第七章非铁金属及其合金(马凡)

1、概概 述述1.定义定义 : 除黑色金属除黑色金属 ( 钢、铁钢、铁 ) 以外的所以外的所 有金属。有金属。 2.性能特点性能特点:具有独特的物理、化学性能。具有独特的物理、化学性能。3.分类分类重金属重金属(密度密度3.5)：Cu、Ni 等。等。轻金属轻金属(密度密度3.5)：Al、Mg 等。等。贵重金属：贵重金属：Au、Ag、Pt 等。等。稀有金属：稀有金属：W、Ti、Nb 等。等。半金属：半金属：Si、Te、B 等。等。q 铝及铝合金铝及铝合金1 1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%8.2%）；）；2 2、密度低（、密度低（2.632.

2、632.85g/cm2.85g/cm3 3） ，比强度高，比强度高；3 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于AgAg、CuCu、AuAu而而 位居第四位，约为纯铜导电率的位居第四位，约为纯铜导电率的6060）；）；4 4、耐蚀性好（、耐蚀性好（AlAl2 2O O3 3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5 5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。 物理性能：物理性能：银白色光泽，密度小（银白色光

3、泽，密度小（2.7g/cm2.7g/cm3 3），熔点低），熔点低（660660），为非磁性材料。），为非磁性材料。 原子结构：原子结构：固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在0 0253253之间塑性之间塑性韧性不降低。韧性不降低。分类：分类：纯铝按其纯度分为工业高纯和工业纯铝，纯度依次纯铝按其纯度分为工业高纯和工业纯铝，纯度依次降低。降低。应用：应用：工业纯铝主要用作制备铝基合金；高纯铝用于科学工业纯铝主要用作制备铝基合金；高纯铝用于科学试验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还用于

4、制作电试验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。 铝合金的分类铝合金的分类铝合金铝合金的分类的分类形变铝合形变铝合金金铸造铝合金铸造铝合金不能热处理强化不能热处理强化能热处理强化能热处理强化固溶处理：固溶处理： 时效处理时效处理自然时效自然时效人工时效人工时效 将铝合金加热至将铝合金加热至单相区恒温保持，然后快单相区恒温保持，然后快速冷却，可在室温下得到过饱和的速冷却，可在室温下得到过饱和的 固溶体固溶体。 在室温下放置或低温加热时，强度和在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。

5、硬度会明显升高。铝合金的热处理铝合金的热处理 含含4%Cu的铝合金自然时效曲线的铝合金自然时效曲线含含4%Cu的铝合金的人工时效曲线的铝合金的人工时效曲线*过时效：时效温度过高合金软化过时效：时效温度过高合金软化回归回归时间温度 加加热热200250水水 淬淬时效组织时效组织原淬火组织原淬火组织 回归：回归：经淬火自然时效后的铝合金（如铝铜）经淬火自然时效后的铝合金（如铝铜）重新加热到重新加热到200250，然后快冷到室温，则合金，然后快冷到室温，则合金强度下降，重新变软，性能恢复到刚淬火状态；如强度下降，重新变软，性能恢复到刚淬火状态；如在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正在室温下放

6、置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效，这种现象称为回归现象。常的自然时效，这种现象称为回归现象。 *人工时效后的铝合金没有回归现象。人工时效后的铝合金没有回归现象。形变铝合金形变铝合金是指合金元素含量较低，可以通过压力加工制是指合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类铝合金。成各种型材及成形零件的一类铝合金。( (铝防铝防）（化学成分化学成分） 如如是是MgMg含量为（含量为（4.84.85.55.5）的防锈铝合金。这）的防锈铝合金。这类合金主要有类合金主要有Al-MgAl-Mg和和Al-MnAl-Mn系等，塑性好、耐腐蚀，可冷系等，塑性好、耐腐蚀，可冷变形强化

