第十三章有色金属及合金

1、Non-ferrous Metals金属学与热处理 概述定义定义 : 除黑色金属除黑色金属 ( ( 钢、铁钢、铁 ) ) 以外的所有金属。以外的所有金属。 分分类类重金属重金属(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 等等稀有金属稀有金属 W、Ti、Ra、Nb 等等半金属半金属 Si、Te、B 等等例如：例如：CuCu、AlAl、MgMg、ZnZn、AgAg、PbPb等等。性能性能: : 具有独特的性能。力学性能：力学性能：比强度高（比强度高（/d），高温强度好；），高温强度好； 例如例如: Al、Ti；用于航空、航

2、天；用于航空、航天； Ni基合金工作温度基合金工作温度800-1000、Mo基基1300物理性能：物理性能： 导电性好：导电性好：Ag、Cu、Al； 磁性材料：磁性材料：Co； 超导材料；超导材料；Nb 防辐射材料：防辐射材料：Pb 化学性能：化学性能： 耐蚀性耐蚀性 Cu、Ti、Al、Zn等；等； Ti合金耐蚀性非常好；合金耐蚀性非常好；Zn产量一半用于产量一半用于 镀镀Zn防锈（镀锌板）防锈（镀锌板） 概述铝 及 铝 合 金 第 一 节Aluminium Alloy1. 性能特点性能特点 1）无同素异构转变、无磁性。）无同素异构转变、无磁性。 2）具有良好的）具有良好的导电、导热性导电、导

3、热性 。 3）质量轻，）质量轻，比强度高比强度高。 4）极好的塑性，适于冷热加工成形。）极好的塑性，适于冷热加工成形。 5）耐腐蚀性好。）耐腐蚀性好。 一、工业纯铝2. 分类分类 1） 高纯铝：高纯铝：L01 L05 主要用于科学试验和主要用于科学试验和 化学工业。化学工业。 2） 工业高纯铝：工业高纯铝：LG1 LG5。 3） 工业纯铝：工业纯铝：L1 L7 主要用于配制铝合金。主要用于配制铝合金。一、工业纯铝二、铝合金1. 1. 铝合金：铝合金：Al+(CuAl+(Cu、MgMg、SiSi、MnMn、Zn)Zn)另外：另外：TiTi、B B二、铝合金铝合金铝合金变形铝合金变形铝合金铸造铝合

4、金铸造铝合金不能热处理强化不能热处理强化 能热处理强化能热处理强化铝硅系铝硅系 ZL1铝铜系铝铜系 ZL2铝镁系铝镁系 ZL3铝锌系铝锌系 ZL41.分类二、铝合金变形铝合金变形铝合金1.分类1000系系纯铝，纯铝，1050，10602000系系Al-Cu，2024，2A023000系系Al-Mn，3002, 3A214000系系Al-Si，4A015000系系Al-Mg，5052，5A056000系系Al-Mg-Si，60617000系系Al-Zn-Mg，7050,70758000系系Al-其他元素，其他元素，80119000系系备用系备用系二、铝合金2.强化固溶强化、时效强化、细化组织强化

5、和冷变形强化（1 1）固溶强化：）固溶强化：原因：原因：晶格畸变程度低。因此，铝的强化不晶格畸变程度低。因此，铝的强化不能单纯依靠合金元素的固溶强化作用。能单纯依靠合金元素的固溶强化作用。 固溶强化，提高其强度；固溶强化，提高其强度；固溶强化效果不高；固溶强化效果不高；Al-Si、Al-Mg二、铝合金（2）时效强化：）时效强化： 又称沉淀强化。又称沉淀强化。 铝合金经铝合金经固溶处理固溶处理后在室温或较高的环境温度下，后在室温或较高的环境温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象。性下降的现象。固溶处理固溶处理过饱和固溶体过饱和

6、固溶体强、硬度提高强、硬度提高时效时效过饱和固溶体分解过饱和固溶体分解强、硬度大幅提高强、硬度大幅提高二、铝合金（3 3）细化组织强化：）细化组织强化： 铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一种重要手段。包括细化铝合金固金力学性能的另一种重要手段。包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。铸造铝合金中常加入微量溶体基体和过剩相组织。铸造铝合金中常加入微量元素（变质剂）进行变质处理来细化合金组织，既元素（变质剂）进行变质处理来细化合金组织，既能提高合金强度，又会改善其塑性和韧性。能提高合金强度，又会改善其塑性和韧性。（4 4）冷变形强化：

