模块二---工程材料性能与选用-第6章-1.ppt

1、6.1 铝及铝合金 一、概 述 1.工业纯铝的主要特点 (1)物理性能：小(2.7)、Tm低(660)，Tb高（2477） (2)化学性能：活泼 (3)晶体结构：f.c.c, 无同素异构 (4)工艺性能：易加工成型 (5)机械性能：塑性好，低、低温性能好 2.纯铝用途：配制铝合金、制造导线、包覆材料等,第六章 有色金属及其合金,有色金属特点：特殊的电、磁、热性能，耐腐蚀性能及高的比强度,3. Al合金的分类 主要Me：Si、Cu、Mg、Mn、Zn、- 辅加Me：Ti、B、Zr、Ca、RE等 (1)D点右边：铸造Al合金 (2)D点左边：形变Al合金 可H.T.强化 FD 不可H.T.强化F点左

2、 图5-1铝合金分类示意图 二、铝合金的强化方式 1、固溶强化 Si、Cu、Mg、Mn、Zn与Al形成有限固溶体，并有较大固溶度，能产生比钢中更显著的固溶强化效果。,2.时效强化 1)铝合金的时效过程 时效过程实质：第二相(如相)从过饱和固溶体中沉淀的过程 通过形核和长大发生是一种扩散型的固态相变 Al-Cu合金时效过程：ssssG.P.区 相相相（Al2Cu） (1)G.P. 区：溶质原子聚集区(富Cu) 100面偏聚, 呈圆片状。 无完整晶体结构，完全保持母相的晶格，与母相共格 应变强化 (2) 相(过渡相) 随时效温度升高或时间延长，G.P.区直径， Cu、Al原子逐渐形成规则排列：正方

3、(a=bc)有序化结构。 “相与基体完全共格，但在z轴方向点阵常数(7.68A)比Al点阵常数的两倍(8.08A)小些，产生4%错配 应变强化 (“相产生的应变场比G.P.区大,强化也大） (3) 相(过渡相) 正方点阵(a=bc)与母相部分共格,应变强化较小 (4) 相(CuAl2)（平衡相）过时效 非共格 。,铝合金的时效强化,铝铜合金中的时效各阶段析出相的晶体结构及其与基体间点阵配合的比较,2) Al合金时效强化现象:淬火后Al合金的强度和硬度随时间而发 生显著提高的现象 时效曲线上四个阶段(1)孕育期（初期几小时内合金塑性很高，极易进行铆接、弯曲和矫直等操作） (2)快速反应阶段、强化

4、速度快 (3)缓慢反应阶段，强化速度慢 (4)过时效阶段 析出相聚集长大、强度下降。随时效, 孕育期，时效速度, max,图5-2 Al-4%Cu合金自然时效曲线 图5-3 硬铝(LY12)合金时效曲线,其它铝合金时效过程： Al-Mg-Si系：ssssG.P.区“相（Mg2Si） Al-Cu-Mg系： ssssG.P.区S“SS相（Al2CuMg） Al-Zn-Mg系： ssssG.P.区MM相(MgZn2) 3）影响时效强化效果的因素 (1)时效温度 时效一定，有一Toptimal Topt(0.50.6)Tm (2)时效时间 时效T一定，有一opt, 相对应于“相末期or 相初期 (3)

5、淬火温度、淬火冷速及淬火转移时间 高大短SSSS时效强化效果,三、铝合金的细化组织强化 1.铸造Al-Si合金的变质处理 硅铝明（ZL102）(Al1113Si) 共晶体( +Si) Al+Si 针状 细小粒状,图5-5 Al-Si合金相图,ZL102合金的铸态组织 (a)未变质 (b)钠盐变质后,变质处理,性能：铸造、焊接性好，耐热耐蚀性好，比重小，强度低；,变质处理：钠及钠盐； 用途：形状复杂、强度 不高铸件或薄壁件： 仪表、水泵壳体。,（2）特殊硅铝明,如 ZL109（ZAlSi12Cu1Mg1Ni1）： “活塞合金”,为提高Al-Si合金的强度，常加入Cu、Mg等合金元素，使之形成(C

