有色金属及其合金

1、第六章 有色金属及其合金我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。6.1 铝及其合金铝及铝合金有下列特性：比重小、比强度高 纯铝的比重只有，故其合金的比重（约2.52.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。有优良的物理、化学性能 铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力

2、，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。加工性能良好 铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。6.1.1 纯铝 纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996时)为660.24，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有、等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。高纯铝 纯度为99.9399.99，牌号有、等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。工业高纯铝 纯度为98.8

3、599.9，牌号有、等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。工业纯铝 纯度为98.099.0，牌号有、等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90120,2432,不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率（退火）为3240 ，断面收缩率（退火）为7090。能通过各种压力加工制成型材。6.1.2 铝合金铝中加入合金元素(、等)后，就形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅

4、度地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。 图6.1 铝合金分类示意图6.1.2.1 铝合金的分类根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于和之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于点以右的合金，组织

5、里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。6.1.2.2 铝合金的热处理特点铝合金是通过时效处理来改变性能的。下面以合金二元相图为例来说明（如图6.2）。 将成分位于之间的合金加热到相区，经保温得到单相固溶体，然后迅速水冷，在室温就得到了过饱和的固溶体，它的强度和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu合金相图、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。在

6、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。例如，含4的合金(如图6.2)加热到550保温一段时间淬火并在水中快冷时，相（）来不及析出，得到的是过饱和的固溶体，强度仅为250，在室温下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，45天以后，强度可升至 400。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。自然时效后的铝合金，在230250短时间（几秒至几分种）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

7、。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。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。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。6.1.2.3 变形铝合金根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如、分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。表6.1变形铝合金主要牌号及用途类别牌号用 途类别牌号用 途防锈铝合金LF5中载零件、铆钉、焊接油箱、油管等超硬铝合金LC4主要受力构件及高载荷零件，如飞机大梁，加强框、起落架LF11同上LC6同上LF21管道、容

8、器、铆钉及轻载零件及制品硬铝合金LY1中等强度、工作温度不超过100的铆钉锻铝合金LD5形状复杂和中等强度的锻件及模锻件LY11中等强度构件和零件、如骨架、螺旋桨叶片铆钉LD7高温工作的复杂锻件和结构件、内燃机活塞LY12高强度的构件及150以下工作的零件，如骨架、梁、铆钉LD10高载荷锻件和模锻件防锈铝合金 主加合金元素是和，锻造退火后得到单相固溶体组织，塑性、耐蚀性良好。的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有、等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接

9、加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。硬铝合金 主要合金元素是和，并加入少量的构成多元合金系。和在时效过程中可形成强化相（相）和（相），相可以提高合金的耐热性。主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有、等。低强度硬铝和的含量较低，而且比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有、等。标准硬铝和的含量较高，比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有等。高强度硬铝和的含量高，比值较低，强

10、度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有等。硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如的为 505510，的为 495503。加热温度稍低，固溶体中和等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。超硬铝合金 是系合金。时效过程除了析出相和相外，还能析出强化作用更大的（相）相和（相）。经时效处理后，可得到铝合金中的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。常用的超硬铝有

11、、等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。锻铝合金 有系普通锻铝合金及系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。普通锻铝合金包括、等，主要强化相为。的抗蚀性接近防锈铝，的强度与硬铝相近。普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。耐热锻铝合金包括、等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相为，适于制作工作在150225的叶片、叶轮等。6.1.2.4 铸造铝合金根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为系、系、系、系四大类，详见表6.2。表6.2常用铸造铝合金牌号及用途类别牌号代号用 途铝硅合金ZAlSi7MgZL101形状复

12、杂的零件，如飞机、仪器零件等ZAlSi12ZL102仪表、抽水机壳体等外型复杂件ZAlSi9MgZL104形状复杂工作温度为200以下的零件，如电动机壳体、汽缸体等ZAlSi5Cu1MgZL105形状复杂工作温度为250以下的零件，如风冷发动机气缸头、机匣、油泵壳体等ZL107强度和硬度较高的零件ZAlSi12Cu1Mg1Ni1ZL109较高温度下工作的零件，如活塞等ZL110活塞及高温下工作的零件铝铜合金ZalCu5MnZL201砂型铸造工作温度为175300的零件，如内燃机气缸头、活塞等ZalCu10ZL202高温下工作不受冲击的零件ZL203中等载荷、形状比较简单的零件铝镁合金ZAlMg

