中科大材料科学与工程基础课件第10章 有色金属及合金

第十章有色金属及合金

Non-FerrousMetal在工业生产中，通常把钢铁材料称为黑色金属，而把其它的金属材料称为有色金属。与钢铁等黑色金属材料相比，有色金属具有许多优良的特性，是现代工业中不可缺少的材料，在国民经济中占有十分重要的地位。例如，铝、镁、钛等具有相对密度小，比强度高的特点，因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业；银、铜、铝等具有优良导电性和导热性的材料广泛应用于电器工业和仪表工业；铀、钨、钼、镭、钍、铍等是原子能工业所必需的材料，等等。第一节铝及其合金

Aluminum＆Aluminumalloy

一、纯铝

纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660℃，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。它的密度小（只有2.72g/cm3）；导电性好，仅次于银、铜和金；导热性好，比铁几乎大三倍。纯铝化学性质活泼，在大气中极易与氧作用，在表面形成一层牢固致密的氧化膜，可以阻止进一步氧化，从而使它在大气和淡水中具有良好的抗蚀性。纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用“铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。高纯铝的牌号有LG1、LG2、LG3、LG4和LG5，“G”是高字的汉语拼音字首，后面的数字越大，纯度越高，它们的含铝量在99.85%～99.99%之间。工业纯铝的牌号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、和L6。后面的数字表示纯度，数字越大，纯度越低。二、铝合金的分类根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。

变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工（轧制、挤压、模锻等）制成半成品或模锻件，所以要求有良好的塑性变形能力。

铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型件，所以要求合金具有良好的铸造流动性。变形铝合金不能热处理强化的铝合金铸造铝合金能热处理强化的铝合金温度

AlFB，%

铝合金分类示意图α+βαL+αDL对于变形铝合金来说，位于F点以左成分的合金，在固态始终是单相的，不能进行热处理强化，被称为热处理不可强化的铝合金。成分在F和D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相，可通过热处理使合金强度提高，所以称为热处理强化铝合金。铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，分为Al－Si系、Al－Cu系、Al－Mg系和Al－Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首“ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列，1为Al－Si系合金；2为Al－Cu系合金；3为Al－Mg系合金；4为Al－Zn系合金。第二、三位数表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金。变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，硬铝、超硬铝、锻铝属于可热处理强化的铝合金。三、铝合金的强化铝合金的强化方式主要有以下几种：固溶强化纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。时效强化合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段：第一阶段：在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象，形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），从而使α固溶体产生严重的晶格畸变，位错运动受到阻碍，合金强度提高。第二阶段：随时间延长，GP[Ⅰ]区进一步扩大，并发生有序化，便形成有序的富铜区，称为GP[Ⅱ]区，其成分接近CuAl2（θ相），成为中间状态，常用θ″表示。θ″的析出，进一步加重了α相的晶格畸变，使合金强度进一步提高。

第三阶段：随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP[Ⅱ]区继续偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时，形成与母相保持共格关系的过渡相θ′。θ′相出现的初期，母相的晶格畸变达到最大，合金强度达到峰值。第四阶段：时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相。此时，θ相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，随着θ相质点的聚集长大，合金明显软化，强度、硬度降低。过剩相强化如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，则在固溶处理加热时，就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中阻碍位错运动，使合金强化，这称为过剩相强化。在生产中常常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多，分布越弥散，则强化效果越大。但过剩相太多，则会使强度和塑性都降低。过剩相成分结构越复杂，熔点越高，则高温热稳定性越好。细化组织强化许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合金的组织，包括细化α固溶体或细化过剩相，就可使合金得到强化。四、变形铝合金变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等。防锈铝合金防锈铝合金中主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高铝合金的抗蚀能力，并起到固溶强化作用。Mg也可起到强化作用，并使合金的比重降低。其牌号用“LF”和跟在后面的顺序号表示，“LF”是“铝防”二字的汉语拼音字首。硬铝合金硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的Mn。各种硬铝合金都可以进行时效强化，属于可以热处理强化的铝合金，亦可进行变形强化。其牌号用“LY”表示，“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首。硬铝主要分为三种：低合金硬铝，合金中Mg、Cu含量低；标准硬铝，合金元素含量中等；高合金硬铝，合金元素含量较多。超硬铝合金超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的Cr和Mn。牌号有LC4、LC6等。Zn、Cu、Mg与Al可以形成固溶体和多种复杂的第二相。其牌号用”LC“表示，”LC“是”铝超“二字的拼音字首。所以经过固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度。它是强度最高的一种铝合金。但这种合金的抗蚀性较差，高温下软化快。可以用包铝法提高抗蚀性。超硬铝合金多用来制造受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架等。锻铝合金

LD5、LD7、LD10等属于这类铝合金。锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。其牌号用”LD“表示，”LD是“铝锻二字的拼音字首。该合金中的元素种类多但用量少，具有良好的热塑性，良好的铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件。锻铝合金通常都要进行固溶处理和人工时效。五、铸造铝合金铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可分为四类：Al-Si铸造铝合金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu铸造铝合金，如ZL201、ZL203等；Al-Mg铸造铝合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn铸造铝合金，如ZL401、ZL402等。Al-Si铸造铝合金

