机械工程材料：第九章 有色金属及其合金

1、Mechanical Engineering Materials机械工程材料第九章 有色金属及其合金授课的主线Properties性能Structure结构Classification分类Steels钢铁Cast iron铸铁Nonferrous有色金属Ceramics陶瓷Polymer高分子Composite复合材料Crystal structure晶体结构Phase structure相结构Microstructure微观组织Materials processing材料加工Solidification凝固Plastic deformation塑性变形Heat treatment热处理3第九

2、章 有色金属及其合金第一节 铝及其合金第二节 铜及其合金第三节 镁及其合金机械工程材料第四节 轴承合金黑色金属（ ferrous metal ）：铁(镍、锰)及其合金有色金属：其他金属及合金，如Al、Cu、Mg、 Ti、 Pb 、 Sn、Zn等金属及其合金。第九章 有色金属及合金 有色金属的产量和用量不 如黑色金属多，但由于其特 性，如特殊的电、磁、热性 能,耐蚀性能及高的比强度 (强度/密度)等, 已成为现 代工业中不可缺少的金属材 料，成为金属材料企业的盈利点。材料占汽车净重比AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比第九章 有色金属及合金 主要内容

3、1、铝及其合金2、铜及其合金3、镁及其合金4、滑动轴承合金广州丰田发动机第一节 铝及其合金用途：导线、器具，配制高强度合金 制作某些构件。牌号：1A99，1050强化方法：1、形变强化：利用加工硬化，提高幅度有限 2、合金化：加Si、Mg、Cu、Mn等合金化，有 效方法，工业生产常用一、纯 铝 面心立方晶格，无同素异构转变 性能：质轻、导电、导热、抗蚀 且塑性高、强度低 冰晶石（六氟铝酸钠）-氧化铝熔融盐电解铝法第一节 铝及其合金铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。铝合金制造的机翼铝合金型材Iphone 6S 7075铝合金不同染色的铝合金第一节 铝及其合金(1) 形变铝合金 热处理不可

4、强化 热处理可强化(2) 铸造铝合金二、铝合金分类及热处理 1. 铝合金分类LL2. 铝合金的热处理以Al-4%Cu为例(1) 固溶处理淬火T加热固溶度曲线的某一温度(如550) + CuAl2 过饱和 固溶强化， b高一些，但仍较低。 第一节 铝及其合金(2) 时效处理 是过饱和分解与强化相析出的 过程（分四个阶段），使b 时效强化。自然时效：室温长期放置人工时效：适当加热长时间保温第一节 铝及其合金(1) 固溶处理淬火将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。(2) 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，以析出弥散强化相的热处理。分四个阶段(以A

5、l-4.5%Cu为例)：共格关系开始破坏，强度开始降低共格应变场达到最大，强度最高出现应变场，强度升高共格关系消失，强度进一步下降富铜区(GP)(无序)铜原子有序化的”(GP)(有序)过渡相(近似CuAl2)稳定相(CuAl2)1、形变铝合金 根据国标规定GB/T 16474-1996 ，变形铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号，如：2A01、3A21、5A05等 第一位数字为29，分别表示合金的组别，其中2为Al-Cu系，3为Al-Mn系, 4为Al-Si系；5为Al-Mg系，6为Al-Mg-Si系，7为Al-Zn-Mg-Cu系，8为Al-Li系 A表示原始合金，B为原始合金的改型合金 后两

6、位数字为序号。第一节 铝及其合金LL三、铝合金的牌号、性能及用途 GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号(1) 不能热处理强化的形变铝合金 种类：Al-Mn系和Al-Mg系合金 特点：抗腐蚀性能好， 又称防锈铝合金。 良好的塑性和焊接性；常利用加工硬化提高其强度。 用途：适宜制造需要深冲、焊接和在腐蚀介质中工作的零 件（焊接油箱、油管等）。 牌号：“LF”+数字（序号） 常见牌号： LF21（3A21）： Al-Mn系 LF5（5A05）：Al-Mg系第一节 铝及其合金汽化器

7、(热交换管为LF21)能热处理强化的形变铝合金 主要合金系： Al-Cu-Mg系合金（硬铝） Al-Zn-Mg-Cu系合金（超硬铝） Al-Mg-Si-Cu系合金（锻铝） 硬铝：牌号“LY”，如 “LY12（2A12）” 特点： 强度和硬度高，可到400MPa，故称为硬铝。 用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、 梁、铆钉等 可热处理强化: 固溶处理+时效处理 包铝: 提高其耐蚀能力第一节 铝及其合金硬铝的应用：铝合金散热器全新揽胜铝合金汽车车身铝合金装饰条铝合金型材料第一节 铝及其合金飞机翼梁(腹板为硬铝合金) 超硬铝：Al-Zn-Mg-Cu系，牌号“LC”，如 “LC4（7A04）”

