工程材料第十一章课件.ppt

1、第十一章 有色金属简介,主要内容及要求：了解,黑色金属：铁及其合金 有色金属：非铁金属及其合金,有色金属具有许多优良的特性，已成为现代工业生产中不可缺少的金属材料。,概述,有色金属性能特点： 力学性能：高的比强度（强度/密度） 物理性能：优良的导电、导热性 无磁性、形状记忆特性能 化学性能：高的耐腐蚀,第一节 铝及铝合金,一、铝及铝合金的性能特点 二、铝合金的分类 三、铝合金的强化 四、常用铝合金及应用,一、铝及铝合金的性能特点 1. 纯铝 银白色金属光泽，熔点低（660.4） 密度小（2.72 ），仅为铁的 1/3 优良的导电、导热性能 抗大气腐蚀性能好，生成Al2O3保护膜，但不耐酸、碱和

2、盐。 强度低，塑性好，可压力加工成各种型材 无磁性，即磁化率极低 具有面心立方晶格，无同素异构转变 2. 铝合金： 既保持了纯铝的优良特性，又具有高的强度。,铝合金型材,二、铝合金的分类,铝合金相图的一般形式,三、铝合金的强化 主要方式有：,1. 变形强化（加工硬化）：对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷塑 性变形加工，产生加工硬化而强化。 2. 变质处理（细晶强化）：适合铸造铝合金 3. 固溶强化：所有铝合金都有， 如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形成固溶体。 4. 时效强化： 可热处理强化铝合金（重点）,定义：铝合金淬火后在室温或者较低温度下加热保温一段时间，随时间 延长，其强度硬度显

3、著提高的现象，称为时效强化。,时效强化的步骤： 固溶处理（淬火） 时效,得到过饱和的相,过饱和相中析出强化相,自然时效,人工时效,三、铝合金的强化（续）,5. 强化机理,我们把固溶处理（淬火）后的合金随时间而发生的强度硬度提高的现象，称为时效硬化 或 时效强化。 在室温下进行的时效，称为自然时效； 在加热的条件下进行的时效，称为人工时效。,“淬火时效”处理是铝合金强化的主要途径。,6. 影响时效强化的因素 加热温度：时效温度提高，强度峰值下降，出现峰值时间提前。 保温时间：温度一定时，延长时效时间, 时效曲线上出现强度 峰值，时间继续延长，析出相聚集长大，强度下降， 称为过时效。,三、铝合金的

4、强化（续）,四、常用铝合金及其用途,1. 变形铝合金 D成分以左的合金 ，可制成各种型材、棒料、板、管、线、箔等。,变形铝及其合金牌号表示方法 GB/T 16474-96规定 ，变形铝及其合金可直接采用四位字符表示。,新牌号：四位字符（2 0 2 0） 第一位为数字，表示铝合金组别； 第二位：A 0，表示原始合金， 2：铜（Cu）为主加元素的铝合金 其它字母表示改型合金； 3：锰（Mn) 为主加元素的铝合金 第三、四位：用以区分同一组 4： 硅（Si）为主加元素的铝合金 的不同合金，无特殊意义。 5：镁（Mg）为主加元素的铝合金 6：镁、硅(Mg、Si)为主加元素的铝合金 7：锌（Zn）为主要

5、合金元素的铝合金,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为： 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号,防锈铝合金 主要是Al-Mn 和 Al-Mg系合金。 Mn、Mg作用：提高抗蚀能力和塑性，并固溶强化。 特点： 防锈铝合金锻造退火后使用，组织为单相固溶体； 抗蚀性、塑性和焊接性好，易于变形加工，但切削性能差； 不能热处理强化，可变形强化提高其强度。,变形铝合金,应用： 用于制作耐蚀性要求高的容器、管道、蒙皮及受力不大的结构件，如油箱、导管、铆钉（3A21）及生活器皿等。,LF21（ 3A21 ）：Al-Mn系合金。