13、10ZL301大气或海水中工作的零件，承受冲击载荷、外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等ZL302ZAlMg5Si1ZL303铝锌合金ZalZn11Si7ZL401结构形状复杂的汽车、飞机、仪器仪表零件，也可制造日用品ZalZn6MgZL402铸造铝合金代号以汉语拼音字母字首（表示“铸铝”）+三位数字表示，第一位数字1、2、3、4分别代表、系，后两位数字是合金的顺序号。如代表顺序号为 2的 系铸造合金。系铸造铝合金 系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（二元合金）和特殊硅铝明（系、系等）。二元合金相图见图6.3。硅含量为1013的简单硅铝明（）铸造

14、后几乎可全部得到共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二元共晶组织由固溶体+粗大的针状硅晶体组成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变共晶组织的形态，在浇注前向820850的合金液中投人质量为合金液23的变质剂（一般为钠盐混合物：），十余分钟后浇注，可使组织明显细化，得到树枝状的初生固溶体+细小均匀的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。 图6.3 Al-Si二元合金相图经变质处理后的不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。为了提高强度，拓

15、宽硅铝明的用途，在二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成（相）、（相）、（相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有、等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。系铸造铝合金 合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的铸造合金有、等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。系铸造铝合金 合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的合金有、等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体

16、等。系铸造铝合金 合金铸造性能优良，价格低廉。铸态下有“自行淬火”现象，锌原子被固溶在过饱和固溶体中。经变质和时效处理后，有较高的强度，但是耐蚀性较差，热裂倾向较大。常用合金有、等，可用于机动车辆发动机零件及形状复杂的仪表零件。6.2 铜及其合金铜及铜合金有下列特性:优异的物理、化学性能 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。良好的加工性能 铜及其某些合金塑性很好；容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。某些特殊机械性能 例如优良的减磨性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），高的弹性极限和疲劳极限（如铍青铜等）。色泽美观。铜及铜合金

17、在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。但铜的储量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料，只有在特殊需要的情况下，例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。6.2.1 纯铜纯铜呈玫瑰红色，因其表面在空气中氧化形成一层紫红色的氧化物而常称紫铜，密度，熔点为1083，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。纯铜是人类最早使用的金属，也是迄今为止得到最广泛应用的金属材料之一。纯铜强度较低，在各种冷热加工条件下有很好的变形能力，不能通过热处理强化，但是能通过冷变形加工硬化。微量杂质、等会与形成低熔点共晶组织导致“热脆”，如形成熔点为270

18、的（+）和熔点为326的（+）共晶体，并且分布在晶界上，在正常的热加工温度820860下，晶界早期熔化，发生晶间断裂。硫和氧则易与铜形成脆性化合物和，冷加工时破裂断开，导致“冷脆”。工业纯铜中铜的含量为99.599.95，其牌号以“铜”的汉语拼音字首“”+顺序号表示，如、，顺序数字越大，纯度越低，见表6.3。表6.3工业纯铜的牌号、成分及用途牌号代号纯度()杂质()杂质总量()用 途BiPb一号铜T199.950.0020.0050.05导电材料和配制高纯度合金二号铜T299.900.0020.0050.1导电材料，制作电线、电缆等三号铜T399.700.0020.010.3铜材、电气开关、垫

19、圈、铆钉、油管等四号铜T499.500.0030.050.5铜材、电气开关、垫圈、铆钉、油管等6.2.2 铜的合金化和铜合金的分类及编号6.2.2.1 铜的合金化纯铜的强度较低，不能直接用作为结构材料，虽然可以通过加工硬化提高其强度和硬度，但是塑性会急剧下降，延伸率仅为变形前（50）的4左右。而且，导电性也大为降低。因此，为了保持其高塑性等特性，对实行合金化是提高其强度的有效途径。根据合金元素的结构、性能、特点以及它们与原子的相互作用情况，的合金化可通过以下形式达到强化的目的。固溶强化 与近20种元素有一定的互溶能力，可形成二元合金。从合金元素的储量、价格、溶解度及对合金性能的影响等诸方面因素

