第九章有色金属及其合金

1、1）对力学性能的影响）对力学性能的影响固溶强化固溶强化（强度提高，塑性降低）；（强度提高，塑性降低）；细晶强化细晶强化（弥散第二相，强度、塑性（弥散第二相，强度、塑性都提高）；都提高）；弥散强化弥散强化（过饱和析出，强度提高，（过饱和析出，强度提高，塑性不降低）；塑性不降低）；相变强化相变强化（马氏体相变，高强度）；（马氏体相变，高强度）；耐磨性耐磨性（合金化合物提高耐磨性）（合金化合物提高耐磨性）说明合金元素对钢性能的影响说明合金元素对钢性能的影响2）对化学性能的影响）对化学性能的影响腐蚀，氧化腐蚀，氧化 Cr， Si， Al提高耐蚀性及抗高温氧化性提高耐蚀性及抗高温氧化性3）对工艺性能的影

2、响）对工艺性能的影响铸造铸造：Si促进石墨化，促进石墨化，热处理热处理：降低导热性，加热、冷却要慢；：降低导热性，加热、冷却要慢； 淬火能力（淬透性）淬火能力（淬透性） 提高回火稳定性（热硬性）提高回火稳定性（热硬性）焊接焊接：防止晶粒长大：防止晶粒长大第九章第九章 有色金属及合金有色金属及合金铁基合金称为黑色金属合金，铁基合金称为黑色金属合金，其它合金均称为有色金属合金其它合金均称为有色金属合金Al alloysCu alloysTi alloysNi alloysSuperalloysNon-ferrousMetal AlloysFerrousPure CuBrassesBronzesBe

3、-copperNi-silverCuMgMnSiZnAlZnMnVRefractory metalsNb (2468 C)Ta (2996 C)W (3410 C)Mo (2617 C)Ni-basedCo-basedMonelInconelHastelloy有色金属及合金分类有色金属及合金分类l有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特有许多优良的特性，性，如特殊的电如特殊的电、磁、热性能，耐磁、热性能，耐蚀性能及高的比蚀性能及高的比强度强度(强度与密度强度与密度之比之比)等，等，已成为已成为现代工业中不可现代工业中不可缺少的金

4、属材料缺少的金属材料.AlFe各种材料在先进汽车中占的重量百分比各种材料在先进汽车中占的重量百分比有色金属种类很多，本章介绍在机械工业中广有色金属种类很多，本章介绍在机械工业中广泛使用的铝合金、铜合金及钛合金。泛使用的铝合金、铜合金及钛合金。 l9.1.1 铝及铝合金性能特点铝及铝合金性能特点 l纯铝具有银白色金属光泽，密度小纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低，熔点低(660.4), b= 45 MPa;l导电、导热性能优良。导电、导热性能优良。l耐大气腐蚀，易于加工成形耐大气腐蚀，易于加工成形 。l具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。具有面心立方晶格，无同素异构转变，

5、无磁性。l纯铝强度低，需合金化。铝合金既具有高强度又保纯铝强度低，需合金化。铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性持纯铝的优良特性 。l铝合金常加入的元素主要有铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。等辅加元素。 铝合金型材铝合金型材铝铸件铝铸件l可将铝合金分可将铝合金分为为变形铝合金变形铝合金和和铸造铝合金铸造铝合金两大类。两大类。l变形铝合金又变形铝合金又分为分为可热处理可热处理强化强化和和不可热不可热处理强化处理强化两类两类.铝合金分类示意图铝合金分类示意图l9.1.2 铝合金的分类及热处理铝合金的分类及热处理l铝合

6、金一般具有有限固溶型共晶相图。铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。 并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。l时效时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。度保温，以析出弥散强化相的热处理。 l可热处理强化变形铝合可热处理强化变形铝合金的热处理方法：金的热处理方法：固溶固溶处理处理 + 时效时效。l固溶处理固溶处理是指将合金加是指将合金加热到固溶线以上，保温热到固溶线以上，保温加热固溶淬火过饱和时效析出l在室温下进行的时效称在室温下进行的时效称自然时效自然时效；在加热条件下进；

7、在加热条件下进行的时效称行的时效称人工时效人工时效。l时效强化效果与加热温度和保温时间有关。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 l温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强析出相聚集长大，强度下降，为度下降，为过时效过时效。随时效温度提高，峰随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值强度下降，出现峰值的时间提前。值的时间提前。含含4%Cu铝合金的时效曲线铝合金的时效曲线 时效时间时效时间/d时效时间时效时间屈服强度屈服强度时效峰时效峰过时效过时效亚时效亚时效铝合金的热处理铝合金的热处理铝合金制品

