第5章 有色金属及非金属

引言除黑色金属(铁及其合金)以外的所有金属，称为有色金属（又称非铁合金）。可分为：

轻金属(密度<4.5g/cm3):Al、Mg、K、Ca、Ti等。重金属(密度>4.5g/cm3):Cu、Ni、Zn、Sn、Pb、Co等。贵金属：Au、Ag、Pt等。稀有金属：W、Ti、Mo、V、Nb等。放射性金属：Ra、Th、U等半金属：Si、Ge、B等。一、铝及其合金

（一）工业纯铝

铝及其合金是航空工业中的主要结构材料，是有色金属中应用最广泛的结构材料。

性能：纯铝呈银白色，是一种轻金属，面心立方晶格、无同素异晶转变，熔点低、密度小，具有优良的加工工艺性能、电导性、热导性和耐大气腐蚀能力。

牌号：用l×××表示。最后两位数字表示铝的最低百分含量，第二位字母表示原始纯铝的改型情况，如lA35。

用途：工业纯铝是WAl=99.00～99.80%的纯铝，主要用来制作电线、电缆、散热片、配置合金等。（二）铝合金美F-117隐身战斗机

(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼

纯铝的强度和硬度很低，不宜做工程结构材料，向铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn等元素（主加元素）和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素（辅加元素），组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。（一）分类（二）热处理（三）变形铝合金（四）铸造铝合金铝合金变形铝合金（一）分类铸造铝合金不可热处理强化铝合金可热处理强化铝合金§5.1铝及其合金（二）热处理§5.1铝及其合金1.固溶处理：将能热处理强化的变形铝合金加热到某一温度，保温获得一致的α固溶体后在水中急冷，使α固溶体来不及发生反应的处理方法。

2.时效：在固溶处理后的合金的力学性能随时间延续而发生显著变化的现象。自然时效：室温下进行的时效人工时效：加热（100-200ºC）进行的时效

（三）变形铝合金1.防锈铝合金2.硬铝合金3.超硬铝合金4.锻铝合金§5.1铝及其合金防锈铝合金(LF)

Al–Mn通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。例:LF21。

Al–Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。例:LF2、LF6等。

§5.1铝及其合金卫星天线（LF2）汽化器(热交换管为LF21)§5.1铝及其合金汽车零部件材料选用举例防锈铝合金在汽车上的应用：油箱、导管、线材、轻载荷骨架等§5.1铝及其合金2.硬铝合金(LY)

Al–Cu–Mg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。

例如：LY1、LY11、LY12等。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)3.超硬铝合金(LC)Al–Zn–Mg–Cu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。如LC4、LC9。§5.1铝及其合金飞机主起落架§5.1铝及其合金4.锻铝合金(LD)Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。如LD5、LD6、LD10。压气机叶片（四）铸造铝合金§5.1铝及其合金1.铸造铝–硅合金2.铸造铝–铜合金3.铸造铝–镁合金4.铸造铝–锌合金1.铸造铝合金的代号ZL

1

01合金的顺序号合金类别铸铝2.铸造铝–硅合金(ZL101～ZL111)活塞(裙部为铝硅合金)§5.1铝及其合金ZL102合金的铸态组织（变质前）ZL102合金的铸态组织（变质后）3.铸造铝–铜合金(ZL201～ZL203)铝铜合金铸造组织§5.1铝及其合金汽缸头有较高的强度、塑性及耐热性，但铸造性能和耐蚀性较差。4.铸造铝–镁合金(ZL301、ZL302)铝镁合金铸造组织(化染)150ק5.1铝及其合金鼓风机用密封件(ZL102)及航空架件(ZL301)有较高的强度、韧性及耐蚀性，但铸造性能和耐热性较差。5.铸造铝–锌合金(ZL401、ZL402)大型空压机活塞(ZL401)§5.1铝及其合金具有良好的铸造性，经变质处理和时效处理后，强度高，但耐蚀性差。§5.2铜及其合金一、工业纯铜二、铜合金铜管铜与黄铜带一、工业纯铜1）密度大，面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。2）导电及导热性能好。3）抗大气、淡水腐蚀性好;塑性高，但在海水中耐蚀性差。4）强度低，硬度低。5）塑性很好，加工工艺性好，具有优良的焊接性等。§5.2铜及其合金汽车零部件材料选用举例纯铜在汽车上的应用汽缸垫、进、排气管垫、轴承衬垫、各种管接头§5.2铜及其合金按化学成分可分为：（一）黄铜Cu--Zn（二）青铜除黄铜和白铜外的几乎所有的铜合金（三）白铜Cu--Ni（四）新型铜合金