6、uAl2)、(Mg2Si)、S(Al2CuMg)等强化相，以获得能进行时效强化的特殊硅铝明。,性能特征：比重轻、耐腐蚀性好、线膨胀系数小、强度、硬度较高，耐磨性、耐热性及铸造性能较好，是常用铸造铝活塞材料。在汽车、拖拉机、各种内燃机发动机上应用广。,2. 变形铝合金的变质处理 目的：细化基体铝的晶粒 对纯Al：Ti、Zr、V、Nb、B. 对Al-Si合金：Ti、W、Zr、B Ti+B TiB2 对Al-Cu：Ti、B 、Nb、Zr Ti,B同时加入 TiAlTiAl3 外来核心细化Al合金晶粒,四、各类铝合金简介 1. 铸造铝合金 ZL xxx a.Al-Si基铸造铝合金 ZL10 x 铸造性

7、好, 较高抗蚀性, 足够, 应用广 b.Al-Cu基 ZL20 x 耐热相(CuAl2) c.Al-Mg基 ZL30 x 耐蚀 小 较高 铸造性、耐热性差 d.Al-Zn基 ZL40 x 最便宜，铸态下高 故铸态下使用,铝合金轮毂特点： 1、重量轻:铝材密度比钢材小, 平均每只铝合金轮毂比钢质轮毂要轻2公斤左右。由于轮毂重量轻,转动惯量小,汽车的加速性能得到提高,煞车性能同样得到提高,提升车子加速能力之余更可降低油耗。一辆轿车以5 只车轮(包括一只后备车轮)计算可减轻重量10公斤。美国汽车工程师学会发表的一篇研究报告指出,铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂昂贵,但每辆汽车跑到2 万公里时,其所节省的燃

8、料费便足以抵回成本。轻轮毂的旋转惯性较钢制重轮毂小得多,所以装上铝合金轮毂可令汽车的加速、刹车、转弯都更加灵敏。 2、导热性好，散热快，在夏天，减少爆胎危险。20时,铝合金的导热系数为钢的3倍.铝合金轮毂可以更快地降低因制动(刹车皮与刹车盘之间的摩擦产生的热量)和与路面摩擦而产生的轮胎温度,将轮胎和制动盘上产生的热量迅速传导到空气中去. 3、比强度大:即同样重量,铝合金轮毂要坚固耐用得多; 同样强度,铝合金轮毂要轻得多。铝合金轮毂耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢毂有过之而无不及,铝合金轮毂的高硬度明显地减小了转弯时轮毂的变形。 4、美观,大方.可选的样式很多,风阻小。 5、价格高。铝合金轮

9、毂要比钢轮毂贵3倍的价格, 17寸基本在600-800一只. 在国内买到的中高档车几乎都是铝合金轮毂（某些车型低配的是钢轮毂）。,铝合金轮毂成分： 多采用A356合金(AL-Si-Mg系)。 A356合金是美国铝业协会标准中的一个牌号系列，这个系列有三个合金：A356.0、A356.1、A356.2，是356系列的一部分。其成分见表1。 A 3 5 6 合金是一个典型的A l-Si-Mg系三元合金，是一个具有优秀综合性能的铸造铝合金。它不仅具有很好的铸造性能（流动性好、线收缩小、无热裂倾向），可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且通过热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性的理想综合，因此成为

10、了汽车铸造铝轮毂的首选材质。,汽车轮毂用A356铝合金特点 A356（Al-Si-Mg系）合金是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。 1）熔体组织处理 熔体组织处理是在铝合金熔炼过程中所进行的 变质处理和晶粒细化处理的统称。为了获得良好 的性能综合，A356合金在熔炼中必须进行变质处 理和细化晶粒处理。 (1) A356合金的变质处理 A356合金含有7左右的硅相，硅主要以共晶硅 的形态存在于基体中。在没有处理的合金中，硅 相是以片条状的形态分布在铝基体上，片条状的 脆性硅相会破坏铝基体的连续性，严重影响合金的力学性能，