7、）冷变形强化：不可热处理强化铝合金的主要强化方式。不可热处理强化铝合金的主要强化方式。 Tensile engineering stressstrain curves of the CG, NS, and NS+P samples. The open circles and squares mark the 0.2% yield strength and the uniform elongation, respectively. The inset shows dimension of the tensile sample with a thickness of 1 mm. R is the

8、radius of the arc indicated by the arrow. b) Normalized work hardening rates, H, against the true strain. The inset shows curves of H against true stress. 7075 Al alloy二、铝合金Typical 111 matrix planes obtained by inverse Fourier transformations of HRTEM images of an NS+P sample ac) after and df) befor

9、e tensile testing. a,d) The G-P zone and surrounding matrix. b,e) The meta-stable g particle and surrounding matrix. c,f) The stable g particle and surrounding matrix. The white dots mark the particle/matrix interfaces.Precipitates in the CG, NS, and NS+P samples. a) HRTEM imagealong a matrix zone a

10、xis of a NS+P sample showing spherical G-P zones, plate-shaped g phase, and equiaxed g phase.二、铝合金二、铝合金二、铝合金3.热处理 退火退火 ( anneal ) 时效强化时效强化 ( ageing strengthening ) 退火退火 形变铝合金形变铝合金: 消除应力，硬度不变。消除应力，硬度不变。 消除加工硬化，降低硬消除加工硬化，降低硬 度，便于冷塑性加工。度，便于冷塑性加工。铸造铝合金铸造铝合金: 消除应力；均匀成分。消除应力；均匀成分。二、铝合金时效强化定义定义: 固溶处理后的合金随时

11、间延续而发固溶处理后的合金随时间延续而发生进生进 一步强化的现象。一步强化的现象。资料资料: 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 （GP区）建立学说。区）建立学说。合金的脱溶沉淀三、合金的脱溶沉淀及时效脱溶：从过饱和固溶体中析出第二相(沉淀相)、形成 溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称 为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。 条件：合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并 且固溶度随温度降低而减少 。1. 相关概念三、合

12、金的脱溶沉淀及时效1. 相关概念 时效：合金在脱溶过程中，其机械性能、物理性能和化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。 固溶处理：铝合金加热到单相区（如 T1）保温一定时间后，快速冷却获得过饱和固溶体的热处理工艺。 三、合金的脱溶沉淀及时效1. 相关概念 人工时效自然时效 或室温时效三、合金的脱溶沉淀及时效 若将经过固溶处理后的 C0成分合金急冷，抑制相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和相固溶体。 这种过饱和固溶体在室温较高温度下等温保持时，将发生脱溶，但脱溶相往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚集区。 这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为沉淀强（硬）化或时效强（硬）化，是

13、强化合金材料的重要途径之一。三、合金的脱溶沉淀及时效2.脱溶过程和脱溶物的结构 合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱溶相或称为过渡相。三、合金的脱溶沉淀及时效2.脱溶过程和脱溶物的结构 以 A1-4%Cu合金为例： 室温平衡组织：相固溶体和相 （CuAl 2）。 脱溶顺序：G.P.区相相相。 即在平衡相（）出现之前， 有三个过渡脱 溶物相继出现。三、合金的脱溶沉淀及时效 1）G.P.区的形成及其结构区的形成及其结构 Guinier 和 Preston 各自独立地分析了 Al-Cu

14、合金时效初期的单晶体，发现在母相 固溶体的100面上出现一个原子层厚度的 Cu 原子聚集区，由于与母相保持共格联系，Cu原子层边缘的点阵发生畸变，产生应力场，成为时效硬化的主要原因 。 后来将这种在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为 Guinier-Preston区，简称 G.P. 区。 三、合金的脱溶沉淀及时效 G.P.区 是溶质原子聚集区。它的点阵结构与过饱和固溶体的点阵结构相同。换言之，当从过饱和固溶体形成G.P.区时，晶体结构并未发生变化，所以一般把它当作“区”，而不把它当作新的“相”看待。G.P.区与过饱和固溶体（基体）是完全共格的。这种共格关系是靠正应变维持的，属于第一类共格。

15、三、合金的脱溶沉淀及时效G.P.区的特点： 在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均匀分布； 其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持第一类共格关系； 在热力学上是亚稳定的。(a) Bright-field image in the 0 0 1 zone axis of a sample aged at 140 for 1.5 h; (b) HRTEM image obtained from a sample aged at 140 C for 1.5 h.HREM images of the G.P. zones, showing the growth of the G.