7、，多用于制造受力小、质轻、耐腐蚀的冲压件和变形强化，多用于制造受力小、质轻、耐腐蚀的冲压件和焊接结构件等。焊接结构件等。常用的铝合金常用的铝合金飞机翼梁飞机翼梁( (腹板腹板为硬铝合金为硬铝合金) )2.硬铝合金硬铝合金 : (铝硬）铝硬）（化学成分）（化学成分） 这类合金主要有这类合金主要有Al-Cu-Mg系系合金，可通过淬火时效来显著提合金，可通过淬火时效来显著提高强度，硬度和耐热性能都有所高强度，硬度和耐热性能都有所改善，但耐蚀性较差，多用于制改善，但耐蚀性较差，多用于制造中等强度的飞机结构件等。造中等强度的飞机结构件等。3.超硬铝合金超硬铝合金 ( LC ) : (铝超）铝超）（化学成

8、分）（化学成分） 这类合金主要有这类合金主要有Al-Cu-Mg-Zn系合金，耐蚀性同样较差，多用系合金，耐蚀性同样较差，多用于制造质轻、受力较大的结构件于制造质轻、受力较大的结构件等。等。飞机主起落架飞机主起落架4.锻铝合金锻铝合金 ( LD ) :(锻铝）锻铝）（化（化学成分）学成分） 这类合金主要有这类合金主要有Al-Cu-Mg-Si系合金，热塑性系合金，热塑性和耐蚀性较高，适于锻压成形。多用于制造形状和耐蚀性较高，适于锻压成形。多用于制造形状复杂、比强度要求高的受力结构件。复杂、比强度要求高的受力结构件。压气机叶片压气机叶片 合金含量较高，适于铸造成形。合金含量较高，适于铸造成形。 牌号

9、：牌号：( (铸铝铸铝） 说明：第一位数字表示合金系列；说明：第一位数字表示合金系列； 第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。铸铸 造造铝合金铝合金铝锌系铝锌系合合 金金铝镁系铝镁系合合 金金铝铜系铝铜系合合 金金铝硅系铝硅系合合 金金铸造、机械铸造、机械性能良好性能良好高温强度高（耐高温强度高（耐热），易腐蚀热），易腐蚀强度、塑性高强度、塑性高，耐腐蚀，铸，耐腐蚀，铸造时易氧化造时易氧化强度高，易强度高，易腐蚀，价格腐蚀，价格低低汽缸头汽缸头 铝铜合金铝铜合金大型空压机活塞铝锌合金大型空压机活塞铝锌合金活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金) )

10、鼓风机用密封件铝镁合金鼓风机用密封件铝镁合金q 铜及铜合金铜及铜合金 物理性能：物理性能：紫红色光泽，密度紫红色光泽，密度8.9g/cm8.9g/cm3 3，熔点，熔点10831083，导，导电、导热性能良好，塑性好，耐蚀，强度低。电、导热性能良好，塑性好，耐蚀，强度低。 应用：应用：工业上利用铜制造电线、导电零件、油管等；同工业上利用铜制造电线、导电零件、油管等；同时，还利用纯铜（逆磁性材料）不受磁场干扰的特性制备时，还利用纯铜（逆磁性材料）不受磁场干扰的特性制备磁性仪器和其他防磁器械等。磁性仪器和其他防磁器械等。 纯铜通过合金化处理可以改善其机械性能，铜合金按纯铜通过合金化处理可以改善其机

11、械性能，铜合金按其色泽的不同可分为其色泽的不同可分为黄铜、青铜、白铜黄铜、青铜、白铜三大类。三大类。 黄铜黄铜以锌为主加元素，其外观呈金黄色光泽。我国应以锌为主加元素，其外观呈金黄色光泽。我国应用黄铜在用黄铜在宋代宋代有明确记载。有明确记载。( (黄黄）（铜的百分含量铜的百分含量）属于属于Cu-ZnCu-Zn二元合金，其力学性能随铜的质量分数变化。二元合金，其力学性能随铜的质量分数变化。 H95H95、H90H90、H85H85有良好的导电性、导热性和耐蚀性，有有良好的导电性、导热性和耐蚀性，有适宜的强度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散热器。适宜的强度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散热器。 H

