武汉理工大学工程材料第8章

1、工程材料工程材料机械制造基础机械制造基础 -机电工程学院 金工学部 王志海 第八章第八章 有色金属及其合金有色金属及其合金 ( Colored Metal and Alloy )概述概述铝及铝合金铝及铝合金铜及铜合金铜及铜合金滑动轴承合金滑动轴承合金 第一节第一节 概述概述1.定义定义 : 除黑色金属除黑色金属 ( 钢、铁钢、铁 ) 以外的所有以外的所有 金属。金属。 2.性能特点性能特点:具有独特的性能。具有独特的性能。3.分类分类重金属重金属(密度密度3.5); Cu、Ni 等。等。轻金属轻金属(密度密度3.5); Al、Mg 等。等。贵重金属贵重金属; Au、Ag、Pt 等。等。稀有金属

2、稀有金属; W、Ti、Ra、Nb 等。等。半金属半金属; Si、Te、B 等。等。 第二节第二节 铝及铝合金铝及铝合金一一.铝的性能特点铝的性能特点: 密度小密度小;导电及导热导电及导热 性能好性能好;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好;塑性高塑性高;强强 度低度低;无磁性无磁性;无打击火花无打击火花;加工工艺加工工艺 性好等。性好等。二二.纯铝的分类纯铝的分类高纯铝高纯铝 L0104工业高纯铝工业高纯铝 L0、L00工业纯铝工业纯铝 L15三三.铝合金的分类铝合金的分类铝合金铝合金的分类的分类形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造铝合金不能热处理不能热处理强化铝合金强化铝合金 能热处理能热处理强化铝合

3、金强化铝合金四四.铝合金的热处理铝合金的热处理退火退火 ( anneal )时效强化时效强化 ( ageing strengthening ) 回归回归 ( regression )一一) 退火退火 ( anneal ) 1.形变铝合金的退火形变铝合金的退火: *消除应力消除应力,硬度硬度 不变。不变。 *消除加工硬化消除加工硬化, 降低硬度降低硬度,便于便于 冷塑性加工。冷塑性加工。2.铸造铝合金的退火铸造铝合金的退火 : 消除应力消除应力; 均匀成分均匀成分;二二) 时效强化时效强化 ( ageing strengthening ) 1.定义定义: 在固溶处理后的合金随时间延在固溶处理后的

4、合金随时间延 续而发生进一步强化的现象。续而发生进一步强化的现象。2.背景资料背景资料: 1906年德国年德国 Duralumin首次发现。首次发现。 1910年德国年德国A Welmer 发明并获专利。发明并获专利。 1916年用于制造飞机。年用于制造飞机。 1938年年 Guinier Preston 建立学说。建立学说。3.原理原理 ( G P 学说学说 ): G P 区区 ( Guinier Preston zone )也也 称称“富铜区富铜区”, 即即: 在铝合金表面第一层在铝合金表面第一层的的 铜原子成为小片状铜原子成为小片状,含量增加。含量增加。4.种类种类自然时效自然时效人工时

5、效人工时效 含含4%Cu的铝合金自然时效曲线的铝合金自然时效曲线含含4%Cu的铝合金在不同温度下的的铝合金在不同温度下的 人工时效曲线人工时效曲线 Al Cu 合金部分相图合金部分相图三三) 回归回归 ( regression )时间温度 加加热热200270水水 淬淬时效组织时效组织原淬火组织原淬火组织 人工时效后的铝合金没有回归现象。人工时效后的铝合金没有回归现象。五五.常用的铝合金常用的铝合金形变铝合金形变铝合金 ( deformation aluminum alloy )铸造铝合金铸造铝合金 ( cast aluminum alloy )一一) 形变铝合金形变铝合金 ( deforma

6、tion aluminum alloy )1.防防锈锈铝铝合金合金 ( LF ) : Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性强度和抗蚀性 ( 比纯铝好比纯铝好 )。 例如例如:LF21。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻比纯铝轻 )。 例如例如:LF2、LF6等。等。 飞机翼梁飞机翼梁( (腹板腹板为硬铝合金为硬铝合金) )2.硬硬铝铝合金合金 ( LY ) : Al Cu Mg 通过通过时效强化时效强化提铝合金强度提铝合金强度,但但耐蚀性不高耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。3.超超

