第十三章 有色金属及合金.ppt

1、第十三章非铁金属和合金、非铁金属和合金是黑色金属材料以外的各种金属材料。 第一节铝及铝合金一、铝及铝合金的性能特点及分类号纯铝的最大特点是密度小、熔点低、强度低、塑性高。 铝合金密度小，热处理后强度高，比刚度高，是重要的航空结构材料。 纯铝的导电性和导热性良好，仅次于银和铜。 从单位质量的导电能力来计算，其导电能力是铜的2倍。 因此，用大量的Al代替Cu制作导线。 铝在其表面能形成致密的Al2O3保护膜，因此在空气和其他介质中具有良好的耐腐蚀性。 纯度越高，铝的耐腐蚀性越好。 纯铝和许多铝合金可进行各种冷、热加工，可与薄铝箔冷轧成极细的斯，焊接性能良好。 冷变形和热处理可以显着提高纯铝及其合金

2、的强度。 铝合金中常用的合金元素体有Si、Mg、Cu、Mn、Zn等。 根据合金元素体和加工工艺特性，铝合金可分类为变形铝合金和铸造铝合金两种。 这些个2种合金的理论界限线应是饱和固态溶液在共晶温度中的临界溶解度。 变形铝合金可分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金。按照国家标准规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字系统品牌。 两种编号方法的第一位是阿拉伯数字，代表一组铝和铝合金。 1表示铝含量wAl为99.00以上的纯铝，2表示以Cu为主的合金元素体的铝合金。 3表示以Mn为主的合金元素体的铝合金，4表示以Si为主的合金元素体的铝合金，5表示以Mg为主的合金元素体的铝合金，6表示Mg

3、和以Si为主的合金元素体的铝合金，7表示以Zn为主的合金元素体的铝合金。两种编号方法的第二位表示原始合金的变形情况，其中国际四位数字体系品牌的第二位表示阿拉伯数字，0表示原始合金的四位字符布兰德编号的第二位表示大写字母，a表示原始合金。 2个编号方法的最后2位是阿拉伯数字，有5个特别的意义，只用于区分同一组内不同的铝合金。 铸造铝合金通过添加主要的合金元素体，分为AlSi系、AlCu系、AlMg系和AlZn系四种，其符号分别以在ZL1、ZL2、ZL3、ZL4上加上两位数字的顺序表示(ZL分别为铸造铝 ) 表13.1是铝合金的分类和性能特性。 (P383 )、二、铝合金的强化、(一)应变强化纯铝

4、及不能热处理的强化铝合金，通常只能在退火或冷硬化状态下使用。 冷硬化可以提高简单形状的工件强度，降低塑性。 (二)将沉淀强化铝合金加热至单相区保温后，得到过饱和固态溶液的热处理工艺称为固溶热处理。 过饱和固态溶液保温至室温放置或加热的温度，随时间的推移强度和硬度上升，塑性和韧性降低的现象称为沉淀强化或时效硬化。 沉淀强化是强化铝合金的主要途径。 合金经固溶处理后，室温下发生过饱和固态溶液脱溶的过程称为自然时效。 加热至室温以上的某温度等温保持引起过饱和固态溶液脱溶的过程称为人工时效。 铝合金的时效硬化效果取决于固态溶液的浓度、时效温度和时间(参照下图)。 时效温度过高或者时效时间过长，合金的硬

5、度下降，被称为“超过时效”。 以wCu4的AlCu合金为例，说明铝合金的时效硬化过程(参照右图):1 .形成铜原子的富集区(GP区)2.铜原子富集区的有序化(GP区，别名)3.形成过渡相4 .形成平衡相的铝合金的时效过程，铝合金在淬火后为一定量的(3)固溶强化和微晶强化在纯铝中加入合金元素体，形成铝系固态溶液，可发挥固溶加强作用，提高其强度。 对于不能热处理的强化和强化效果少的铸造铝合金和变形铝合金，通过添加微量合金元素体使晶粒微细化，可以提高铝合金的力学性能。 三、变形铝合金、(1)热处理不能强化的变形铝合金之类的铝合金主要包括AlMn系和AMg系合金。 其主要性能特征因具有优良的耐腐蚀性而

6、被称为防锈铝合金。 此外，这种合金具有良好的塑性和焊接性，能够恰当地制造在必要的打孔机、焊接、腐蚀介质中工作的零配件。 防锈铝合金的主要品种、化学成分、力学性能及用途如表13.2所示。 (2)在热处理可强化变形铝合金工业中广泛应用的热处理可强化变形铝合金并非二元合金，而是成分更复杂的三元系统和四元系合金。 1 .硬铝合金AlCuMg系合金是最早、用途最广泛、具有代表性的铝合金，由于该合金的强度和硬度高，因此又称为硬铝，又称为双铝。 2 .硬质合金AlZnMgCu系合金是变形铝合金中强度最高的一种铝合金，因为超过硬铝合金，所以被称为硬质合金。 除强度高外，塑性比硬铝低，但在相同强度水平下，断裂韧

