铝及铝合金钢(ppt-89)

铝及铝合金钢,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、金属材料通常可分为几类？答:通常将金属材料分为有色金属和黑色金属两大类。黑色金属是指铁、锰、铬及其合金；除此之外的所有金属都称为有色金属。2、与黑色金属相比，有色金属有何特点？答：比密度小、比强度高，在空间技术、原子能、计算机等新型工业部门应用广泛。,本课内容,1、工业纯铝的特性、用途及分类；2、铝合金的分类；3、铝合金的时效强化；4、变形铝合金；5、铸造铝合金。,工业纯铝的特性,密度较小，约为2.7g/cm3 ；面心立方晶格（FCC）；无同素异晶转变；导电、导热性好，仅次于银、金、铜。极强的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面生成致密的氧化膜，保护了内部金属不被腐蚀钝化现象。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀；非磁性、无火花材料；强度低，塑性好，比强度高；可通过冷变动强化提高强度、硬度；,工业纯铝的分类及牌号,分类：工业纯铝分纯铝(99%wAL99.85)和高纯铝(wAL99.85%)两类。纯铝又分为铸造纯铝和变形铝两种。牌号：铸造纯铝的牌号由“Z”和铝的化学元素符号及表明铝含量的数字组成，如ZAl99.5表示wAl=99.5%的铸造纯铝；变成铝的牌号用四位字符体系的方法命名，即用1表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量100后小数点后两位数字，第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如为A，表示原始纯铝，若为其它字母，则表示为原始纯铝的改型。如变形铝1A30表示wAl=99.30%的原始纯铝。,铝合金的分类,用于制作铝合金的合金元素大致分为主加元素（硅、铜、镁、锌、锰等）和辅加元素（铬、钛、锆等）。铝与主加元素的二元相图一般都具有右图所示形式，根据该相图上最大溶解度D点，把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金：成分在D点以左的合金，加热到固溶线以上时，可得到单相固溶体，塑性好，宜于进行压力加工，称为变形铝合金。,铝合金的分类,变形铝合金又分为两类：成分在F点以左的合金，固溶体成分不随温度而变，属热处理不可强化合金；成分在DF点之间的合金，固溶体成分随温度而变，属热处理可强化铝合金。,铸造铝合金,成分在D点以右的合金，由于有共晶组织存在，适于铸造，称为铸造铝合金。铸造铝合金中有成分随温度变化的固溶体，也能用热处理强化。但距D点越远，强化效果愈不明显。,铝合金的时效强化,固溶处理：将成分位于DF点之间的合金，加热到 相区，经保温获得单相 固溶体后迅速水冷，可在室温下获得过饱和的 固溶体，这种处理方式称为固溶处理。时效强化：固溶处理后得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效强化。在室温下进行的称自然时效；在加热条件下进行的称人工时效。时效条件： 合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,时效硬化规律,(1) 时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小;(2) 时效温度越高, 时效速度越快, 强度峰值出现所需时间越短;(3)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。 时效实例,含4%Cu的Al-Cu合金的自然时效曲线,硬度,时间,4%Cu的Al-Cu合金，加热到550并保温一段时间后, 在水中快冷时, 相(CuAl2)来不及析出, 合金获得过饱和的 固溶体组织, 其强度为b250MPa。若在室温下放置, 随着时间的延续, 强度将逐渐提高, 经45天后, b可达400MPa。,回 归,自然时效后的铝合金, 在230250短时间(几秒至几分钟)加热后, 快速水冷至室温时, 可以重新变软。如再在室温下放置, 则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。,变形铝合金,变形铝合金包括： 防锈铝合金 硬铝合金 硬铝合金 锻铝合金,防锈铝合金,防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。镁固溶强化，同时降低比重。 防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能高，塑性好。不能进行时效硬化，属于不可热处理强化的铝合金，但可冷变形，利用加工硬化提高强度。 LF21(Al-Mn合金) 抗蚀性和强度比纯铝高, 有良好的塑性和焊接性能, 但因太软而切削加工性能不良。 用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。,硬铝合金,硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。它们可以进行时效强化，属于可热处理强化的铝合金 。,硬 铝, 低合金硬铝 LY1、LY10等, Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。采用固溶处理和自然时效提高强度和硬度，时效速度较慢。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝。形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件。标准硬铝 LY11等，合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。退火后变强化的铝合金，亦可进行形变强化。合金中的Cu、Mg可形成强化相及s相; Mn主要提高抗蚀性, 并起一定固溶强化作用, 因其析出倾向小, 不参与时效过程; 少量钛或硼可细化晶粒, 提高合金强度 高合金硬铝 LY12、LY6等，合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。