7、硬硬铝铝合金合金 ( LC ) : Al Zn Mg Cu 通过通过时效强化和形成的强化相时效强化和形成的强化相,使铝合金达到使铝合金达到最高的硬度和最高的硬度和强度强度。但。但耐蚀性较差耐蚀性较差。LC4、LC9。 飞机主起落架飞机主起落架4.锻锻铝铝合金合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性具有良好的热塑性, 通过固溶处理和人工时效通过固溶处理和人工时效 来提高铝合金的力学性能。来提高铝合金的力学性能。 LD5、LD6、LD10。压气机叶片压气机叶片二二) 铸造铝合金铸造铝合金 ( cast aluminum alloy )铸造铝铸造铝 硅合金硅合金铸造铝铸造铝

8、铜合金铜合金铸造铝铸造铝 镁合金镁合金铸造铝铸造铝 锌合金锌合金1.铸铸造造铝铝 硅硅合金合金 ( ZL101ZL111 ) :活塞活塞( (裙部为铝硅合金裙部为铝硅合金) ) ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 552.铸铸造造铝铝 铜铜合金合金 ( ZL201ZL203 ) : 有较高的强度、塑性及耐热性有较高的强度、塑性及耐热性,但铸但铸 造性能和耐蚀性较差。造性能和耐蚀性较差。 铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210汽缸头汽缸头3.铸铸造造铝铝 镁镁合金合金 ( ZL301、ZL302 ) : 有较高的强度、韧性及耐蚀性有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸但铸 造性能和耐热性较差。造性能

9、和耐热性较差。 铝镁合金铸造组织 (化染) 150鼓风机用密封件鼓风机用密封件(ZL102)(ZL102)及抗空架件及抗空架件( (ZL301)ZL301)4.铸铸造造铝铝 锌锌合金合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的铸造性具有良好的铸造性,经变质处理和经变质处理和时效处理后时效处理后,强度高强度高,但耐蚀性差。但耐蚀性差。大型空压机活塞大型空压机活塞( (ZL401)ZL401) 第三节第三节 铜及铜合金铜及铜合金一一.铜的性能特点铜的性能特点:密度大密度大;导电及导热导电及导热 性能好性能好;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好;塑性高塑性高;强强 度低度低;无磁性无磁性;无打击火

10、花无打击火花;加工工艺加工工艺 性好等。性好等。二二.纯铜的分类纯铜的分类工业纯铜工业纯铜 T1T4无氧铜无氧铜 TU2 纯铜组织金相图纯铜组织金相图三三.铜合金的分类铜合金的分类黄铜黄铜 : Cu Zn 白铜白铜 : Cu Ni 青铜青铜 : 除黄铜和白除黄铜和白 铜外的所有铜外的所有 铜合金。铜合金。一一.黄铜黄铜 ( brass )普通黄铜普通黄铜 ( common brass )特殊黄铜特殊黄铜 ( special brass )一) 普通黄铜普通黄铜 ( common brass )500304050607004003002001000102050403020105060708090

11、10011040HB + b b(Mpa) (%)HB 1.黄铜的力学性能与含锌量的关系黄铜的力学性能与含锌量的关系2.黄铜的牌号黄铜的牌号( Z ) H 90含铜量含铜量 WCu = 90%黄铜黄铜铸造铸造3.常用的黄铜常用的黄铜v金奖黄铜金奖黄铜 - H90v弹壳黄铜弹壳黄铜 - H70 ( H68 )v日用黄铜日用黄铜 - H62 ( H59 )法兰阀法兰阀闸阀闸阀冷凝器管冷凝器管二二) 特殊黄铜特殊黄铜 ( special brass )1.定义定义:在黄铜中加入在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、 Ni、Sn、Mn 等元素所形成的合金。等元素所形成的合金。2.牌号牌号:H Al 59

