工程材料 第七章 有色金属

1、第七章第七章 有色金属有色金属定义定义：除黑色金属（钢、铁）以外的所有金属。：除黑色金属（钢、铁）以外的所有金属。2.2.性能特点性能特点：具有独特的性能。：具有独特的性能。 金属（密度金属（密度4.5g/cm3）；）；Cu、Ni等。等。 轻金属（密度轻金属（密度4.5g/cm3 ）；）；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。9.1 铝及铝合金铝及铝合金9.2 镁及镁合金镁及镁合金9.3 钛及钛合金钛及钛合金 1纯铝纯铝 第七章第七章 有色金属有色金属 密度小，2.7g/cm3，

2、为铁的1/3。 良好的导电性(仅次于Ag、Cu)和导热性。 在大气中具有良好的抗蚀性。 弹性模量小，为钢的1/3 。 硬度低，强度低，塑性好。 熔点低,660。 面心立方结构，无同素异构转变。高纯铝高纯铝：纯度为纯度为99.9399.99， L01、L02、L03、L04、L05（编号越大纯度越高）（编号越大纯度越高） 电容器电容器 工业高纯铝工业高纯铝：纯度为纯度为98.8599.9，L0、L00 铝箔、包铝及冶炼铝合金原料铝箔、包铝及冶炼铝合金原料 工业纯铝工业纯铝：纯度为纯度为98.099.0， L1、L2、 L3、L7（编号越大纯度越低）（编号越大纯度越低） 电线、电缆、器皿及配制合金

3、电线、电缆、器皿及配制合金 第七章第七章 有色金属有色金属分类1 1纯铝纯铝 为提高铝材料的强度、硬度，在铝中加入一定的合为提高铝材料的强度、硬度，在铝中加入一定的合金元素使之合金化，则可得到一系列性能各异的铝合金。金元素使之合金化，则可得到一系列性能各异的铝合金。 (1) 合金元素合金元素l常用的添加合金元素有常用的添加合金元素有： Cu、Mn、Zn、Mg、Sil合金元素的作用：合金元素的作用： 通过通过固溶强化固溶强化和和时效强化时效强化提高铝合金的硬度与强度提高铝合金的硬度与强度第七章第七章 有色金属有色金属(2) (2) 铝合金的分类与编号铝合金的分类与编号l按成分及工艺特点分：按成分

4、及工艺特点分： 变形变形Al合金：合金：成分低于成分低于B点，加热形成单相固溶体，点，加热形成单相固溶体，塑性好；塑性好； 铸造铸造Al合金：合金：成分高于成分高于B点，冷却时发生共晶反应，点，冷却时发生共晶反应，适于铸造生产。适于铸造生产。2铝合金铝合金变形变形Al合金合金铸造铸造Al合金合金LF防锈防锈Al（Mn、Mg）LY硬铝（硬铝（Al-Cu-Mg，少量，少量Mn）LC超硬超硬Al（Al-Mg-Zn-Cu，少量，少量Cr、Mn）LD锻锻Al（Al-Mg-Si-Cu或或Al-Cu-Mg-Ni-Fe） (后面的数字为顺序号后面的数字为顺序号)ZL102Al-SiZL101 Al-Si-Mg

5、ZL107 Al-Si-CuZL105/110 Al-Si-Mg -CuZL109 Al-Si-Mg Cu-NiZL201 Al-Cu 2铝合金铝合金 (2) (2) 铝合金的分类与编号铝合金的分类与编号 （1 1）退火）退火 完全退火：完全退火： 消除加工硬化，获得最大的成型性，为消除加工硬化，获得最大的成型性，为成型工序成型工序作准备。作准备。 不完全退火：不完全退火： 部分消除加工硬化效应，为随后小变形成型工序作准备。部分消除加工硬化效应，为随后小变形成型工序作准备。 显微组织：显微组织： (固溶体固溶体) )粒状金属间化合物粒状金属间化合物3. 铝合金的热处理铝合金的热处理第七章第七章

