第8章_有色金属及其合金2.ppt

1、第八章 有色金属,引言,工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等金属及合金。 有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。 本章重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金。,第八章 有色金属及其合金,1 铝及铝合金 2 铜及铜合金 3 轴承合金 4 钛及钛合金,1 铝及铝合金,一.铝及铝合金的性能特点 二.提高铝及铝合金强度的主要途径 三.铝及铝合金的分类及用途,返回,一.铝及铝合金的性能特点,1、优良的物理性能 2、抗大气腐蚀性能好 3、加工性能好，比强度高,返回,1、优良

2、的物理性能,密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。,返回,2、抗大气腐蚀性能好,铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。,返回,3、加工性能好，比强度高,纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性（=3050%，=80%），易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯

3、铝的强度低，b=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。,返回,二.提高铝及铝合金强度的主要途径,铝合金的分类,返回,铝合金 的分类,变形铝合金,铸造铝合金,不能热处理 强化铝合金,能热处理 强化铝合金,铝合金相图的一般形式,返回,1、固溶+时效处理（时效强化） 2、变质处理（细化晶粒强化） 3、,冷变形（加工硬化）,返回,1、时效强化,固溶处理 将成分位于DF之间的合金加热到固态溶解度线DF以上某一温度，获得单相固溶

4、体，然后水冷（淬火），获得过饱和固溶体称为固溶处理。 时效强化 这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和固溶体趋于发生某种程度的分解，使合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强化）。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。,返回,合金发生时效的条件,合金能在高温形成均匀的固溶体 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,返回,含4%Cu的铝合金自然时效曲线,返回,含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线,返回,时效规律,时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小; 时效温度越高, 时效速度越

5、快, 强度峰值出现所需时间越短; 低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性, 抑制时效的进行。,返回,时效强化的原因,分析表明：在时效过程中溶质原子发生了如下的变化，首先溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格畸变加大，使位错运动阻力增大，强度提高，其次随时间的延长，富集区的原子趋于有序化，趋于形成第二相，但还没形成第二相，其与原晶格保持共格关系，晶格畸变进一步增大，使强度进一步提高，随时间的继续延长，第二相形成并逐渐脱离母体的共格关系，这时晶格畸变减小，强度下降。,返回,2、细晶强化,纯铝和铝合金在浇注前进行变质处理，即在浇铸前向合金溶液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提高合金强度，

6、称为细化晶粒强化。 细晶强化对于变形铝合金的作用 细晶强化对于铸造铝合金的作用,返回,细晶强化对于变形铝合金的作用,对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂Ti、B、Nb、Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核，从而细化铝的晶粒。,返回,细晶强化对于铸造铝合金的作用,对于铸造铝合金：典型的铸造铝合金是铝硅系合金（硅铝明），这类合金具有优良的铸造性能（熔点低，流动性好，收缩性小）和焊接性能好，尤以含1113%Si的二元铝硅合金铸造性能最好。可见，二元铝硅合金铸造后几乎全部得到（+Si）的共晶体，其中Si呈粗大针叶状，使合金变脆，强度和塑性都很低，不宜作为工业合金使用，若对其采用变质处理，在浇注前向

7、合金中加入占合金重量23%的变质剂（2份NaF和1份NaCl），可将针状Si改变为细小粒状Si，得到细小均匀的共晶体和初生固溶体的亚共晶组织（+Si）+，显著提高合金的强度和塑性。,返回,铸造铝合金中变质处理细化晶粒的原因,在一般认为是Na等元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液态合金产生510的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生固溶体。,返回,纯铝与铝合金的细晶强化（变质处理）示意图,未变质处理,变质处理后,返回,三.铝及铝合金的分类及用途,（一）纯铝 （二）铝合金,返回,（一）纯铝,工业纯铝：99.0%9