8、铝合金制品高比强铝合金机翼高比强铝合金机翼美美F-117隐身战斗机隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金所用材料大部分是铝合金)1-纯铝（纯铝（99%Al)2-铝铜合金铝铜合金3-铝锰合金铝锰合金4-铝硅合金铝硅合金5-铝镁合金铝镁合金硬铝主加元素为硬铝主加元素为Cu, 时效强化，时效强化，2A11: 3.8 4.8%Cu，0.4 0.8%Mg, 0.4 0.8%Mn 2A12: 3.8 4.9%Cu，1.2 1.8%Mg, 0.3 0.9%Mn 防锈铝合金主加元素为防锈铝合金主加元素为Mg, 5A05: 4.8 5.5%Mg, 0.3 0.6%Mn 一、变形铝合金一、变形铝合金9.1.3 常用铝

9、合金常用铝合金l（一）（一） 硬铝合金硬铝合金l主要是主要是Al-Cu基合金，有时含少量基合金，有时含少量Mg, Zn等。等。l固溶时效处理（弥散强化）固溶时效处理（弥散强化），也可进行变形强化。，也可进行变形强化。l强度、硬度高，加工性能好。强度、硬度高，加工性能好。中等强度如中等强度如：LY11 (2A11)：Al-3.8 4.8%Cu b= 390 MPaLY12 (2A12)Al-3.8 4.9%Cu-1.2 1.8%Mg b= 440 MPal高强度如高强度如 LC4 (7A04 ) Al-1.4 2.0%Cu-1.8 2.8%Mg-5.0 7.0%Znl时效强化效果超过硬铝合金。时

10、效强化效果超过硬铝合金。l主要用于工作温度较低、受力较大的结构件主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞如飞机大梁机大梁、起落架等。起落架等。l(二）二） 防锈铝合金防锈铝合金lAl-Mg系合金，系合金，Mg主要作用是主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。l防锈铝合金锻造退火后组织为防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体单相固溶体，抗蚀性、，抗蚀性、焊接性能好，焊接性能好，不能进行热处理强化，常利用加工硬不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。化提高其强度。 LF5(5A05) Al-4.8 5.5%Mg b= 265 MPa制造管道、容制造管道、容器、铆钉及承器、铆钉及承

11、受中等载荷的受中等载荷的零件。零件。lAl- Si系：系： 代号为代号为ZL1+两位数字顺序号两位数字顺序号lAl-Cu系：系：代号为代号为ZL2+两位数字顺序号两位数字顺序号lAl-Mg系：系：代号为代号为ZL3+两位数字顺序号两位数字顺序号lAl-Zn系：系： 代号为代号为ZL4+两位数字顺序号两位数字顺序号l Al-Si系铸造铝合金系铸造铝合金 l又称又称硅铝明硅铝明。其中。其中ZL102(ZAlSi12)是含是含12%Si的铝硅二元合的铝硅二元合金，称为金，称为简单硅铝明简单硅铝明。 57712.7%二、铸造铝合金二、铸造铝合金 未变质处理未变质处理 经变质处理经变质处理 ZL102的

12、铸态组织的铸态组织加入其他合金元素的铝硅铸造合加入其他合金元素的铝硅铸造合金称金称复杂复杂(或特殊或特殊)硅铝明硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。接性能。 用于各种壳体、汽缸用于各种壳体、汽缸体、风机叶片、发动体、风机叶片、发动机活塞、汽车轮毂等。机活塞、汽车轮毂等。l Al-Cu系铸造铝合金系铸造铝合金l这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。系合金。汽缸头汽缸头l常用代号有常

13、用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。等。主要用于主要用于制造在较高温度下工作制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽缸头、汽车活塞等。l Al-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金l这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。能差，耐热性低。l常用代号为常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等。等。l主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。

14、介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。l Al-Zn系铸造铝合金系铸造铝合金l这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。化；但密度大，耐蚀性较差。l常用代号为常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。等。l主要用于制造形状复主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。飞机、仪器零件。l9.2.1 铜及铜合金性能特点铜及铜合金性能特点l纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。无同素异构转

15、变，无磁性。 l纯铜密度为纯铜密度为8.9 g/cm3, 熔点熔点1083 C, b=200 250MPa;l纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。 l铜合金常加元素为铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。l铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜管铜管铜与黄铜带铜与黄铜带 黄铜按化学成分可分为黄铜按化学成分可分为普通黄铜普通黄铜和和特殊黄铜特殊

16、黄铜。按工艺可分为按工艺可分为加工黄铜加工黄铜和和铸造黄铜铸造黄铜。 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。9.2.2 黄铜黄铜l1、普通黄铜、普通黄铜l铜与锌的二元合金称为普通铜与锌的二元合金称为普通黄铜。黄铜。l加工普通黄铜的牌号为：加工普通黄铜的牌号为：H (黄黄) + 表示铜平均百分含量表示铜平均百分含量的数字的数字，如，如H68。l从铜锌合金相图可以看出黄铜从铜锌合金相图可以看出黄铜 有有 和和 + 两种组织，分别称两种组织，分别称单相黄铜单相黄铜和和两相黄铜两相黄铜。 l单相黄铜单相黄铜塑性好。塑性好。l常用牌号有常用牌号有H80、H70、 H 6