6、 有色金属有色金属（2 2）淬火）淬火l实质：实质：固溶处理固溶处理，固溶处理过程，固溶处理过程 中无相变发生。中无相变发生。l目的：目的：获得过饱和的、不稳定的获得过饱和的、不稳定的固溶体，为随后的时效处固溶体，为随后的时效处 理作准备。理作准备。l以以Al4%Cu合金为例：合金为例： 加热温度：加热温度：550左右左右 保温时间：随零件尺寸与形状而定。保温时间：随零件尺寸与形状而定。 冷却：在冷却：在40水中淬火。则可获得过饱和的水中淬火。则可获得过饱和的-固固溶体溶体。3. 铝合金的热处理铝合金的热处理第七章第七章 有色金属有色金属(3)(3)时效时效 过饱和的过饱和的-固溶体不固溶体不

7、稳定，有自发分解的趋势，稳定，有自发分解的趋势，自发分解的过程称为自发分解的过程称为时效时效。 人工时效人工时效（在加热条件（在加热条件下进行的时效）下进行的时效） 自然时效自然时效（室温下进行（室温下进行的时效）的时效）3. 铝合金的热处理铝合金的热处理4%Cu的铝合金自然时效曲线的铝合金自然时效曲线 (3) 时效时效n 人工时效人工时效 形成Cu原子富集区(GP区) Cu原子富集区有序化(区),形成过渡相 形成过渡相 形成稳定的n 自然时效自然时效 在室温下进行，Cu原子不容易扩散、偏聚，故强化速度很慢，以形成GP区为主，不形成相，合金的最大强度值也较高。铝合金时效强化示意图铝合金时效强化

8、示意图（a）铜在铝中的均匀固溶体）铜在铝中的均匀固溶体（b）铜原子聚集形成）铜原子聚集形成GP区区第七章第七章 有色金属有色金属3. 铝合金的热处理铝合金的热处理含含4Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线的铝合金在不同温度下的人工时效曲线（4 4）回归）回归l定义：定义：将自然时效后的将自然时效后的Al合金，在合金，在200250作短时间加作短时间加热几分钟，然后快冷到室温，就可软化并重新获得自然时热几分钟，然后快冷到室温，就可软化并重新获得自然时效前的能力，这种现象称为效前的能力，这种现象称为回归回归，而这种热处理方法则称，而这种热处理方法则称为为回归处理回归处理。l用途：用途： 经自然时

9、效强化的经自然时效强化的Al合金件，如在使用过程中发生合金件，如在使用过程中发生变形，可修复前先进行回归处理，减小加工变形的困难。变形，可修复前先进行回归处理，减小加工变形的困难。 只有自然时效的合金，才可进行回归处理只有自然时效的合金，才可进行回归处理 3. 铝合金的热处理铝合金的热处理第七章第七章 有色金属有色金属（1 1）不能热处理强化的变形铝合金）不能热处理强化的变形铝合金l定义：定义：这类合金主要有这类合金主要有Al-Mn、Al-Mg系合金两种。系合金两种。具有很高的抗蚀性，可用加工硬化提高强度。具有很高的抗蚀性，可用加工硬化提高强度。l用途：用途：航空油箱、油路导管航空油箱、油路导

10、管4. 变形铝合金变形铝合金（2 2）可热处理强化的变形铝合金）可热处理强化的变形铝合金 硬铝硬铝(Al-Cu-Mg系系)l合金成分合金成分 Al-Cu-Mg系中，系中，Cu、Mg在铝中可形成在铝中可形成固溶体，起固溶强化作用。此外，还可形成强固溶体，起固溶强化作用。此外，还可形成强化相化相CuAl2(相相)、和、和MgAl2(s相相)，进行强化。，进行强化。 4. 变形铝合金变形铝合金 硬铝硬铝(Al-Cu-Mg系系) 合金特性合金特性一般用自然时效，时间为一般用自然时效，时间为4昼夜。昼夜。如使用温度在如使用温度在150以上，则用以上，则用人工时效。人工时效。 表面处理：表面处理：硬硬铝铝

