一些重要的金属和合金

1、一些重要的有色金属及合金一些重要的有色金属及合金Non-ferrous metals and alloys绪论绪论1、有色金属的重要地位、有色金属的重要地位1）在先进工业和尖端技术上的应用 宇航、航空、航海、汽车、石油化工、电子、原子能等近代工业的发展，要求发展：l 高强度；l 高韧型；1、为什么含石墨的铸铁中一般Si含量较高?白口铸铁?灰口铸铁?球墨铸铁?2、什么叫应力腐蚀?l密度小（轻质的）；l耐高温、耐腐蚀；l具有各种特殊物理性能的材料和新的加工工艺。具体表现为：它是制造各种优质合金钢及耐热钢所需的合金元素；许多有色金属、合金具有比重小、比强度比强度( (材料材料的强度与它的表观密度之比

2、的强度与它的表观密度之比) )高、耐热、耐腐蚀和良好的导电性、导热性、弹性及一些特殊的物理性质；应用举例：l 新型发动机用材料新型发动机用材料 主要是主要是Ti合金与合金与Ni、Al合金和钢合金和钢l 形状记忆合金(TiNi)20时的原始状态时的原始状态l形状记忆合金(TiNi)20时的被拉长状态时的被拉长状态l形状记忆合金(TiNi)高于高于50时正在收缩中时正在收缩中l形状记忆合金(TiNi)基本恢复到原始状态基本恢复到原始状态2) 地壳中的含量地壳中的含量lAl(8.8%); Mg(2.1%); Ti(0.6%); Fe(5.1%);lW、Sn、Mo、Sb、Hg、Pb、Zn（在世界位前列

3、）；l Cu、Al、Mn（占有重要地位）l 钛和稀土位世界第一。l 因此, 中国发展有色金属和合金，大有可为。3) 内容主要包括：内容主要包括：l 铝以及铝合金；l 钛及钛合金第一节第一节 铝及其合金铝及其合金一、工业纯铝一、工业纯铝1、工业纯铝的独特性能和优点、工业纯铝的独特性能和优点1）铝很轻，d = 2.7g/cm3(d Fe=7.8g/cm3; dCu=8.1g/cm3)，它是各种轻质结构材料的基本单元；2）导电性、导热性优良 Ag Cu Al(以体积计，依次减弱） 如果以重量计，比Cu还好。3）塑性好；这与面心立方结构有关，它能实施冷或热压力加工制成各种型材；l 抗大气腐蚀性能好。在

4、表面能形成极致密的氧化铝薄膜；l 强度很低(b=80MPa100MPa),冷变形加工后b=150MPa250MPa;2 2、应用、应用电线、电缆以及导热和抗大气腐蚀对强度不高的用品与器皿。3 3、杂质与分类、杂质与分类（1）杂质：工业纯铝，与化学纯铝不同，含有杂铝中有极低杂质元素铁，就会析出化合物铝中有极低杂质元素铁，就会析出化合物铝中有杂质元素硅，就会共晶硅析出铝中有杂质元素硅，就会共晶硅析出质，最常见的Fe与Si，Fe与Si含量影响它的导电、导热性；对塑性极为不利。(2)工业纯铝的牌号依其杂质的限量来编制的 L1、L2、L3（ 数字越大，纯度越高）二、铝合金的热处理原理二、铝合金的热处理原

5、理l 铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效；l 退火属软化处理，目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性；l 淬火时效为强化处理，借助时效强化以提高合金的强度性能。1、Al-4Cu 合金组织性能的一般变化1）如下图为 Al-Cu相图；2）在548进行共晶转变：L+(CuAl2)3)铜在相中的极限溶解度为5.65%，随着温度的下部分铝部分铝-铜系相图铜系相图降，固溶度急剧减小，室温下为0.05%；l组成为CuAl2，按化学式计算， 相中铜的含量为54.08%,但实际为52.553.9%;lAl-4Cu合金在缓冷时获得的组织为（+）两相；l铸造组织的抗拉强度为150MPa。4）如果将该合金加热到固溶

6、度曲线以上，并迅速淬入干冰（-78），形成过饱和固溶体（含4%Cu)；抗拉强度为200MPa;若长期在干冰内保存，机械性能没有明显变化；5）但若从干冰中取出于室温下放置，则两小时后，开始出现硬化现象，硬度与强度增高，并随时间的增加，而加剧，八天后达最大值，以后不再变化；刚淬火后，刚淬火后，HB=722天，天，HB=1028天，天，HB=1015015硬硬度度时间（天）时间（天）6）如将同一合金置于稍高的温度环境内，例如50，经两天后硬度就可以达到最高值，但其变化规律仍与室温相同；7）自然时效和人工时效）自然时效和人工时效l 自然时效：将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于100的温度环境下，由