,硬铝的应用,超硬铝合金,超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金, 含有少量的铬和锰。牌号有LC4、LC6等。锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)，合金经固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，是强度最高的一类铝合金。但这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。,超硬铝,超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。,锻铝合金,锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。牌号有LD5、LD7、LD10等。合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。 这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件，通常要进行固溶处理和人工时效。,铸造铝合金,铸造铝合金主要有： 铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系四种，以铝硅系应用最广泛。 代号用“ZL”加三位数字表示，第一位数表示合金类别（1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系，4为铝锌系），第二、三位数字为合金序号。例如ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。 牌号由Z和铝的化学元素符号、主要合金元素符号及合金元素名义百分含量的100倍的数字组成。,铝硅系合金,变质处理,仅含硅元素的铝硅合金（如ZL102）通常称硅铝明。铸造后几乎全部得到共晶体组织(+Si), 具有优良的铸造性能(熔点低、流动性好、收缩小)。 在一般情况下，ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和 固溶体构成, 强度和塑性都较差。 浇铸前向合金液中加入占合金重量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 显著提高合金的强度及塑性。这种处理方法即是变质处理。 经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体加初生 固溶体,获得亚共晶组织是由于加入钠盐后，铸造冷却较快时共晶点右移的缘故。,ZL102的铸态显微组织,变质前显微组织,变质后显微组织,硅铝明的性能与应用,硅铝明的主要缺点是铸件致密程度低，强度较低，且不能热处理强化。为了提高铝硅合金的强度可加入镁、铜以形成强化相Mg2Si、CuAl2、CuMgAl2等。这样的合金在变质处理后进行淬火时效，以提高强度，如ZL105、ZL108等合金。ZL102铸造性能很好，焊接性能也好，密度小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，但不能时效强化，强度较低，经变质处理后, b最高不超过180 MPa。该合金仅适于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，例如仪表、水泵壳体以及一些承受低载荷的零件。加入镁、铜的铝硅系合金还有较好的耐热性与耐磨性，是制造内燃机活塞的合适材料。,铜及铜合金,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、什么叫时效强化？答：淬火后，铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象叫时效强化，亦称沉淀硬化。2、纯铝的主要用处是什么？答：代替贵重的铜合金，制作导线；配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。,本课内容,1、铜及铜合金的特性2、铜及铜合金的分类及牌号3、黄铜4、白铜5、青铜,纯铜的特性,纯铜为紫红色,常称紫铜。密度为8.96g/cm3，熔点为1083，面心立方晶格,无同素异晶转变。 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。,纯铜分类、用途及牌号,分末加工产品（铜锭、电解铜）和加工产品（铜材）两种。末加工产品的代号有Cu-1、Cu-2两种；加工产品代号有T1、T2、T3三种。代号中数字越大，表示杂质含量越多，导电性越差。主要用于制作各种导电材料、导热材料及配制各种铜合金。,铜合金分类,按化学成分，铜合金可分为黄铜（铜锌合金）、青铜、白铜（铜镍合金）三大类。青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜等。,黄 铜,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，黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。,黄铜的牌号,普通黄铜：H90、H80、H70、H68、H62、H59；其中数字是铜的含量；特殊黄铜：HSn62-1、HPb59-1、HMn55-1；前面的数字是铜的含量，后面的数是第三种元素的含量，余量是锌；,普通黄铜,普通黄铜是铜锌二元合金，其退火组织可以是单相 或双相 + , 并分别称为 黄铜(或单相黄铜)和双相黄铜。,单相黄铜,wZn39%时，室温组织为单相固溶体， 相是锌溶于铜中的固溶体，塑性好，适宜冷、热加工。适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。,双相黄铜,当 wZn=3945%时，室温下的组织为+ 。在实际生产条件下，当wZn32%时，即出现+ 组织。相是以电子化合物CuZu为基的固溶体，在室温下较硬脆，但加热到456以上时，却有良好的塑性，故含有相的黄铜适宜热压力加工。广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧及机器中的轴套等，有商业黄铜之称。,双相黄铜显微组织,普通黄铜的应用,H90 （ H80）有优良的耐蚀性、导热性和冷变形能力，并呈金黄色，有金色黄铜之称。