机械工程材料 第5版 课件 第6章 有色金属

金属材料黑色金属(钢、铸铁、工业纯铁,铁基合金)有色金属(铝、铜、钛、镁…..及其合金，非铁基合金)（Ferrousalloys）（Nonferrousalloys）1第六章有色金属及其合金工程材料基础机床：主要钢铁材料，其他材料用量很少高铁客车：钢铁为主，门，窗，框和梁采用铝合金制造飞机客机：主要以铝合金、钛合金、复合材料和高分子材料为主，发动机叶片是高温合金和钛合金，少量零件用钢铁材料2第六章有色金属及其合金工程材料基础第六章有色金属及其合金NON-FERROUSMETALSANDALLOYS铝及铝合金滑动轴承合金铜合金钛合金和镁合金3第六章有色金属及其合金工程材料基础第一节铝及铝合金1.工业纯铝的特性

比重小

优良的导电、导热性

良好的塑性：，FCC

良好的低温韧性：－253℃不降低

良好的抗大气腐蚀性：Al2O3膜致密一、工业纯铝(WAl

99.00%)

低强度：4第六章有色金属及其合金工程材料基础2.编号如：1A99107012351×××纯铝A:原始纯铝B:原始纯铝的改型0～9:对极限含量有特殊控制的杂质种类数3.应用电线，电缆，包覆材料等小数点后面的两位数字5第六章有色金属及其合金工程材料基础

二、铝合金

铝合金的分类及

强化机制

常加合金元素：CuMgMnZnSi铝合金的分类(根据成分和工艺特点)铝合金相图的一般形式D点以左(F以右的可热处理强化,F以左的不可热处理强化)D点以右,共晶体点附近变形铝合金铸造铝合金6第六章有色金属及其合金工程材料基础2)强化机制固溶强化铝合金中的相是固溶体，它是合金元素在Al晶体中的固溶体，相的强度和硬度明显高于纯Al的强度和硬度。形变强化(加工硬化）变形铝合金具有较好的塑性和韧性，可通过塑性变形来提高合金的强度和硬度。塑性加工成型的同时,强度、硬度也提高纯铝的强度：70-100MPa铝合金的强度：400-600MPa7第六章有色金属及其合金工程材料基础变质处理（细晶强化）铸造铝合金铸造性能良好，适于铸造形成零、构件毛坯。铸造时向熔液中加入形核剂(变质剂，NaF与NaCl混合物)，可细化结晶组织，使合金的强度、硬度、塑性、韧性同时提高。ZAlSi12的铸态组织(a)变质前(b)变质后强度140MPa，δ=3%强度180MPa，δ=8%8第六章有色金属及其合金工程材料基础时效强化(第二相强化)分两步：固溶处理+时效处理Al-Cu合金相图的Al端部分可热处理铝合金的主要强化方式9第六章有色金属及其合金工程材料基础铝合金非常重要的强化方式在时效过程中，过饱和

固溶体中会析出纳米尺度的弥散分布的第二相微粒，使合金的强度显著提高，这种强化方式称为时效强化。时效强化将所得到的过饱和

固溶体在室温长时间放置(自然时效)或在室温以上温度保温(人工时效)，此过程称为时效处理。时效处理固溶(类似于淬火):将合金加热到单相

固溶体状态后快冷(采用水冷)，得到过饱和

固溶体,此过程称为固溶处理。固溶处理10第六章有色金属及其合金工程材料基础Al-Cu-Mg合金固溶时效析出的纳米强化相白色颗粒即为纳米尺度析出颗粒。具有显著强化作用。11第六章有色金属及其合金工程材料基础Al-4Cu的铝合金在不同温度下的时效曲线过时效时效态自然时效:室温下的时效人工时效:加热条件下时效淬火状态退火状态

的铝合金自然时效曲线12第六章有色金属及其合金工程材料基础金属材料的强化方式总结与分析固溶强化加工硬化细晶强化时效强化（第二相强化）13第六章有色金属及其合金工程材料基础2.变形铝合金分类及牌号××××A:原始合金B:原始合金的改型0:原始合金1～9:改型合金

