教学材料工程材料-第八章

第一节铝及铝合金工业纯铝纯铝是一种银白色的金属，具有面心立方晶格，熔点６６０℃，密度２.２ｇ／ｃｍ３，仅为铁的１／３，是一种轻型金属。铝的导电性和导热性好，仅次于银和铜，故铝可用作散热材料并广泛用于电子、电器及电机工业中代替铜制作导体。铝在大气中与氧作用，在表面形成一层氧化膜，从而使它在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。纯铝还具有优良的工艺性能，易于铸造，易于切削，塑性好，可进行冷、热压力加工成丝、线、片、棒、管、箔等铝型材，其中可加工得到厚度为０.００６ｍｍ的铝箔，广泛应用于包装糖果、香烟、食品、药品等。下一页返回第一节铝及铝合金根据ＧＢ／Ｔ１６４７４—２０１１规定，纯铝的牌号用１×××四位数字、字符组合系列表示。牌号的第二位表示原始纯铝或改型纯铝；牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。当纯度为９９.９９％的纯铝精确到０.０１％时，牌号中的最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位。工业纯铝的强度较低，σｂ为８０～１００ＭＰａ，冷变形后提高到１５０～２５０ＭＰａ，故工业纯铝难以达到结构零件的性能要求，主要用作电线（图８－１）、电缆、包装（图８－２）、电器、散热器、配置铝合金及生活用品（图８－３）等。表８－１是工业纯铝的牌号、化学成分及用途。上一页下一页返回第一节铝及铝合金铝合金纯铝强度很低，一般不宜直接作为结构材料和制造机械零件。纯铝中加入合金元素可以配成各种铝合金，再经过强化处理后，其强度可以得到很大的提高。１.铝合金的分类铝合金按其成分、组织和工艺特点，可以分为变形铝合金和铸造铝合金两类。常用的铝合金大都具有与图８－４类似的相图。２.变形铝合金变形铝合金可按其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等，冶金厂一般将变形铝合金加工成各种规格型材产品。上一页下一页返回第一节铝及铝合金按ＧＢ／Ｔ１６４７４—２０１１规定，变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、三、四位为数字，第二位为“Ａ”字母。牌号中第一位数字是依主要合金元素Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｚｎ的顺序来表示变形铝合金的组别，依次标示为２、３、４、５、６、７；牌号中的第二位表示原始铝合金或改型铝合金。最后两位数字用以标示同一组别中的不同铝合金。（１）防锈铝。防锈铝是Ａｌ－Ｍｎ系和Ａｌ－Ｍｇ系合金。因其时效强化效果不明显，所以不宜热处理强化，但可以通过加工硬化来提高强度及硬度。这类合金主要性能特点是强度中等、塑性及抗蚀性好，故称为防锈铝，焊接性良好，是焊接结构中应用最广的铝合金。上一页下一页返回第一节铝及铝合金防锈铝具有很好的耐腐蚀性，抛光性好，能长时间保持表面光泽。防锈铝主要用于通过压力加工制造各种高耐蚀性、抛光性好的薄板零件、防锈蒙皮，以及受力小、质轻、耐蚀的结构件等。图８－５为各种防锈铝型材。（２）硬铝。硬铝是Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金。这类合金是一种应用较广的可热处理强化的铝合金，通过淬火时效抗拉强度可达４２０ＭＰａ，与高强度钢相近，故名硬铝。硬铝的耐蚀性远比防锈铝差，不耐海水腐蚀，所以硬铝板材的表面常包有一层纯铝或包覆铝，用以增加耐蚀性。常用的硬铝有２Ａ０１、２Ａ１１、２Ａ１２等。图８－６为２Ａ０１硬铝型材，图８－７为２Ａ１２硬铝可折弯铝隔条。上一页下一页返回第一节铝及铝合金（３）超硬铝。超硬铝是在硬铝的基础上加入锌形成的Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｚｎ系合金。与硬铝一样，超硬铝也可以通过热处理显著地提高强度，抗拉强度可达６８０ＭＰａ。比强度相当于超高强度钢，故名超硬铝。常用的超硬铝有７Ａ０４等。超硬铝耐蚀性较差，通常表面要包一层纯铝，以增加抗蚀性能。超硬铝主要用于航空工业制造受力大的结构件，如飞机的大梁、起落架（图８－８）、摩托车轮圈、自行车（图８－９）等。（４）锻铝。锻铝大多是Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金。这类铝合金热处理后的性能与硬铝相近，具有良好的热塑性及耐蚀性，更适合于锻造，故名锻铝。上一页下一页返回第一节铝及铝合金最常用的锻铝有６Ａ０２等。