第七章-有色金属

1、第七章 有色金属,第七章 有色金属,1.定义：除黑色金属（钢、铁）以外的所有金属。 2.性能特点：具有独特的性能。 3.分类 金属（密度4.5g/cm3）；Cu、Ni等。 轻金属（密度4.5g/cm3 ）；Al、Mg等。 贵重金属；Au、Ag、Pt等。 稀有金属；W、Ti、Ra、Nb等。 半金属；Si、Te、B等。,9.1 铝及铝合金 9.2 镁及镁合金 9.3 钛及钛合金,7.1 铝及铝合金,1纯铝,第七章 有色金属, 密度小，2.7g/cm3，为铁的1/3。 良好的导电性(仅次于Ag、Cu)和导热性。 在大气中具有良好的抗蚀性。 弹性模量小，为钢的1/3 。 硬度低，强度低，塑性好。 熔点

2、低,660。 面心立方结构，无同素异构转变。,特 点,高纯铝：纯度为99.9399.99， L01、L02、L03、L04、L05（编号越大纯度越高） 电容器 工业高纯铝：纯度为98.8599.9，L0、L00 铝箔、包铝及冶炼铝合金原料 工业纯铝：纯度为98.099.0， L1、L2、 L3、L7（编号越大纯度越低） 电线、电缆、器皿及配制合金,第七章 有色金属,分 类,1纯铝,2铝合金,为提高铝材料的强度、硬度，在铝中加入一定的合金元素使之合金化，则可得到一系列性能各异的铝合金。 (1) 合金元素 常用的添加合金元素有： Cu、Mn、Zn、Mg、Si 合金元素的作用： 通过固溶强化和时效强

3、化提高铝合金的硬度与强度。,第七章 有色金属,第七章 有色金属,(2) 铝合金的分类与编号 按成分及工艺特点分： 变形Al合金：成分低于B点，加热形成单相固溶体，塑性好； 铸造Al合金：成分高于B点，冷却时发生共晶反应，适于铸造生产。,2铝合金,LF防锈Al（Mn、Mg） LY硬铝（Al-Cu-Mg，少量Mn） LC超硬Al（Al-Mg-Zn-Cu，少量Cr、Mn） LD锻Al（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe） (后面的数字为顺序号),ZL102Al-Si ZL101 Al-Si-Mg ZL107 Al-Si-Cu ZL105/110 Al-Si-Mg -Cu ZL109

4、 Al-Si-Mg Cu-Ni ZL201 Al-Cu,2铝合金 (2) 铝合金的分类与编号,第七章 有色金属,（1）退火 完全退火： 消除加工硬化，获得最大的成型性，为成型工序作准备。 不完全退火： 部分消除加工硬化效应，为随后小变形成型工序作准备。 显微组织： (固溶体)粒状金属间化合物,3. 铝合金的热处理,第七章 有色金属,（2）淬火 实质：固溶处理，固溶处理过程 中无相变发生。 目的：获得过饱和的、不稳定的固溶体，为随后的时效处 理作准备。 以Al4%Cu合金为例： 加热温度：550左右 保温时间：随零件尺寸与形状而定。 冷却：在40水中淬火。则可获得过饱和的-固溶体。,3. 铝合金

5、的热处理,第七章 有色金属,第七章 有色金属,(3)时效 过饱和的-固溶体不稳定，有自发分解的趋势，自发分解的过程称为时效。 人工时效（在加热条件下进行的时效） 自然时效（室温下进行的时效）,3. 铝合金的热处理,4%Cu的铝合金自然时效曲线,(3) 时效 人工时效 形成Cu原子富集区(GP区) Cu原子富集区有序化(GP 区),形成过渡相。 形成过渡相 形成稳定的相(CuAl2) 自然时效 在室温下进行，Cu原子不容易扩散、偏聚，故强化速度很慢，以形成GP区为主，不形成 相，合金的最大强度值也较高。,铝合金时效强化示意图 （a）铜在铝中的均匀固溶体 （b）铜原子聚集形成GP区,第七章 有色金

