工程材料基础-第6章有色金属1

第六章有色金属及其合金NON-FERROUSMETALSANDALLOYS铝及铝合金滑动轴承合金金属材料虽然有色金属的年消耗量仅占金属材料消耗量的5％，但因其具有不同于钢铁材料的优越性能，故也非常重要有色金属黑色金属非铁金属及其合金AlCuTiMg滑动轴承合金铁及其合金第一节铝及铝合金ALUMINUMANDALUMINUMALLOYS

一、工业纯铝

Commerciallypurealuminum工业纯铝中wAl>99.00%，含有一些杂质(Fe、Cu、Si等),杂质量越多,导电性、抗蚀性及塑性降低愈多组织α（Al）Fe+Al+Si三元共晶

1.工业纯铝的特性

优良的导电、导热性

良好的塑性：，FCC

良好的低温韧性：－253℃不降低

低强度：

纯度：

良好的抗大气腐蚀性：膜致密Al2O3

比重小，2.72g/cm3

2.编号1×××纯铝A:原始纯铝B…:原始纯铝的改型0～9:对极限含量有特殊控制的杂质种类数新牌号国标：用4位数字加字符表示数字杂质极限含量的要求情况0：无特殊要求;1～9：对1种或几种杂质的极限含量有特殊要求小数点后面的两位数字1A991B991B85107011451235wAl>99.99%的原始纯铝原始纯铝1A99的改型原始纯铝1A85的改型wAl>99.70%对杂质无特殊控制要求的纯铝wAl>99.45%对1种杂质有特殊控制要求的纯铝wAl>99.35%对2种杂质有特殊控制要求的纯铝

3.应用主要是用来配制铝合金在电气工业中用铝代替铜作导线、电容器等还可以制作轻质、导热、耐大气腐蚀的器具及包覆材料等

二、铝合金

Aluminumalloys纯铝的强度、硬度低，不宜作受力的工程零构件。向铝中加入适量的合金元素可改变其组织结构，提高性能主加元素：Cu、Mg、Si、Zn、Mn等辅加元素：Ti、Zr、Cr、B等通过细晶强化、固溶强化、第二相强化及形变强化可使强度高达500~1000MPa，同时，由于其比强度大，广泛用作飞机的主要结构材料

1.铝合金的分类及强化机制1)铝合金的分类铝合金相图的一般形式铸造铝合金:D点以右D点以左(F以右的可热处理强化，F以左的不可热处理强化)铝合金共晶体点附近，不宜压力加工形变铝合金:D点以左αL+αL温度wBAlDD’F铸造铝合金变形铝合金铝合金一般均为共晶型合金变形铝合金铸造铝合金铝合金不可热处理铝合金可热处理铝合金Al-SiAl-CuAl-ZnAl-Mg2)强化机制(1)固溶强化铝合金中的相是固溶体，它是合金元素在Al中的固溶体，相的强度和硬度明显高于

Al的强度和硬度(2)形变强化变形铝合金具有较好的塑性和韧性，可通过塑性变形来提高合金的强度和硬度．塑性加工成型的同时，强度、硬度也提高(3)细晶强化（变质处理）

铸造铝合金铸造性能良好，适于铸造形成零构件毛坯．铸造时向熔液中加入形核剂（变质剂），可细化结晶组织，使合金的强度、硬度、塑性、韧性同时提高ZAlSi12的铸态组织（a）变质前150×（b）变质后350×

(a)(b)wSi=11~13%AlSiwSi/%T/℃αL11.7wSi=11~13%的铝硅合金（简称硅铝明）铸造后得到几乎全部是共晶组织（α+Si），其铸造性能非常好，但铸件的致密度低组织：粗大的针状硅晶体+α固溶体针状Si晶体α固溶体砂型铸造时σb＝140MPaδ＝3％不宜作为工业合金使用wSi=11~13%AlSiwSi/%T/℃αL11.7变质处理：2～3％（2/3NaF+1/3NaCl）活性Na能促进硅形核，阻碍晶粒长大；相图向右下方移动

wSi=11~13%的合金成为亚共晶合金。组织：初晶α+细小共晶体共晶体初生α相砂型铸造时σb＝180MPaδ＝8％(4)时效强化（第二相强化）

讲一个故事：一个偷懒的实验员Al-Cu合金相图的Al端部分5.6533.2Al无同素异构转变wCu=4%的Al-Cu合金，在548℃时Cu在α相中的最大溶解度为5.65%，而T<200℃时，溶解度<0.5%。θ相为CuAl2