Al-Si铸造铝合金通常称为铝硅明，铝硅明包括简单铝硅明（Al-Si二元合金）和复杂铝硅明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）。其牌号为ZL10～系列，含11～13%Si的简单铝硅明（ZL102）铸造后几乎全部是共晶组织。内燃机中的活塞，是在高速、高温、高压、变负荷下工作的，所以要求制造活塞的材料必须比重小、高耐磨、高的耐蚀性、耐热性，还要求活塞材料的线膨胀系数接近汽缸体的线膨胀系数。复杂铝硅明基本上能满足这一要求，它是制造活塞的理想材料。Al-Cu铸造铝合金Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松倾向，耐蚀性较差。ZL201的室温强度高，塑性比较好，可制作在300℃以下工作的零件，常用于铸造内燃机汽缸头、活塞等零件。ZL202塑性较低，多用于高温下不受冲击的零件。ZL203经淬火时效后，强度较高，可作结构材料铸造受中等载荷和形状较简单的零件。AL-Mg铸造铝合金Al-Mg合金（ZL301、ZL302）强度高，比重小（约为2.55），有良好的耐蚀性，但铸造性能不好，耐热性低。Al-Mg合金可进行时效处理，通常采用自然时效。多用于制造承受冲击载荷，在腐蚀性介质中工作的，外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等。Al-Zn铸造铝合金Al-Zn合金（ZL401、ZL402）价格便宜，铸造性能优良，经变质处理和时效处理后强度较高，但抗蚀性差，热裂倾向大。常用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器零件，也可用于制造日用品。铸造铝合金的铸件，由于形状较复杂，组织粗糙，化合物粗大，并有严重的偏析，因此它的热处理与变形铝合金相比，淬火温度应高一些，加热保温时间要长一些，以使粗大析出物完全溶解并使固溶体成分均匀化。淬火一般用水冷却，并多采用人工时效。第二节铜及铜合金

Copper&CopperAlloy

铜及铜合金具有以下性能特点。1．有优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁性物质。2．有良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造铜合金有很好的铸造性能。3．有某些特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜）；高的弹性极限及疲劳极限（铍青铜等）。4．色泽美观。由于有以上优良性能，铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。一、纯铜（紫铜）纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常称为紫铜。纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金。工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜的导电能力下降。铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（Cu＋Pb）和（Cu＋Bi），共晶温度分别为326℃和270℃，分布在铜的晶界上。根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%。牌号有TU1、TU2，主要用来制作电真空器件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料。二、黄铜铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业中有很强的应用价值。根据化学成分，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金。α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下降而增大。α相具有面心立方晶格，塑性好，适于进行冷、热加工，并有优良的铸造、焊接和镀锡的能力。β′相是以电子化合物CuZn为基的有序固溶体，具有体心立方晶格，性能硬而脆。普通黄铜分为单相黄铜和双相黄铜两种类型，从变形特征来看，单相黄铜适宜于冷加工，而双相黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有H80、H70、H68等，“H”为黄铜的汉语拼音字首，数字表示平均含铜量。它们的组织为α，塑性很好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。而常用双相黄铜的牌号有H62、H59等，退火状态组织为α＋β＇。由于室温β＇相很脆，冷变形性能差，而高温β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。特殊黄铜为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。特殊黄铜的编号方法是：“H＋主加元素符号＋铜含量＋主加元素含量”。特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前加“Z”。例如：HPb60-1表示平均成分为60%Cu，1%Pb，余为Zn的铅黄铜。锡黄铜：锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，也可使黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。铅黄铜：铅能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。铅对黄铜的强度影响不大，略为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬套。铝黄铜：铝能提高黄铜的强度和硬度，但使塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性的氧化膜，因而改善黄铜在大气中的抗蚀性。铅黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铅黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，可得到高强度、高耐蚀性的特殊黄铜，常用于制作大型蜗杆、海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零件。硅黄铜：硅能显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。锰黄铜：锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，也能提高在海水中及过热蒸汽中的抗蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件。铁黄铜：黄铜中加入铁，同时加入少量的锰，可起到提高黄铜再结晶温度和细化晶粒的作用，使机械性能提高，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐蚀的零件。镍黄铜：镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒，提高机械性能和抗蚀性，降低应力腐蚀开裂倾向。镍黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电机制造工业中广泛应用。三、青铜青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金也叫青铜。所以青铜实际上包含锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类。青铜的编号规则是：“Q＋主加元素符号＋主加元素含量（＋其它元素含量）”，“Q”表示青的汉语拼音字头。如QSn4-3表示成分为4%Sn、3%Zn、其余为铜的锡青铜。铸造青铜的编号前加“Z”。类别牌

号化

学

成

分（%）状态机械性能用

途主加元素其

它σb/MPaδ(%)HBS锡青铜QSn4-3Sn:3.5～4.5Zn:2.7～3.7Cu:其余TL35055040460160

制作弹性元件、化工设备的耐蚀零件、抗磁零件、

造纸工业用刮刀QSn7-0.2Sn:6.0～8.0P:0.10～0.25Cu:其余TL360500641575180

制作中等负荷、中等滑动

速度下承受摩檫的零件,如抗磨垫圈、轴套、蜗轮等铅青铜ZCuPb30Pb:27.0～33.0Cu:其余J25

要求高滑速的双金属轴瓦

减摩零件ZCuPb15Sn8Sn:7.0～9.0Pb:13～17Cu:其余SJ170200565964

制造冷轧机的铜冷却管冷冲击的双金属轴承等铝青铜ZCuAl9Mn2Al:8.5～10Mn:1.5～2.5Cu:其余SJ39044020208393

耐磨、耐蚀零件，形状简单的大型铸件和要求气密性高的铸件铍青铜QBe2Be:1.9～2.2Ni:0.2～0.5Cu:其余TL50085040490250

重要的弹簧和弹性元件，耐磨零件以及在高速、高压和高温下工作的轴承表中符号的意义：T－退火状态；L－冷变形状态；S－砂型铸造；J－金属型铸造。第三节滑动轴承合金

PlainBearing

Alloy一、滑动轴承合金的工作条件及其对性能和组织的要求滑动轴承合金是指用于制造滑动轴承轴瓦及内衬的材料。滑动轴承在工作时，承受轴传给它的一定压力，并和轴颈之间存