6、属,3. 铝合金的热处理,含4Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线,第七章 有色金属,（4）回归 定义：将自然时效后的Al合金，在200250作短时间加热几分钟，然后快冷到室温，就可软化并重新获得自然时效前的能力，这种现象称为回归，而这种热处理方法则称为回归处理。 用途： 经自然时效强化的Al合金件，如在使用过程中发生变形，可修复前先进行回归处理，减小加工变形的困难。 只有自然时效的合金，才可进行回归处理,3. 铝合金的热处理,第七章 有色金属,第七章 有色金属,（1）不能热处理强化的变形铝合金 定义：这类合金主要有Al-Mn、Al-Mg系合金两种。具有很高的抗蚀性，可用加工硬化提高强度。

7、用途：航空油箱、油路导管,4. 变形铝合金,第七章 有色金属,（2）可热处理强化的变形铝合金 硬铝(Al-Cu-Mg系) 合金成分 Al-Cu-Mg系中，Cu、Mg在铝中可形成固溶体，起固溶强化作用。此外，还可形成强化相CuAl2(相)、和MgAl2(s相)，进行强化。,4. 变形铝合金,第七章 有色金属, 硬铝(Al-Cu-Mg系) 合金特性 一般用自然时效，时间为4昼夜。 如使用温度在150以上，则用人工时效。 表面处理：硬铝抗蚀性不高，通常用阳极氧化处理。 热处理方法：淬火时效。加热温度500左右。 冷却介质： 40的水 常用牌号：LY11用于整流罩、螺旋桨 LY12翼梁、长桁,4. 变

8、形铝合金,第七章 有色金属, 超硬铝(Al-Zn-Mg-Cu系) 合金成分 主要强化相：相(MgZn2) 和T相(Mg3Zn3Al2) ， 辅助强化相：S相（Al2CuMg）和相（CuAl2）。 合金特性 机械性能：热处理强化后，其强度超过一般的硬铝合金， 比强度相当于超高强度钢，但其缺口敏感性较高，疲劳强度 及断裂韧性较低。 耐蚀性：耐蚀性能较低，特别是应力腐蚀倾向较大。 原因：MgZn2相电极电位较低。 热处理：淬火时效 常用牌号及用途：LC4、LC9-飞机的大梁、桁条、翼肋、蒙皮,4. 变形铝合金,飞机前起落架,第七章 有色金属, 锻Al(Al-Cu-Mg-Si系) 合金成分 除Mg、S

9、i、Cu部分溶入铝中形成固溶体外，可形成强化相为：Mg2Si、CuMgAl2、CuAl2，其中Mg2Si是主要强化相。 合金特性 机械性能，热塑性好，可进行锻造。 热处理：淬火时效 常用牌号及用途 LD5形状复杂、强度中等的锻件。,4. 变形铝合金,5. 铸造铝合金,定义：一般是指Al-Si系合金，通常称为硅铝明，可分 为简单硅铝明和复杂硅铝明。 （1）简单硅铝明 合金成分 Al-Si二元合金，牌号为：ZL-102，含1013%Si。 微观组织: (Si) 共晶体，其中硅呈粗大的针状。 强度和塑性都很低，为改善组织和性能，必须做变质处理；在液态合金中，加入0.1%Na或23%钠盐 (2/3Na

10、F+1/3NaCl)；,第七章 有色金属,5. 铸造铝合金,（1）简单硅铝明 变质处理后组织：共晶体中硅由粗大针状变为细粒状，初生的块状硅，被树枝状的固溶体替代，即过共晶组织变为亚共晶组织。 性能： ZL-102接近共晶成分，流动性很好。相与Si相的电极电位差很小，抗蚀性好。,ZL102的铸态组织,第七章 有色金属,5. 铸造铝合金,（2）复杂硅铝明 在简单的Al-Si二元合金中，加入Cu、Mg、Mn等合金元素，就形成了复杂硅铝明，因Cu、Mg在铝中的溶解度有变化，所以可以热处理强化。 常用的牌号有： ZL-101、ZL-104、ZL-103,发动机缸体及缸盖,第七章 有色金属,7.2 镁及镁