16、P. zone labeled by B (a) and the nucleation of the G.P. zone indicated by D (b).Al6.58Zn2.33Mg2.40Cu (wt.%)AlZnMgScZrLing-Mei Wu et al. Materials Science and Engineering A 527 (2010) 10681073D. X. Li et al. MATERIALS CHARACTERIZATION 44:391402 (2000)Al6.58Zn2.33Mg2.40Cu (wt.%)G.P. zone三、合金的脱溶沉淀及时效 2

17、）过渡相的形成及其结构 a）相的形成与结构 G.P.区形成之后，当时效时间延长或时效温度提高时，将形成过渡相。从 G.P. 区转变为过渡相的过程可能有两种情况： 一是以 G.P.区为基础逐渐演变为过渡相，如 A1-Cu 合金； 二是与 G.P.区无关，过渡相独立地形核长大，如 Al-Ag 合金。 在 A1-Cu合金中，随着时效的进行，一般是以 G.P. 区为基础，沿其直径方向和厚度方向（以厚度方向为主）长大形成过渡相 相。 三、合金的脱溶沉淀及时效 相的晶胞有五层原子面，中央一层为 100Cu原子层，最上和最下的两层为 100A1 原子层， 而中央一层与最上、最下两层之间的两个夹层则由 Cu

18、和 A1 原子混合组成（Cu 约为 2025)，总成分相当于 CuAl2。 相与基体相仍保持完全共格关系。相仍为薄片状，片的厚度约1.04.0 nm，直径约 1040 nm。 随着相的长大，在其周围基体中产生的应力和应变也不断地增大。 相具有正方点阵，点阵常数为： ab4.04，与母相相同 c7.8 ，较相的两倍(8.08 )略小 三、合金的脱溶沉淀及时效三、合金的脱溶沉淀及时效 b）相的形成与结构 在 A1-Cu 合金中，随着时效过程的进展，片状相周围的共格关系部分遭到破坏，相转变为新的过渡相相。 相也具有正方点阵，点阵常数为 ： ab4.04 c5.8 。 相的成分与 CuAl2相当。 相

19、的点阵虽然与基体相不同，但彼此之间仍然保持部分共格关系，两点阵各以其001面联系在一起。 相和相之间具有下列位向关系 ： 三、合金的脱溶沉淀及时效 A1-Cu 合金的相以及相与基体的部分共格关系示意图相与基体相保持部分共格关系，而相与相则保持完全共格关系，这是两者的主要区别之一时效形成 相后期和 相析出初期，具有最大的强化效果三、合金的脱溶沉淀及时效 3）平衡相的形成及其结构 在 A1-Cu 合金中，随着相的成长，其周围基体中的应力和应变不断增大，弹性应变能也越来越大，因而相逐渐变得不稳定。 当相长大到一定尺寸后将与 相完全脱离，成为独立的平衡相，称为相。相也具有正方点阵，不过其点阵常数与 相

20、及相相差甚大。相的点阵常数为： ab6.066，c4.874。 相与基体无共格关系，呈块状，弹性畸变消失，合金开始软化。 三、合金的脱溶沉淀及时效3.脱溶时效时的性能变化1、冷时效和温时效 由于固溶强化效应，固溶处理所得的过饱和固溶体的硬度和强度均较纯溶剂为高。 在时效初期，随时效时间的延长，硬度将进一步升高，习惯上称其为时效硬化。 按时效硬化曲线的形状不同，可分为冷时效和温时效。 冷时效：在较低温度下进行的时效 温时效：在较高温度下发生的时效三、合金的脱溶沉淀及时效 冷时效特点： 硬度一开始就迅速上升，达一定值后硬度缓慢上升或者基本上保持不变。冷时效的温度越高， 硬度上升越快，所能达到的硬度