11、特别是它的塑性和冲击韧性。A356合金的变质处理是通过加入一些微量元素来改善该合金中硅相的形状、大小和分布，从而，有效地把片条状硅相对性能的不利影响降低到最低程度。,Al-Si合金的变质现象是1920年法国的A.Pacz发现的。向AlSi合金熔体中加入少量的钠可使共晶硅相形态大小发生很大变化，使原片状硅球化和纤维化，有效地改善了合金的力 学性能，使这种原来无法在工业上应用的合金一跃变成可广泛应用的有良好的综合性能的铸造合金。 2. A356合金的细化晶粒处理 组织的细化可有效改善合金的性能。铝合金的晶粒细化处理，其基本原理是向合金熔体加入少量能形成异质形核的物质，在熔体内产生大量的结晶核心，使

12、合金在凝固时获得细小的晶粒。对A356合金而言，组织的细化主要是指合金的基体铝固溶体的晶粒细化。通常在A356合金熔炼时，加入少量的Ti和B。 Ti+B TiB2 TiAlTiAl3 外来核心细化Al合金晶粒,（3）热处理强化 镁和硅在铝中的固溶体随温度的 变化，其Mg2Si固溶度有很大的变化。 这种特性使A356合金有很好的热处理 强化的可能。在工业上可以通过淬火 时效热处理（一般用T5规范）来实现 热处理强化。 Mg2SiSi共晶体熔点：550，A356合金的淬火温度：535。在该温度下，经过30分钟，Mg2Si相可完全溶入固溶体。根据生产实际情况，由于铸件组织的不均匀，通常要求保温时间不

13、小于2小时。淬火：冷水或热水（70100）时效工艺：淬火后加热到150160保温35小时。 时效态组织：数百纳米的 Mg2Si相分布在基体上。显微镜难以观察到。,2. 变形铝合金 (1)类型及特点 a. LF 防锈铝合金 Al-Mn、Al-Mg系 抗蚀性好；航空业广泛应用：容器、管道、铆钉及中等载荷零件。 b. LY 硬铝合金 Al-Cu-Mg系 高 强化相(CuAl2)、S相(CuMgAl2) 时效硬化：用于制备模锻件、铆接件，如螺旋桨、铆钉等。 c. LC 超硬铝合金 Al-Cu-Mg-Zn 更高 (MgZn2)、(Al2Mg3Zn3), S相 Me、抗蚀性 用于工作温度较低、受 力较大结

14、构件：飞机的大梁、起落架等。 d. LD 锻铝合金 Al-Mg-Si-Cu系 (如LD5) 中等、较高抗蚀 可锻性好、力性高、制造形状复杂的锻件。飞机上的框架、枝杆等。 Al-Cu-Mg-Fe-Ni系（如LD7）耐热 超音速飞机蒙皮,(2)变形Al合金 H.T. 操作特点 a. 炉温均匀5(过高 易过烧、熔化；过低，淬火后过饱和程度低，不能发挥最大时效效果) b. 淬火迅速即转移时间短(一般35s，对LCxxx 25s) c. 水淬（循环水）,Age-hardening wrought Al alloys,6.2 镁及镁合金 一、镁及镁合金的基本特性 1.纯镁的性质 小(1.7), E低 45

15、GPa Tm低（650）化学性质活泼 不耐(水、酸、盐)腐蚀、但对碱、油具有化学稳定性。 机械性能：H.C.P, 室温下塑性低，高温(150225)塑性较好。屈服强度低 2.镁合金产品及其特性 Me化后，镁合金机械性能，广泛作为结构材料在3C产品、汽车、航空航天 (1)密度小，比强度高，比刚度高。发动机和其它零部件的重量 (2)比铝合金更好的承受冲击载荷能力、阻尼性能好吸震、减震、汽车座椅架、车轮毂 (3)优良的切削加工性、易于铸造和热加工,Mg-Zn-Zr系，ZM1、MB15 Mg-Re-Zr系 ZM3、MB8 常见Me：Al、Zn、Mn、Zr、RE、Li。 铸造镁合金 高强铸造镁合金 AZ