11、抗蚀性不高，通常用阳极氧化处理。抗蚀性不高，通常用阳极氧化处理。 热处理方法：热处理方法：淬火时效。加热温度淬火时效。加热温度500左右。左右。 冷却介质：冷却介质：882.5时，为体心立方，称为时，为体心立方，称为-Ti； 当温度当温度882.5时，为密排六方，称为时，为密排六方，称为-Ti。l性能优点：性能优点： 1、比强度高；、比强度高；2、热强度高；、热强度高；3、抗蚀性高。、抗蚀性高。l牌号：牌号：TA1TA37.3 7.3 钛及钛合金钛及钛合金 退火组织为退火组织为单相固溶体单相固溶体l合金元素溶于合金元素溶于-Ti中形成中形成固溶体，溶于固溶体，溶于-Ti中形成中形成固溶固溶体，

12、因溶解度的变化，都可提高其强度。体，因溶解度的变化，都可提高其强度。 (a) (b) (c) (d) （a）为添加）为添加Zr的的完全固溶型完全固溶型相图；相图；（b）为添加铝、氮、氧、锡、碳、镓等的）为添加铝、氮、氧、锡、碳、镓等的相稳定型相稳定型相图；相图；（c）为添加铌、钽、钼、钒等的）为添加铌、钽、钼、钒等的相稳定型相稳定型相图；相图；（d）为添加银、铜、钴、铬、铁、氢、锰、镍、钨、铋、硅等的）为添加银、铜、钴、铬、铁、氢、锰、镍、钨、铋、硅等的共析型共析型相图。相图。l按钛合金热处理组织可分为：按钛合金热处理组织可分为： 型钛合金：型钛合金： 组织为组织为固溶体固溶体，牌号为，牌号为

13、TA； 型钛合金：型钛合金： 组织为组织为固溶体固溶体，牌号为，牌号为TB； （+）型钛合金：）型钛合金： 组织为组织为(+)固溶体固溶体，牌号为，牌号为 TC。 2钛合金钛合金（1）型钛合金型钛合金 l退火组织：退火组织：单相单相固溶体，室温下为六方晶格。固溶体，室温下为六方晶格。l特点：特点：不能进行热处理强化，只进行退火处理，室温强不能进行热处理强化，只进行退火处理，室温强 度不高。耐热性高于合金化程度相同的其它钛度不高。耐热性高于合金化程度相同的其它钛 合金合金。l加工特点：加工特点：压力加工性较差，多采用热压加工成形。压力加工性较差，多采用热压加工成形。 2钛合金钛合金（2）型钛合金

14、型钛合金 l组织：组织：单相单相固溶体，室温、高温均为体心立方晶格。固溶体，室温、高温均为体心立方晶格。l特点：特点：可用热处理强化可用热处理强化（淬火时效淬火时效） 性能：性能：室温强度较高。室温强度较高。 耐热性不高。耐热性不高。350以下使用。以下使用。 热稳定性较差。热稳定性较差。 压力加工性能较好，熔炼工艺较复杂，目前应用压力加工性能较好，熔炼工艺较复杂，目前应用较少。较少。 2钛合金钛合金（3）+型钛合金型钛合金l组织：组织：+固溶体固溶体 l特点：特点：即可以在退火状态下使用，又可在淬火、时效状态即可以在退火状态下使用，又可在淬火、时效状态 下使用；通过下使用；通过淬火时效淬火时

15、效进行强化；进行强化； 性能：性能：高的室温强度和高温强度；高的室温强度和高温强度； 塑性较好；塑性较好； 应用最广泛。应用最广泛。（TC4-Ti6Al4V） 2钛合金钛合金3钛合金的热处理钛合金的热处理 （1）淬火）淬火l型钛合金型钛合金 一般不进行淬火，多在退火状态一般不进行淬火，多在退火状态下使用。下使用。l型钛合金型钛合金（成分位于成分位于C稍右的合金）的淬火稍右的合金）的淬火温度应选在温度应选在A C线附近，淬火后得到亚稳的线附近，淬火后得到亚稳的相。加热到这个温度时，晶粒不会过分长大，相。加热到这个温度时，晶粒不会过分长大，因而不降低合金的力学性能。因而不降低合金的力学性能。l（+