常用于镀层、艺术装饰品、奖章、散热器等。H70（H68）俗称三七黄铜，有优良的冷热塑性变形能力，适宜用冷冲压制造形状复杂而要求耐蚀的管、套类零件，如弹壳、波纹管等，故又有弹壳黄铜之称。双相黄铜 H62、H59 可进行热变形，通常热轧成棒材、板材。可铸造。,特殊黄铜,全部是双相组织，第三种的元素的加入目的是改善黄铜的某些性能，如Sn能提高耐蚀性，Pb能提高切削加工性、Mn能提高强度、Si能提高铸造性能等。,特殊黄铜,锡黄铜 HSn62-1 锡显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，并使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。 铅黄铜 HPb63-3 铅改善切削加工性能，提高耐磨性，对强度影响不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如钟表零件等)，铸造铅黄铜可制作轴瓦和衬套。,特殊黄铜,铝黄铜 HAl60-1-1 铝提高黄铜的强度和硬度(但使塑性降低)，改善在大气中的抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，还可得到高强度、高耐蚀性的复杂黄铜，制造大型蜗杆、海船螺旋浆等重要零件。 硅黄铜 HSi65-1.5-3 硅显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工，主要用于制造船舶及化工机械零件。,白铜,以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。在固态下，铜与镍无限固溶，因此工业白铜的组织为单相 固溶体。它有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度。它的抗蚀性很好，电阻率较高。,白铜的应用,用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰含量高的锰白铜可制作热电偶丝。常用白铜B30、B19、B5、BZn 15-20、BMn 3-12、BMn 40-1.5等。,青铜,青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金为青铜，所以青铜实际上包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜，等等。青铜也可分为压力加工青铜(以青铜加工产品的形式供应)和铸造青铜两类。,青铜牌号,QSn10、QSn4-3、QAl7、QPb30；数字表示所加元素的含量；,锡青铜,以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。 在一般铸造状态下, 锡含量低于6%的锡青铜能获得 单相组织。 相是锡溶于铜中的固溶体, 具有面心立方晶格，塑性良好，容易冷、热变形。锡含量大于6%时, 组织中出现(+ )共析体。 相极硬和脆, 不能塑性变形。,锡青铜的性能,的铸造收缩率很小，可铸造形状复杂的零件。但铸件易生成分散缩孔，使密度降低，在高压下容易渗漏。锡青铜在大气、海水、淡水以及蒸气中的抗蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸和氨水中的抗蚀性较差。锡青铜中加入少量铅，可提高耐磨性和切削加工性能；加入磷可提高弹性极限、疲劳极限及耐磨性；加入锌可缩小结晶温度范围，改善铸造性能。,锡青铜的应用,在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件，以及抗蚀、抗磁零件等。,铝青铜,以铝为主要合金元素(含量为在5%11%)的铜合金称铝青铜。铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。铝青铜的耐磨性亦比黄铜和锡青铜好。 制造齿轮、轴套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件，以及弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。,铍青铜,以铍为基本合金元素的铜合金(铍含量1.62.5%)称铍青铜。铍青铜在淬火状态下塑性好，可进行冷变形和切削加工，制成零件经人工时效处理后，获得很高的强度和硬度： b达1200MPa1500MPa，硬度达350HB400HB, 超过其它铜合金。,铍青铜,铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很高，耐磨性和抗蚀性也很优异。它有良好的导电性和导热性，并有无磁性、耐寒、受冲击时不产生火花等一系列优点，但价格较贵。 制作精密仪器的重要弹簧和其它弹性元件，钟表齿轮，高速高压下工作的轴承及衬套等耐磨零件，以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。,滑动轴承合金,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、铜的主要用途是什么？答：制作各种导电、导热材料及配制各种铜合金。2、按化学成分可把铜合金分为几类？答：按化学成分可把铜合金分为黄铜（铜锌合金）、白铜（铜镍合金）、青铜（除黄铜、青铜之外的所有铜合金。,本课内容,1、滑动轴承合金的性能要求；2、滑动轴承合金的组织特征；3、常用滑动轴承合金；,滑动轴承合金的性能要求,1. 足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。 2. 足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。 3. 良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。 4. 高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。 5. 良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。