23456789铜锰硅镁镁硅锌其他备用阿拉伯数字为合金编号如：2A015A055B0570757475编号为四位数字第一位数字第二位数字后两位数字14第六章有色金属及其合金工程材料基础(1)铝铜合金(又称硬铝和锻铝)牌号:2×××1）成分：AL—Cu—Mg—(Mn)或（Si\Fe\Ni)2）热处理工艺特点:固溶+时效强化(自然时效)3）性能特点：强度较高，塑性好，可时效强化。元素作用:Cu,Mg:形成强化相(CuAl2,CuMgAl2),时效强化;Mn提高抗腐蚀性能；固溶强化；淬火温度范围窄(淬温度范围

5C)。缺点抗蚀性差，容易产生晶间腐蚀(海水中尤甚)。15第六章有色金属及其合金工程材料基础4）应用2A01、2A102A11、2A12主要用于飞机构件，如飞机蒙皮(2A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件；压气机叶轮、叶片和螺旋桨，超音速飞机蒙皮。Cu、Mg含量低，强度低、塑性韧性好，适合制造铆钉Cu、Mg含量高，强度高(400-470MPa)、塑性韧性好，飞机构件如蒙皮、叶片等16第六章有色金属及其合金工程材料基础(2)铝锌合金(超硬铝)

7×××1）成分：Al－Zn（主）－Cu－Mg-Cr/Mn（少）2）特点:热塑性好，热加工后热处理，强度很高(可达680MPa)。缺点是耐热性、抗蚀性差(需要纯铝包覆)。3）应用:主要用于要求重量轻、工作温度不超过130℃的受力较大的零件，如飞机蒙皮接头、大梁、壁架、起落架部件等强化相:MgZn2、Al2Mg3Zn3，

时效产生强烈的强化效果。时效后强度最高的铝合金7A04、7075:飞机大梁、加强框、蒙皮接头、起落架的部分结构件等主要受力构件17第六章有色金属及其合金工程材料基础(3)铝锰合金(防锈铝合金)

3×××2）组织与性能：单相固溶体。抗蚀性高(高于纯铝),塑性好,不能热处理强化,可加工硬化。3）应用：用于制造需要弯曲、冲压加工的零件。例如油箱、油管(罐)、铆钉(3A21)等。1）成分：Al—Mn（主）－Mg/Si/Fe（少）

Mn,Mg的作用:提高抗腐蚀性能及塑性,固溶强化

Si,Fe:固溶强化的作用18第六章有色金属及其合金工程材料基础(4)铝锂合金（牌号8XXX）一种新型变形铝合金1）成分:Al-Cu-LiAl-Mg-LiAl-Cu-Mg-Li锂(Li)的含量：0.9-2.8%2）热处理:固溶处理+时效强化3）性能特点:密度低，比强度、比刚度高(高于传统铝合金和钛合金)，具有良好的疲劳强度和耐蚀、耐热性4）应用:民用飞机、战斗机、运输机和火箭等航天器的壳体、燃料箱等。"天宫"的资源仓采用铝锂合金制造，可减轻自重10％以上

。19第六章有色金属及其合金工程材料基础20第六章有色金属及其合金工程材料基础3.铸造铝合金（1)分类及牌号、代号牌号

ZAl+主要合金元素符号及其平均质量分数如：ZAlSi12代号

ZL×××

1234铝硅系铝铜系铝镁系铝锌系合金序号ZL102Al-Si系是铸造性能和力学性能配合最好的铸造铝合金ZL302第六章有色金属及其合金工程材料基础ZL203ZL4011）简单铝硅铸造铝合金

ZL102（ZALSi12）

(2)典型铸造铝合金介绍（Al-Si系）组织：(a+Si)共晶体用途：形状复杂、受力不大

的零件，如仪表外壳等。共晶点性能：铸造性能好，强度低。

变质细晶化处理提高强度(强度低于180MPa)22第六章有色金属及其合金工程材料基础在Al-Si基础上加入其它合金元素(Cu,Mn,Ni,Mg等)

