机械工程材料 第九章 非铁(有色)

1、第九章第九章 非铁（有色）金属及合金非铁（有色）金属及合金第一节第一节 铝及其合金铝及其合金第二节第二节 铜及其合金铜及其合金第三节第三节 钛及其合金钛及其合金 第四节第四节 滑动轴承合金滑动轴承合金第五节第五节 新型及特种用途材料新型及特种用途材料一、铝及其合金的性能特点一、铝及其合金的性能特点（一）纯铝（一）纯铝 1.密度小（密度小（2.78g/cm3），熔点低），熔点低(660.4)。 2.塑性好，可压力加工成各种型材塑性好，可压力加工成各种型材 。 3.具有良好的导电、导热性和抗大气腐蚀性。具有良好的导电、导热性和抗大气腐蚀性。4. 强度和硬度都很低。难以作为工程结构材料使用。强度和硬

2、度都很低。难以作为工程结构材料使用。第一节第一节 铝及其合金铝及其合金 工业纯铝工业纯铝 L1 L5 用做散热器、器皿、导线、铝箔等。用做散热器、器皿、导线、铝箔等。 变形铝合金变形铝合金通过压力加工制成铝型材。通过压力加工制成铝型材。 铸造铝合金铸造铝合金Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等系列。等系列。（二）铝合金（二）铝合金变形铝合金又分为变形铝合金又分为可热处理强化可热处理强化和和不可热处理强化。不可热处理强化。二、铝合金的强化二、铝合金的强化（一）时效强化（一）时效强化(适于可适于可热处理强化变形铝热处理强化变形铝合金合金）固溶处理固溶处理 将合金加热将合金加热到单相，经

3、过保温后到单相，经过保温后淬火得到过饱和固溶淬火得到过饱和固溶体的处理。体的处理。2. 时效处理时效处理 将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。以析出弥散强化相的热处理。在室温下进行的时效称在室温下进行的时效称 自然时效自然时效 ；在加热条件下进行的时效称在加热条件下进行的时效称 人工时效人工时效 。 含含4%Cu的铝合金自然时效曲线的铝合金自然时效曲线（二）细晶强化（适合铸造铝合金（二）细晶强化（适合铸造铝合金)方法方法1 改善冷却条件，提高冷却速度，增加过冷度。改善冷却条件，提高冷却速度，增加过冷度。方法方法2 变

4、质处理变质处理 在在Al-Si合金中加入合金中加入Na（盐）或（盐）或Ti、B粗大粗大针状针状共晶共晶Si初晶初晶(+ )共晶共晶初初晶晶Si（三）形变强化（加工硬化）（三）形变强化（加工硬化） 对不能热处理强化的对不能热处理强化的防锈铝合金防锈铝合金施以冷压力加工，施以冷压力加工，产生加工硬化而强化。产生加工硬化而强化。 （四）固溶强化（四）固溶强化 铝合金都有，如加入铝合金都有，如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形等可形成有限固溶体。成有限固溶体。三、铸造铝合金及其热处理三、铸造铝合金及其热处理Al-Si系：系： 代号为代号为ZL1+两位数字顺序号两位数字顺序号Al-Cu系：代号为系：

5、代号为ZL2+两位数字顺序号两位数字顺序号Al-Mg系：代号为系：代号为ZL3+两位数字顺序号两位数字顺序号Al-Zn系：系： 代号为代号为ZL4+两位数字顺序号两位数字顺序号1、Al-Si系合金系合金 （硅铝明）（硅铝明）工业上使用最广泛的铸造铝合金。工业上使用最广泛的铸造铝合金。简单硅铝明：简单硅铝明：ZAlSi12（ZL102）。）。复杂（或特殊）硅铝明：复杂（或特殊）硅铝明：加入其它加入其它合金元素的铝硅铸造合金。合金元素的铝硅铸造合金。 ZAlSi5Cu1Mg（ZL105）应用：飞机、仪表及电机壳体、应用：飞机、仪表及电机壳体、汽汽缸体缸体、风机叶片、风机叶片、发动机活塞等。发动机活

6、塞等。2、Al-Cu系合金系合金 ZAlCu5Mn（ZL201）、）、 ZAlCu4（ZL203）这类合金的耐热性好，强度较这类合金的耐热性好，强度较高；高；铸造性能不好，耐蚀性及比铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。强度也较一般优质硅铝明为低。应用：主要用于制造在较应用：主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、如内燃机汽缸头、 汽车活塞汽车活塞等。等。 3、Al-Mg系合金系合金 ZAlMg10（ZL301）、）、ZAlMg5Si1（ZL303）铸造铝合金中铸造铝合金中密度最小、耐蚀性最好、强度最高密度最小、耐蚀性最好、强度最高的的铸造