纯铜中加入Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr等合金元素制成铜合金。铜合金既保持了纯铜优良的性能，又有较高的强度。§5.2铜及其合金1.普通黄铜（一）黄铜Cu—Zn合金2.特殊黄铜§5.2铜及其合金黄铜铸件黄铜棒

冷加工后的黄铜在海水、湿气、氨的环境中容易产生应力腐蚀开裂（季裂）——去应力退火。§5.2铜及其合金(Z)H90含铜量WCu=90%黄铜铸造1）黄铜的代号1.普通黄铜1.普通白铜

B5wNi=5%，用于蒸汽、海水下仪器、仪表零件。（二）白铜Cu—Ni合金（B+wNi100）§5.2铜及其合金2.特殊白铜（B+Me+wNi100-wMe100

）如：BMn43-0.5（考铜）wNi=43%，wMn=0.5%BMn40－1.5（康铜），用于低温热电偶、补偿导线、变阻器等。§5.2铜及其合金白铜件康铜热偶白铜型材§5.2铜及其合金ZQSn10–1

其它合金元素含量为1%主加元素锡含量为10%青铜铸造青铜代号：（二）青铜

Cu—Sn、Cu—Al、Cu—Be、Cu—Pb、Cu—Si等铜合金，分别为如锡青铜

、铝青铜

、铍青铜、硅青铜等。青铜是铜合金中综合性能最好的合金。1.锡青铜§5.2铜及其合金

锡青铜具有良好的耐蚀性、减摩性、抗磁性和低温韧性，在大气、海水、蒸气、淡水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在亚硫酸钠、酸和氨水中的耐蚀性差。§5.2铜及其合金锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)2.铝青铜:QAl7，用于制造高耐蚀弹性元件。3.铍青铜：QBe2,具有非常好的力学性能。用于制造重要、精密、高温、高速下工作的零件。§5.2铜及其合金三、轴承合金简介

1）轴承合金的性能和组织特点

轴承支承轴进行工作，会与轴颈产生摩擦。为减少轴承对轴颈的磨损，对轴承合金有如下要求：较高的抗压强度和疲劳强度，适当的硬度；摩擦系数小、表面能储存润滑油，耐磨性好；良好的抗蚀性、热导性和较小的膨胀系数；良好的磨合性；加工性能好，原料来源广，价格便宜。组织特点:软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点。

用来制造滑动轴承内衬或轴瓦的合金，称为滑动轴承合金（又称巴氏合金）。2）常用轴承合金简介锡基轴承合金（锡基巴氏合金）

铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

铜基轴承合金

铝基轴承合金

1、粉末冶金的工艺与特点

四、粉末冶金材料简介

1）粉末冶金工艺制粉→筛分与混合→压制成形→烧结→后处理。2）粉末冶金的特点

粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，有以下特点：（1）能生产具有特殊性能的材料和制品。（2）无切屑或少切屑的精密加工。但金属粉末成本高、模具费用高、制品大小和形状受到一定限制、制品的韧性和强度较差。2、粉末冶金材料简介

含油轴承材料

摩擦材料铁基结构材料

铁基结构材料是以碳钢或合金钢粉末为主要成分，用粉末冶金法制作结构零件用的材料。具有精度较高、表面质量好，省工时、省材料、生产率高，制品多孔可浸润滑油，减摩、减振、消声。广泛用于制作各类零件。3、硬质合金的性能特点

性能特点：

1）硬度高、耐磨性好、热硬性好；

2）抗压强度和弹性模量高；

3）良好的耐蚀性和抗氧化性；

4）抗拉强度低，难以切削加工制成形状复杂的整体刀具。

硬质合金是以碳化钨、碳化钛等难熔、高硬度碳化物的粉末为主要成分，加入作为黏结剂的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。4、常用的硬质合金