21、也越高。在 Al 基和 Cu 基合金中，冷时效过程中主要形成 G.P.区。三、合金的脱溶沉淀及时效温时效特点： 开始有一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称为孕育期，一般认为这是脱溶相形核准备阶段，接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延长而下降。 温时效过程中将析出过渡相和平衡相。温时效的温度越高，硬度上升越快，达最大值的时间越短，但所能达到的最大硬度反而越低。冷时效与温时效的温度界限视合金而异。 三、合金的脱溶沉淀及时效 对于二元合金，产生双硬度峰值这一现象的原因可能有两种： （1）由于某一析出程可以分为明显可分的几个不同阶段，每个阶段的结构变化皆可以引起一个硬度峰。 （2）由于发生局部析出

22、和连续析出的时间先后不同的缘故。如前所述，局部析出发生在先，连续析出发生在后，因此由这两种析出所引起的硬度也出现的有先有后。在一般的情况下，由局部析出和连续析出所引起的硬度分别对应第一、第二硬度峰。三、合金的脱溶沉淀及时效 两段时效： 所谓两段时效就是在某一等温温度进行第一次时效，接着在另一个温度进行第二次时效。 一般情况下，第一次时效采用较低的温度，第二次时效采用较高的温度。 对于同一种合金，即在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度的降低，由于固溶体过饱和度的增加，析出物晶核是增多的。第一次时效的目的即在于获得弥散度较大的析出物。第二次时效的目的则是使固溶体析出达到足够的程度，并使析出物长成一

23、定的尺寸。这样，与常规的一段时效相比，两段时效可以获得分布较密且较为均匀的析出物。三、合金的脱溶沉淀及时效三、合金的脱溶沉淀及时效 在时效前期，弥散析出相所引起的硬化提高值超过了另外两个因素所引起的软化值，因此硬度将不断升高并可达到某一极大值。 在时效后期，由于析出相所引起的硬化值小于另外两个因素所引起的软化值，故导致硬度下降，此即为温时效。若时效时仅形成 G.P.区，硬度将单调上升并趋于一恒定值，此即为冷时效。 在其他一些时效型合金中，甚至会出现多个硬度峰，其原因可能是在不同时间内形成几种不同的 G.P.区、过渡相以至平衡相所致。 三、合金的脱溶沉淀及时效三、合金的脱溶沉淀及时效 2、时效硬

24、化机制 按照近代的强度理论，合金的强化是由于位错的运动受到阻碍后所产生的结果。对时效强化（硬化）而言，强化的原因主要有三种： 1、析出物周围的基体相中的弹性应力场对位错运动有阻碍作用； 2、位错切过析出物，形成表面台阶，增加界面能所造成的强化，即所谓化学强化； 3、位错绕过析出物所造成的强化，即所谓的Orowan机理而发生的强化。 4% Cu铝合金自然时效：铝合金自然时效：33.25.65T（）AlCu+CuAl2三、合金的脱溶沉淀及时效 原理原理( G P 学说学说 ) ：1 1）时效初期：）时效初期：铜原子偏聚成铜原子富集区，铜原子偏聚成铜原子富集区，GPGP区区2）随着时间的延长或温度的

25、提高）随着时间的延长或温度的提高：在在GP1GP1区的基础上区的基础上 铜原子进一步偏聚，称为铜原子进一步偏聚，称为GPGP。GPGP区可视为中区可视为中 间过渡相，常用间过渡相，常用表示，使合金得到进一步强化。表示，使合金得到进一步强化。3 3）时效过程进一步发展）时效过程进一步发展: :铜原子在铜原子在GP1GP1区继续偏聚，形区继续偏聚，形 成过渡相成过渡相,晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。4 4）时效后期）时效后期: :过渡相过渡相从母相从母相中脱溶，形成平衡相中脱溶，形成平衡相 ，使合金的强硬度进一步降低，即所谓，使合金的强硬度进一步降低，即所谓“

26、过时效过时效”。三、合金的脱溶沉淀及时效 AlAl合金时效的基本过程：淬火合金时效的基本过程：淬火过饱和过饱和固溶体固溶体形成铜原子富集区（形成铜原子富集区（GPGP区）区）铜原子富集区有序铜原子富集区有序化（化（GPGP区）区）形成过渡相形成过渡相析出平衡相析出平衡相（CuAl2CuAl2）+ +平衡的平衡的固溶体。固溶体。 自然时效自然时效人工时效人工时效 种类：种类：三、合金的脱溶沉淀及时效 4%Cu铝合金的时效曲线：铝合金的时效曲线： 时效温度越高，达到最高强度需要时间越短，但时效温度越高，达到最高强度需要时间越短，但 强化效果弱；强化效果弱；2 2）过高的温度或过长的保温时间，会发生