7、铝合金；铸造铝合金；但铸造性能差，耐热性低。但铸造性能差，耐热性低。常用于常用于制造外形简单、制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等船配件、氨用泵体等4、Al-Zn系合金系合金 ZAlZn11Si7（ZL401）、）、ZAlZn6Mg（ZL402）性能、用途和热处理见表性能、用途和热处理见表9-2和表和表9-3（自学）（自学）最便宜的一类铸造铝合金，最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。点，主要缺点是耐蚀性较差。主要用于制造形状复杂、受力较主要用于制造形

8、状复杂、受力较小的汽车小的汽车、飞机、仪器零件。、飞机、仪器零件。牌号牌号：四位字符（：四位字符（2 A 2 02 A 2 0）第一位为数字，表示铝合金组别；第二位：第一位为数字，表示铝合金组别；第二位：A/(0)A/(0)原始合金原始合金第三、四位：区分同一组的不同合金。第三、四位：区分同一组的不同合金。分类分类： 防锈铝（铝锰合金）防锈铝（铝锰合金） LF+LF+序号序号 硬铝（铝铜合金）硬铝（铝铜合金） LY +LY +序号序号 超硬铝合金（铝锌合金）超硬铝合金（铝锌合金） LC +LC +序号序号 锻铝合金（铝镁合金）锻铝合金（铝镁合金） LD +LD +序号序号四、变形铝合金四、变形

9、铝合金（一）（一）防锈铝合金防锈铝合金（ Al-Mn、Al-Mg ）Mn 、Mg 主要作用是提高抗蚀能力和塑性，主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。并起固溶强化作用。 常用牌号常用牌号3A21 （LF2）、）、 5A05应用：油箱、油管、铆钉、飞机蒙皮。应用：油箱、油管、铆钉、飞机蒙皮。（二）（二）硬铝合金硬铝合金（ Al-Cu-Mg ） 常用牌号常用牌号2A11（LY11）、）、2A12（LY12） 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。 用于制造螺旋桨叶片、支柱、飞机翼梁、翼肋，用于制造螺旋桨叶片、支柱、飞机翼梁、翼肋，目前最重

10、要的飞机结构材料。目前最重要的飞机结构材料。（三）（三）超硬铝合金超硬铝合金（ Al-Mg-Zn-Cu ） 常用牌号常用牌号7A04（LC4） 、7A09 (LC9) 变形铝合金中室温强度最高的一类铝合变形铝合金中室温强度最高的一类铝合金，金，热态塑性好，但耐蚀性差。热态塑性好，但耐蚀性差。 主要用于工作温度较低、受力较大的结构主要用于工作温度较低、受力较大的结构件件 ，如，如飞机大梁飞机大梁 、起落架等、起落架等 。（四）（四）锻造铝合金锻造铝合金 Al-Mg-Si-Cu系合金系合金 常用牌号常用牌号6A02 可锻性好，力学性能高，可锻性好，力学性能高， 用于形状复杂的锻件和模锻件，用于形状

11、复杂的锻件和模锻件， 如喷气发动机压气机、叶轮、如喷气发动机压气机、叶轮、 导风轮等、压气机叶导风轮等、压气机叶片。片。 Al-Cu-Mg-Ni-Fe系耐热锻铝合金系耐热锻铝合金常用牌号有常用牌号有 2A70(LD7)、2A80 (LD8)、2A90(LD9)等。等。用于制造用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。音速飞机蒙皮等。、一、工业纯铜一、工业纯铜主要特点：主要特点：导电、导热性好；强度低、塑性好；导电、导热性好；强度低、塑性好；在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。牌号：牌号：T1T3（数

12、字大、杂质高）（数字大、杂质高）主要用途：主要用途：电工元件电工元件第二节第二节 铜及其合金铜及其合金纯铜管纯铜管二、黄铜二、黄铜以以Zn为主要合金元素的铜合金称为为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜。分类：（按化学成分）分类：（按化学成分）简单黄铜简单黄铜与与复杂黄铜复杂黄铜1. 简单黄铜简单黄铜或或普通黄铜普通黄铜：只含：只含Zn的黄铜的黄铜牌号牌号H96（含铜（含铜96%）法兰阀法兰阀闸阀闸阀黄铜铸件黄铜铸件H62双相黄铜双相黄铜 退火退火 白白+黑黑H70单相黄铜单相黄铜 退火退火 铜锌合金相图可以看出黄铜有铜锌合金相图可以看出黄铜有和和+两种组织，两种组织，分别称分别称单相黄铜单相黄