6、其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。,常用牌号举例：,卫星天线LF21,LF5(5A05)：Al-Mg系合金。 其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中应用广泛，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,飞机翼梁(腹板为硬铝合金),主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 Cu、Mg的作用：形成强化相（CuAl2、CuMgAl2），时效强化； Mn的作用：提高抗腐蚀性能，固溶强化。 性能特点： 可时效强化（淬火时效后抗拉强度达420Mpa），也可进行变形强化； 强度、硬度高，塑性好，加工性能好； 耐蚀性低于防锈铝，常在硬铝材表面

7、 包覆一层纯铝，以增强耐蚀性。,硬铝合金,应用：在仪器、仪表及航空工业中广泛应用。如飞机构件（飞机蒙皮(2A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件）。,飞机主起落架,常用牌号及用途： 常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机的大梁、起落架等。,属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 是在硬铝基础上再加入锌。加入锌后，经淬火人工时效，获得抗拉强度为680MPa， 硬度为190HBS ，时效强化效果超过硬铝合金，故称超硬铝。,超硬铝合金,特点：强度很高（可达680MPa)，耐热 性、抗蚀性差。,压气机叶片

8、,Al-Cu-Mg-Si系合金：可锻性好，力学性能好，用于制造形状复杂的大型锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。 Al-Cu-Ni-Fe系耐热锻铝合金：常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,锻造铝合金,Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Ni-Fe系合金。 力学性能与硬铝接近，但耐蚀性提高，具有良好的铸造和锻造性能，更适于锻造，故名锻铝。,叶导轮,2. 铸造铝合金,分类： Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系：

9、代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号,特点：力学性能不如变形铝合金，耐蚀性提高，铸造性能好 用途：用于制作质轻、耐蚀、形状复杂，以及要求有一定力 学性能的零件，如发动机活塞、气缸体、仪表外壳等。,其中，铝硅系铸造铝合金的铸造性能和力学性能配合最佳，应用最广，又称硅铝明。,简单硅铝明：ZL102（ZAlSi12） 组织： +Si 共晶体 性能：铸造性能好，强度低。 用途：形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等。,复杂(特殊）硅铝明： AlSi合金Cu、Mn、Ni、Mg等元素 强化方式：时效强化变质处理(23 的变质剂2/3NaF1/3NaCl)。 性能：铸造

10、性能好，较高的强度和耐磨性、耐热性。 应用：用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等（代号ZL109)。,活塞(裙部为铝硅合金),在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上, 通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高其力学性能。,第二节 铜及铜合金,纯铜与铜合金的特性 黄铜的牌号、性能及用途 青铜的牌号、性能及用途,纯铜：呈紫红色，故又称紫铜 具有面心立方晶格; 无同素异构转变，无磁性。 纯铜具有优良的导电、导热性能； 较高的抗蚀性，如大气、水中不受腐蚀； 塑性

11、好，铸造性能好，可冷热压力加工。,铜合金：常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。,铜管,法兰阀,一、黄铜-以锌为主要合金元素的铜合金,黄铜的牌号,工业黄铜： H 数字,H 表示“黄铜”,铜的质量百分数,举例：H68表示WCu68、 WZn32%的黄铜,特殊黄铜： H+主加元素符号（Zn除外）+铜的百分含量主加元素百分含量 举例：HMn58-2 表示WCu58， WMn2，其余为Zn的特殊黄铜,铸造黄铜：在牌号前“Z”。 举例：ZH62、 ZHMn58-2,1.普通黄铜,单相黄铜：当含锌量小于39%时，锌能溶于铜的晶格中 形成单相