11、合金 1. 纯镁性能,镁的密度为1.74g/cm3（约相当于铝的2/3） 电极电位很低，所以抗蚀性很差，镁的化学活性很强。 高温下镁氧化更剧烈，如果氧化反应放出的热量不能及时散发，则很容易燃烧。 镁为密排六方晶格，故力学性能很低，尤其是塑性比铝低得多（=10），不能用作结构材料。 2. 镁合金化 主要的合金元素：铝、锌及锰。 在镁中都有溶解度变化，可利用热处理方法（淬火+时效）来强化，强度可达300350MPa。,第七章 有色金属,3.镁合金分类与编号 按加工工艺可分为： 变形镁合金与铸造镁合金。 变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等； 铸造镁合金牌号以“ZM”加数字表示，如

12、ZM1、ZM5等。 国外应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，有四个系列： AZ系列Mg-Al-Zn；AM系列Mg-Al-Mn； AS系列Mg-Al-Si； AE系列Mg-Al-RE。 我国各有三个系列： 铸造镁合金 ：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn。 变形镁合金：Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。,第七章 有色金属,4.镁合金特点 （1）性能特点： 比强度高、减振性好、切削加工性好 、抗蚀性差 （2）热处理特点： 合金元素含量较少的镁合金：退火处理 合金元素含量较多的镁合金：淬火人工时效，且时间较长。,第七章 有色金属,镁的化学稳定性低，加热温度应准确控制

13、。在普通电炉中加热必须通入保护气氛(一般通入SO2气体或在炉中放置一定数量的硫铁矿碎块)，以防镁合金的氧化燃烧。,注意！,镁合金的主要合金元素有Al、Zn和Mn等，有害元素有Fe、Ni和Cu等。,第七章 有色金属,5.合金元素对镁合金的影响,6.变形镁合金的组织及性能 MBl5Mg-Zn-Zr系合金， 高强度变形镁合金；由于其含锌量高，且在镁中的溶解度随温度变化较大，能形成强化相MgZn，所以能热处理强化。 锆在镁中能细化晶粒，并能改善抗蚀性。 组织组成： 相和沿晶界分布的相组成，并存在孪晶组织。 热处理工艺： 经热挤压的型材及锻件不经淬火，只进行人工时效即可强化。 人工时效的温度一般为160

14、170，保温1024小时。 MBl5合金是常用变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的。,第七章 有色金属,性能： 400以下挤压，挤压合金已发生再结晶。 300进行冷挤压，材料内部保留了许多冷加工的显微组织特征。 在再结晶温度以下挤压可使挤压制品获得更好的力学性能。 应用： 室温下承受大载荷零件，如机翼长桁、翼肋等，使用温度不超过150。,第七章 有色金属,6.变形镁合金的组织及性能,7.铸造镁合金的组织及性能 航空工业上应用较多的是ZM5合金，属Mg-A1-Zn系。 组织组成： 相+晶界析出的相 Mg-Al-Zn合金组织成分常常出 现晶内偏析现象，先结晶部分含Al 量较多，后结晶部分含Mg量较

15、多。 晶界含Al量较高，晶内含Al量较 低；表层Al含量较高，里层Al含量 较低。,压铸Mg-Al-Zn合金组织,第七章 有色金属,7.铸造镁合金的组织及性能 冷却速度的影响： 压铸组织表层组织致密、晶粒细小；而心部组织晶粒比较粗大。因而表面层硬度明显高于心部硬度。 热处理： 淬火+人工时效 由于其含铝量较高，能形成较多的强化相Mg17A112。 应用： ZM5合金广泛用于制造飞机、发动机、仪表等承受较高负荷的结构件或壳体。,第七章 有色金属,8.冶金缺陷对镁合金性能的影响 镁合金夹杂物主要是MgO，同时还有Al2O3、SiO2、Fe2O3以及 MgC12、NaCl、KCl等。 铸造缺陷（如空