27、过时效；）过高的温度或过长的保温时间，会发生过时效；3 3）低温可使过饱和固溶体相对稳定，抑制时效发生）低温可使过饱和固溶体相对稳定，抑制时效发生三、合金的脱溶沉淀及时效（1）为了提高Al-4.5%Cu合金的综合力学性能，采用了如下热处理工艺制度，在熔盐浴中505保温30分钟后，在水中淬火，然后在190下保温24小时，试分析其原因以及整个过程中显微组织的变化过程。（2）什么叫固溶体的脱溶？说明连续脱溶和不连续脱溶在脱溶过程中母相成分变化的特点。北京科技大学1999年硕士学位研究生入学考试试题（二选一） (金属学) 钛 及 钛 合 金 第 二 节Titanium Alloy1. 1. 密度小、密

28、度小、比强度高比强度高; ;2. 2. 耐热性好耐热性好; ;3. 3. 耐蚀性能优异耐蚀性能优异; ; 4. 4. 化学性质十分活泼化学性质十分活泼; ; 在真空或惰性气体中进行生产在真空或惰性气体中进行生产. .5. 5. 成本高，价格贵。成本高，价格贵。自自19521952年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业中得到了广泛的应用。在航空工业和化学工业中得到了广泛的应用。银白色，熔点银白色，熔点16681668，密度，密度4.5g/cm4.5g/cm3 3 美美F-22F-22战机约战机约36%36%重量的零件用钛重量的零件用钛

29、合金制造合金制造一、性能特点钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，较高的高温钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，较高的高温强度。钛的热膨胀系数很小，热应力较小，导热性差，强度。钛的热膨胀系数很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能较差。在空气中，容易形成薄而致切削、磨削加工性能较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜，在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海密的惰性氧化膜，在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸水等介质中也具有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（HFHF除外）以及碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀除外）以及碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐

30、蚀性。性。 Ti体心立方晶格，体心立方晶格， Ti密排六方晶格密排六方晶格。Ti882.5 Ti纯钛具有同素异构转变纯钛具有同素异构转变二、纯钛常见杂质：常见杂质：O、N、C、H、Fe、Si等等数字越大，杂质越多，强度越高，塑性越低。数字越大，杂质越多，强度越高，塑性越低。工业纯钛分：工业纯钛分：TA1、TA2、TA3三个牌号三个牌号如热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。如热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。 用途：用途：纯钛用于纯钛用于350以下工作、强度要求不高的零件。以下工作、强度要求不高的零件。钛管换热器钛制蒸馏塔二、纯钛加入加入Al及其它合金元素，铝能提高钛及其它合金

31、元素，铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。合金的强度、比强度和再结晶温度。 合金元素分三类。合金元素分三类。扩大扩大相区：相区：使使转变的温度升高的元素，称为转变的温度升高的元素，称为 相稳定元素相稳定元素，如，如Al、O、N、C等；等；扩大扩大相区：相区：使使转变的温度降低的元素，称为转变的温度降低的元素，称为 相稳定元素相稳定元素，又将其细分为，又将其细分为同晶型元素（如同晶型元素（如Mo、V、 Nb、Ta及稀土）和及稀土）和共析型元素；共析型元素；中性元素：中性元素：对相变温度影响不大的元素，如对相变温度影响不大的元素，如Zr、Sn等。等。三、钛合金 按退火状态下的组织分：按退火状

32、态下的组织分：、和和+钛合金钛合金 分别以分别以TATA、TBTB和和TCTC加顺序号表示。加顺序号表示。 型：型：加入加入AlAl、SnSn、ZrZr，固溶强化。，固溶强化。 不能热处理强化，热处理仅消除应力或加工硬化。不能热处理强化，热处理仅消除应力或加工硬化。 钛合金卫星框架钛合金卫星框架钛合金液下泵钛合金液下泵三、钛合金 + +型：型：组织以组织以为主，为主，的数量不超过的数量不超过30%30%。可通过淬火可通过淬火+ +时效强化，多在退火状态下使用。时效强化，多在退火状态下使用。 特点：特点：室温强度和塑性高于室温强度和塑性高于型；生产工艺简单；通型；生产工艺简单；通过改变成分和选择