12、70H70、H68H68强度较高、塑性很好，用于深冲零件，如散强度较高、塑性很好，用于深冲零件，如散热器外壳、弹壳等。热器外壳、弹壳等。 H62H62、H59H59可高温热加工，强度高，塑性较好，可制造可高温热加工，强度高，塑性较好，可制造导管、销钉等。导管、销钉等。 又称又称多元黄铜多元黄铜，在，在Cu-ZnCu-Zn二元合金的基础上，二元合金的基础上，加入加入SnSn、SiSi、PbPb、FeFe等合金元素，改善和提高其性能。等合金元素，改善和提高其性能。(黄）黄）锌除外锌除外铜含铜含量量主加元素含量，其余为锌含量主加元素含量，其余为锌含量 除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外除

13、了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，通称为观多为棕绿色，通称为青铜青铜。表示方法表示方法：( (青）青）主加元素含量主加元素含量其他合金元素平均含量其他合金元素平均含量 普通青铜以锡为主加元素，又称普通青铜以锡为主加元素，又称锡青铜锡青铜。它是人类历。它是人类历史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，但耐酸性差。性和低温韧性，但耐酸性差。 青铜牌号的表示方法青铜牌号的表示方法Z Q Sn10 1 其它合金元其它合金元素含量为素含量为1%主加元素锡其含主加元素锡其含量为量为WSn = 10%青铜青铜铸

14、造铸造 特殊青铜特殊青铜是不含锡的青铜合金。是不含锡的青铜合金。 铝青铜铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最为广泛。为广泛。铍青铜铍青铜有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲击无火花；强毒，限制生产。击无火花；强毒，限制生产。 另外，还有另外，还有硅青铜硅青铜、铅青铜铅青铜等。等。 以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，具有金属光泽，故得名白铜。耐蚀性、耐热性、具有金属光泽，故得名白铜。耐蚀性、耐热性、耐寒性好，中等强度，高塑性，能冷、热压加工，耐寒性好，中等强度，高塑

15、性，能冷、热压加工，还有很好的电学性能，用作结构材料外、高电阻还有很好的电学性能，用作结构材料外、高电阻和热电偶合金。和热电偶合金。u普通白铜：普通白铜：即即Cu-Ni二元合金。铜与镍形成无限二元合金。铜与镍形成无限固溶体，为单相固溶体。固溶体，为单相固溶体。 普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，广泛应用于海船、医疗器械、化工等。普通性，广泛应用于海船、医疗器械、化工等。普通白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸的板、白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸的板、带、管、棒等半成品。带、管、棒等半成品。 铁白铜：铁白铜：普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜

16、。普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜。铁能显著细化晶粒，提高强度和耐蚀性，尤其是铁能显著细化晶粒，提高强度和耐蚀性，尤其是提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。 10Ni的铜合金中加入的铜合金中加入l2Fe，对提高耐流，对提高耐流动海水的冲刷腐蚀有显著效果。动海水的冲刷腐蚀有显著效果。 30Ni的合金中加入的合金中加入0.5Fe，有相同作用。，有相同作用。白铜中白铜中Fe的加入量不超过的加入量不超过2，否则，反而引起，否则，反而引起腐蚀开裂。腐蚀开裂。锌白铜锌白铜：锌白铜亦称：锌白铜亦称“镍银镍银”或或“德国银德国银”。锌。锌能大量溶于能大量溶于Cu-Ni合金中，形成单相合金中

17、，形成单相固溶体。锌固溶体。锌起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀能力。起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀能力。 BZnl5-20耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。铝白铜：铝白铜：铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀性，抗寒，有很好的弹性并能承受冷热加工。铝性，抗寒，有很好的弹性并能承受

18、冷热加工。铝白铜的机械性能和导热性比白铜的机械性能和导热性比B30还好，耐蚀性接还好，耐蚀性接近近B30，焊接性好，可代替，焊接性好，可代替B30。应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜BMn3-12锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。 用来制作工作温度在用来制作工作温度在100以下的标准电阻、电桥、电位以下的标准电阻、电桥、电位差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。B