16、隙、夹杂物）是疲劳裂纹源，有利于裂纹萌生。,镁合金铸锭夹杂物扫描电子显微形貌,第七章 有色金属,9. 镁合金的应用存在的问题 镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大 ； 镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展； 镁合金的耐蚀性较差； 现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150350）场合的应用； 镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高； 镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。,第七章 有色金属,7.2 镁及镁合金,江铃汽车,第七章 有色金

17、属,第七章 有色金属,物理性能：银白色，熔点：1667比Fe(1553)高， 密度：4.5g/cm3。 晶格类型：具有同素异构转变 当温度882.5时，为体心立方，称为-Ti； 当温度882.5时，为密排六方，称为-Ti。 性能优点： 1、比强度高；2、热强度高；3、抗蚀性高。 牌号：TA1TA3,7.3 钛及钛合金 1. 纯钛,退火组织为单相固溶体,第七章 有色金属,合金元素溶于-Ti中形成固溶体，溶于-Ti中形成固溶体，因溶解度的变化，都可提高其强度。,2钛合金,(a) (b) (c) (d) （a）为添加Zr的完全固溶型相图； （b）为添加铝、氮、氧、锡、碳、镓等的相稳定型相图； （c）

18、为添加铌、钽、钼、钒等的相稳定型相图； （d）为添加银、铜、钴、铬、铁、氢、锰、镍、钨、铋、硅等的共析型相图。,第七章 有色金属,按钛合金热处理组织可分为： 型钛合金： 组织为固溶体，牌号为TA； 型钛合金： 组织为固溶体，牌号为TB； （+）型钛合金： 组织为(+)固溶体，牌号为 TC。,2钛合金,第七章 有色金属,（1）型钛合金 退火组织：单相固溶体，室温下为六方晶格。 特点：不能进行热处理强化，只进行退火处理，室温强 度不高。耐热性高于合金化程度相同的其它钛 合金。 加工特点：压力加工性较差，多采用热压加工成形。,2钛合金,第七章 有色金属,（2）型钛合金 组织：单相固溶体，室温、高温均

19、为体心立方晶格。 特点：可用热处理强化（淬火时效） 性能：室温强度较高。 耐热性不高。350以下使用。 热稳定性较差。 压力加工性能较好，熔炼工艺较复杂，目前应用较少。,2钛合金,第七章 有色金属,（3）+型钛合金 组织：+固溶体 特点：即可以在退火状态下使用，又可在淬火、时效状态 下使用；通过淬火时效进行强化； 性能：高的室温强度和高温强度； 塑性较好； 应用最广泛。（TC4-Ti6Al4V）,2钛合金,3钛合金的热处理,（1）淬火 型钛合金 一般不进行淬火，多在退火状态下使用。 型钛合金（成分位于C稍左的合金）的淬火温度应选在A C线附近，淬火后得到亚稳的相。加热到这个温度时，晶粒不会过分

20、长大，因而不降低合金的力学性能。 （+）钛合金淬火加热温度一般选在（+）两相区的上部范围，这样可以获得较多数量的亚稳相，而且晶粒也不会过分长大。,含有稳定元素的钛合金相图,含有稳定元素的钛合金相图,第七章 有色金属,3钛合金的热处理,（2）时效 实质： 依靠相在时效过程中分解析出高弥散的 +组织，使合金强化。 时效温度：500左右 时效温度过高，析出的相粗大，强化效果差； 时效温度过低，保温时间需要很长。,第七章 有色金属,第七章 有色金属,（3）退火 再结晶退火 目的：消除加工硬化，恢复塑性，并获得比较稳定的组织。 加热温度通常高于再结晶温度，但低于“”相变温度（ 型钛合金除外），以避免晶粒