－金属间化合物。固溶（淬火）＋时效处理——

将合金加热到单相固溶体状态后快冷，得到过饱和固溶体，此过程称为固溶处理．将所得到的过饱和固溶体在室温长时间放置（自然时效）或在低于饱和固溶度线的温度保温（人工时效），此过程称为时效处理。过时效——在时效过程中，过饱和固溶体中会析出细小的弥散分布的第二相微粒，使合金的强度不断提高，这种强化称为时效强化．如果时效时间过长，则随着第二相颗粒不断聚集长大，合金强度会逐渐降低，称为过时效

铝合金自然时效曲线

的铝合金在不同温度下的时效曲线tσb20℃100℃150℃200℃-5℃-50℃自然时效比人工时效强化效果好T↑强化效果↓，时间短，即时效速度↑室温以下时效，T↓，强化效果↓。当T<-50℃时，强度几乎不变，即低温可抑制时效。

2.形变铝合金1)分类及牌号××××A:原始合金B…:原始合金的改型0:原始合金1～9:

改型合金

2

3

4

5

6

7

8

9铜

锰

硅

镁

镁硅

锌

其他

备用阿拉伯数字为合金编号如：2A015A055B0570757475（1）铝铜合金（又称硬铝和锻铝）牌号：2×××成分：AL—Cu—Mg—(Mn)或（Si\Fe\Ni)热处理工艺特点：固溶+时效强化（自然时效）性能特点：强度较高，塑性好，可时效强化。元素作用：Cu,Mg:形成强化相（CuAL2,CuMgAL2）,时效强化；Mn提高抗腐蚀性能；固溶强化；淬火温度范围窄（淬温度范围5C）。缺点抗蚀性差，容易产生晶间腐蚀（海水中尤甚）。应用2A01、2A102A11、2A12主要用于飞机构件，如飞机蒙皮(2A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件；压气机叶轮、叶片，超音速飞机蒙皮。Cu、Mg含量低，强度低、塑性韧性好，适合制造铆钉Cu、Mg含量高，强度高（400-470MPa）、塑性韧性好，飞机构件如蒙皮、叶片等（2）铝锰合金（防锈铝合金）3×××组织与性能：单相固溶体。抗蚀性高（高于纯铝），塑性好，不能热处理强化，可加工硬化。应用：用于制造需要弯曲、冲压加工的零件。例如油箱、油管（罐）、铆钉（3A21）等。成分：AL—Mn（主）－Mg/Si/Fe（少）

Mn,Mg的作用：提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化

Si、Fe：固溶强化的作用（3）铝锌合金（超硬铝）7×××成分：Al－Zn（主）－Cu－Mg-Cr/Mn（少）特点：热塑性好，热加工后热处理，强度很高（可达680MPa)。缺点是耐热性、抗蚀性差（需要纯铝包覆）。应用：主要用于要求重量轻、工作温度不超过130度的受力较大的零件，如飞机蒙皮接头、大梁、壁架、起落架部件等强化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3，时效产生强烈的强化效果。时效后强度最高的铝合金7A04：飞机大梁、加强框、蒙皮接头、起落架等主要受力构件（4）铝锂合金（牌号8XXX）一种新型变形铝合金成分：Al-Cu-LiAl-Mg-LiAl-Cu-Mg-Li锂（li）的含量：0.9-2.8%固溶处理+时效强化热处理：性能特点：密度低，比强度、比刚度高（高于传统铝合金和钛合金），具有良好的疲劳强度和耐蚀、耐热性应用：民用飞机、战斗机、运输机和火箭等航天器的壳体、燃料箱等。“天宫一号”的资源仓采用铝锂合金制造，可减轻自重10％以上