16、91 耐热铸造镁合金 AE42， 热处理：T6 固溶时效 T4 固溶处理 2. 变形镁合金 与铸造镁合金比，Me含量少，杂质含量控制严 AZ31, AZ61,二、镁的合金化 合金化原则与铝合金相近，主要利用固溶强化、沉淀强化、细晶强化和弥散强化提高性能 Mg-Mn系，MB1，MB8 Mg-Al-Zn系， AZ31，AZ61, AZ91(ZM5),镁应用优势资源丰富,研究背景应用广泛,汽车零部件,电子产品外壳,其它,（2）特殊硅铝明,如 ZL109（ZAlSi12Cu1Mg1Ni1）： “活塞合金”,为提高Al-Si合金的强度，常加入Cu、Mg等合金元素，使之形成(CuAl2)、(Mg2Si)、

17、S(Al2CuMg)等强化相，以获得能进行时效强化的特殊硅铝明。,性能特征：比重轻、耐腐蚀性好、线膨胀系数小、强度、硬度较高，耐磨性、耐热性及铸造性能较好，是常用铸造铝活塞材料。在汽车、拖拉机、各种内燃机发动机上应用广。,研究背景,澳大利亚开发的砂型铸造 AM-SC1发动机缸体,BMW的复合缸体，耐磨的铝合金 内芯外面再包一层更轻的镁合金,德国宝马与法国标致、雪铁龙 集团开发的镁合金引擎,上海交通大学 轻合金国家工程研究中心,1.密度小 2.热膨胀系数小 3.热导率大 4.耐磨性能好 5.高温力学性能好 6.加工性能好,Mg及Mg合金的基本性能,研究背景,镁合金的应用研究简介 准晶增强高性能镁

18、合金的应用基础研究（ASMA4邀请报告）,6.3 钛及钛合金 优点：密度小、比强度高、高温强度好、低温韧性优异、耐蚀性突出 不足：高温活泼，熔炼、浇铸、焊接、热处理需在真空或惰性气体中进行，加工条件严格、成本高。 6.3.1 纯钛 银白色；4.5;纯钛及其合金均无磁性。 Tm=1668，热膨胀系数小、导热性差。 纯钛塑性好、强度低、易加工成形，可制成细丝、薄片。 钛在大气和海水中耐蚀，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠中稳定，不耐氢氟酸。 钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。 钛的结构：882.5 HCP，-Ti; 882.5 BCC，-Ti -Ti -Ti,882.5,同素异构转变,6.3.2.

19、 钛合金 根据合金元素对钛同素异构转变的影响，可将其分为三类: (1) 相稳定元素（Al、C、N、B等）：使钛的同素异构转变温度升高，形成固溶体 （2） 相稳定元素（ Fe、Mo、Mg、Cr、Mn、V等），能使钛的同素异构转变温度降低，形成固溶体。(3)中性元素（Sn、Zr等），对钛的同素异构转变温度无影响。 铝能提高钛合金的强度、再结晶温度，几乎所有钛合金中都含Al。,根据热处理组织，钛合金分为三类： 类钛合金（TA0TA7等8个牌号，TA0TA3为工业纯钛） 类-（TB1TB2两牌号） 类-(TC1-TC10等10个牌号),类钛合金：主加元素为Al，还有Sn、B等 不能热处理强化，在退火态