17、8。l适于制造冷变形零件，如适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。弹壳、冷凝器管等。l两相黄铜两相黄铜热塑性好热塑性好, 强度高。强度高。l常用牌号有常用牌号有H59、H62。l适于制造受力件，如垫圈、适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。弹簧、导管、散热器等。冷凝器管冷凝器管汽车机油泵衬套汽车机油泵衬套l2、特殊黄铜、特殊黄铜l在普通黄铜的基础上加入在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。等元素形成特殊黄铜。 l加工特殊黄铜的牌号为：加工特殊黄铜的牌号为：lH(黄黄)+主加元素符号主加元素符号(Zn除除外外)+铜平均百分含量铜平均百分含

18、量+主加元主加元素平均百分含量素平均百分含量, 如如HPb59-1。 l特殊黄铜强度、耐蚀性比普特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。通黄铜好，铸造性能改善。 黄铜制品黄铜制品l常用牌号有常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。等。l主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。桨、轴承、衬套及阀体等。 l除黄铜和白铜外的其他铜合金除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。统称为青铜。 l加工青铜的牌号为：加工青铜的牌号为：Q +

19、主加主加元素符号及其平均百分含量元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量其他元素平均百分含量l如如QSn4-3(含含4%Sn、3%Zn)。l常用青铜有锡青铜、铝青铜、常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 青铜制品青铜制品9.2.3 青铜青铜l1、锡青铜、锡青铜l是以锡为主加元素的铜合金，是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为锡含量一般为38%。 l锡青铜铸造流动性差，铸件密锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小在有色金属中最小 。l锡青铜耐蚀性良好，在大气、锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无

20、机盐溶液中的耐蚀性海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。盐酸和氨水中的耐蚀性较差。 l常用牌号有常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。等。l主要用于耐蚀承载件，主要用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、齿轮如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管锡青铜管船用青铜软船用青铜软管快速接头管快速接头阀阀( (锡青铜阀锡青铜阀体、阀盖体、阀盖) )l2、铝青铜、铝青铜l以铝为主加元素的铜合金，铝含量为以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。 强度、硬度、耐强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀

21、性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 常用牌号有常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。等。 主要用于制造船舶、主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。轴套、螺旋桨等。l3、铍青铜、铍青铜l以铍为主加元素的铜合金以铍为主加元素的铜合金,铍含量为铍含量为1.72.5%。l具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。l常

22、用牌号有常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等等 。l用于重要的弹性件、耐磨用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。具、航海罗盘等重要机件。普通白铜普通白铜是是Cu-Ni二元合金，二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工疲劳性能及优良的冷热加工性能。性能。 普通白铜普通白铜牌号：牌号：B+镍的平均镍的平均百分含量百分含量，如，如B5。常用牌号有常用牌号有B5、B19等等 。用。用于在蒸汽和海水环境下工作于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械的精密机械,仪

23、表零件及冷凝仪表零件及冷凝器器,蒸馏器蒸馏器,热交换器等。热交换器等。 l以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和分普通白铜和特殊白铜。特殊白铜。9.2.4 白铜白铜LL+成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线ABl特殊白铜特殊白铜是在普通白铜基础上添加是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。l其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。l常用牌号如常用牌号如BMn40-1.5（康铜）、（康铜）、BMn43-0.5（考铜）。（考铜）。l用

24、于制造精密机械、仪表零件及用于制造精密机械、仪表零件及 医疗器械等。医疗器械等。康铜热偶康铜热偶白铜型材白铜型材l9.3.1 工业纯钛工业纯钛 l纯钛密度小纯钛密度小(4.5)，熔点高，熔点高(1688 )。882.5发生发生同素异构转变同素异构转变 -Ti -Ti, 由体心立方由体心立方 -Ti转变为密转变为密排六方排六方 -Ti.l纯钛比强度高，塑性、纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。低温韧性和耐蚀性好。美美F-22战机约战机约36%重量的零重量的零件用钛合金制造件用钛合金制造l9.3.2 钛合金钛合金l钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度强度和再结晶温度.l按退火组织，钛合金可分为按退火组织，钛合金可分为 型钛合金、型钛合金、 型钛合金和型钛合金和 + 型型钛合金三类，它们的牌号分别用钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示加顺序号表示 。如如TA5、TB2、TC4等。其中等。其中TA0TA3为工业纯钛。为工业纯钛。l1、 型钛合金型钛合金主加元素为铝，还有锡、主加元素为铝，还有锡、硼等。硼等。不能热处理强不能热处理强化，通常在退火状态化，通常在退火状态下使用下使用,组织为单相组织为单相 固溶体。固溶体。用于用于500 C以下长期工作的模锻以下长期工作的模锻件，同