7、于停留时间的增加，硬度和强度增高的现象。l 人工时效：将合金置于100以上的环境中，硬度变化要复杂一些。这种在100以上所造成的时效硬化现象。l 过时效：超过硬度峰值的时效。Al-4Cu合金人工时效硬度的变化合金人工时效硬度的变化2、过饱和固溶体的性质、过饱和固溶体的性质l 合金时效处理前，先要通过固溶处理以获得过饱和固溶体；l 固溶体不仅对溶质原子是过饱和的，而且对空位这种晶体缺陷也是过饱和的，即处于双重饱和；l 沉淀析出过程是一种原子扩散过程，而空位的存在是原子扩散所必须具备的条件，因此，固溶体中的空位浓度及其溶质原子间的交互作用性质，必然对沉淀动力学过程产生影响；l 纯铝和铝合金淬火得到

8、的过饱和空位是极不稳定的，容易向晶界或其它缺陷地带迁移，或形成位错。l 但对于Al-Cu合金，铜原子与空位间存在一定的结合能，即铜原子与空位结合在一起，使空位能够比较稳定地处于固溶体中，不容易向缺陷地带迁移和消失。这种携带空位的铜原子在形成新相时的扩散过程，要比没有空位时容易得多。3、时效过程中的组织变化、时效过程中的组织变化 时效过程是第二相从过饱和固溶体中沉淀的过程，是固态相变的一种，通过新相的形核和长大的方式完成转变。1）相变时系统自由能的变化）相变时系统自由能的变化 当因相中出现新相时，系统自由能的总变化为：G=-V Gv+S+V上式： G为系统自由能的总变化；V为新相的总体积； Gv

9、为单位体积新旧二相自由能之差，应为负值；S为相界面的总面积；为单位面积相界面的界面能；为单位体积新相形成时的弹性应变能（由于新旧两相的比容或晶体结构不同造成的）。2 2）以）以Al-CuAl-Cu合金为，分析它的相变过程合金为，分析它的相变过程l G.P.G.P.区形成区形成：在室温下即可生成；它是铜原子在铝晶体的六面体100上聚集，形成了圆片状的脱溶区（厚度不超过几个原子距离、直径小于（10nm)；它没有独立的晶体结构，完全保持母相的晶格，并与母相共格；由于铜原子较铝原子小，G.P.区产生一定的弹性收缩。l相：如果将Al-4Cu合金在较高的温度下进行时效, G.P.区的直径急剧长大，而且铜原

10、子和铝原子逐渐形成规则的排列，即所谓正方有序化结构。 过渡相在基体的100面上形成为圆片状组织，厚度为8-20，直径为150-400。 过渡相与基体完全共格，但在Z轴方向上的晶格常数比基体晶格常数的两倍小一些，产生约4%的错配度。因此，它造成一个弹性共格应变场，对位错运动产生阻碍作用。l相：继续增加时效时间或提高时效温度，例如将Al-4Cu 合金时效温度提高到200，过渡相转变为，它属于正方点阵，其中a=b=4.04，c=5.80，名义成分为CuAl2。其大小则决定于时效时间和温度，直径约为100-6000，厚度为100-150。 由于在 Z轴方向的错配度过大（约30%），在（010）和（10

11、0）面上的共格关系遭到破坏， 与基体成半共格关系。此时，它的应变能减小，意味着晶格畸变的减少，合金的硬度和强度下降，开始进入过时效阶段。l相：进一步提高时效温度和延长时效时间，过渡到平衡相，由于此时析出相与基体完全失去共格关系，故相的出现，意味着合金的硬度和强度显著下降。 以上可以看出：时效析出强化的原理三、铝合金1、分类(1)铝合金相图的一般类型 如下图所示。温温度度成分成分Me, %D Al Fba铝合金相图的一般类型铝合金相图的一般类型（2）根据成分与生产工艺分二大类 形变铝合金和铸造铝合金l 变形铝合金：变形铝合金：凡是位于 D左边的合金，在加热时能形成单相固溶体，塑性较好，适于压力加

12、工。 形变铝合金形变铝合金：防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝。l 铸造合金：铸造合金：D以右合金，有共晶组织，适于铸造而不适合于压力加工。 铸造铝合金：铸造铝合金：按主要合金元素不同分：Al-Si，Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn。（3）编号 按国家标准的规定：1）铸造铝合金：“ZL”+3个数字，如ZL102ZL203;防锈铝用“LF”+一组顺序号； 硬铝，“LY” 超硬铝，“LC”+一组顺序号表示； 锻铝：“LD”2) 2、铸造铝合金2.1定义：用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金；l 要求该合金有良好的铸造性能；l 因而，必须有适当数量的共晶体；2.2 若干铝合金相图特点 Cu、Mg、Mn、

13、Zn和Si等五种常见合金元素都能与铝形成共晶体：l 但Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn系中形成的共晶体中含有硬脆的化合物，因而随着这些共晶体的出现，合金性能迅速变坏；l 对于Al-Cu和Al-Mg系，共晶体不多，因此铸造性能不好。l Al-Zn共晶点的Zn成分为95%,当选用共晶点附近成分时，它成为Zn合金了。l 实验证明：Al-Si 合金中随着共晶体数量的增加，铸造性能、机械性能都越来越好；l因此，以Al-Si为基础而发展起来的一类铸造合金是最重要的。2.3 Al-Si 系铸造铝合金系铸造铝合金（硅铝明）Al-Si系铸造铝合金称为硅铝明合金硅铝明合金：l 简单硅铝明：不含其他合金元素；l

