，通常只在退火状态下使用。退火后塑性接近工业纯钛，并有优良的低温性能，强度高于工业纯钛，可以用作低温材料。l退火：66082015 min 2h板、带、管、箔材 70082012h 棒、线材、铸锻件lTC4l名义成分Ti-6Al-4V，V是稳定相元素，加入V在提高强度的同时还能够保持良好的塑性。 TC4合金是最典型的牌号，是美国水城兵工厂于1954年研制成功的，具有中等强度(900M Pa),广泛应用于宇航工业，占 Ti合金生产总量的60%左右，既可以用作500以下工作的耐热合金，也可以用作低温下使用的结构件(液体燃料储存容器)。l热处理工艺l退火：700

13、870 15 min 2h板、带、管、箔材 70085012h 棒、线材、铸锻件l淬火(固溶)：900950 水冷l时效：45055024 hl. TC6l合金名义成分Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Cr、Mo、Fe、Si都是相稳定元素。Cr 是代替V而加入的，其强化和稳定相的能力比V高，但在高温350500下长期工作， 相会发生共析转变+ TiCr2，使合金的塑性降低，加入Mo、Fe、Si可以提高合金的热稳定性和持久强度。l热处理工艺l退火：80087012h 棒、线材、铸锻件l淬火(固溶)：860900 水冷l时效：50062024 h lTC16l合金名义

14、成分Ti-3Al-5Mo-4.5V,Mo和V都是相稳定元素，TC16已经被大量用于飞机铆钉、螺钉、螺栓等紧固件，在退火状态下合金强度较低，但塑性特别好，可用于铆钉的冷成型；而在固溶状态下，强度较高并具有较高塑性，该合金的紧固件一般在固溶+时效状态下使用，对于缺口、扭转等应力集中敏感性小，疲劳强度较高，可以在350以下长期使用。l热处理工艺l退火：77079012h 棒、线材、铸锻件l淬火(固溶)：780830 1.52.5 h水冷l时效： 500580410 h 随着固溶温度升高，晶粒长大，原始相减少。l. TA16l合金的名义成分为Ti-2Al-2.5Zr，Zr是中性元素，在和相中均有较大的

15、溶解度，起补充强化作用，是前苏联于60年代中期研制成功的中强高塑钛合金，用于飞机和舰艇，管材主要作为联接管路和各种航空导管来使用，使用环境复杂，条件苛刻，要求管材有良好的室、高温力学性能，工艺性能和抗腐蚀性能。l热处理工艺l退火：60081512h第三节第三节 铜及铜合金铜及铜合金l一、纯Cul密度8.9g/cm3，熔点1083，工业纯铜按照氧含量和生产方法可以分为韧铜、无氧铜和脱氧铜三类。l1、韧铜l含0.020.1%O的纯铜，用符号“T”表示，后面数字为牌号顺序号，T1、T2、T3等，顺序号越大，纯度越低。l2、无氧铜l在碳和还原性气氛进行熔炼和铸造，氧含量低于0.003%，用TU1、TU

16、2表示牌号，主要用于电真空器件。l3、脱氧铜l用Mn或P进行脱氧的铜，用符号TUMn、TUP表示。l二、黄铜l以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。l1、黄铜l单相黄铜又称为黄铜，塑形好，典型牌号有H80、H70、H68等，后面数字表示平均铜含量。l2、+黄铜l称为双相黄铜，典型牌号有H59、H62等。由于相高温塑性好，所以，适宜热加工。l添加Al、Fe、Si等，形成特殊黄铜，分别称为铝黄铜、铁黄铜和硅黄铜等。l三、青铜l最早把CuSn合金称为青铜，现在则把除黄铜以外的所有铜合金称为青铜。l1、Sn青铜l以Sn为主加元素的铜合金称为锡青铜。典型牌号QSn43、QSn6.50.1用于弹性原件等；

17、ZCuSn10Zn2用于阀门、泵体等。l2、铝青铜l以铝为主加元素的铜合金称为铝青铜。l铝青铜的强度、硬度、耐磨性都超过锡青铜和黄铜，抗蚀性也好，但铸造性、切削性、焊接性较差。l用于齿轮、轴套等。l3、铍青铜l含铍量1.72.5%的铜合金。热处理以后可以获得很高的强度和硬度，弹性极限、疲劳极限、耐磨性、抗蚀性也很好。l用于制造仪器仪表零件和其它重要零件。第四节第四节 轴承合金轴承合金l一、轴承合金的性能要求l应当耐磨，并具有较小的摩擦系数，以减小轴的磨损。l在软基体上分布一定大小的硬质点或在硬基体上分布一定的软质点，可以满足要求。l常用轴承合金有锡基、铅基和铝基三种。l二、锡基轴承合金l最常用的是ZSnSb11Cu6。l三、