16、）钛合金）钛合金淬火加热温度一般选在（淬火加热温度一般选在（+）两相区的上部范围，这样可以获得较多数量两相区的上部范围，这样可以获得较多数量的亚稳的亚稳相，而且晶粒也不会过分长大相，而且晶粒也不会过分长大含有含有稳定元素的钛合金相图稳定元素的钛合金相图 含有含有稳定元素的钛合金相图稳定元素的钛合金相图 第七章第七章 有色金属有色金属3钛合金的热处理钛合金的热处理 （2）时效）时效 实质：实质： 依靠依靠相在时效过程中分解析出高弥散的相在时效过程中分解析出高弥散的 +组织，使合金强化。组织，使合金强化。 时效温度：时效温度：500左右左右 时效温度过高，析出的时效温度过高，析出的相粗大，强化效果

17、差；相粗大，强化效果差； 时效温度过低，保温时间需要很长。时效温度过低，保温时间需要很长。第七章第七章 有色金属有色金属（3 3）退火）退火 再结晶退火再结晶退火 目的：目的：消除加工硬化，恢复塑性，并获得比较稳定的组织。消除加工硬化，恢复塑性，并获得比较稳定的组织。 加热温度通常高于再结晶温度，但低于加热温度通常高于再结晶温度，但低于“”相变温度（相变温度（ 型钛合金除外），以避免晶粒长大。型钛合金除外），以避免晶粒长大。 去应力退火去应力退火 目的：目的：消除机械加工或焊接过程中所形成的消除机械加工或焊接过程中所形成的内应力内应力。加热温度一般都低于。加热温度一般都低于 再结晶温度。再结晶

18、温度。 稳定化退火稳定化退火 目的：目的：对于一些含有铁、锰、铬等成分，并在高温长期工作的钛合金，为对于一些含有铁、锰、铬等成分，并在高温长期工作的钛合金，为 使使合金组织尽可能接近平衡状态合金组织尽可能接近平衡状态，以免在使用过程中发生分解，使，以免在使用过程中发生分解，使 合金的热稳定性降低，需进行稳定化退火。合金的热稳定性降低，需进行稳定化退火。 稳定化退火稳定化退火多采用双重退火法（或称分级退火法）多采用双重退火法（或称分级退火法）.（4 4）强化热处理）强化热处理 目的：目的：消除晶界消除晶界相，粗大的相，粗大的片群体和单独粗大的片群体和单独粗大的相相。经过强化热处理后，合金的显微组

19、织发生了较大的变化，经过强化热处理后，合金的显微组织发生了较大的变化，晶界晶界相消失，片状相消失，片状群体变薄、变短，相互间呈编织状，群体变薄、变短，相互间呈编织状，合金的力学性能获得了较大的改善。合金的力学性能获得了较大的改善。 主要方法：主要方法：-固溶处理（固溶处理（ABST）；）；固溶处理（固溶处理（BST），），破碎组织处理（破碎组织处理（BUS）；）；GTEC处理；热化学处理处理；热化学处理（TCT）；成分固溶处理（）；成分固溶处理（CST）；高温渗氢处理）；高温渗氢处理（HTH）等。）等。 3钛合金的热处理钛合金的热处理（1 1） 发动机业发动机业： Ti5Al2.5Sn高强钛合

20、金高强钛合金齿轮套、发动机外壳、叶片罩齿轮套、发动机外壳、叶片罩 Ti8Al1Mo1V高温钛合金高温钛合金发动机叶片、陀螺仪导向罩、内蒙皮发动机叶片、陀螺仪导向罩、内蒙皮 Ti6Al4V（抗拉强度（抗拉强度895MPa）热处理强化钛合金）热处理强化钛合金核心机叶片及核心机叶片及叶轮叶轮 （2 2） 航空业航空业： Ti6Al2Sn强化钛合金强化钛合金紧固件、导向装置、重要结构紧固件、导向装置、重要结构 Ti4AlMo1V钛合金钛合金飞机骨架飞机骨架 TiSn5Zr1Mo钛合金钛合金起落架、飞机承重架、紧固件起落架、飞机承重架、紧固件 （3 3） 航天业航天业 钛合金钛合金1M1315火箭机盘、