8、8.0% 作管、线、棒、代号L1L6，数字大，其纯度愈低。 现在，我国工业纯铝的牌号是依其杂质的含量以国际四位数字体系来编制，1070、1060、1035，第一位数字1表示纯铝，后两位数字越小，其杂质含量越高。,返回,（二）铝合金,1、变形铝合金 防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 2、铸造铝合金 Al-Si系合金 Al-Cu系合金 Al-Mg系合金 Al-Zn 系合金,返回,铝合金牌号,铝合金的牌号表示方法： 铸造铝合金，Z+Al+主要合金元素符号+主要合金元素平均含量，如ZAlSi12表示平均硅含量为12%的铸造铝合金； 变形铝合金，新牌号用国际四位数字体系和四位字符体系，如106

9、0（工业纯铝），5A02（LF2）。 按国家标准规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代号分别用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一组顺序号表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而铸造铝合金的代号用“ZL”两个字母和三个数字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等,返回,1、 变形铝合金,（1）防锈铝合金 ( LF *) : Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。 例如: 3A21 。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。 例如:5A05等。 防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好，常用拉延法制造各种高耐蚀性的薄板容器（如

10、油箱等）、防锈蒙皮以及受力小、质轻、耐蚀的制品与结构件（如管道、窗框、灯具等）。,返回,（2）硬铝合金 ( LY* ) : 铝-铜-镁系合金 这类合金通过淬火时效可显著提高强度，b可达420MPa，其比强度与高强度钢相近，故名硬铝。但耐蚀性不高。2A01（铆钉硬铝） 2A11（标准硬铝） 2A12（高强度硬铝）,（3）.超硬铝合金 ( LC *) : 铝-铜-镁-锌系合金 通过时效强化形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。 7A04,飞机主起落架,返回,（4）锻铝合金 ( LD ) : 铝-铜-镁-硅系合金 力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高，更适于锻造，故名锻铝。

11、2A50,压气机叶片,返回,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55,（1）铸造铝 硅合金 ( ZL101ZL111 ) :,2、铸造铝合金,返回,（1）硅铝明,简单硅铝明 组织+Si共晶体，它的最大优点是铸造性能好，此外，密度小，抗蚀性，耐热性，焊接性也相当好，但强度低，这类合金只适用于制造形状复杂但对强度要求不高的铸件，如仪表壳体等。 特殊硅铝明 在该合金的基础上加入适当合金元素Cu、Mn、Mg、Ni等元素，发展成能时效强化的铝合金，称为特殊硅铝明，具有良好的铸造性和较高的抗蚀性及足够的强度，如ZL108、ZL109是我国目前常用的铸造铝活塞的材料。,返回,（2）

12、铸造铝 铜合金 ( ZL201ZL203 ) : 有较高的强度、塑性及耐热性,但铸造性能和耐蚀性较差。,铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210,汽缸头,返回,（3）铸造铝 镁合金 ( ZL301、ZL302 ) : 该类合金的特点是密度小，强度高，比其它铸造铝合金耐蚀性好。但铸造性能和耐热性较差。,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),返回,（4）铸造铝 锌合金 ( ZL401、ZL402 ) : 这类合金铸造性能很好，流动性好，易充满铸型，但密度较大，耐蚀性差。经变质处理和时效处理后,强度高。,大型空压机活塞(ZL401),返回,2 铜及铜

13、合金,一.铜及铜合金的性能特点 二、铜及铜合金的分类及用途,返回,一、铜及铜合金的性能特点,优异的物理、化学性能 导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高 良好的加工性能 塑性好；铸造性好 某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限,返回,二、铜及铜合金的分类及用途,（一）纯铜 （二）铜合金 1、黄铜 2、青铜 3、白铜,返回,二、铜及铜合金的分类及牌号,纯铜(紫铜) T1、T2、T3、T4 铜合金 黄铜 普通黄铜 H62表示含铜62%,其余为Zn的黄铜 特殊黄铜 HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。余量为Zn的铅黄铜 青铜 锡青铜 QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%