12、固溶体，称为单相黄铜。 特点：塑性好，适于冷热压力加工。,Cu Zn二元合金相图,双相黄铜：当含锌量大于39%时，除相外，合金中还出现以锌为基的固溶体，称为双相黄铜。 特点：合金的强度提高， 塑性下降，只适于 热变形加工。,普通黄铜的显微组织,典型牌号及应用 H90、H80：属于单相黄铜，金黄色，有金色铜之称，常用于制作 镀层、装饰品、奖章等。 H68、H59：属于双相黄铜，广泛用于电器上的结构件，如螺栓、 螺母、垫圈、弹簧、导管、散热器等。,一般，冷变形加工用单相黄铜，热变形加工用双相黄铜。,2. 特殊黄铜,普通黄铜Al、Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素 合金元素作用：提高抗拉强度

13、和耐蚀性，改善工艺性能。 性能特点：特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,常用牌号：HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、 ZCuZn16Si4、 ZCuZn38Mn2Pb2等。,用途：用于制作船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、 衬套及阀体等。,青铜制品,除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号： Q +主加元素符号及其百分含量+其他元素百分含量,二、青铜,分类：,举例： QSn4-3：含4%Sn、3%Zn,以锡为主加元素的铜合金，一般WSn314% 特点： 铸造流动性差，收缩率在有色金属中最小。铸件密度低，易渗漏。 具有

14、良好的耐蚀性。在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,常用牌号：QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。 用途：主要用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,1. 锡青铜,以铝为主加元素的铜合金，WAl511% 特点： 强度硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性高于黄铜和锡青铜； 铸造性能好，但焊接性能差。,常用牌号：QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。,2. 铝青铜,用途：主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。,铍青铜制品,以铍为主加元素的铜合金，WBe

15、1.72.5% 特点： 具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性； 良好的导电、导热性、冷热加工及铸造性能； 价格较贵。,3. 铍青铜,用途：用于制作重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。,常用牌号：QBe2、QBe1.7、QBe1.9,第三节 钛及钛合金,工业纯钛的性能特点及用途 钛合金的分类 常用钛合金的性能及用途,一、工业纯钛,特性： 纯钛在882.5发生同素异构转变Ti Ti ； Ti具有体心立方晶格，Ti具有密排六方晶格。 密度小，熔点高； 比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。,用途：主要用于工作温度350、强度要求不高的零件，如石油 化

16、工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,钛合金泵,纯钛合金元素钛合金。钛合金几乎都含有铝。 铝元素的作用：提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。,二、钛合金,分类、牌号：,其中，TA1、TA2、TA3三个牌号为工业纯钛。,主加Al，还有Sn、B等合金元素； 不能热处理强化； 退火态使用，组织为单相固溶体； 强度低于其他两类，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。,常用牌号及用途：TA5、TA7等，常用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,1. 型钛合金,合金元素：加入钼、铬、钒、铝等。 使用态：淬火时效处理后使用，组织

17、为相基体上分布着细小的相粒子。 性能：强度高，但冶炼工艺复杂，应用受到限制。,2. 型钛合金,牌号：TB2、TB3、TB4三个牌号。 用途：主要用于350以下工作的结构件和紧固件，如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。,钛合金棒材,钛合金眼镜架,合金元素：加入铝、钒、 钼 铬等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好； 良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,3. +型钛合金,牌号：共九个。其中，TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织（+） +时效析出的针状相。,用途：主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。,飞机发动机叶片、

18、盘,涡喷13A发动机,第四节 轴承合金,轴承可分为滚动轴承和滑动轴承。与滚动轴承相比，滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点，应用广泛。在滑动轴承中，制造轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。,一、轴承合金的性能要求 当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力，对轴承合金的性能要求： 适当的硬度 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷。 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合。 低的摩擦系数，良好的耐磨性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。,1软的基体硬质点（占 1530% ） 属于此组织的有：锡基和铅基轴承合金。 2硬的基体（其硬度低于轴颈的硬度）软的质点 属于此组织的有：铜基及铝基轴承合金。 强调：其耐磨机制与滚动轴承不同。,二、轴承合金的组织,耐磨机制：当轴