33、热处理制度能在很宽的范围内改过改变成分和选择热处理制度能在很宽的范围内改变性能。应用比较广泛，尤以变性能。应用比较广泛，尤以TCTC4 4。 用途：用途：制造制造400400以下工作的飞机压气机叶片、以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.生物医生物医用材料用材料飞机压气机叶片飞机压气机叶片三、钛合金 型：型：型钛合金主要为亚稳定的型钛合金主要为亚稳定的钛合金。钛合金。加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。退火状态为退火状态为+两相，加热到两相，加热到单相区后淬

34、火，得到的过饱和的单相区后淬火，得到的过饱和的相，称为亚稳相，称为亚稳相。相。 特点：特点： TBTB2 2 塑性好，易于冷成形；塑性好，易于冷成形； 可通过时效处理，使强度提高；可通过时效处理，使强度提高； 淬透性高；淬透性高； 化学成分偏析严重；化学成分偏析严重； 冶炼工艺复杂，难于焊接。冶炼工艺复杂，难于焊接。钛合金管钛合金管应用三、钛合金 型钛合金有型钛合金有TB2TB2、TB3TB3、TB4TB4 三个牌号。三个牌号。 主要用于主要用于350350以下工作以下工作的结构件和紧固件的结构件和紧固件, ,如飞如飞机压气机叶片、轴、弹簧、机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。轮盘等。钛合金棒钛合

35、金棒钛合金眼镜架钛合金眼镜架钛离心泵钛离心泵三、钛合金铜 及 铜 合 金 第 三 节Copper Alloy 5 5、冲击无火花等、冲击无火花等。工业纯铜工业纯铜 T1T4无氧铜无氧铜 TU2 性能特点：1 1、导电及导热性能好；、导电及导热性能好；2 2、抗大气腐蚀性好；、抗大气腐蚀性好；3 3、塑性高、加工性好、塑性高、加工性好；4 4、无磁性；、无磁性； 分类：纯铜组织纯铜组织一、纯铜杂质：杂质：Pb、Bi、S、O2、P等等杂质的量：杂质的量：0.1%0.5%Pb、Bi:与铜形成低熔点的共晶体分布在铜的晶界上，与铜形成低熔点的共晶体分布在铜的晶界上， 对铜进行热加工时，共晶体发生熔化，造

36、成脆对铜进行热加工时，共晶体发生熔化，造成脆 性断裂，即性断裂，即“热裂热裂”。O2、S:与铜形成共晶体，与铜形成共晶体，Cu2S、Cu2O均为脆性化合物，均为脆性化合物， 在冷变形加工时易产生破裂，即在冷变形加工时易产生破裂，即“冷脆冷脆”。纯铜用于制作导电、导热及兼具抗蚀性的器材。纯铜用于制作导电、导热及兼具抗蚀性的器材。 一、纯铜纯铜退火状态，强度低，塑性好纯铜退火状态，强度低，塑性好（b=250270Mpa，=3545%），经冷加工变形后强度升高，而，经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（塑性急剧降低（b=400500Mpa，=13%）。不能用作受力的结构）。不能用作受力的结构材料，

37、工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀材料，工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。铜主要作真空器件。 一、纯铜铜合金化：铜合金化：加入加入Zn、Al、Sn、Mn、Ni等元素。等元素。1. 固溶强化：固溶强化：Zn、Sn、Al、Ni等等合金元合金元素素NiNiZnZnSnSnAlAl最大溶最大溶解度解度无限无限393915.815.89.49.4元素在铜中的溶解度元素在铜中的溶解度该类元素在铜中有较大的溶解度该类元素在铜中有较大的溶解度二、铜的合金化2. 2. 固溶固溶+ +时效强化：时效强化：SiSi

38、、BeBe等等T（）CuMe相图特征：相图特征：固溶体固溶体有较大的溶解度的变化。有较大的溶解度的变化。3. 3. 过剩相强化：过剩相强化：ZnZn、SnSn等等合金元素加入量超过溶合金元素加入量超过溶解度极限后，便出现第解度极限后，便出现第二相，它们多为硬脆的二相，它们多为硬脆的化合物。化合物。二、铜的合金化黄铜黄铜 : Cu Zn 白铜白铜 : Cu Ni 青铜青铜 : 除黄铜和白铜外除黄铜和白铜外的所有铜合金。的所有铜合金。 简单黄铜简单黄铜 ( common brass ) 复杂黄铜复杂黄铜 ( special brass ) 铜合金分类铜合金分类： 1. 黄铜：黄铜：三、铜合金a a