1）常用硬质合金的分类、主要成分与牌号

（1）钨钴类硬质合金主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。牌号用“YG+数字”表示，例：YG15。（2）钨钛钴类硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）和粘结剂钴。牌号用“YT+数字”表示，例：YT15表示。（3）通用硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）和粘结剂钴。牌号用“YW+数字”表示，例：YW1。（4）钢结硬质合金主要成分是TiC或WC等碳化物和黏结剂碳钢或合金钢。2）常用硬质合金的性能与应用（1）钨钴类硬质合金碳化钨的含量越高，粘结剂钴的含量越低，则合金的硬度、耐磨性、红硬性越高，抗弯强度和韧性越低。适宜于加工脆性材料（如铸铁等）。（2）钨钛钴类硬质合金由于碳化钛的加入，提高了硬度、耐磨性和热硬性，但抗弯强度和韧性有所下降。同时，在合金表面形成一层氧化钛薄膜，切削时不易粘刀。适于加工韧性材料（如钢等）。（3）通用硬质合金因含碳化钽（或碳化铌），有利于提高抗弯强度、硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力。可用来加工铸铁和各种钢材。

（4）钢结硬质合金性能介于高速钢和硬质合金之间，并可进行切削加工、锻造、热处理、焊接。适用于制造各种形状复杂的整体刀具、模具和耐磨零件。5、硬质合金的应用(1)切削加工用硬质合金。(2)模具用硬质合金。(3)硬质合金量具。(4)耐磨零件用硬质合金。(5)矿山用硬质合金。作业：1、工业纯铝的主要用途是什么？2、名词解释：铝合金的固溶处理、时效、自然时效、人工时效3、什么是黄铜、白铜、青铜？4、解释硬质合金的概念和特点。五、高分子材料

1、高分子材料的基础知识(1)概念高分子材料是指以高分子化合物为主要组成物的材料。(2)高分子材料的合成——聚合反应加成聚合反应（加聚反应）缩合聚合反应（缩聚反应）(3)高分子材料的分类按工艺性质分为塑料、橡胶、胶黏剂及纤维四类；按聚合反应分为加聚物和缩聚物；按高聚物的主链结构分为碳链、杂链和元素高聚物。2、工程塑料

塑料是以树脂为主要组分，加入一些能改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的一种高分子材料。（1）塑料的性能特点1）质量轻、比强度高；2）对酸、碱等介质的抗腐蚀能力强；3）良好的电绝缘性能；4）优良的减摩性、耐磨性和自润滑性；5）消声、减振性好；6）成形加工性好、方法简单、成本低、生产率高。塑料的强度、硬度不及金属材料高，耐热性和热导性差、膨胀变形大、蠕变大、易老化等。（3）常用塑料的性能与用途（见表5-9）（2）塑料的分类

按树脂在加热和冷却时所表现的性能分为热塑性塑料和热固性塑料。按使用范围分为通用塑料和工程塑料。塑料的成形方法及加工方法3、橡胶

（1）橡胶的分类按生胶来源分天然橡胶与合成橡胶。

（2）橡胶材料的组成①生胶未经硫化的橡胶。对橡胶性能起决定性作用的主要成份。②硫化剂起固化剂作用，提高弹性和强度。③软化剂起增加橡胶的塑性，降低其硬度作用。④填充剂起增加橡胶制品的强度，降低成本作用。A、天然橡胶主要用于制造轮胎和不要求耐油、耐热的胶带、胶管等。

B、合成橡胶用量最多的是丁苯橡胶，普遍用于制造汽车轮胎、胶带、胶管等。

（3）橡胶的特性

1)高弹性

2)一定的强度

3)耐磨性好还具有良好的绝缘性、隔音性和吸振能力、一定的耐蚀性，最大的缺点是老化。

（4）橡胶的用途橡胶用于制作：①密封件，②减振防振件，③传动件，④运输胶带，⑤各种轮胎，⑥电线，电缆和电工绝缘材料。4、复合材料

（1）复合材料的分类

1）按基体材料划分为非金属基体和金属基体两类。

2）按复合形式划分为纤维增强复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。

3）按性能划分为结构复合材料和功能复合材料等。

复合材料是指用人工的方法将一种或几种材料均匀地与另一种材料结合而成的多相材料。复合材料的组成分为基体材料和增强材料。

（2）纤维增强复合材料的性能

1）比强度和比模量高

2）抗疲劳性能好3）减振性能好

4）高温性能好5）化学稳定性好

6）成形工艺简单

（3）常用的复合材料

纤维增强复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。常用复合材料的名称、性能与用途见表5-10。5、胶粘