8、特点：强度更高，可达到600MPa，航空结构件。抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。飞机前起落架飞机用座椅轨道及航空零件第一节 铝及其合金采用7075铝合金制造手机壳 锻铝：Al-Mg-Si-Cu系牌号：“LD”，如 “LD10（2A14）” 特点：具有良好的热塑性，强度也较高。适于生产各种锻件或模锻件，故称锻造铝合金。第一节 铝及其合金压气机叶片如喷气发动机压气机叶轮、导风轮、压气机叶片、轮毂等。牌号 “ZL”+三位数字 “ZL”表示“铸铝” 三位数字：第一位代表合金类别， 后两位是顺序号。2. 铸造铝合金 例如： 1：Al-Si系，ZL104、ZL106 2：Al-Cu系，ZL

9、201 3：Al-Mg系，ZL301 4：Al-Zn系，ZL401 其中Al-Si系是应用最为广泛的铸造铝合金（又称硅铝明）活塞第一节 铝及其合金铸造铝合金发动机缸体铸造铝合金(2) 铸造Al-Si合金（简称硅铝明）其中ZL102是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。 生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理, 得 到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以 提高性能。 在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅 晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。未变质处理经变质处理 性能特点： 良好的铸造性能良好的抗蚀性能良好的力学性能 用途：常用来制造内燃机活塞、 汽缸体、风扇叶片等

10、铸造铝合金铝合金发动机缸体和缸盖活塞第二节 铜及其合金特点：1、面心立方晶格，无同素异构转变 2、塑性高、强度低 3、导电和导热性好（银），抗腐蚀 用途：电机、电器和机械制造等部门 （如导线、电气开关、垫片等）牌号：T1、TAg0.1、TU2一、纯铜强化方法： 合金化：加Zn、Sn、Ni、Al、Si、Pb等元素。既提高了强度，又保持了纯铜特性。 纯铜呈紫红色，故又称紫铜。纯铜散热器第二节 铜及其合金铜合金分类： 黄铜：Cu-Zn合金普通制造业 青铜：含Sn或Al、Si、Pb等元素的合金普通制造业 白铜：Cu-Ni合金精密机械、仪表等行业热轧铜合金铜与黄铜带第二节 铜及其合金二、黄铜 以锌为主要

11、合金元素的铜合金称为黄铜黄铜制品黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。第二节 铜及其合金 1、普通黄铜 Cu-Zn二元合金常见相： ：Zn在Cu中的固溶体 ：电子化合物Cu-Zn为基的固溶体 牌号： “H”数字(表示铜平均百分含量)，如H68Zn%39%：黄铜(单相)39%Zn%45%：+ 黄铜(双相)单相黄铜显微组织铸态+双相黄铜显微组织第二节 铜及其合金(1) 单相黄铜（ ） 常见牌号：H80、H68、 H70（弹壳黄铜） 特点：塑性很好，可进行冷、热 加工。适于制造冷变形零件，如 弹壳、冷凝器管等。第二节 铜及其合金(2) 双相黄铜（ + ） 常见牌号：H59、H62 特点：热塑性好,

12、 强度高，仅适合 于热加工。用于制造受力件，如 垫圈、弹簧、导管、散热器等。冷凝器管汽车机油泵衬套弹壳2、特殊黄铜 对Cu-Zn合金进一步合金化，如添加Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni等元素。按添加第二主加元素不同可分为：铝黄铜、铁黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜、镍黄铜。 特点：具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性和良好的铸造性能牌号：“H”添加元素符号平均成分如：HSn901表示平均成分为90%Cu、1% Sn，余为锌的锡黄铜第二节 铜及其合金第二节 铜及其合金锡 青 铜：Cu-Sn合金人类历史上应用最早的合金无锡青铜：Cu-Al (铝青铜) 、 Cu-Be (铍青铜) 等 又称为特殊青铜牌 号：

13、“Q”+主加元素符号+主加元素 平均含量（或其他元素平 均含量） 如QSn43：4%Sn、3%Zn，其余为Cu QAl94：9%Al、4%Fe，其余为Cu QBe1.9：1.9%Be，其余为Cu 三、青铜1、锡青铜 以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 第二节 铜及其合金主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。 船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖) 锡青铜铸造流动性差，铸件密度 低，易渗漏，但体积收缩率在有 色金属中最小 。 锡青铜耐蚀性良好，在大气、海 水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯 铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和 氨水中的耐蚀性较差。 2、铝青铜 以铝为主加元素