19、Mn40-1.5锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能并能很好地和承受压力加工。康并能很好地和承受压力加工。康 铜与铜与Cu、Fe、Ag配对时配对时有高的热电势，康铜与铜线接触的热电势为有高的热电势，康铜与铜线接触的热电势为3910-6V，而锰铜只有而锰铜只有1.610-6V，铜与康铜配用于，铜与康铜配用于-100+300温区测温；也用来制作滑动变阻器，工作温度在温区测温；也用来制作滑动变阻器，工作温度在500以下的加热器。以下的加热器。 1、镁资源丰富镁资源丰富，

20、是地壳中仅次于铝、铁的第三种最为丰，是地壳中仅次于铝、铁的第三种最为丰富的金属元素，其储量占地壳的富的金属元素，其储量占地壳的2.5%；2 2、密度低密度低，只有铝的，只有铝的2/32/3，使镁合金在许多性能上可与铝，使镁合金在许多性能上可与铝合金相媲美，在许多飞机零件和航天器中越来越多地使用合金相媲美，在许多飞机零件和航天器中越来越多地使用镁合金镁合金 ；3 3、化学性质活泼化学性质活泼，易氧化。，易氧化。 概述概述 工业纯镁工业纯镁 银白色，密度银白色，密度1.74g/cm1.74g/cm3 3，熔点，熔点650650，沸点，沸点11001100。其晶体结构其晶体结构hcphcp，无同素异

21、构转变，镁的电极电位较低，无同素异构转变，镁的电极电位较低，抗蚀能力很差，在潮湿的空气和海水中，易受到腐蚀。当抗蚀能力很差，在潮湿的空气和海水中，易受到腐蚀。当温度升高，镁能被剧烈氧化以至燃烧。温度升高，镁能被剧烈氧化以至燃烧。u 工业纯镁牌号用拼音字母工业纯镁牌号用拼音字母M+M+顺序号顺序号表示。其主要用于表示。其主要用于制造镁合金和用于其他合金的添加元素，其次还常用作化制造镁合金和用于其他合金的添加元素，其次还常用作化工与冶金生产中的还原剂和烟火工业、钢铁脱硫等。工与冶金生产中的还原剂和烟火工业、钢铁脱硫等。 u 纯镁弹性模量小（室温下仅为纯镁弹性模量小（室温下仅为45GPa45GPa）

22、，因此在外力），因此在外力作用下弹性变形功较大，镁合金可承受较大的冲击和振动作用下弹性变形功较大，镁合金可承受较大的冲击和振动载荷。载荷。 作为结构材料，一般要向纯镁中加入一些合金元素制作为结构材料，一般要向纯镁中加入一些合金元素制成镁合金而应用。镁合金中常加入的合金元素有成镁合金而应用。镁合金中常加入的合金元素有AlAl、ZnZn、MnMn、ZrZr及稀土元素等。及稀土元素等。 镁的合金化镁的合金化 添加添加AlAl：产生固溶强化，同时沉淀析出强化相产生固溶强化，同时沉淀析出强化相MgMg1717AlAl1212，增加了合金强度和塑性；增加了合金强度和塑性； 添加添加MnMn：提高合金的耐热

23、性和抗蚀性，并改善焊接性；提高合金的耐热性和抗蚀性，并改善焊接性； 添加少量添加少量ZrZr和稀土元素和稀土元素：细化晶粒，提高耐热性并改善细化晶粒，提高耐热性并改善镁合金的工艺性能等多方面作用。镁合金的工艺性能等多方面作用。 杂质元素杂质元素：FeFe、NiNi、CuCu等元素对等元素对MgMg合金性能危害很大，合金性能危害很大，作为杂质必须严格控制其在合金中的含量。作为杂质必须严格控制其在合金中的含量。 添加添加ZnZn：产生固溶强化，其沉淀析出相产生固溶强化，其沉淀析出相MgMg2 2ZnZn3 3或或MgZnMgZn2 2，强化效果不及强化效果不及MgMg1717AlAl1212元素，