20、考虑，在铜中的固溶度为10左右的、等适合作为产生固溶强化效应的合金元素，可将铜的强度由240提高到650。时效强化 、等元素在中的固溶度随温度下降会急剧减小，它们形成的铜合金可进行淬火时效强化。含量为 2的合金经淬火时效处理后，强度可高达1400。过剩相强化 中的合金元素超过极限溶解度以后，会析出过剩相，使合金的强度提高。过剩相多为脆性化合物，数量较少时，对塑性影响不太大；数量较多时，会使强度和塑性同时急剧降低。6.2.2.2 铜合金的分类及编号根据合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三大类。黄铜的分类与编号 黄铜是以为主加元素的铜合金，黄铜具有较高的强度和塑性，良好的导电性、导热性和

21、铸造工艺性能，耐蚀性与纯铜相近。黄铜价格低廉，色泽明亮美丽。按化学成分可分为普通黄铜及特殊黄铜（或复杂黄铜）；按生产方式可分为压力加工黄铜及铸造黄铜。普通黄铜的牌号以“黄”的汉语拼音字首“”+数字表示，数字表示铜的含量，如62表示含量为62，其余为的普通黄铜。特殊黄铜的代号表示形式是“+第一合金元素符号+铜含量-第一合金元素含量+第二合金元素含量”，数字之间用“-”分开，如，表示含59，含 3，含 2，余量为的特殊黄铜。铸造黄铜的牌号则以“铸”字汉语拼音字首“”+铜锌元素符号“”表示，具体为“+锌含量+第二合金元素符号+第二合金元素含量”，如表示含40，含2，余量为的铸造黄铜。常用普通黄铜、特

22、殊黄铜、铸造黄铜的牌号及用途见表6.4、表6.5、表6.6。表6.4普通黄铜牌号及用途牌 号用 途H96冷凝管、散热器及导电零件等H90奖章、供水及排水管等H80薄壁管、造纸网、波纹管、装饰品、建筑用品等H70弹壳、造纸、机械及电气零件H68形状复杂的冷、深冲压件、散热器外壳及导管等H62、H59机械、电气零件，铆钉、螺冒、垫圈、散热器及焊接件、冲压件表6.5特殊黄铜牌号及用途类 别牌 号用 途铅黄铜HPb63-3钟表、汽车、拖拉机及一般机器零件HPb59-1适于热冲压及切削加工零件，如销子、螺钉、垫圈等铝黄铜Hal77-2海船冷凝器管及耐蚀零件Hal60-1-1齿轮、蜗轮、轴及耐蚀零件Hal

23、59-3-2船舶、电机、化工机械等常温下工作的高强度耐蚀零件硅黄铜Hsi80-3耐磨锡青铜的代用材料，船舶及化工机械零件锰黄铜HMn58-2船舶零件及轴承等耐磨零件铁黄铜Hfe59-1-1摩擦及海水腐蚀下工作的零件锡黄铜HSn90-1汽车、拖拉机弹性套管HSn62-1船舶零件镍黄铜Hni65-5压力计管、船舶用冷凝管、电机零件表6.6铸造黄铜牌号及用途类 别牌 号用 途硅黄铜ZcuZn16Si4接触海水工作的配件以及水泵、叶轮和在空气、淡水、油、燃料以及工作压力在4.5Mpa，工作温度在225以下蒸汽中工作的零件铅黄铜ZCuZn40Pb2一般用途的耐磨、耐蚀零件，如轴套、齿轮等铝黄铜ZcuZn