13、铜和和两相黄铜。两相黄铜。 单相黄铜单相黄铜 (Zn含量较少）含量较少） 塑性好。塑性好。常用牌号有常用牌号有H80、H70（弹（弹壳黄铜）、壳黄铜）、H68。适于制造冷变形零件，如适于制造冷变形零件，如 弹壳、冷凝器管等。弹壳、冷凝器管等。 两相黄铜两相黄铜 热塑性好热塑性好, 强度高。强度高。常用牌号有常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如如垫、适于制造受力件，如如垫、 弹簧、导管、散热器等。弹簧、导管、散热器等。汽车机油泵衬套汽车机油泵衬套2.复杂黄铜复杂黄铜或或特殊黄铜特殊黄铜 除除Zn外，还含有其它合金元素外，还含有其它合金元素Al、Fe、Si、Cr、 Ni、Sn、Mn 等等元

14、素元素的黄铜。的黄铜。牌号牌号:H Sn 62 1（海军黄铜海军黄铜）含含Sn量量WSn = 1%含铜量含铜量WCu = 62%主加主加元素元素特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。善。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。 三、青铜三、青铜青铜青铜原指原指Cu-Sn合金合金，现在指，现在指Cu中加中加Al、Si、Pb、Be、Mn等为主加元素的铜基合金。等为主加元素的铜基合金。青铜包括：青铜包括： 压力加工锡青铜压力加工锡青铜 铸造锡青铜铸造锡

15、青铜 特殊青铜特殊青铜 详见表详见表9-9 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%青铜青铜铸造铸造第三节第三节 钛及其合金钛及其合金 密度较小（密度较小（4.5g/cm3），比强度），比强度（抗拉强度密度）（抗拉强度密度）高。高。 极高的抗腐蚀性能极高的抗腐蚀性能。 塑性、低温韧性好。塑性、低温韧性好。 价格昂贵。价格昂贵。一、钛及其合金性能特点一、钛及其合金性能特点同素异构转变同素异构转变 882时，密排六方时，密排六方-Ti -Ti（体（体心立方）。心立方）。（一）纯钛（一）纯

16、钛 纯钛主要用于纯钛主要用于350以下工作、强度要求不高以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。化装置及舰船零部件。钛管换热器钛管换热器钛钢复合反应釜钛钢复合反应釜钛制蒸馏塔二、常用钛合金二、常用钛合金按退火组织：按退火组织：型钛合金（型钛合金（TA +数字）数字）型钛合金（型钛合金（TB +数字）数字）+型钛合金（型钛合金（TC +数字）数字）钛合金泵钛合金泵美美F-22战机约战机约36%重量重量的零件用钛合金制造的零件用钛合金制造（一）工业纯钛（一）工业纯钛 99.099.5%Ti 牌号牌号 工业纯钛

17、工业纯钛 TA1TA3 主要用于飞机蒙皮、构件和耐蚀的化学装置，海水主要用于飞机蒙皮、构件和耐蚀的化学装置，海水淡化装置等。淡化装置等。（二）（二） 型钛合金型钛合金 主加元素：主加元素：Al、Sn、Zr， 牌号：牌号：TA6（Ti-5Al）、）、 TA7（ Ti-5Al-2.5Sn） 室温为单相室温为单相 相（密排六方结构）。相（密排六方结构）。不能通过热处理提高强度。不能通过热处理提高强度。室温强度低于另两类钛室温强度低于另两类钛合金合金 。但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体钛合金氢泵壳体 主要用于制造主要用于

18、制造 500以下工作的零件，如飞机压以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等匣及飞船上的高压低温容器等 。 （三）（三） （ + ）型钛合金）型钛合金 相相体心立方结构，塑性比体心立方结构，塑性比 好。好。 牌号：牌号： TC4（Ti-6Al-4V）、）、 TC2（Ti-3Al-1.5Mn）主要用于制造主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。耐压壳体等。（四）（四）

19、 型钛合金型钛合金牌号：牌号：TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）通常作通常作350以下工作的结构件以下工作的结构件和紧固件和紧固件。如制造压气机叶片、轴、如制造压气机叶片、轴、轮盘等重载荷零件。轮盘等重载荷零件。 钛离心泵钛离心泵第四节第四节 （滑动）轴承合金（滑动）轴承合金用来制造用来制造滑动轴承轴瓦滑动轴承轴瓦及其及其内衬内衬的耐磨合金称的耐磨合金称为为轴承合金轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件。要部件。与滚动轴承相比，滑动轴承具有承载面积大、工与滚动轴承相比，滑动轴承具有承载面积大、工作平稳、无噪音及拆装

20、方便等优点。作平稳、无噪音及拆装方便等优点。良好的减摩和耐磨性。良好的减摩和耐磨性。 有色金属有色金属+硬质点硬质点足够的抗压强度和疲劳强度。足够的抗压强度和疲劳强度。3. 良好的磨合性。良好的磨合性。 以防止轴与轴瓦之间咬合以防止轴与轴瓦之间咬合软基体软基体4. 耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数。耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数。5. 良好的工艺性能。良好的工艺性能。一、对性能要求一、对性能要求内燃机轴瓦内燃机轴瓦为满足上述性能要求，轴承合金的组织应为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是是软的基体上分布着硬的质点软的基体上分布着硬的质点或或硬的基体上分布硬的基体上分布着软的质点。着软的质点。当轴