39、、定义：、定义：铜锌合金。铜锌合金。b b、牌号、牌号（代号）（代号）：( Z ) H 90WCu = 90%黄铜黄铜 铸造铸造黄铜退火组织黄铜退火组织 2525 1）简 单 黄 铜：三、铜合金黄 铜黄铜有黄铜有 和和 + + 两种组织两种组织, ,分别称分别称单相黄铜单相黄铜和和两相黄铜两相黄铜。黄铜棒三、铜合金黄 铜2)2)、ZnZn的作用的作用：（1 1）固溶强化：）固溶强化：ZnZn32%32%时，时，Cu-ZnCu-Zn合金以单相合金以单相固溶体固溶体存在，主要是固溶强化。存在，主要是固溶强化。力学性能与含锌量的关系力学性能与含锌量的关系铜固溶于锌后其强度、塑性增大，大约在锌含量为铜

40、固溶于锌后其强度、塑性增大，大约在锌含量为30%30%时强度与塑性达到最佳配合。锌含量继续增加，强度时强度与塑性达到最佳配合。锌含量继续增加，强度继续增加，但塑性急剧降低。继续增加，但塑性急剧降低。H68H68为含锌量最高的单相为含锌量最高的单相组织，强组织，强度较高。塑性特别好，适宜冷、热度较高。塑性特别好，适宜冷、热变形，如枪弹壳，有变形，如枪弹壳，有“弹壳黄铜弹壳黄铜”之称。之称。H62H62强度高，塑性适中，不宜强度高，塑性适中，不宜冷加工，可热加工，作黄铜冷凝器、冷加工，可热加工，作黄铜冷凝器、热交换器等。热交换器等。H80H80用于镀层及装饰品。用于镀层及装饰品。 三、铜合金黄 铜

41、（2）过剩相强化：）过剩相强化：Zn32%时，时，Cu-Zn合金中出现合金中出现相，相， 合金以（合金以（+）双相存在。）双相存在。锌含量继续增加，强度继续增加，但塑性急剧降低。锌含量继续增加，强度继续增加，但塑性急剧降低。含锌量含锌量WZn45%时，强度与塑性都很低，无实用价时，强度与塑性都很低，无实用价值。值。三、铜合金黄 铜单相黄铜：单相黄铜：室温组织为单相室温组织为单相固溶体。固溶体。 强度较低、塑性特别好，适于压力加工。强度较低、塑性特别好，适于压力加工。 常用常用H80、H70、H68，其中，其中H70、H68强度较高。强度较高。双相黄铜：双相黄铜：室温组织为室温组织为+。 强度高

42、，塑性差。强度高，塑性差。 常用常用H59、H62，用作水管、油管、散热器等。，用作水管、油管、散热器等。单相黄铜单相黄铜 H68双相黄铜双相黄铜H59三、铜合金黄 铜v弹壳黄铜弹壳黄铜 - H70 ( H68 )v日用黄铜日用黄铜 - H62 ( H59 ) 常用黄铜：法兰阀法兰阀三、铜合金黄 铜定义定义: 在在黄铜中加入黄铜中加入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。牌号牌号: H Al 59 - 3含铝量WAl = 3%含铜量WCu = 59% 3）特殊黄铜：三、铜合金黄 铜普通黄铜加入普通黄铜加入Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等合金元等

43、合金元素后，形成各种特殊黄铜，如铝黄铜、锡黄铜、铅素后，形成各种特殊黄铜，如铝黄铜、锡黄铜、铅黄铜、锰黄铜等，具有一些特殊的性能。黄铜、锰黄铜等，具有一些特殊的性能。 Al、Sn、Mn、Ni：提高黄铜的耐蚀性和耐磨性；提高黄铜的耐蚀性和耐磨性； Si：改善铸造性能；改善铸造性能； Pb：改善切削加工性能。改善切削加工性能。 生产中较多的是锰黄铜和铝黄铜。生产中较多的是锰黄铜和铝黄铜。 三、铜合金黄 铜用途：用途：船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。轴承、衬套及阀体等。三、铜合金黄 铜海军黄铜海军黄铜 - HSn62 - 1易切削黄