20、下使用，组织： 固溶体 性能：室温强度低于其它类型钛合金， 高温（500600）强度和蠕变强度居钛合金之首。耐热型钛合金，用于500以下 耐腐蚀性好，易焊接，在-253超低温下仍具好的塑韧性。 常用Ti-5Al-2.5Sn合金（TA7），退火态：b=850MPa(RT) b=400MPa(500) 制备飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、飞船上的高压低温容器。,类钛合金淬火态组织：固溶体，Me含量高 性能：淬火态具有好的塑性、可冷成型。淬火时效可获高强度 如Ti-3Al-8Mo-11Cr(TB1)，淬火时效后b=1300MPa，=5%. 不足：耐热型较差，用于350以下。熔炼工艺复杂，应用不广。,+

21、类钛合金: 加入合金元素Al、V、Mo、Cr等。 退火态组织： ，兼具及类特点。 性能：强度高、塑性好，综合力性优，应用最广。 如Ti-6Al-4V(TC4)，退火态b=950MPa，=10%，=30% 400蠕变抗力高，抗海水和抗热盐应力腐蚀佳。用作400长期工作的零件， 如飞机压气机盘、航空发动机叶片、火箭发动机外壳、舰船耐压壳体等。,美国波音747787、A320380的钛合金起落架，F-16飞机钛合金机身隔框，苏2733飞机钛合金大型结构件,淬火时效后组织： 时效针状析出相,国内外军用Ti合金研究发展现状介绍,6.4 铜及其合金 一、工业纯铜(紫铜) 1.物性：导电、导热(仅次于Ag，

22、第二) 8.9，Tm=1083 f.c.c 无同素异构 无磁性 2.化性：很高的化学稳定性 大气、淡水、非氧化性酸中耐腐蚀 氧化性酸(硝酸、浓硫酸)中不耐蚀 3.机性：低(240MPa), 塑性好 50% HB40-50 可冷变形强化 400500, HB100-120， 5 4.杂质的影响 a.杂质导电能力 b. Pb、Bi造成热脆 (CuPb)、(Cu+Bi)共晶体、熔点低 热加工时这些共晶体发生破裂，破坏晶界结合而造成脆性破裂 c. S和O造成冷脆 (Cu+Cu2S)、(Cu+Cu2O)共晶体，共晶温度1067和1065，高于铜热加工(820-860)，虽不会产生热脆，但两者均为脆性化合

23、物，冷加工时易产生破裂，故称冷脆,牌号：T1 99.95%， T2，T3, T4 99.5% 用途：配制铜合金和其它合金外，制作导电、导热及兼具抗蚀性的器材，如电线、电缆、电刷、通管、散热器、冷凝器等 二、铜的合金化及分类 合金化 1) 目的： 2)途径：a. 固溶强化 加入Zn,Al,Sn,Mn,Ni 强化效果240650MPa b. 时效强化 (许多Me在Cu中溶解度随降低急剧减小，故具有时效强化效果)加入Be，Ti，Zr，Cr等 最突出Cu-Be合金，热处理后达1400MPa c. 过剩相强化 CuZn相、Cu31Sn3相、Cu9Al4相具有较高的过剩相强化 2. Cu合金的分类及编号

24、化学成分分 黄铜：以Zn为主要Me的Cu合金 H62 (62Cu、38Zn) 白铜：以Ni B30 青铜：以除Zn、Ni外的Me为主要Me的Cu合金 Qxx,例：铸造黄铜 ZH62 锰黄铜 HMn58-2 58%Cu，2%Mn，40%Zn 锡黄铜 HSn70-1 70%Cu，1Sn，29%Zn 锰白铜 BMn40-1.5 40%Ni，1.5%Mn 俗称“康铜” 铝青铜 QAl9-2 9%Al，2%Mn 三、黄铜 H Cu-Zn 1.普通黄铜(Cu-Zn二元合金) 单相黄铜(Zn46%Zn 相硬脆不能压力加工,(2)普通黄铜的性能,相单相黄铜塑性、耐腐蚀性好，H80、H68，适于制造冷变形零件，