24、25Al6Fe3Mn3高强度、耐磨件，如桥梁支承板、螺母、螺杆、滑块和蜗轮等ZcuZn31Al2压力铸造件，如电机、仪表等以及造船和机械制造中的耐蚀零件锰黄铜ZcuZn40Mn3Fe1耐海水腐蚀零件，以及300以下工作的管件，船舶用螺旋桨等大型铸件ZcuZn40Mn2在空气、淡水、海水、蒸汽（300）和各种液体、燃料中工作的零件青铜的分类及编号 青铜是以除和以外合金元素为主加元素的铜合金。青铜具有良好的耐蚀性、耐磨性、导电性、切削加工性、导热性能、较小的体积收缩率。按主加合金元素的不同可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等；按生产方式的不同可分为压力加工青铜、铸造青铜。压力加工青铜牌号以“青”字汉语拼

25、音字首“”开头，后面是主加元素符号及含量，其后是其它元素的含量，数字间以“-”隔开，如表示主加元素为且含为3，含 1.5，余量为的铝青铜。铸造青铜表示方法是“+第一主加元素符号+含量+合金元素+含量+”如表示主加元素为且含5、5、5，余量为的铸造锡青铜。常用青铜的牌号及用途见表6.7。白铜的分类及编号 白 表6.7常用青铜的牌号及用途类别代号（或牌号）用 途压力加工锡青铜QSn4-3弹性元件、化工机械耐磨零件和抗磁零件QSn6.5-0.1精密仪器中的耐磨零件和抗磁元件，弹簧QSn4-4-2.5飞机、汽车、拖拉机用轴承和轴套的衬垫铸造锡青铜ZCuSn10Zn2在中等及较高载荷下工作的重要管配件，

26、阀、泵体等ZCuSn10P1重要的轴瓦、齿轮、连杆和轴套等特殊无青锡铜青铜ZCuAl10Fe3重要的耐磨、耐蚀重型铸件，如轴套、蜗轮等ZCuAl9Mn2形状简单的大型铸件，如衬套、齿轮、轴承QBe2重要仪表的弹簧、齿轮等ZCuPb30高速双金属轴瓦、减摩零件等铜是以为主加元素的铜合金。白铜具有较高的强度和塑性，可进行冷、热变形加工，具有很好的耐蚀性、电阻率较高。根据性能和应用分为耐蚀用白铜和电工用白铜；按化学成分和组元数目可分普通白铜（或简单白铜）和特殊白铜（或复杂白铜）。特殊白铜又按加入、等不同合金元素，称作锌白铜、锰白铜和铝白铜等。普通白铜的牌号以“白”字汉语拼音字首“”+数字表示，数字代

27、表的含量，如表示含30的普通白铜。特殊白铜的代号表示形式是“+第二合金元素符号+镍的含量+第二合金元素含量”，数字之间以“-”隔开，如表示含3、12、85的锰白铜。常用白铜的牌号及用途见表6.8。6.2.3 黄铜 表6.8常用白铜的牌号及用途类 别牌 号用 途普通白铜B30、 B19、 B5船舶仪器零件，化工机械零件锌白铜BZn15-20潮湿条件下和强腐蚀介质中工作的仪表零件锰白铜BMn3-12主要用途的弹簧BMn40-1.5热电偶丝6.2.3.1 普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金。二元相图见图6.4。相是锌溶入铜中形成的固溶体，锌的溶解度随温度变化而变化，在456（溶解度最大为39）以下降温，

28、溶解度略有下降。相是以电子化合物为基的固溶体，具有体心立方晶格，当温度降至456468以下时，发生有序化转变，相转化为有序固溶体相，硬且脆，难以进行冷加工变形。相是以电子化合物为基的固溶体，具有六方晶格，更脆，强度和塑性极差。工业上使用的黄铜中的含量一般不超过47，否则因性能太差而无使用价值。仅有固溶体的黄铜为单相黄铜，有较高的强度和塑性，可进行冷、热变形加工；它还具有良好的锻造、焊接性能。常用单相黄铜有、等，、因较高强度和塑性， 图6.4 Cu-Zn合金相图常用作子弹和炮弹的壳体，故又称为“弹壳黄铜”。当含量超过32，就出现了+双相黄铜。与单相黄铜相比，双相黄铜塑性下降，强度随含量提高而升高