由于锻铝的热塑性好，适合航空及仪表工业制造各种形状复杂、要求比强度较高的锻件，如汽车把手（图８－１０）、内燃机活塞（图８－１１）、汽车轮圈（图８－１２）等。表８－２是常用变形铝合金的牌号、力学性能和用途。３.铸造铝合金铸造铝合金常用的有Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系和Ａｌ－Ｚｎ系四类，其中以Ａｌ－Ｓｉ系应用最为广泛。铸造铝合金的塑性较差，一般不进行压力加工，只用于铸造成型。铸造铝合金的牌号表示方法如下：例如ＺＡｌＳｉ７Ｍｇ，Ｚ是汉语拼音“铸”的首字母，Ａｌ为铝的元素符号，Ｓｉ为硅的元素符号，７为硅的质量分数，Ｍｇ为镁的元素符号。上一页下一页返回第一节铝及铝合金（１）Ａｌ－Ｓｉ系。铝硅合金俗称硅明铝，一般用来制造质量轻、耐腐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件，如汽车变速器箱体（图８－１３）、手提电动工具、带轮（图８－１４）等。（２）Ａｌ－Ｃｕ系。铝铜合金强度较高，加入镍、锰还可提高耐热性。铝铜合金主要用于制造高强度或高温条件下工作的零件。（３）Ａｌ－Ｍｇ系。铝镁合金具有良好的耐蚀性，可用于制造腐蚀介质条件下工作的铸铁。（４）Ａｌ－Ｚｎ系。铝锌合金具有较高的强度，价格便宜，用于制造医疗器械零件、仪表零件和日用品等。常用的铸造铝合金的牌号、力学性能和用途见表８－３。上一页返回第二节铜及铜合金铜是人类最早应用的金属，人类的历史就曾经历过青铜器时代。直至今日，铜仍然是极其重要的基础金属材料，在全世界产量仅次于铁和铝。铜在日常生活中应用广泛，在国民经济的发展中起着重要的作用。纯铜纯铜呈玫瑰红色（图８－１５），表面形成氧化亚铜膜后为紫红色，故纯铜俗称紫铜。由于纯铜是用电解方法冶炼得到，故又称电解铜。纯铜的密度为８.９６ｇ／ｃｍ３，熔点为１０８３℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铜具有优良的导电性、导热性和耐蚀性，铜还具有抗磁性。纯铜的强度不高，硬度很低，塑性很好。下一页返回第二节铜及铜合金根据杂质的含量，工业纯铜可分为Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４四种，纯铜的牌号、成分及用途见表８－４。纯铜主要用作导电材料，如电线和电缆（图８－１６）、加热器（图８－１７）、工艺品（图８－１８）等，还可用来配制各种合金。纯铜及其合金对于制造不能受磁性干扰的磁学仪器。铜合金铜合金按化学成分可分为黄铜、白铜和青铜三大类。机器制造业中，应用较广的是黄铜和青铜。１.黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金，按照化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。上一页下一页返回第二节铜及铜合金１）普通黄铜普通黄铜具有良好的耐蚀性、铸造性和可加工性。普通黄铜的强度和塑性与含锌量有密切的关系，当含锌量增加至３０％～３２％时，塑性最大；当含锌量在３９％～４５％时，塑性下降而强度增高；当含锌量超过４５％以后，其强度和塑性开始急剧下降，在生产中已无实用价值。普通黄铜的牌号用“Ｈ＋数字”表示。其中“Ｈ”是黄铜的“黄”字汉语拼音首字母，数字表示平均含铜量的百分数。铸造黄铜的牌号用“ＺＣｕ”＋主加元素的元素符号＋主加元素的含量＋其他加入元素的元素符号及含量组成。上一页下一页返回第二节铜及铜合金常用的普通黄铜Ｈ９０、Ｈ８０具有优良的耐蚀性、导热性，适宜于冷加工，常用于镀层、艺术装饰品、钱币及散热器（图８－１９）等。Ｈ７０、Ｈ６８按成分俗称七三黄铜，具有优良的冷、热变形能力，适于制造冷变形零件，如形状复杂而要求耐蚀的管、套类零件，如弹壳（图８－２０）、乐器（图８－２１）、冷凝器管等。Ｈ６２、Ｈ５９按成分称为六四黄铜，强度较高并具有一定的耐蚀性，广泛用来制造电子电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，如螺栓、螺母、弹簧、轴套（图８－２２）等。表８－５为常用普通黄铜的化学成分、主要特征和用途。上一页下一页返回第二节铜及铜合金２）特殊黄铜在普通黄铜中加入其他合金元素形成各种特殊黄铜。常加入的合金元素有锡、硅、锰、铅和铝等，分别形成锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜和铝黄铜。常用特殊黄铜的化学成分、主要特征和用途见表８－６。锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的耐蚀性，还能一定程度提高黄铜的强度。