44、铜易切削黄铜 - HPb59 - 162Cu 37Zn Sn 海军黄铜铸海军黄铜铸造组织造组织 600600 硅黄铜铸造组织硅黄铜铸造组织 5050 常用特殊黄铜：三、铜合金黄 铜铅黄铜70锰黄铜25三、铜合金黄 铜 常用特殊黄铜： 4）黄铜的性能：黄铜的性能： 工艺性能：工艺性能：好的铸造性能，组织致密；好的铸造性能，组织致密； 好的压力加工性能，可进行各种冷热加工。好的压力加工性能，可进行各种冷热加工。(2)(2)抗蚀性能：抗蚀性能：与纯铜接近，可耐大气、海水、碱的与纯铜接近，可耐大气、海水、碱的 腐蚀，怕酸的腐蚀。腐蚀，怕酸的腐蚀。三、铜合金黄 铜v季裂季裂 - 应力腐蚀应力腐蚀 : 黄

45、铜在塑性变形后产生较黄铜在塑性变形后产生较 大应力大应力,在潮湿空气中或在微量氨的气份中发在潮湿空气中或在微量氨的气份中发 生应力腐蚀。含锌量越高生应力腐蚀。含锌量越高, 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 盐水中黄铜极易发生电化学腐蚀。5 5）黄铜季裂与脱锌：）黄铜季裂与脱锌：防止措施防止措施：a a消除残余应力；消除残余应力；b b加入加入SnSn、SiSi等元素。等元素。三、铜合金黄 铜去应力退火去应力退火 : 在在200200300300左右退火左右退火, , 提高塑性和弹性极限，消除应力腐蚀。提高塑性和弹性极限，消

46、除应力腐蚀。再结晶退火再结晶退火 : 在在500500700700左右退左右退 火，消除加工硬化，恢复塑性。火，消除加工硬化，恢复塑性。 6）黄铜的热处理：黄铜的热处理：三、铜合金黄 铜 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 ) 2、青、青 铜：铜： 锡青铜是铜合金中综合性能最好的合金。锡青铜是铜合金中综合性能最好的合金。现代工业把现代工业把CuAlCuAl、CuBeCuBe、CuPbCuPb、CuSiCuSi等铜等铜合金也称为青铜，在青铜合金前面冠以主要合金元合金也称为青铜，在青铜

47、合金前面冠以主要合金元素的名称，如锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜等。素的名称，如锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜等。三、铜合金青 铜1 1）青铜的代号：）青铜的代号：“青青”拼音字头拼音字头“Q”Q”加主要合加主要合 金元素的名称及含量表示。铸造青铜在代号前加金元素的名称及含量表示。铸造青铜在代号前加“Z”Z”Q+主加元素主加元素+含量含量 青铜牌青铜牌( (代）号表示方法代）号表示方法(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(ZCuSn(ZCuSn1010P P1 1) )三、铜合金青 铜( tin

48、 bronze ) 2）锡）锡 青青 铜：铜： W WSnSn6%6%：单相单相固溶体，塑性好；固溶体，塑性好； W WSnSn6%6%：出现硬而脆的出现硬而脆的相（相（CuCu3131SnSn8 8为基的固溶为基的固溶 体），强度升高，但塑性开始下降；体），强度升高，但塑性开始下降； W WSnSn20%20%：出现大量的出现大量的相，合金完全变脆；相，合金完全变脆； 工业用锡青铜的含锡量大多工业用锡青铜的含锡量大多W WSnSn3%3%14%14%之间。之间。 压力加工锡青铜：压力加工锡青铜：W WSnSn6%6%7%7%， 铸造锡青铜：铸造锡青铜：W WSnSn大于大于7%7%三、铜合金青 铜锡青铜的性能锡青铜的性能：力学性能：力学性能：b b:550-750MPa:550-750MPa、 % %：4-10% HB1804-10% HB180左右左右铸造性能：铸造性能：获得完全符合铸模内型的铸件。获得完全符合铸模内型的铸件。适于铸造形状复杂，尺寸要求适于铸造形状复杂，尺寸要求精确，对致密度要求不太高的精确，对致密度要求不太高的铸件。铸件。流动性较差流动性较差凝固收缩率小凝固收缩率小铸件密度低，易渗漏铸件密度低，易渗漏三、铜合金青 铜锡青铜的性能：锡青铜的性能：抗蚀性：抗蚀性：好的耐磨性、无磁性、好的耐磨性、无磁性、冲击不产生火花冲击不产生火花。 耐蚀性