7、性比硬铝高，云同步具有良好的热加工性能，适合生产各种类型和规格的半成品，因此硬铝是航空工业的主要结构材料之一。 3 .锻造铝合金的一种是AlMgSiCu系合金，因其具有优良的热塑性，适用于各种锻造品和模锻品的生产，故称为锻造铝合金。 另一种是AlCuMgFeNi系合金，能形成耐热强化相Al9FeNi，是耐热锻铝合金。 四、铸造铝合金，铸造铝合金，除要求必要的力学性能和耐腐蚀性外，应具有良好的铸造性能，为此铸造铝合金，使其含有比变形铝合金更多的合金元素体，形成更多的熔点共结晶，提高流变性，改善合金的铸造性能1、AlSi基铸造铝合金AlSi基合金是航空工业应用最广泛的铸造铝合金，该合金具有良好的铸

8、造性能、耐腐蚀性和力学性能。 二元AlSi合金(ZL102 )也称为硅铝，硅含量为1113，对于其组织来说属于过共晶合金(右图)。 简单的AlSi合金流变性好，铸造件致密，不易发生铸造裂纹，是理想的铸造合金。 但是，即使实施变质处理，合金强度也低，通常力学性能要求不高，形状复杂，用于制作铸造件。 为了进一步提高AlSi合金的力学性能，通常需要加入Cu、Mg、Mn等合金元素体形成强化相，通过淬火和时效来进一步强化合金，被称为特殊二氧化硅铝。 2.AlCu系铸造铝合金AlCu系合金是应用最早的铸造铝合金，其最大特点是耐热性高，适合铸造高温铸造件，但铸造合金性能和耐腐蚀性差。 3.AlMg系铸造铝合

9、金AlMg系铸造铝合金的最大特点是耐腐蚀性高，密度小，强度和韧性高，切削加工性好，表面粗度值低。 此类合金的主要缺点是铸造性能差、易氧化、易形成裂纹。 4.AlZn系铸造铝合金AlZn系铸造铝合金的主要特征是具有良好的铸造性能、加工性、焊接性及尺寸稳定性。 由于铸造状态具有时效硬化能力，故称为自我强化合金。 AlZn系铸造铝合金是具有高强度、最便宜的铸造合金，其主要缺点是耐腐蚀性差。第二节钛及钛合金、钛及其合金具有比刚度高、耐热性好、耐腐蚀性优异等显着优点。 但由于钛的化学性质非常活跃，所以钛和钛合金的熔炼铸造、焊接和部分热处理都必须在真空或惰性瓦斯气体中进行，加工技术复杂，价格昂贵，其推广应

10、用受到限制。 第三节铜及铜合金、一、纯铜纯铜具有良好的嗳性和热传导性，对大气、淡水和冷凝水有良好的耐腐蚀性。纯铜强度低，不宜直接作为结构材料使用，除了用于制作导电、热传导材料和耐腐蚀性去老虎钳以外，多用作配置铜合金的原料。 二、以黄铜亚金属铅为主合金元素体的铜合金称为黄铜。 简单的CuZn合金一般称为黄铜。 黄铜的力学性能与化学成分组织状态有很大关系(右下图)。 在wZn3032的情况下，强度和塑性随着亚金属铅含量的增加而提高。 wZn超过32时，组织中出现相，因此塑性急剧降低，强度在wZn 45附近达到最大值。 1 .黄铜黄铜黄铜也称单相黄铜。 塑性好，可进行冷、热压加工，适用于制造冷连轧板

11、材、冷拉丝线材及复杂形状的深拉零配件(筒)。 常用黄铜的典型品种有H80、H70、H68等。 其中“h”表示黄铜，其后的数字表示平均铜含量的百分率。 2.()黄铜()黄铜也称二相黄铜。 其典型品种为H59、H62。 相的高温塑性好，()黄铜适合热加工。 在二元黄铜的基础上添加Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni、Sn等元素体形成特殊黄铜。 比通常的黄铜更具有强度、硬度、耐腐蚀性、良好的铸造性能。 三、青铜、铜和锡的合金最初称为青铜，现在除黄铜和白铜以外的所有铜合金都称为青铜。 CuZn合金相图如右所示。 在实际生产条件下，相图中的一系列共析变换往往不完全进行。 一般得不到组织，只能得到组织。主要添加了铝的铜合金称为铝青铜。 右图为CuAl二元相图。 在平衡条件下，wAl9.4合金为单相组织。 变形铝青铜wAl在7以下。 铝青铜的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性超过锡青铜和黄铜，