14、特殊硅铝明：除硅外含有其它合金元素；（1）简单硅铝明）简单硅铝明1）铸造特点）铸造特点l 含硅1113%的合金铸造后全部为共晶体，因此该成分的合金铸造时流动性好，热裂倾向小；l 但是致密度不高，主要该合金吸气，导致结晶时能生成大量缩孔，l 因此，该合金适合于铸造形状复杂，但致密度要求不高的铸件。2）组织特点）组织特点l 粗大的硅的针状晶体和固溶体构成的共晶体。粗铝铝-硅二元相图硅二元相图共晶点的温度为577共晶点成分为:11.7wt%粗针状硅严重降低合金的塑性；l变质处理：Na、Ti、B等Na：溶入合金溶液的活性钠一方面促进硅的形核，另一方面能在初生的硅晶体表面阻碍硅晶体的生长；变为亚共晶结晶

15、可能是Na右移共晶点。Ti：TiAl3、TiB2先于固溶体析出，成为固溶体的非自发结晶中心。l 该合金的优点：铸造性能好，焊接性能好，比重小，抗蚀性、耐热性好；l 缺点：强度不够高，铸件密度小，不能淬火时效强化。未变质的Al-12%Si合金组织，X500Al-12%Si合金变质后的组织，X500（2）特殊硅铝明）特殊硅铝明l变质后的硅铝明，其强度提高不多，满足不了负荷较大的零件的要求；l为了强化，可以在少许降低其中含硅量的同时，向合金中加入能形成强化相CuAl2(相）、Mg2Si(相）、Al2CuMg(S相）等合金元素，这样的合金除变质处理外，还能进行淬火时效，进一步提高硅铝明的强度；l加入的

16、元素为：Cu、Mg等，形成强化相；l实例：1）Zl101中含Si较少（68%)，但含少量Mg，Mg除变质外，可以进行淬火及人工时效处理（强化相Mg2Si)，这样获得的合金强度b=200230MPa(原先为160170MPa）;2)Zl107铸铝：加入少量Cu( 减少Si) 强化相为 CuAl2;3)同时加入同时加入CuCu与与MgMg：Al-Si-Cu-MgAl-Si-Cu-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金n 这类合金采用多元少量原则，有多种合金元素存在，形成的强化相较多：CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg，Zl110、Zl105和Zl108就是这样的合金。在这类合金中，上述强化相的共同作用使

17、合金在淬火时效后获得很高的强度及硬度。 n应用：制造形状复杂、性能要求高，如在较高温度下工作的零件（用在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上）。2.4 其它的一些合金系lAl-Cu系铸造铝合金：铸造性能不好，抗蚀性差，比强度低；lAl-Mg系：耐蚀性好；强度高；lAl-Zn系：自行淬火，时效强化。3、形变铝合金、形变铝合金3.1 防锈铝合金（LF)Al-Cu合金系的主要强化相为CuAl2,它本身有较强的时效强化能力和热稳定性，因而该合金系适合高温工作。Al-Cu合金淬火+时效处理后，硬度的变化Al-Mg合金相图，表明它可以进行时效强化处理相为Mg5Al6l淬火+时效处理后的 Al-Mg 合金的性

18、能存在着一个 Mg 的最佳含量；l含镁太高，淬火加热时难于完全固溶，从而使合金的强度与塑性下降。l简单的 Al-Zn二元铸造合金由于没有突出的优点未获实际应用。lAl-Zn-Si合金是为了改善Al-Zn合金的铸造工艺性；l Zn在铝中有很高的溶解度，在铸造冷却中不发生分解，故获得相当的固溶强化；l具有自淬火效应，这对于制造形状复杂、要求高尺寸稳定性的零件十分有利。(1) 主要合金元素主要合金元素Mn：在铝中通过固溶强化提高合金的强度以及抗蚀能力；含Mn的防锈铝均具有比纯铝更好的抗蚀性。Mg：对合金的抗蚀性损伤较小，固溶强化效果较好，使合金比重降低。(2) 几种防锈铝合金的主要特点：几种防锈铝合金的主要特点：l Al-Mn(1.01.6%):抗蚀性好，强度高，可焊性好，切削性能差些（太软）。l Al-Mg(2-10%):比重小，强度高，相当好的抗蚀性，在冷变形或退火状态下使用。l 锰起固溶强化作用；锰小于1.6%，强度较高，塑性较好，工艺性能也好；l 大于1.6%时，由于MnAl6形成，合金变形时容易开裂；l 锰提高合金的再结晶温度l 这些合金均是单相固溶体，不能热处理强化，可以施以冷压力加工强化。3.2 硬铝合金硬铝合金(LY)（1）成分：）成分：Al-C