29、。当含量为45时强度达到最大值。+双相黄铜具有良好的热变形能力，较高的强度和耐蚀性。常用牌号有、等，可用于散热器、水管、油管、弹簧等。当含量45以后，组织全部为相，强度急剧下降，塑性继续降低。6.2.3.2 特殊黄铜 特殊黄铜是在铜锌二元合金基础上加入、等合金元素形成的多元铜合金。合金元素的加入，特殊黄铜的力学性能、切削加工性能、铸造性能、耐蚀性能等得到了进一步提高，拓宽了应用范围。、主要是提高抗蚀性，、能改善耐磨性，能降低应力腐蚀敏感性，合金元素一般都能提高强度。有铅黄铜、铝黄铜、锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜等。 6.2.3.3 铸造黄铜 铸造黄铜含较多的及少量合金元素，如、等。它

30、的熔点比纯铜低，液固相线间隔小，流动性较好，铸件致密，偏析较小，具有良好的铸造成形能力。铸造黄铜的耐磨性、耐大气、海水的腐蚀性能也较好，适于用作轴套、腐蚀介质下工作的泵体、叶轮等。6.2.3.4 黄铜的脱锌和季裂黄铜虽然具有良好的耐蚀性，但是在一定的环境下会发生脱锌和季裂现象导致破坏。脱锌 脱锌是黄铜在盐液等介质存在时发生电化学腐蚀，表面失去导致力学性能下降的现象。的电极电位比铜低，极易在盐液等介质中溶解，表面残存疏松多孔的海绵铜，其与表层以下的黄铜因电极电位差又构成微电池，黄铜成为阳极加速腐蚀，形成了一定深度的脱层，抗蚀性和力学性能恶化。为防止发生脱，生产中常使用低铜15或加入含量为0.02

31、0.06的。季裂 季裂是指经过冷变形加工的黄铜（含20）制品，由于残余应力的存在，在潮湿的大气或海水中，尤其是在含氨气的环境中，放置一段时间，容易产生应力腐蚀，使黄铜开裂，这种自发破裂的现象称应力腐蚀开裂或季裂。防止黄铜的季裂，可以进行喷丸处理，在表面施加压应力；低温退火（250300加热保温13）去除残存拉应力；或加适量、等元素来显著降低对应力腐蚀的敏感性。6.2.4 青铜工业生产习惯上把黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。6.2.4.1 锡青铜以为主加元素的铜基合金称锡青铜。锡青铜的主要特点是耐蚀、耐磨、强度高、弹性好等。如图6.5为二元合金相图局部。图6.5 Cu-Sn合金相图 图6.6锡

32、青铜组织和力学性能与含锡量的关系在铜中可形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据的含量不同，锡青铜的组织和性能也不同，图6.6是锡青铜的组织和力学性能与含量的关系。由图可知：含56时，合金的组织为单相固溶体，合金的塑性最高，强度也增加；含超过67后，由于组织中出现硬而脆的相（以化合物为基的固溶体），塑性显著下降，强度继续增加，当的含量超过20时，由于大量的相出现，使合金变脆，合金的强度和塑性均下降。因此，压力加工锡青铜含一般低于78，含大于或等于10的合金适宜铸造。由于锡青铜表面生成由构成的致密薄膜，因此锡青铜在大气、海水、碱性液和其它无机盐类溶液中有极高的耐蚀性，但在酸性溶液中抗蚀性较差。

33、锡青铜的结晶温度区间较大，流动性差，易形成枝状偏析和分散缩孔，铸件致密性差。但是锡青铜的线收缩率小，热裂倾向小，可铸造形状复杂、厚薄不均匀的铸件，尤其是构图精巧、纹路复杂的工艺品。为了改善锡青铜的铸造性能、力学性能、耐磨性能、弹性性能和切削加工性，常加入、等元素形成多元锡青铜。锡青铜可用作轴套、弹簧等抗磨、抗蚀、抗磁零件，广泛应用于化工、机械、仪表、造船等行业。6.2.4.2 铝青铜 以为主加合金元素的铜基合金称铝青铜，是得到最广泛应用的一种青铜。它的成本比较低，一般铝的含量为8.510.5。铝青铜具有良好的力学性能，耐蚀性和耐磨性，并能进行热处理强化。铝青铜有良好的铸造性能，在大气、海水、碳