。2)性能特点

较高强度、硬度

较高塑性、韧性

较好抗腐蚀性能

适合于塑性加工成形3)应用如飞机的：蒙皮，铆钉，大梁，框架，螺钉…

3.铸造铝合金30用于制造铸件的铝合金为铸造铝合金。其力学性能不如变形铝合金，但铸造性能好，可进行各种复杂零件的铸造成分特点有一定的共晶体，wMe＝8～25%分Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等四种例：ZAlSi12含Si量12%的铸造铝合金牌号GB/T1173－1995ZAl××主要合金元素的质量分数主要合金元素的化学符号铸造铝合金（1)分类及牌号ZL×××合金系列号铸造铝合金代号合金顺序号系列号合金系列1Al-Si2Al-Cu3Al-Mg4Al-Zn表6-3列出了常用铸造铝合金的代号、牌号、成分、力学性能及用途。代号ZL×××

12

34铝硅系

铝铜系

铝镁系

铝锌系合金序号如：ZL102ZL203ZL302ZL401Al-Si系是铸造性能和力学性能配合最好的铸造铝合金(1）简单铝硅铸造铝合金

ZL102（ZALSi12）

典型铸造铝合金介绍（Al-Si系）组织：（a+Si）共晶体用途：形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等共晶点性能：铸造性能好，强度低。变质细晶化处理提高强度（低于180MPa）在Al—Si基础上加入其它合金元素（Cu,Mn,Ni,Mg等）(2）复杂铝硅铸造合金（Al-Si-Cu/Mg/Mn/Ni）强化方式：时效强化，变质处理。性能：铸造性能好，较高的强度和耐磨性、耐热性。

应用：用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等（代号ZL109)。2)性能特点

良好的铸造性能

力学性能不如变形铝合金

成本较低

适合于形状复杂的零构件、箱体、壳体等3)应用如：内燃机活塞，汽缸体，壳体…第二节铜及铜合金38

一、工业纯铜纯铜呈玫瑰红色，表面氧化后生成的氧化铜呈紫红色，故称紫铜密度为8.91g/cm3，

属于重金属。熔点1083℃，无磁性，FCC，无同素异构转变1性能特点：无磁性；优良的导热、导电体优良的加工性能；耐腐蚀性能（大气、淡水河冷凝水中）2工业纯铜的代号：T1，T2，T3数字越大，纯度越低3纯铜的应用：导电、导热和耐腐蚀器件；配置铜合金40工业纯铜的显微组织

二、铜合金加入的合金元素：Zn,Sn,Al,Ni,Fe,Be,Ti,Si,Cr等1分类按化学成分分类黄铜青铜白铜按照生产工艺分类加工铜合金铸造铜合金三铜合金的性能和应用（主要介绍加工铜合金）1.加工黄铜Cu-Zn合金：以Zn为主要合金元素的加工铜合金。（1）代号：H+数字铜的质量分数（2）组织与性能：单相黄铜（a）：H80,H70,H68，单相组织。塑性好，强度低。适合冷塑性加工成板材、线材和深冲压零件两相黄铜（a+b)：双相组织。H62，H59。适合热加工，强度较高仅含锌的黄铜称普通黄铜，在普通黄铜基础上再加入其它合金元素形成的铜合金称特殊黄铜工业黄铜按退火态组织分为：单相黄铜（α

）和双相黄铜（α+β´）两种。单相α黄铜双相黄铜αβ´（3）加工黄铜的应用H68,H70,大量用于制造枪炮的弹壳，被称为“弹壳黄铜”。（三七黄铜）H59,H62:主要用于制造水管、油管和散热器，称为“商业黄铜”。（四六黄铜）为防止SCC，冷加工后的黄铜弹壳必须进行去应力退火处理（250℃×1h）H70,H68（弹壳黄铜单相黄铜）Cu-Ni合金，以Ni作为主要加入合金元素的铜合金（1）代号：B+数字Ni的质量分数（2）组织：单相固溶体（3）性能：冷热加工性能均好，耐蚀性高。（4）应用：精密机械、仪表中的零件,冷凝器、热交换器以及蒸馏器等。B52.白铜除了黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。主要添加的元素：Sn，Al，Si，Be等

1）锡青铜：Cu-Sn合金，以Al作为主要加入的合金元素（1）性能特点：具有优良的减磨性、抗磁性、低温韧性和耐磨性等。在海水、蒸汽和淡水中的抗蚀性优于纯铜和黄铜（2）应用：用于制造弹性元件、轴承等耐磨零件、抗磁和耐蚀零件。3.青铜(2)铝青铜的应用：低铝青铜（Al%:7-9%)：主要用于制造耐蚀的弹簧和弹性元件。高铝青铜（Al%:10-11%)