21、导弹基座构件火箭机盘、导弹基座构件 钛合金钛合金1M1550导弹动力叶片套导弹动力叶片套 钛合金钛合金T-A6V飞船主用材料飞船主用材料 第七章第七章 有色金属有色金属F-22猛禽结构用钛猛禽结构用钛36t，2台发动机用钛台发动机用钛5t第七章第七章 有色金属有色金属俄罗斯的钛合金潜艇俄罗斯的钛合金潜艇第七章第七章 有色金属有色金属头颅模型及颅骨缺损的钛合金修复体头颅模型及颅骨缺损的钛合金修复体 第七章第七章 有色金属有色金属1 1、纯铜、纯铜l力学和工艺性能力学和工艺性能：极好的塑性，可碾极好的塑性，可碾压成极薄的板，拉成极细的铜线；压成极薄的板，拉成极细的铜线； 较低的抗拉强度较低的抗拉强

22、度，不宜作结构材料不宜作结构材料； 铸造性能差铸造性能差，熔化时易吸收熔化时易吸收CO和和SO2等气体，形成气孔。等气体，形成气孔。l工业纯铜按含杂质的量可分为四种：工业纯铜按含杂质的量可分为四种： T1、T2、T3、T4。 “T”是铜的汉语拼音字首，数字是铜的汉语拼音字首，数字为编号，数字愈大则纯度愈低为编号，数字愈大则纯度愈低。7.4 铜及铜合金铜及铜合金 2 2、铜合金、铜合金 在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不同，可分为黄铜、青铜和白铜。同，可分为黄铜、青铜和白铜。 （1 1）黄铜）黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。

23、按照化学成分，以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分黄铜分普通黄铜普通黄铜和和特殊黄铜特殊黄铜两类。两类。2 2、铜合金、铜合金 普通黄铜普通黄铜 铜和锌的二元合金，铜和锌的二元合金，具有相当好的抗腐蚀性，具有相当好的抗腐蚀性，加工性能很好。加工性能很好。 牌号：牌号：用用“H”加数字表示。加数字表示。 “H”是是“黄黄”字汉语字汉语拼音字首，数字表示平均拼音字首，数字表示平均含铜量，余量为含铜量，余量为Zn。黄铜含锌量与机械性能的关系黄铜含锌量与机械性能的关系 2 2、铜合金、铜合金 特殊黄铜特殊黄铜l为了改善黄铜的某些性能，向其中加入少量其它元素，如为了改善黄铜的某些性能

24、，向其中加入少量其它元素，如Al、Mn、Sn、Si、Pb等，形成固溶体，提高合金强度及改等，形成固溶体，提高合金强度及改善耐腐蚀性，这种黄铜称为善耐腐蚀性，这种黄铜称为特殊黄铜特殊黄铜。根据主要添加元素。根据主要添加元素命名为命名为锰黄铜锰黄铜、铅黄铜铅黄铜、锡黄铜锡黄铜等。等。l特殊黄铜的牌号：特殊黄铜的牌号： H主要元素符号铜含量主加元素含量主要元素符号铜含量主加元素含量l如如HPb59-1表示含表示含Cu-59%，含，含Pb-1%余为余为Zn的铅黄铜。具的铅黄铜。具有良好的切削加工性，适用热冲压和切削方法制作的零件。有良好的切削加工性，适用热冲压和切削方法制作的零件。(3)(3)青铜青铜 普通青铜普通青铜普通青铜是铜和锡的二元合金，也叫普通青铜是铜和锡的二元合金，也叫锡青铜锡青铜。 特点：特点：有良好的耐磨性，具有很高的耐蚀性能有良好的耐磨性，具有很高的耐蚀性能( (但耐