14、P的锡-磷青铜 特殊青铜 白铜 BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn的锰白铜,返回,（一）纯铜,工业纯铜按氧的含量和生产方法不同分为： 韧铜：它是含氧量0.02%0.1%的纯铜，我国工业有四个牌号：其代号分另为T1、T2、T3、 T4 。 无氧铜：其含氧量极低，0.003%O ，其代号有TU1，TU2，“U”表示“无氧”。 脱氧铜：0.01%O，用TU+脱氧剂化学符号表示， TUP，TUMn 纯铜退火状态，强度低，塑性好（b=250270Mpa，=3545%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（b=400500Mpa，=13%）。不能用作受力的结构材料，工业纯铜主要用导电、导热，兼有

15、抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。,返回,（二）铜合金,纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强度，获得高强度的铜合金。 常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。 铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大类。,返回,1、黄铜,黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金，具有良好的机械性能，易加工成型，对大气、海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重要有色金属材料。 黄铜按其所含合金元素的种类可分为普

16、通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。,返回,（1）普通黄铜,普通黄铜，就是Cu-Zn二元合金，当Zn含量36%，是单相，Zn含量36%而47%时组织+两相。工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47%。 单相黄铜：室温组织为单相的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号有H80、H70、H68，其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。 双相黄铜：+黄铜又称双相黄铜，强度高，塑性差。H59、H62用作水管、油管、散热器等。,返回,普通黄铜的组织特征图,单相黄铜 H68,双相黄铜H59,返回,黄铜的力学性能与含锌量的

17、关系图,返回,常用的黄铜应用,金奖黄铜 - H90,弹壳黄铜 - H70 ( H68 ),日用黄铜 - H62 ( H59 ),冷凝器管,返回,（2）特殊黄铜,在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能,返回,黄铜的“脱锌”和“季裂”,脱锌：黄铜在酸性或盐类溶液中，由于锌优先溶解受到腐 蚀，使表面残存一层海绵状的纯铜，合金遭受破坏。加入少量砷或镁，可防止黄铜脱锌。 季裂：虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压力加工（挤压、冲压、弯曲等）成形时，由于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海水作用下，极易出现应力腐

18、蚀开裂现象称为季裂。为了防止这种现象，冷压力加工后的黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力的退火（250300保温1h以上）,返回,2、青铜,青铜是以Sn、Al、Si、Be、Ti等为主要合金元素的铜合. 按照生产方式：加工青铜和铸造青铜两类。 主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。,返回,（1） 锡青铜,以Sn为主加元素的铜合金称为锡青铜。 ：Sn在铜中的置换固溶体，有较大溶解度，FCC，塑性好。 ：以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，在586发生共析转变（+），BCC，塑性好。 ：以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，在526发生共析转变（+），复杂立方（黄铜结构

19、），硬而脆。 ：在350发生共析转变（+），其他同上。 ：以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体，HCP，极硬而脆。 在实际冷却条件下，（+）由于转变很慢很难进行完全，室温下只能得到+组织，导致韧性及塑性和强度降低。,返回,（1） 锡青铜,Sn对青铜机械性能的影响：当Sn56%时，固溶体，强度和塑性较高；当Sn56%时，出现相，使塑性降低；当Sn20%时，过多，强度和塑性急剧降低。因此，一般加入314%Sn，其中，压力加工锡青铜57%Sn，铸造锡青铜1014%Sn。 锡青铜的特点是耐蚀性高，超过纯铜和黄铜，锡青铜在大气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。缺点是结

20、晶温度间隔宽，铸造性能差，为此加辅加元素Pb、Zn等改善。 Zn的加入提高铸造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高弹性极限等。,返回,（2）铝青铜,以Al为主加元素的铜合金称为铝青铜。 ：Al在铜中的置换固溶体，溶解度较大，FCC，强度和塑性较高。 ：以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，在565发生共析转变（+2），BCC。 2：以电子化合物Cu32Al19为基的固溶体，硬而脆。,返回,（2） 铝青铜,Al对青铜机械性能的影响：当Al78%时，固溶体，强度、塑性较好；当Al78%时，塑性急剧降低；当Al1011%时，出现脆性2，强度和塑性都显著降低。因此，一般Al12%，压力加工铝青铜