：主要制造船舶和飞机上的高强度、高耐磨的齿轮、轴承和轴套等零件。2）铝青铜：Cu-Al合金，以Al作为主要加入的合金元素。（1）性能特点：强度、硬度和耐磨性高于黄铜和锡青铜，铸造和焊接性能较差。3)铍青铜Cu-Be合金：以Be作为主要加入元素的铜合金。（1）性能特点：高强度、高硬度、耐磨性好，抗腐蚀、导电、导热性好。低温韧性、抗磁性好。受冲击不起火花。（2）应用：主要用于制造弹性元件、耐磨零件和防暴工具美国”中途”号航母及其内部铜合金制造的零部件第三节钛及钛合金TITANIUMANDTITANIUMALLOYS51国际市场钛材消费结构民用飞机钛材使用量

一、工业纯钛

Commerciallypuretitanium

1.工业纯钛的特性密度小（）高熔点（1688℃）良好的塑性、低温韧性强度低，但比强度高良好的抗腐蚀性良好的抗氧化性，优于大多数奥氏体不锈钢

性能特点

晶体结构：882.5℃以下,密排六方结构,882.5℃以上,体心立方结构,

2.牌号

3.应用TA1（0.20%O，0.03%N，0.10%C，0.25%Fe）TA2（0.25%O，0.05%N，0.10%C，0.30%Fe）TA3（0.30%O，0.05%N，0.10%C，0.40%Fe）

制作350℃以下工作、强度要求不高的零件及冲压件，如：石油化工用热交换器，海水净化装置，船舰零部件

1.型钛合金（TA）为固溶强化，但不可时效强化较高的高温（500-600℃）强度

特点

牌号：TA4（Ti-3Al）

TA5（Ti-4Al-0.005B）

TA6（Ti-5Al）

TA7（Ti-5Al-2.5Sn）

组织：室温或使用温度下均为单相固溶体

二、钛合金Titaniumalloys制作500℃以下的零构件，如航空发动机压气机叶片和管道，导弹的燃料罐，超音速飞机的涡轮机匣及火箭、飞船的高压低温容器

应用：淬火后塑性优异，冷成形性好固溶+时效处理后，强度提高

特点

典型牌号：

TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al），可时效强化

2.型钛合金（TB）

组织：淬火后为介稳定的单相固溶体制作350℃以下的零件和紧固件，如压气机叶片、轴、轮盘，飞机、宇航器结构件

应用：

典型牌号：

TC4(Ti-6Al-4V)，可时效强化

特点：兼具钛合金和钛合金的优点

3.型钛合金（TC）

组织：室温为制作400℃以下和低温下工作的零件，如火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件

应用：第四节轴承合金BEARINGALLOYS轴承：滑动轴承和滚动轴承滑动轴承承压面积大、工作平稳、无噪声且拆装方便，在许多机器设备中广泛使用。滑动轴承的构成：轴承体和轴瓦轴承合金：制造轴瓦和内衬的耐磨合金称为轴承合金径向滑动轴承的典型结构2滑动轴承的典型结构对开式径向滑动轴承(虚拟演示)对开式轴承(整体轴套)对开式轴承(剖分轴套)

保护轴颈转动平稳拆装方便承压面大比滚动轴承

1.滑动轴承的优点

2.对滑动轴承合金的性能要求工况条件滑动轴承的支承轴高速旋转，轴承承受交变载荷和冲击力，轴颈与轴瓦或内衬发生强烈摩擦，造成轴颈或轴瓦磨损轴承合金的性能要求足够的抗压强度、疲劳强度和冲击性能摩擦系数小，减摩性能好，良好的磨合性能和抗咬合能力，蓄油性能好，以减小轴颈磨损并防止咬合具有小的膨胀系数和良好的导热性能及耐腐蚀性能软基体＋硬质点软基体硬质点轴瓦与轴的分界面示意图硬基体＋软质点

3.滑动轴承合金的组织特点

4.常用滑动轴承合金轴承合金主要是有色金属合金，常用的有锡基和铅基轴承合金（巴氏合金）、铜基、铝基、铁基等锡基和铅基轴承合金都是低熔点轴承合金。组织特点：软基体上分布硬质