,滑动轴承合金的组织特征,1、在软基体上分布硬质点轴进入工作状态后，运转时软基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上，使轴和轴瓦的接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴和轴瓦之间的摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。另外，软基体能承受冲击和震动，使轴和轴瓦能很好的结合，并能起嵌藏外来小硬物的作用，保证轴颈不被擦伤。属于这类组织的轴承合金有巴氏合金和锡青铜 。2、 轴承合金的组织是硬基体上分布软质点时，也可达到上述同样目的。,常用滑动轴承合金,一、锡基轴承合金 (锡基巴氏合金) 锡基轴承合金是以锡为基体元素，加入锑、铜等元素组成的合金。最常用的牌号是ZSnSb11-6（含11%Sb和6%Cu，余Sn）。显微组织为 Cu6Sn5 。其中黑色部分是相软基体，白方块是 相硬质点，白针状或星状组成物是Cu6Sn5。相是锑溶解于锡中的固溶体，为软基体。相是以化合物SnSb为基的固溶体, 为硬质点。铸造时，由于 相较轻，易发生严重的比重偏析，所以加入铜，生成Cu6Sn5, 使其作树枝状分布, 阻止 相上浮, 有效地减轻比重偏析。Cu6Sn5的硬度比 相高, 也起硬质点作用, 进一步提高合金的强度和耐磨性。,锡基轴承合金的摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，适于制作最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低(不高于150)。,常用滑动轴承合金,二. 铅基轴承合金(铅基巴氏合金) 铅基轴承合金是以铅锑为基的合金。典型牌号有ZPbSb16Sn16Cu2, 成分为16%Sb、16%Sn、2%Cu、其余为Pb。加入锡能 形成SnSb硬质点，并大量溶于铅中而强化基体，可提高铅基合金的强度和耐磨性；加铜可形成Cu2Sb硬质点，并防止比密度偏析；ZChPbSb16-16-2的显微组织为()Cu6Sn5, ()共晶体为软基体，白方块为以SnSb为基的固溶体，起硬质点作用，白针状晶体为化合物Cu6Sn5。这种合金的铸造性能和耐磨性较好(但比锡基轴承合金低)，价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,常用滑动轴承合金,锡青铜 ZQSn10-1，成分为10%Sn、1%P, 其余为Cu。显微组织为Cu3P。 固溶体为软基体， 相和Cu3P为硬质点。该合金具有高的强度，适于制造高速度、高载荷的柴油机轴承。 由于锡基、铅基轴承合金及不含锡的铅青铜的强度比较低，承受不了大的压力，所以使用时必须将其镶铸在钢的轴瓦时，形成一层薄而均匀的内衬，做成双金属轴承。含锡的铅青铜，由于锡溶于铜中使合金强化，获得高的强度，所以不必做成双金属，而可直接做成轴承或轴套使用。,常用滑动轴承合金,铅青铜 ZQPb30，成分为30%Pb, 其余为Cu。这是一种硬基体软质点类型的轴承合金。铜和铅在固态时互不溶解，室温显微组织为Cu+Pb。Cu为硬基体, 粒状Pb为软质点。该合金与巴氏合金相比，具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性、导热性和低的摩擦系数，能在较高温度(250)下正常工作，因此可制造大载荷、高速度的重要轴承，例如航空发动机、高速柴油机的轴承等。,钛及钛合金,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、滑动轴承合金的性能要求是什么？答：1. 足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。 2. 足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。 3. 良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。 4. 高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。 5. 良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。,本课内容,1、纯钛的特性2、纯钛的晶体结构3、纯钛的牌号4、纯钛的用途5、钛的合金化6、工业用钛合金,纯钛的特性,钛的密度小，为4.5g/cm3,熔点高，为1668；钛的强度相当于优质钢，比强度高，热膨胀系数很小，在加热和冷却过程中产生的热应力小；钛的导热性差，磨擦系数大，因而切削、磨削加工性能和耐磨性能差；钛在大气、高温气体以及中性、氧化性及海水等介质中具有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的硝酸、铬酸以及碱溶液和大多数有机酸中也有良好的耐蚀性，但氢氟酸对钛有很大的腐蚀作用。,纯钛的晶体结构,纯钛在固态下有同素异构转变，在882.5以下为-Ti, 具有密排六方晶格，在882.5 以上直至熔点为- Ti，具有体心立方晶格。,纯钛的牌号,工业纯钛按其杂质含量及机械性能不同，分为TA1、TA2、TA3三个牌号。牌号顺序数字增大，杂质含量增加，钛的强度增加，塑性降低。,纯钛的用途,工业纯钛由于其比强度高、耐热性好、抗腐蚀性能优异等优点，是航空、船舶、化工等工业中常用的一种-Ti合金，其板材和棒材可以制造350以及下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器等。,钛的合金化,钛有-Ti（密排六方）和- Ti（体心立方）两种晶体结构。钛合金化的主要目的就是利用合金元素对-Ti或- Ti的稳定作用，改变和相的组成，从而控制钛合金的性能。工业钛合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu及Si等。Al是典型的稳定元素，Al在Ti中主要溶入固溶体，少量溶于相。在室温下Al在-Ti中的溶解度达7%，故有明显的固溶强化效果。Al还能提高钛合金的热稳定性和弹性模量，Ti-Al合金的密度小，所以Al是钛合金中重要的合金元素。,Zr和Sn同属中性元素，Zr在-Ti和- Ti中均能形成无限固溶体。Sn在-Ti和- Ti中的溶解度也较大，因此Zr和Sn不仅能强化相，也能提高合金的抗蠕变能力，也是钛合金中的主要合金元素之一。V、Mo都是- Ti的同晶元素，钛中加入