34、酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的抗蚀性，此外还有冲击时不发生火花等特性。宜作机械、化工、造船及汽车工业中的轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等零件。6.2.4.3 铍青铜以为主加合金元素的铜基合金称铍青铜。一般铍的含量为1.72.5。铍青铜可以淬火时效处理，有很高的强度、硬度、疲劳极限和弹性极限，而且耐蚀、耐磨、无磁性、导电和导热性好，受冲击无火花等。在工艺方面，它承受冷、热压力加工的能力很强，铸造性能亦好。主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片、膜盘等，特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条、压力表游丝；高速、高温、高压下工作的轴承、衬套及矿山、炼油厂用的冲击不带火花的工具。铍青铜价

35、格较贵。6.2.5 白铜以为主加合金元素的铜基合金称白铜。工业上应用的白铜有普通白铜和特殊白铜。普通白铜是二元合金；特殊白铜是在合金基础上加入、等合金元素，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。白铜具有高的耐蚀性、优良的冷、热加工工艺性。因此，广泛用于制造精密仪器、仪表化工机械及医疗器械中的关键零件。6.3 钛及其合金钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了它们的应用。6.3.1 纯钛 纯是灰白色轻金属，钛的密度小，为,熔点高，约为1668，热膨胀系数小，导热性差。纯塑性好

36、、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。在固态下有同素异构转变：882.5以下为密排六方晶格，称-；882.5以上直到熔点为体心立方晶格，称-。在882.5时发生同素异构转变-，它对强化有很重要的意义。工业纯中含有、等杂质元素，少量杂质可使钛的强度和硬度显著升高，塑性和韧性明显降低。工业纯钛按杂质含量不同分为、等三种（见表6.9）,编号越大杂质越多，可制作在350以下工作的、强度要求不高的零件。6.3.2 钛合金 合金元素溶入-中，形成固溶体，溶入-中形成固溶体。、等使-转变温度升

37、高,称为稳定化元素。、类别牌号成 分用 途工业纯钛TA1Ti(杂质极微)在350以下工作、强度要求不高的零件TA2Ti(杂质微)TA3Ti(杂质微)钛合金TA4Ti-3Al在500以下工作的零件，导弹燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣TA5Ti-4Al-0.005BTA6Ti-5Al钛合金TB1Ti-3Al-8Mo-11Cr在350以下工作的零件、压气机叶片、轴、轮盘等重载荷旋转件，飞机构件TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al钛合金TC1Ti-2Al-1.5Mn在400以下工作的零件，有一定高温强度的发动机零件，低温用部件TC2Ti-3Al-1.5MnTC3Ti-5Al-4VTC4Ti-6Al-

38、4V等使同素异构转变温度下降， 表6.9工业纯钛及部分钛合金的牌号及用途称为稳定化元素。、等对转变温度的影响不明显，称为中性元素。根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：钛合金、钛合金和（+）钛合金。牌号分别以、加上编号来表示。钛合金的牌号及用途见表6.9。钛合金 钛中加入、等稳定化元素获得钛合金。钛合金的室温强度低于钛合金和（+）钛合金，但高温（500600）强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火（变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火）。钛合金的典型的牌号是，成分为。其使用温度不超过500，主要用于制

39、造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。钛合金 钛中加入、等稳定化元素得到钛合金。钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。在时效状态下，合金的组织为相和弥散分布的细小相粒子。钛合金的典型牌号为，成分为，一般在350以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。(+)钛合金 钛中通常加入稳定化元素、大多数还加入稳定化元素所得到的(+)钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50100。是典型的(+)钛合金，成分为，经淬火及时效处理后，显微组织为块状+针状。其中针状是时效过程中从相中析出的。由于强度高，塑