25、 如弹壳、冷凝器管等。 两相黄铜热塑性好，强度高，常用牌号H59、H62，适于制受力件： 垫圈、弹簧、导管等。,2.复杂黄铜：普通黄铜基础上加少量Me，称(特殊黄铜) Me加入可影响、相的相对量，提高强度、耐腐蚀、耐磨性。 Cu-Zn-Me: Al,Sn,Mn,Si,Pb,Ni,Fe- 如：HPb591：含铜59、铅1的铜合金。 Me化目的：机性 抗腐蚀 or 耐磨性 Me 作用：HAl 铝黄铜 Al 、HB 耐蚀性 (Al2O3) （HAl601） HSn 锡黄铜 Sn 、HB 耐蚀性 “海军黄铜” (H62-2) HMn 锰黄铜 Mn：机性 耐热性 HSi 硅黄铜 Si： 机性 耐磨性 H

26、Pb 铅黄铜 Pb：切削加工性、耐磨性 (HPb591) HNi 镍黄铜 Ni： 机性 耐蚀性 HFe 铁黄铜 Fe：细化晶粒 机性 特殊黄铜 强度、耐腐蚀性比普通黄铜好、铸造性能改善，用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋浆、轴承、衬套及阀体等。,四 青铜 Q 锡青铜QSn 铝青铜QAl 铍青铜QBe 1.QSn 古铜镜 主要特点：耐蚀(比纯铜和黄铜都好)、耐磨、弹性好、铸件体积收缩小 用途：高强度弹性材料、耐磨材料、艺术铸件 二元QSn易偏析，铸件不致密，机性不能保证，工业上很少用 多元锡青铜：Cu-Sn-Me P Zn Pb Ni. QSn+Me多元锡青铜： 1)锡磷青铜：QSnP 流

27、动 (0.2%P,Cu3P硬质点) 耐磨 2）锡锌青铜 QSn+Zn 偏析 流动性 （固溶强化） 3)锡铅青铜 QSnPb 改善切削性 Pb低(12%) 改善耐磨 Pb高(45%) 摩擦系数,2.QAl (简单QAl、复杂QAl(Q-Al-Me) Cu-Al合金的性能：牌号QAl5 、QAl7 （1）机械性能好 4%Al时 随Al%, 、 可冷加工 511%Al 58%Al 单相、塑性好 可冷加工 911%Al +两相 高 适于热加工， 铸造 (2)铸造性能好 流动性好 (结晶温度间隔小 1080)、 致密 (3)耐蚀性比黄铜、QSn好- 表面形成Al和Cu氧化物混合体 很牢固 3. 铍青铜Q

28、Be Be:1.72.7% Be在Cu中溶解度随T，典型的时效强化型合金 性能(1)高强度、高弹性 淬火时效后：b12501500MPa 350400HB，可与高强度合金钢媲美。 时效强化效果好 固溶 RBe-RCu 大,(2)导电、导热性好、无磁性、冲击时不产生火花 (3)耐蚀、耐热、耐低温、耐磨 QBe是铜合金中性能最好的一种，工业上制造高级弹簧、膜片、膜盒等弹性元件，高速高温高压下工作的轴承、衬套、仪表齿轮等耐磨件及换向开关、电接触器、防爆工具等 五 白铜 B (Cu-50Ni Cu-Ni 无限互溶，单相, 不能热处理强化，借助于固溶强化和加工硬化提高机性) 普通白铜：B30(30Ni,

29、70Cu) 高耐蚀、抗腐蚀疲劳 用途：蒸气、海水环境中工作的精密仪器、冷凝管、热交换器 复杂白铜Cu-Ni-Me 锌白铜：Zn固溶强化 耐蚀性 BZn15-20 呈银白色“锡银” 锰白铜：塑性高、易冷热压力加工；电阻高、电阻温 度系数小。制造低温热电偶、热电偶补偿导线及变阻器和 加热器 最常用：BMn40-1.5（康铜）及BMn43-0.5(考铜),6.5 轴承合金,用途：制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金，承受摩擦，交变载荷和冲击力 一、组织性能要求 1）足够的强韧性 2）较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性 3）较小的摩擦系数 4）轴承合金的组织应该是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布软的质点。 二、常用的轴承合金 锡基