2）复杂(特殊)铝硅铸造合金(Al-Si-Cu/Mg/Mn/Ni)强化方式：时效强化，变质处理。性能：铸造性能好，较高的强度和耐磨性、耐热性。

应用：用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等(代号ZL109)。23第六章有色金属及其合金工程材料基础发动机活塞复杂形状的壳体复杂形状的壳体第二节铜合金工业纯铜常用的铜合金24第六章有色金属及其合金工程材料基础铜合金铜合金是人类使用的第一种高强度的金属材料。青铜器时期青铜:尤其是锡青铜,铸造性能优异,耐腐蚀何尊铭文中的“宅兹中国”为“中国”一词最早的文字记载。（宝鸡青铜器博物馆）25第六章有色金属及其合金工程材料基础一、纯铜的性质纯铜又称"紫铜"，属于重金属1.性能特点：密度8.91g/cm3

；

优良的导热、导电体;无磁性；优良的加工性能；

耐腐蚀性能(大气、淡水、冷凝水中)2.工业纯铜的代号：T1，T2，T3数字越大，纯度越低3.纯铜的应用：导电、导热和耐腐蚀器件；

制备铜合金26第六章有色金属及其合金工程材料基础二、铜合金加入的合金元素:Zn,Sn,Al,Ni,Fe,Be,Ti,Si,Cr等1.分类按化学成分分类黄铜（Cu-Zn）青铜(Cu-Me（Zn,Ni除外））

白铜（Cu-Ni）按照生产工艺分类压力加工铜合金（简称加工黄铜）铸造铜合金27第六章有色金属及其合金工程材料基础三、铜合金的性能和应用(主要介绍压力加工铜合金)Cu-Zn合金:以Zn为主要合金元素的加工铜合金。(1)代号：H+数字铜的质量分数(2)组织与性能：单相黄铜（a）：H80,H70,H68,单相组织。塑性好，强度低。适合冷塑性加工成板材、线材和深冲压零件。两相黄铜（a+

)：双相组织。H62,H59。适合热加工，强度较高。28第六章有色金属及其合金工程材料基础(3)加工黄铜的分类普通黄铜:以Cu-Zn二元合金为主要元素。29第六章有色金属及其合金工程材料基础H68,H70:大量用于制造枪炮的弹壳，被称为"弹壳黄铜"。(三七黄铜)H59,H62:主要用于制造水管、油管和散热器，称为"商业黄铜"。(四六黄铜)特殊黄铜:在Cu-Zn二元合金基础上