21、57%Al，铸造铝青铜7%Al。 铝青铜特点是强度、硬度、耐磨性和耐蚀性均优于黄铜和锡青铜，结晶温度区间小，流动性能好，缺点是易形成Al2O3杂质、切削加工性和焊接性差。,返回,（3） 铍青铜,以Be为主加元素的铜合金称为铍青铜。 ：Be在铜中的置换固溶体，溶解度较小，FCC，塑性好。 1：以电子化合物CuBe为基的无序固溶体，在605发生共析转变1（+2），BCC，塑性好。 2：以电子化合物CuBe为基的有序固溶体，BCC，硬而脆。,返回,（3）铍青铜,Be对青铜机械性能的影响：当Be2%时，塑性急剧下降，因此常用含量1.72.5%Be。 特点是弹性极限和疲劳强度极高，导电、导热性高，耐蚀、

22、耐磨性好，无磁性，接触时不溅射火花，适合做高精密弹性元件；具有强烈的时效硬化效应，时效处理后的强度及硬度很高，可以达到b12501500MPa，HB350400。缺点是价格昂贵，有毒。,返回,（4） 硅青铜,以Si为主加元素的铜合金称为硅青铜，具有良好的冷、热加工性能，铸造性能，价格低廉。当Si3%时，塑性将快速下降。,返回,3、白铜,白铜是以Ni为主要合金元素的合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材

23、料。,返回,3 轴承合金,一、轴承合金的性能要求 二、轴承合金的分类及用途,返回,一、轴承合金的性能要求,1、轴承合金的性能要求 在工作温度下有足够的抗压强度和疲劳强度，以承受轴所施加载荷。 有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并承受冲击和振动。 磨擦系数小，并能保持住润滑油，以减少对轴颈的摩损。 具有小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性，以防止轴瓦与轴颈强烈磨擦升温而发生咬合，并抵抗润滑油的侵蚀。 具有良好的磨合能力，以使载荷均匀分布。 容易制造，价格低廉。,返回,总之（滑动）轴承合金的性能要求是：良好的减摩性（磨擦系数小、抗咬合性好、磨合性好、蓄油性好、硬度低、塑性好）；足够的力学性能；良

24、好的耐蚀性和导热性，容易制造，价格低廉。,2、轴承合金的组织特征,轴承材料通常要满足上述性能的要求都不能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同的多相合金。 通常是软基体上均匀分布一定数量和大小的硬质点，或者硬基体上分布一定数量和大小的软质点。,返回,硬基体上分布软质点组织特征图,返回,二、轴承合金的分类及用途,常用的轴承合金按其化学成分可以分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基等数种，前两种锡基、铅基称为巴氏合金。 锡基轴承合金 铅基轴承合金,返回,1、轴承合金的牌号,轴承合金一般在铸态下使用，其号为Z+ 基本元素符号 + 主加元素符号 + 主加元素平均含量+辅加元素元素含量。 如ZPbSn5-9。表

25、示含5%Sn、9%Sb的铅基轴承合金。,返回,2、锡基轴承合金,锡基轴承合金是Sn为主并加入少量Sb、Cu等元素的合金，是一种软基体硬质点类型的轴承合金。如图，相是Sb在Sn中的固溶体，为软基体，当Sb含量大于7.5%时合金中出现方块形相，为硬质点（Sb Sn化合物），由于相轻，易造成偏析，所以在合金中加入Cu，先形成Cu3Sn化合物的针状格架，以防止浇注时相上浮，有效地减少偏析。同时Cu3Sn相的硬度比比相的高，也起硬质点的作用。,返回,ZChSnSb11-6 合金组织金相图,返回,3、铅基轴承合金,铅基轴承合金的基本成分是铅和锑。Pb-Sb合金在室温下的组织是由和两个相所组成。相是锑（Sb）溶于铅中的固溶体，很软，软基体，相是铅溶于Sb中的固溶体，较硬。 但在实际应用中，通常中加入616%Sn，因为Sn既能溶于相中提高合金的强度和硬度，又能形成SnSb硬质点，提