40、性好，在400时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力，所以适于制造在400以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。6.3.3 钛及钛合金的热处理退火 消除应力退火目的是消除工业纯钛和钛合金零件机加工或焊接后的内应力。退火温度一般为450650，保温14，空冷。再结晶退火目的是消除加工硬化。纯钛一般采用550690温度，钛合金用750800温度，保温13，空冷。淬火和时效 目的是提高钛合金的强度和硬度。 钛合金和含稳定化元素较少的(+)钛合金，自相区淬火时，发生无扩散型的马氏体转变,为

41、马氏体，是稳定化元素在-中的过饱和固溶体，具有密排六方晶格，硬度较低，塑性好，是一种不平衡组织，加热时效时分解成相和相的混合物，强度和硬度有所提高。钛合金和含稳定化元素较多的(+)钛合金淬火时，相转变成介稳定的相，加热时效后，介稳定相析出弥散的相，使合金的强度和硬度提高。钛合金一般不进行淬火和时效处理，钛合金和(+)钛合金可进行淬火时效处理，提高强度和硬度。钛合金的淬火温度一般选在+两相区的上部范围，淬火后部分保留下来，细小的相转变成介稳定相或相或两种均有（决定于稳定化元素的含量），经时效后获得好的综合机械性能。假若加热到单相区，晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。一般淬火温度为760950，

42、保温560分钟，水中冷却。钛合金的时效温度一般在450550之间，时间为几小时至几十小时。钛合金热处理加热时应防止污染和氧化，并严防过热。晶粒长大后，无法用热处理方法挽救。6.4 镁及其合金镁是地壳中第三种最丰富的金属元素，储量占地壳的2.5，仅次于铝和铁。镁及镁合金比强度高、耐冲击、具有优良的可切削加工性，并对碱、汽油及矿物油具有化学稳定性，因而可用作输油管道。作为结构材料已越来越发挥重要的作用。6.4.1 纯镁纯镁为银白色，其密度为，熔点为650±l，沸点为l100±10。纯镁的电极电位很低，因此抗蚀性较差，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁具有密

43、排六方晶格，室温和低温塑性较低，容易脆断，但高温塑性较好，可进行各种形式的热变形加工。6.4.2 镁合金 纯镁的力学性能较低，实际应用时，一般在纯镁中加入一些合金元素，制成镁合金。镁的合金化原理与铝相似，主要通过加人合金元素，产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩相强化作用，以提高合金的力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能。镁合金中常加入的合金元素有、及稀土元素等。目前工业中应用的镁合金主要集中于、和等几个合金系，其中前两个合金系是发展高强镁合金的基础。6.4.3 工业常用镁合金国产镁合金牌号由相应汉语拼音字头和合金顺序号表示，表6.10为镁合金的牌号、性能及用途。铸造镁合金 铸造镁合金 表6.10

44、 镁合金的牌号及用途牌号抗拉强度（Mpa）伸长率用 途ZM12355飞机轮毂、支架等抗冲击件ZM21852.5200以下工作的发动机零件等ZM31181.5高温高压下工作的发动机匣等ZM52255机舱隔框、增压机匣等高载荷零件MB12108形状简单受力不大的耐蚀零件MB225020飞机蒙皮、壁板及耐蚀零件MB82607形状复杂的锻件和模锻件MB153359室温下承受大载荷的零件，如机翼等包括高强铸造镁合金（如、和 ）和耐热铸造镁合金（如等）两类。是应用最广泛的合金之一，其特点是强度较高，塑性良好，易于铸造，适于生产各类铸件。的淬火加热温度一般选择415420，采用热水冷却。冷水淬火易引起晶间开