21、旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点(基体基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。软基体软基体(或质点或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用用, 以避免擦伤轴颈。以避免擦伤轴颈。锡基轴承合金是在锡基轴承合金是在锡锑合金锡锑合金基础上添加一定基础上添加一定数量的数量的铜铜，又称为，又称为锡基巴氏合金锡基巴氏合金。二、锡基轴承合金二、锡基轴承合金牌

22、号：牌号：ZSnSb116铸铸造造基本元素基本元素主加元素主加元素WCu为为6WSb为为11性能：性能：减摩性、耐蚀性、导热性和韧性都比较好，但减摩性、耐蚀性、导热性和韧性都比较好，但疲劳强度比较低，疲劳强度比较低，工作温度不能超过工作温度不能超过150。适于制作适于制作中等载荷中等载荷的汽车、拖拉机等的汽车、拖拉机等高速轴的轴瓦。高速轴的轴瓦。ZSnSb11-6 铸态铸态 黑黑 +白方块白方块（SnSb） +Cu3Sn（白色枝晶）（白色枝晶）包括：包括：Al-Sn、Al-Sb、Al-C（石墨）（石墨）（一）（一）Al-Sn6095%Al，是在硬基体，是在硬基体Al上分布软质点（上分布软质点（

23、Sn）。）。在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。（二）（二）Al-Sb 4%Sb+0.30.7%Mg软基体软基体固溶体上固溶体上分布硬质点（分布硬质点（AlSb）三、铝基轴承合金三、铝基轴承合金（三）（三） Al-C（石墨）（石墨） 石墨起减磨和润滑作用。石墨起减磨和润滑作用。铝基轴承合金价格低廉，密度小，导热性好，铝基轴承合金价格低廉，密度小，导热性好，疲劳疲劳强度高强度高，抗蚀性好，并且原料丰富，目前已广泛用，抗蚀性好，并且原料丰富，目前已广泛用于于高速、高负荷下高速、高负荷下工作的轴承。工作的轴承。青铜和黄铜都可使用，详细见表青铜和黄铜都可使用，详细见

24、表8-12。四、铜基轴承合金四、铜基轴承合金 Cu基轴承合金基轴承合金 做大载荷、高速轴承做大载荷、高速轴承。 Pb青铜：青铜：ZCuPb30，CuCu硬基体硬基体PbPb软质点。软质点。Sn青铜青铜：ZCuSn10P1，软基体（软基体（CuCu3 3P P） 硬质点。硬质点。第五节第五节 新型及特种用途材料新型及特种用途材料一、非晶态合金一、非晶态合金二、纳米材料二、纳米材料三、梯度材料三、梯度材料四、形状记忆合金四、形状记忆合金五、储氢合金五、储氢合金一、非晶态合金（金属玻璃）一、非晶态合金（金属玻璃）性能：高强度、硬度和断裂韧性、良好的软磁性及性能：高强度、硬度和断裂韧性、良好的软磁性及

25、耐蚀性耐蚀性制备方法：制备方法：1. 由气相直接凝聚成非晶态固体。由气相直接凝聚成非晶态固体。2. 由液态快淬获得非晶态固体。由液态快淬获得非晶态固体。3. 由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料。方法制得非晶态材料。缺点：目前只能制成粉末、丝、带、片等，而缺点：目前只能制成粉末、丝、带、片等，而且容易晶化。且容易晶化。二、纳米材料二、纳米材料纳米，是一个长度单位，单位符号是纳米，是一个长度单位，单位符号是nm。纳米科学技术是纳米科学技术是20世纪世纪80年代末诞生并蓬勃发展的年代末诞生并蓬勃发展的一种高新技术。一种高新技术。它的内容是在

26、纳米尺寸范围内认识和改造自然，通它的内容是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子，而创造新物质。过直接操纵和安排原子，而创造新物质。纳米科技研究的重要仪器纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜原子力显微镜(AFM)、扫描探针显微镜（、扫描探针显微镜（SPM）等微）等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。极的促进作用。具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。制备方法：惰性气体沉积法、还原法、化学气相沉积制备方法：惰性气体沉积

27、法、还原法、化学气相沉积法。法。纳米材料分为两个层次纳米材料分为两个层次 ：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子：指的是粒子尺寸为纳米超微粒子：指的是粒子尺寸为1100nm的超微的超微粒子；粒子；纳米固体材料：指的是由纳米超微粒子制成的固体材纳米固体材料：指的是由纳米超微粒子制成的固体材料。料。三、梯度材料三、梯度材料依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续地呈的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。材料。显著特点是克服了两种材料