12、 - 3含铝量含铝量WAl = 3%含铜量含铜量WCu = 59%3.常用的特殊黄铜常用的特殊黄铜海军黄铜海军黄铜 - HSn62 - 1易切削黄铜易切削黄铜 - HPb59 - 1 H62 1 海军黄铜金相组织图海军黄铜金相组织图62Cu 37Zn Sn 海军黄铜铸造组织 ( 化染 ) 600 硅黄铜铸造组织金相图硅黄铜铸造组织金相图 硅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 50 铅黄铜退火组织金相图铅黄铜退火组织金相图 铅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 70 锰黄铜铸造组织金相图锰黄铜铸造组织金相图 锰黄铜铸造组织 ( 化染 ) 254.黄铜的自裂与脱锌黄铜的自裂与脱锌:v自裂自裂 - 应力腐蚀应力腐蚀

13、 : 黄铜黄铜在塑性变形后产在塑性变形后产 生较大应力生较大应力,在在潮湿空气潮湿空气中或在中或在微微 量氨量氨的气份中发生应力腐蚀。含的气份中发生应力腐蚀。含 锌量越高锌量越高, 应力腐蚀倾向越大。应力腐蚀倾向越大。v脱锌脱锌 - 锌的电极电位远低于铜锌的电极电位远低于铜 , 所以在所以在 盐水中黄铜极易发生电化学腐蚀。盐水中黄铜极易发生电化学腐蚀。5.黄铜的热处理黄铜的热处理 :去应力退火去应力退火 : 在在200300左右退左右退 火火,提高塑性和弹性极提高塑性和弹性极 限限,消除应力腐蚀。消除应力腐蚀。再结晶退火再结晶退火 : 在在500700左右退左右退 火火,消除加工硬化消除加工硬

14、化,恢复恢复 塑性。塑性。二二.青铜青铜 ( bronze )普通青铜普通青铜 ( 锡青铜锡青铜 ) ( tin bronze ) 特殊青铜特殊青铜 ( 无锡青铜无锡青铜 ) ( tin free bronze ) 青铜牌号的表示方法青铜牌号的表示方法Z Q Sn10 1 其它合金元其它合金元素含量为素含量为1%主加元素锡其含主加元素锡其含量为量为WSn = 10%青铜青铜铸造铸造一一) 锡青铜锡青铜 ( tin bronze )3 710 14压力加工压力加工铸造成形铸造成形b+ 锡青铜铸造组织金相图锡青铜铸造组织金相图 锡青铜铸造组织 ( 真空镀膜 ) 53二二) 特殊青铜特殊青铜 ( 无

15、锡青铜无锡青铜 ) ( tin free bronze )1.硅青铜硅青铜 : QSi3 1 2.铝青铜铝青铜 : QAl73.铍青铜铍青铜 : QBe2; 具有非常好的力学具有非常好的力学 性能。用于制造重要、精性能。用于制造重要、精 密、高温、高速下工作的密、高温、高速下工作的 零件。零件。 第四节第四节 滑动轴承合金滑动轴承合金 ( bearing alloy )一一. 定义定义 :工件体工件体轴轴轴瓦轴瓦二二.性能要求性能要求 :1.在工作温度下在工作温度下,应具有足够的抗压强应具有足够的抗压强 度、疲劳强度和度、疲劳强度和高的耐磨性高的耐磨性。2.具有足够的具有足够的塑性与韧性塑性与

16、韧性。3.具有较小的摩擦系数。具有较小的摩擦系数。4.具有良好的磨合性。具有良好的磨合性。5.具有良好的抗蚀性。具有良好的抗蚀性。6.具有良好的导热性。具有良好的导热性。7.具有较小的膨胀系数。具有较小的膨胀系数。8.具有良好的抗咬合性。具有良好的抗咬合性。各类型轴瓦各类型轴瓦三三.组织要求组织要求:1.在高速在高速中、低载荷中、低载荷情况下情况下,用用软基体软基体 上分布硬质点上分布硬质点组织的材料。组织的材料。润滑油空间润滑油空间轴轴硬质点硬质点软基体软基体轴瓦轴瓦锡锑轴承合金锡锑轴承合金 ( 锡基巴氏合金锡基巴氏合金 )Z Ch Sn Sb11 6 其它元素的其它元素的含量为含量为6%主加元素锑其主加元素锑其含量为含量为11%基本元素锡基本元素锡轴承轴承铸造铸造 锡基轴承合金组织金相图锡基轴承合金组织金相图锡基轴承合金组织 ( SnSb+Cu Sb+基体,溅射 ) 52 铅基轴承合金组织金相图