加入Al,Fe,Si,Sn,Mn,Pb,Ni，As等元素。特殊黄铜的强度、耐蚀性和加工性能优于普通黄铜（4）普通黄铜的应用30第六章有色金属及其合金工程材料基础合金元素都可以提高强度提高耐蚀性，比如Al,Mn,Si,Ni防止黄铜脱锌,比如As提高黄铜的切削加工性能，比如Pb合金元素的作用特殊黄铜:在Cu-Zn二元合金基础上加入Al,Fe,Si,Sn,Mn,Pb,Ni，As等元素。(5)特殊黄铜及其应用应用：主要是用于制造船舶上的冷凝管、蜗杆、齿轮以及钟表零件2.白铜：Cu-Ni，以Ni作为主要加入合金元素的铜合金。(1)代号：B+数字(2)组织：单相固溶体(4)应用：精密机械、仪表中的零件,冷凝器、热交换器以及蒸馏器等。B5，B9普通白铜：Cu,Ni二元合金特殊白铜：Cu，Ni基础上在加入Zn,Mn,Al等元素普通黄铜为例(3)性能：冷热加工性能均好，耐蚀性高。Ni的质量分数31第六章有色金属及其合金工程材料基础3.青铜：除了黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。主要添加的元素：Sn，Al，Si，Be等(1)锡青铜：Cu-Sn合金，以Sn作为主要加入的合金元素。1)性能特点：具有优良的减磨性、抗磁性、低温韧性和耐磨性等。在海水、蒸汽和淡水中的抗蚀性优于纯铜和黄铜。2)应用：用于制造弹性元件、轴承等耐磨零件、抗磁和耐蚀零件。32第六章有色金属及其合金工程材料基础(2)铍青铜Cu-Be合金：以Be作为主要加入元素的铜合金。1)性能特点：高强度、高硬度、耐磨性好，抗腐蚀、导电、导热性好。低温韧性、抗磁性好。受冲击不起火花。2)应用：主要用于制造弹性元件、耐磨零件和防爆工具。可能发生火花引起爆炸起火的场所使用铍青铜制造的工具33第六章有色金属及其合金工程材料基础(3)铝青铜：Cu-Al合金，以Al作为主要加入的合金元素。1)性能特点：强度、硬度和耐磨性高于黄铜和锡青铜，铸造和焊接性能较差。2)铝青铜的应用：低铝青铜(Al%:7-9%):主要用于制造耐蚀的弹簧和弹性元件。高铝青铜(Al%:10-11%):主要制造船舶和飞机上的高强度、高耐磨的齿轮、轴承和轴套等零件。34第六章有色金属及其合金工程材料基础铝青铜轴套铝青铜弹簧舰船中的铜合金制造的零部件35第六章有色金属及其合金工程材料基础第三节滑动轴承合金保护轴颈转动平稳拆装方便承载能力大相对于滚动轴承，滑动轴承的优点噪音小滚动轴承滑动轴承36第六章有色金属及其合金工程材料基础

一、滑动轴承合金及其性能

适中的硬度

良好的减摩性、磨合性、抗咬合性、蓄油性

热胀系数小，导热性好，抗腐蚀滑动轴承由轴瓦和内衬组成制造轴瓦和内衬的耐磨合金，称为轴承合金。37第六章有色金属及其合金工程材料基础滑动轴承合金的性能要求如下滑动轴承和轴接触

二、对滑动轴承合金的组织要求软基体硬质点轴瓦与轴的分界面示意图软硬不同的多相合金软基体＋硬质点硬基体＋软质点在轴运转时，软相容易磨损而凹陷，可存储润滑油，形成油膜，软基体抵抗冲击；硬相支撑轴颈，减小轴颈与轴瓦的接触面积，保证润滑条件和降低摩擦系数，减少磨损。38第六章有色金属及其合金工程材料基础1.锡基和铅基轴承合金(巴氏合金)软基体＋硬质点

Sn基固溶体化合物1)锡基轴承合金如：ZSnSb11Cu6

铸基本元素主加元素辅加元素ZSnSb11Cu6轴承合金的显微组织×100用于重型动力机械如:气轮机,高速内燃机,涡轮压缩机等机构的滑动轴承三、常用的轴承合金软基体硬质点数字表示平均质量百分数39第六章有色金属及其合金工程材料基础软基体＋硬质点共晶体SnSb+Cu2Sb2)铅基轴承合金如：ZPbSb16Sn16Cu2铸基本元素主加元素辅加元素ZPbSb16Sn16Cu2轴承合金的显微组织×100应用：用于轻载、中低速机械如：汽车，拖拉机等软基体硬质点数字表示平均质量百分数Pb基固溶体+SnSb基固溶体40第六章有色金属及其合金工程材料基础2.铜基轴承合金1)锡青铜如：ZCuSn10P1

铸基本元素主加元素辅加元素软基体＋硬质点

Cu基固溶体Cu31Sn8+Cu3P应用:用于较大载荷中速轴承,如:电机、机床、泵的轴瓦2)铅青铜如：ZCuPb30硬基体＋软质点

CuPb应用:用于重载高速高温轴承，如航空发动机,高速柴油机等41第六章有色金属及其合金工程材料基础常用轴承合金性能的比较（定性规律）42第六章有色金属及其合金工程材料基础教材表6-9第四节钛合金和镁合金第一部分钛合金43第六章有色金属及其合金工程材料基础一、纯钛的性质和代号纯钛的特性物理性能：4.5g/cm3,无磁,导热系数较低,只有Fe的约1/4.化学性能：易与氧结合成致密氧化膜，室温和一定高温下(500℃以下抗氧化).耐腐蚀性能：钝化膜稳定,在硝酸以及氧化性酸中具有良好的耐腐蚀性能；在海水中耐腐蚀性能优异.(氢氟酸溶液中不耐腐蚀).力学性能：具有较高强度,屈服强度200-300MPa,抗拉强度300-500MPa；