45、裂。变形镁合金 该合金有系、系和系。系合金包括和 二种，它们不能热处理强化，这些合金工艺性能好，抗蚀性高，适于制作飞机蒙皮、模锻件和要求耐蚀的管件。属系，不能热处理强化，塑性较好，适于加工成各种板、棒和锻件等半成品。属系，可进行热处理强化，具有较高的强度，能制造形态复杂的大型锻件。合金耐蚀性良好，无应力腐蚀破裂倾向。6.4.4 镁合金的热处理镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但由于组织结构上的差别，与铝合金相比，呈现以下几个特点：镁合金的组织一般比较粗大，且常达不到平衡态，因此淬火加热温度较低；合金元素在镁中的扩散速度较慢，需要的淬火加热时间较长；铸造镁合金及加工前未经退火的变形镁合金易产生

46、不平衡组织，淬火加热速度不宜过快，一般采用分级加热的方式；自然时效条件下，过饱和固溶体析出沉淀相的速度极慢，故镁合金需用人工时效处理；镁合金的氧化倾向大，加热炉内需保持一定的中性气氛，普通电炉一般通人气体或在炉中放置一定数量的硫铁矿石碎块，并要密封。镁合金常用的热处理工艺有铸造或锻造后的直接人工时效、退火、淬火不时效及淬火加人工时效等，具体工艺规范根据合金成分特点及性能需求确定。6.5 轴承合金轴承根据工作条件不同可分为滚动轴承和滑动轴承两类。是汽车、拖拉机、机床及其它机器中的重要部件。轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。

47、因此轴承合金应具有以下性能：足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。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。良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。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。轴瓦材料不能选用高硬度的金属，以免轴颈受到磨损；也不能选用软的金属，防止承载能力过低。因此轴承合金应既软又硬，组织特点是，在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。若轴承合金的组织是软基体上分布硬质点，则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

48、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（见图6.7）。 图6.7软基体轴与轴瓦配合示意图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。 6.5.1 滑动轴承合金的分类及牌号常用的轴承合金按主要成分可分为锡基、铅基、铝基、铜基等数种，前两种称为巴氏合金，轴承合金一般在铸态下工作，其牌号以“铸”字汉语拼音字首“”开头，表示方法为“+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素符号+辅加元素含量”。例如，,即表示含12、含10和4的锡基轴承合金。6.5.2 常用滑

49、动轴承合金6.5.2.1 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）锡基轴承合金是以锡为基础合金，辅加、等元素而形成的一种软基体硬质点类型的轴承合金。最常用的牌号是。其组织可用合金相图来分析（见图6.8）。相是溶解于中的固溶体，为软基体。相是以化合物为基的固溶体，为硬质点。即硬质点相均匀分布在相软基体上。铸造时，由于相较轻，易发生严重的比重偏析，所以加入，生成，呈树枝状分布，阻止相上浮，有效地减轻比重偏析。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的显微组织为+。其中相软基体呈黑色， 硬质点呈白方块状，呈白 图6.8 Sn-Sb合金相图针状或星状。锡基轴承合金的摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导

50、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）。常用锡基轴承合金的牌号及用途见表6.11。表6.11常用锡基轴承合金的牌号及用途牌 号用 途ZSnSb12Pb10Cu4一般机械的主轴轴承，但不适于高温工作ZSnSb11Cu62000马力以上的高速蒸汽机，500马力的蜗轮压缩机用的轴承ZSnSb8Cu4一般大机器轴承及轴衬，重载、高速汽车发动机、薄壁双金属轴承ZSnSb4Cu4蜗轮内燃机高速轴承及轴衬6.5.2.2 铅基轴承合全（铅基巴氏合金）铅基轴承合金是以为基础合金，辅加、等元素而形成的一种软基体硬质点类型的轴承合金。常用牌号是。图6.9为该合金的相图。为在中的固溶体，为在中的固溶体。含1517的合金的组织为（+）+。（+）共晶体为软基体，相为硬质点。但由于基体太软，相很脆易破碎，且有严重的比重偏析，性能不好，所以在铅基轴承合金中再加入锡和铜。锡是为了生成化合物，并得到以为基的固溶体作为硬质点；是为了形成化合物，防止比重偏析，同时亦起硬质点作用。 图6.9 Pb-Sb相图的显微组织为+。+共晶体为软基体，白方块为以为基的固溶体，起硬质点作用，白针状晶体为化合物。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