24、故一般元素，故一般ZnZn元素用于配合其他元素用于配合其他合金元素来强化合金元素来强化MgMg； 镁合金分为形变镁合金和铸造镁合金两大类，其编号镁合金分为形变镁合金和铸造镁合金两大类，其编号方法与铝合金类似，如方法与铝合金类似，如MB1MB1表示表示1 1号形变镁合金，号形变镁合金，ZM1ZM1表示表示1 1号铸造镁合金。号铸造镁合金。 工业中常用镁合金主要集中于工业中常用镁合金主要集中于Mg-Al-ZnMg-Al-Zn、Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr、Mg-RE-ZrMg-RE-Zr、Mg-MMg-M等几个合金系列。等几个合金系列。u 镁合金的分类和常用铝合金镁合金的分类和常用铝合金 我国

25、目前的形变镁合金主要为我国目前的形变镁合金主要为Mg-MnMg-Mn系，系，Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系系和和Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr系三类。系三类。 Mg-MnMg-Mn系合金系合金有良好的耐蚀性和焊接性能，其板材用有良好的耐蚀性和焊接性能，其板材用于制作蒙皮等焊接结构件，以及通过锻造制作外形复杂的于制作蒙皮等焊接结构件，以及通过锻造制作外形复杂的耐蚀构件，且一般在退火状态使用；耐蚀构件，且一般在退火状态使用； Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系合金系合金强度较高，塑性好，多用于制造有中强度较高，塑性好，多用于制造有中等力学性能要求的零件；等力学性能要求的零件； Mg-Zn-Z

26、rMg-Zn-Zr系系强度最高，属高强镁合金，是在航空等工强度最高，属高强镁合金，是在航空等工业应用最多的变形镁合金，使用时应进行人工时效强化。业应用最多的变形镁合金，使用时应进行人工时效强化。 我国八个牌号的铸造镁合金又分为高强度铸造镁合金我国八个牌号的铸造镁合金又分为高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金两大类。和耐热铸造镁合金两大类。 高强度铸造镁合金高强度铸造镁合金有有Mg-Al-ZnMg-Al-Zn系（系（ZM5ZM5）和）和Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr系（系（ZM1ZM1，ZM2ZM2，ZM7ZM7，ZM8ZM8），其有高的室温强度，塑性好），其有高的室温强度，塑性好且工艺性能优异，

27、但耐热性差（且工艺性能优异，但耐热性差（150150使用），可用于制使用），可用于制造飞机发动机，卫星中承受较高载荷的铸造结构件。造飞机发动机，卫星中承受较高载荷的铸造结构件。 耐热铸造镁合金耐热铸造镁合金是是Mg-RE-ZrMg-RE-Zr系（系（ZM3ZM3、ZM4ZM4、ZM6ZM6），）， 合金工艺性能好，可在温度合金工艺性能好，可在温度(200(200250)250)长期使用，短长期使用，短期使用温度达期使用温度达(300(300350)350)，但其常温强度和塑性较低。，但其常温强度和塑性较低。 u n钛合金质量小，强度高，具有很高的耐蚀性和钛合金质量小，强度高，具有很高的耐蚀性和

28、耐热性。耐热性。n熔点高、熔炼和浇注工艺复杂，价格昂贵。熔点高、熔炼和浇注工艺复杂，价格昂贵。n一、纯钛一、纯钛n灰白色，熔点灰白色，熔点1668 ，固态有同素异构转变。，固态有同素异构转变。焊接性好、强度低、塑性好、易于冷压加工。焊接性好、强度低、塑性好、易于冷压加工。n二、钛合金二、钛合金n按退火和淬火状态组织不同：按退火和淬火状态组织不同： 钛合金，钛合金， 钛合钛合金和金和 + 钛合金钛合金 n牌号：牌号：TA、TB、TC加上编号加上编号（一）（一） 钛合金钛合金 组织全部为组织全部为 固溶体，组织稳定。固溶体，组织稳定。单相合金不能热处理强化。单相合金不能热处理强化。（二）（二） 钛合金钛合金具