塑性较好,无明显韧脆转变,可用于

低温(-253℃)；比模量高.晶体结构：有同素异构转变；室温下为密排六方晶体结构(相)，882℃发生同素异构转变为体心立方(相).生物相容性：对人体无毒性，生物相容性好.1.纯钛的性质工业纯钛:TA1，TA2，TA32.工业纯钛的代号44第六章有色金属及其合金工程材料基础二、钛合金的合金元素与钛合金分类根据室温下的组织类型，钛合金分为

,

+

,钛合金主要元素:Al,V,Mo,Nb,Cr,Fe,Cu,W等；微量元素:Si,B,C,O等作为微量元素，根据特殊需求调整合金的组织与性能(1)钛合金的合金元素(2)钛合金的分类和代号（我国代号）1.钛合金：向纯钛中加入合金元素形成钛合金。钛合金代号：TA+数字

如TA5(Ti-3Al),TA7(Ti-5Al-2.5Sn)

+钛合金代号：TC+数字，如TC4(Ti-6Al-4V),TC6(Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo)钛合金代号：TB+数字，如TB6(Ti-10V-2Fe-3Al),TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)，…….45第六章有色金属及其合金工程材料基础TC4(Ti-6Al-4V):用量最多的钛合金占钛合金总产量的50%以上不同类型钛合金的强度与断裂韧性钛合金:强度一般800MPa以下，断裂韧性大于80MPam1/2；

+钛合金:强度800-1000MPa,高，断裂韧性60-70MPam1/2；钛合金:强度1000-1400MPa,高，断裂韧性50-55MPam1/246第六章有色金属及其合金工程材料基础三、钛合金的应用1.航空航天领域—钛合金主要应用领域军机客机垂直尾翼稳定版，辅助动力装置排气管，吊舱，蒙皮，前缘，支架，后缘，轴部件起落架，空气调节管，发动机短舱，压气机盘叶片等……47第六章有色金属及其合金工程材料基础一般规律：先进型号飞机使用的钛合金用量增加钛合金在飞机上的用量48第六章有色金属及其合金工程材料基础2.海洋装备的应用海军工程极具应用前途的材料，被广泛用于水面舰艇、水下潜器、水中兵器和通讯设备等。钛合金制造的“奋斗者”号载人舱49第六章有色金属及其合金工程材料基础3.其他领域的应用应用于轻量化的武器装备和防护装甲建筑结构医疗和生活和体育50第六章有色金属及其合金工程材料基础第二部分镁合金51第六章有色金属及其合金工程材料基础一、纯镁的性质物理性质：密度1.738g/cm3,熔点650℃；晶体结构：密排六方晶体化学性质：在空气中易氧化和易燃烧，在潮湿空气、淡水、海水和大多数酸中易腐蚀；力学性质：弹性模量低(~40GPa)，吸振性能好，强度低(160-195MPa)，塑性差(延伸率3-15%)纯镁不适合制作机械零件52第六章有色金属及其合金工程材料基础二、镁合金及其应用1.镁合金：向纯镁中加入Al,Zn,Mn,Zr,Si,Li及稀土元素等元素制备的合金。2.镁合金的分类(1)变形镁合金(2)铸造镁合金镁合金以轧制、拉拔和挤压等压力加工的方式制备成板材、棒材、线材、管材等镁合金通过铸造工艺制备各种形状复杂的零件按照合金元素分类Mg-Al-ZnMg-Al-ZrMg-Zn-MnMg-Li