14、的铜合金，铝含量为511%。主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。大型水力发电设备中的抗磨环第二节 铜及其合金 强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青 铜，铸造性能好，但焊接性能差。3、铍青铜 以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。铍青铜制品用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。第二节 铜及其合金普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量。常用牌号有 B5、B19 等。用于在蒸汽和海水环境

15、下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等。 白铜件四、白铜 以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。第二节 铜及其合金 普通白铜是Cu-Ni二元合金，具 有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性 能及优良的冷热加工性能。五、高强高导铜合金在紫铜的基础上添加适量的Fe、P、Ni、Si和Zr等元素而形成的合金。第二节 铜及其合金引线框架牌号国别成分/wt.%抗拉强度/MPa伸长率/%导电率/%IACSOMCL日本0.3%Cr-0.1%Zr-0.05%Mg- 0.02%Si-Cu592-6084.1-7.082.7KL F201日本0.15%Fe-0.05%P-0.1%Sn-0.1

16、%Ag-Cu5885.180.3KFC-SH日本0.1%Fe-0.03%P-Cu5007.587EFTEC-64T日本0.3%Cr-0.025%Sn-0.2%Zn-Cu550-6507.575ML21日本0.69%Fe-0.36%Ti-0.06%Mg-Cu660-6704.071C15450美国0.18%Ag-0.1%Mg-0.06%P-Cu4504.086第三节 镁及其合金特点：1、密度小，弹性模量小 2、强度低、塑性差 3、化学活性强，耐蚀 性较差用途：纯镁不能用作结构材料，主要用于制作镁合金、 铝合金等一、纯镁 纯镁呈银白色，为密排六方结构。第三节 镁及其合金二、镁合金 镁的合金化原则：

17、铝合金基本相同，主要是通过固溶强 化和时效硬化来提高其强度。 镁合金加入的合金元素主要有：Al、Zn、Mn、Zr及稀 土元素等。 镁合金分类： 分为变形镁合金和铸造镁合金两大类尼康D7000相机机身第三节 镁及其合金 镁合金的主要特性： 1、重量轻：镁合金是目前世界实际应用中重量最轻的金属 结构材料，是铝的2/3，钢铁的1/4缺点：耐蚀性较差4、减震性能好：弹性模量小，刚性好，抗震力强，长期使 用不易变形3、刚性好：比强度和比刚度高，均优于钢和铝合金5、加工性能好：较高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有 优良脱膜性能6、电磁屏蔽性强：抗电磁干扰及屏蔽性好第三节 镁及其合金 镁合金应用领域： 世

18、界镁资源蕴藏量丰富，尤其是我国的总储量占世界储 量的三分之一，居世界第一。目前，镁合金被广泛应用于航空、航天、汽车、摩托车、自行车、3G产品等领域。镁合金是国内外重新认识并积极开发的一种21世纪最具生命力的新型环保材料，该材料无污染且可回收循环利用，被誉为：“21世纪的绿色工程材料”。Mg道路交通轨道交通航空航天军工行业能源行业3C行业第三节 轴承合金（自学） 制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。 滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件，由轴承体 和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平 稳，无噪音及拆装方便等优点。 滑动轴承的结构轴瓦轴套第四

19、节 轴承合金（自学） 工作条件：支撑轴高速旋转，强烈摩擦，承受周期性载荷 性能要求： 良好的减摩性： 摩擦系数 ，磨合性能 足够的力学性能： 抗压强度、 疲劳强度 组织要求： 软基体硬质点 锡基和铅基轴承合金(巴氏合金) 硬基体软质点 铜基和铝基轴承合金、灰铸铁 一、轴承合金的性能及组织要求第四节 轴承合金 1、锡基和铅基轴承合金（巴氏合金）二、常用轴承合金 牌号： ZCH+基体与主加元素符号主加元素与辅加元素含量(%) 如：ZCHSnSb8-4：8%Sb、4%Cu ZCHPbSb16-16-2：8%Sb、 16%Sn、 2%Cu是软基体硬质点组织类型的轴承合金第四节 轴承合金锡基和铅基轴承合

20、金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法,将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。表面保护层 减磨层 轴承合金 衬背 (1) 锡基轴承合金组织特点：软基体硬质点 性能特点： 减摩性、抗腐蚀性 疲劳强度、工作温度 价格昂贵(Sn短缺)固溶体(HB30)固溶体(HB110)ZCHSnSb11-6轴承合金的显微组织第四节 轴承合金巴氏合金轴瓦用途：广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器高速轴瓦。 (2) 铅基轴承合金 组织特点：软基体硬质点 性能特点：强度、硬度等都不如锡基轴承合金，且摩擦系数较大，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。(+)共晶体