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。图８－２３为锡黄铜螺旋桨。硅能显著提高黄铜的力学性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，还能进行切削加工和焊接，主要用于制造船舶及化工机械零件。上一页下一页返回第二节铜及铜合金锰能提高黄铜的强度，同时保持良好的塑性，还能提高在海水中及过热蒸汽中的耐蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件。铅虽然使黄铜的力学性能恶化，但能改善其切削加工性能。图８－２４为铅黄铜件。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耐蚀性。图８－２５为高强度耐磨铝黄铜。２.白铜以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜，按照化学成分的不同，白铜又分为普通白铜和特殊白铜。常用白铜的牌号、化学成分和用途见表８－７。上一页下一页返回第二节铜及铜合金含镍量小于５０％的铜合金称为普通白铜。由于铜和镍固态下形成无限固溶体，因而白铜具有优良的塑性、耐蚀性、耐热性和特殊的电性能。普通白铜常用来制造钱币、精密机械零件、电器元件等。特殊白铜是在普通白铜中加入锌、铝、锰等元素组成的合金。分别称锌白铜、铝白铜、锰白铜等。其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。图８－２６为白铜带材，图８－２７为锌白铜表壳。３.青铜除了黄铜和白铜外，其余所有的铜合金都称为青铜。按主加元素种类的不同，青铜可分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。青铜的牌号表示方法是：“Ｑ＋第一个主加元素符号＋主加元素质量分数＋其他元素含量”。上一页下一页返回第二节铜及铜合金１）锡青铜锡青铜是以锡为主加元素的铜合金。当ｗ（Ｓｎ）≤５％时，随着含锡量的增加，合金的强度和塑性都增加。当ｗ（Ｓｎ）≥６％时，组织中出现硬而脆的δ相，导致强度升高但塑性下降。当ｗ（Ｓｎ）＞２０％时，由于出现过多的δ相，合金变得很脆，强度也显著下降。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，耐磨性和铸造性也很好，广泛用于制造耐磨零件、艺术品以及与酸、碱、蒸汽接触的零件。图８－２８为锡青铜会徽，图８－２９为锡青铜轴承，图８－３０为锡青铜透光镜。上一页下一页返回第二节铜及铜合金２）铝青铜以铝为主加元素的铜合金称为铝青铜。铝青铜强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性均高于黄铜和锡青铜，铸造性能良好，还可以通过淬火进行强化，但焊接性能比较差。铝青铜主要用于制造齿轮、轴套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强度耐磨零件、弹簧以及其他要求高耐蚀性的弹性元件。图８－３１为铝青铜法兰，图８－３２为铝青铜阀板。

３）铍青铜铍青铜是以铍为主加元素的铜合金，铍含量一般为１.７％～２.５％。铍青铜热处理强化后的抗拉强度高达１２５０～１５００ＭＰａ，硬度可达３５０～４００ＨＢＳ。上一页下一页返回第二节铜及铜合金铍青铜的弹性极限、疲劳极限、耐磨性和耐蚀性优异，具有良好的导电性和导热性，并具有无磁性、耐寒、受冲击时不产生火花等一系列优点。常用青铜的牌号、力学性能和用途见表８－８。上一页返回第三节钛及钛合金钛及钛合金是一种新型的结构材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及低温韧性良好等优点。目前，钛及钛合金的冶炼和使用已居金属材料的第三位，在航空航天、化工、导弹、舰艇等方面得到广泛的应用。纯钛纯钛是银白色金属（图８－３６），具有同素异构转变，在８８２℃以下为密排六方晶格的α－Ｔｉ，８８２℃以上为体心立方晶格的β－Ｔｉ。钛的密度为４.５０７ｇ／ｃｍ３，熔点为１６７０℃，塑性好，强度低，易于冷变形加工，可制成细丝和薄片。钛的化学性质极为活泼，但其表面能生成一层致密的氧化膜，因而具有良好的耐蚀性。纯钛主要用于３５０℃以下工作、强度不高的零件。下一页返回第三节钛及钛合金纯钛的牌号以“ＴＡ”加顺序号表示，有ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３三种。顺序号越大，杂质量越多，强度越高，塑性越差。常用工业纯钛的牌号、力学性能及用途见表８－９。钛合金以钛为基体，加入铝、锡、铬、锰、钒、钼等元素就得到了钛合金。钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点，在航空、航天、造船、医疗等领域得到了广泛的应用。图８－３７为钛合金轴承，图８－３８为钛合金避震山地车，图８－３９为钛合金人造骨。根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金。上一页下一页返回第三节钛及钛合金１.α钛合金α钛合金主要合金化元素有铝、锡、硼等。这类合金不能热处理强化，热处理只能进行退火，主要依靠固溶强化，强度低于其他两类钛合金，但在５００℃～６００℃高温条件下，具有更高的强度，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。２.β钛合金β钛合金主要合金化元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，得到较稳定的β相组织。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，应用受到限制。β钛合金主要用于３５０℃以下工作的结构件和紧固件。上一页下一页返回第三节钛及钛合金３.α＋β钛合金α＋β钛合金主要合金化元素有铝、钒、钼、铬等。这类合金可进行热处理强化，兼具α钛合金和β钛合金的优点，用途广泛。其中Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（ＴＣ４）在４００℃以下使用时，具有较高的强度、良好的塑性及焊接性，并且组织稳定，占全部钛合金使用量的７５％～８５％。常用钛合金的牌号、力学性能和用途见表８－１０。上一页返回第四节硬质合金硬质合金是将一种或多种难熔金属的碳化物（碳化钨或碳化钨与碳化钛等）和起黏合作用的金属钴粉末，用粉末冶金方法制成的金属材料。硬质合金的性能特点硬质合金的性能特点主要有以下两个方面。１.硬度高、热硬性高、耐磨性好由于硬质合金是以高硬度、高耐磨、极为稳定的碳化物为基体，常温下硬度可达８６～９３ＨＲＡ（相当于６９～８１ＨＲＣ），热硬性可达９００℃～１０００℃。故硬质合金刀具使用时，其切削速度、耐磨性和寿命都比高速钢刀具显著提高。这是硬质合金最突出的优点。下一页返回第四节硬质合金２.抗压强度高硬质合金的抗压强度可达６００００ＭＰａ，高于高速钢，但抗弯强度较低，只有高速钢的１／３～１／２。硬质合金的弹性模量很高，为高速钢的２～３倍，但其韧性很差，为淬火钢的３０％～５０％。除此之外，硬质合金还具有良好的耐蚀性（抗大气、酸、碱等）与抗氧化性。硬质合金主要用来制造高速切削刃具和切削硬而韧材料的刃具。也用来制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件，如磨床顶尖（图８－４０）等。常用的硬质合金按照化学成分和性能的不同，硬质合金可分为钨钴类硬质合金、钨钴钛类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。上一页下一页返回第四节硬质合金１.钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金的主要成分为碳化钨和钴。其牌号用“ＹＧ”加数字表示，数字表示含钴量的百分数。该类硬质合金的抗弯强度高，能承受较大的冲击，磨削加工性好，但红硬性较低，耐磨性较差，主要用于加工铸铁等脆性材料。２.钨钴钛类硬质合金钨钴钛类硬质合金的主要成分为碳化钨、碳化钛和钴。牌号为“ＹＴ＋数字”。由于碳化钛的加入，该类硬质合金具有较高的硬度和耐磨性。同时，由于表面会形成一层氧化钛薄膜，切削时不易黏刀，还具有较高的红硬性，适宜加工钢材等塑性材料。上一页下一页返回第四节硬质合金３.钨钛钽（铌）类硬质合金钨钛钽（铌）类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金。它是由碳化钨、碳化钛、碳化钽或碳化铌及钴组成。牌号为“ＹＷ＋顺序号”。这类硬质合金由于加入了碳化钽或碳化铌，显著提高了硬度、耐热性、耐磨性和抗氧化性，红硬性高，兼具前两类硬质合金的优点，既能加工脆性材料，又能加工韧性材料，特别对于不锈钢、耐热钢、高锰钢等难于加工的钢材，切削效果更好。常用硬质合金的牌号、性能特点和用途见表８－１１。上一页返回图８－１铝导线返回图８－２彩色铝箔返回图８－３纯铝锅返回表８－１工业纯铝的牌号、化学成分及用途返回图８－４铝合金分类示意图返回图８－５防锈铝型材返回图８－６２Ａ０１硬铝型材返回图８－７２Ａ１２硬铝可折弯铝隔条返回图８－８超硬铝制造的飞机起落架返回图８－９超硬铝制造的自行车返回图８－１０锻铝制造的把手返回图８－１１锻铝制造的内燃机活塞返回图８