21、长大。 去应力退火 目的：消除机械加工或焊接过程中所形成的内应力。加热温度一般都低于 再结晶温度。 稳定化退火 目的：对于一些含有铁、锰、铬等成分，并在高温长期工作的钛合金，为 使合金组织尽可能接近平衡状态，以免在使用过程中发生分解，使 合金的热稳定性降低，需进行稳定化退火。 稳定化退火多采用双重退火法（或称分级退火法）.,第七章 有色金属,（4）强化热处理 目的：消除晶界相，粗大的片群体和单独粗大的相。经过强化热处理后，合金的显微组织发生了较大的变化，晶界相消失，片状群体变薄、变短，相互间呈编织状，合金的力学性能获得了较大的改善。 主要方法：-固溶处理（ABST）；固溶处理（BST），破碎组

22、织处理（BUS）；GTEC处理；热化学处理（TCT）；成分固溶处理（CST）；高温渗氢处理（HTH）等。,3钛合金的热处理,4钛合金的应用,（1） 发动机业： Ti5Al2.5Sn高强钛合金齿轮套、发动机外壳、叶片罩 Ti8Al1Mo1V高温钛合金发动机叶片、陀螺仪导向罩、内蒙皮 Ti6Al4V（抗拉强度895MPa）热处理强化钛合金核心机叶片及叶轮 （2） 航空业： Ti6Al2Sn强化钛合金紧固件、导向装置、重要结构 Ti4AlMo1V钛合金飞机骨架 TiSn5Zr1Mo钛合金起落架、飞机承重架、紧固件 （3） 航天业 钛合金1M1315火箭机盘、导弹基座构件 钛合金1M1550导弹动力叶

23、片套 钛合金T-A6V飞船主用材料,第七章 有色金属,4钛合金的应用,（4） 陆军业 我国已经研制成功了83-1型和83-2型两种迫击炮。83-1型82迫击炮广泛采用了钛合金，把全炮重量降低到18.1公斤，极其方便班、排这样的小单位的袭扰战的开展。 钛A7D新型装甲车辆力学分析锻件 钛A6Z5W反坦克火箭（导弹），地空导弹罩等抗蠕变性要求高的部件 钛1M1551某装甲车辆火力高速旋转部件 （5） 海军业 LT41钛合金舰船大面积蒙皮 3.7114钛合金可焊性优良，成型性好适合各种水密隔层 钛V13CA钛合金蜂窝状舰身，承重框架,第七章 有色金属,4钛合金的应用,（6）国际钛协会2002年10月

24、在美国奥兰多举办的年会上公布了下列飞机用钛新数据： 1. 第一架超大型客机空客A380，用钛量为45-65t/架；2. 波音客机，用钛量占其总重的15%-17%（净重）；3. F15战斗机，结构用钛5.75t，2台喷气发动机用钛5t；4. F22战斗机，结构用钛36t，2台发动机用钛5t；5. 联合开发的F35战斗机，结构用钛10t，单台发动机用钛5t；6. F18舰载战斗机，用钛量占其总重的12%-13%（净重）；7. C-17大型运输机，用钛量占其总重的10%（净重）；8. 欧洲EF2000，将减少用钛量，改为复合材料。,第七章 有色金属,4钛合金的应用,F-22猛禽结构用钛36t，2台发

25、动机用钛5t,第七章 有色金属,4钛合金的应用,俄罗斯的钛合金潜艇,第七章 有色金属,4钛合金的应用,头颅模型及颅骨缺损的钛合金修复体,第七章 有色金属,第七章 有色金属,1、纯铜 力学和工艺性能：极好的塑性，可碾压成极薄的板，拉成极细的铜线； 较低的抗拉强度，不宜作结构材料； 铸造性能差，熔化时易吸收CO和SO2等气体，形成气孔。 工业纯铜按含杂质的量可分为四种： T1、T2、T3、T4。 “T”是铜的汉语拼音字首，数字为编号，数字愈大则纯度愈低。,7.4 铜及铜合金,第七章 有色金属,2、铜合金 在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不同，可分为黄铜、青铜和白铜。 （1）黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两类。,第七章 有色金属,2、铜合金