有色金属及合金-1

一些重要的有色金属及合金Non-ferrousmetalsandalloys绪论1、有色金属的重要地位1）在先进工业和尖端技术上的应用宇航、航空、航海、汽车、石油化工、电子、原子能等近代工业的发展，要求发展：高强度；高韧型；1、为什么含石墨的铸铁中一般Si含量较高?白口铸铁?灰口铸铁?球墨铸铁?2、什么叫应力腐蚀?密度小（轻质的）；耐高温、耐腐蚀；具有各种特殊物理性能的材料和新的加工工艺。具体表现为：①它是制造各种优质合金钢及耐热钢所需的合金元素；②许多有色金属、合金具有比重小、比强度(材料的强度与它的表观密度之比)高、耐热、耐腐蚀和良好的导电性、导热性、弹性及一些特殊的物理性质；③应用举例：

新型发动机用材料

—主要是Ti合金与Ni、Al合金和钢

形状记忆合金(TiNi)20℃时的原始状态形状记忆合金(TiNi)20℃时的被拉长状态形状记忆合金(TiNi)高于50℃时正在收缩中形状记忆合金(TiNi)基本恢复到原始状态2)地壳中的含量Al(8.8%);Mg(2.1%);Ti(0.6%);Fe(5.1%);W、Sn、Mo、Sb、Hg、Pb、Zn（在世界位前列）；

Cu、Al、Mn（占有重要地位）钛和稀土位世界第一。因此,中国发展有色金属和合金，大有可为。3)内容主要包括：铝以及铝合金；钛及钛合金第一节铝及其合金一、工业纯铝1、工业纯铝的独特性能和优点1）铝很轻，d=2.7g/cm3(dFe=7.8g/cm3;dCu=8.1g/cm3)，它是各种轻质结构材料的基本单元；2）导电性、导热性优良

AgCuAl(以体积计，依次减弱）如果以重量计，比Cu还好。3）塑性好；这与面心立方结构有关，它能实施冷或热压力加工制成各种型材；抗大气腐蚀性能好。在表面能形成极致密的氧化铝薄膜；强度很低(σb=80MPa—100MPa),冷变形加工后σb=150MPa—250MPa;2、应用电线、电缆以及导热和抗大气腐蚀对强度不高的用品与器皿。3、杂质与分类（1）杂质：工业纯铝，与化学纯铝不同，含有杂铝中有极低杂质元素铁，就会析出化合物铝中有杂质元素硅，就会共晶硅析出质，最常见的Fe与Si，Fe与Si含量影响它的导电、导热性；对塑性极为不利。(2)工业纯铝的牌号依其杂质的限量来编制的

L1、L2、L3（数字越大，纯度越高）二、铝合金的热处理原理铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效；退火属软化处理，目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性；淬火时效为强化处理，借助时效强化以提高合金的强度性能。1、Al-4Cu合金组织性能的一般变化1）如下图为Al-Cu相图；2）在548℃进行共晶转变：L→α+θ(CuAl2)3)铜在α相中的极限溶解度为5.65%，随着温度的下部分铝-铜系相图降，固溶度急剧减小，室温下为0.05%；θ组成为CuAl2，按化学式计算，θ相中铜的含量为54.08%,但实际为52.5—53.9%;Al-4Cu合金在缓冷时获得的组织为（α+θ）两相；铸造组织的抗拉强度为150MPa。4）如果将该合金加热到固溶度曲线以上，并迅速淬入干冰（-78℃），形成过饱和固溶体（含4%Cu)；抗拉强度为200MPa;若长期在干冰内保存，机械性能没有明显变化；5）但若从干冰中取出于室温下放置，则两小时后，开始出现硬化现象，硬度与强度增高，并随时间的增加，而加剧，八天后达最大值，以后不再变化；刚淬火后，HB=722天，HB=1028天，HB=10150℃15℃硬度时间（天）6）如将同一合金置于稍高的温度环境内，例如50℃，经两天后硬度就可以达到最高值，但其变化规律仍与室温相同；7）自然时效和人工时效自然时效：将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于100℃的温度环境下，由于停留时间的增加，硬度和强度增高的现象。人工时效：将合金置于100℃以上的环境中，硬度变化要复杂一些。这种在100℃以上所造成的时效硬化现象。过时效：超过硬度峰值的时效。Al-4Cu合金人工时效硬度的变化2、过饱和固溶体的性质合金时效处理前，先要通过固溶处理以获得过饱和固溶体；固溶体不仅对溶质原子是过饱和的，而且对空位这种晶体缺陷也是过饱和的，即处于双重饱和；沉淀析出过程是一种原子扩散过程，而空位的存在是原子扩散所必须具备的条件，因此，固溶体中的空位浓度及其溶质原子间的交互作用性质，必然对沉淀动力学过程产生影响；纯铝和铝合金淬火得到的过饱和空位是极不稳定的，容易向晶界或其它缺陷地带迁移，或形成位错。

但对于Al-Cu合金，铜原子与空位间存在一定的结合能，即铜原子与空位结合在一起，使空位能够比较稳定地处于固溶体中，不容易向缺陷地带迁移和消失。这种携带空位的铜原子在形成新相时的扩散过程，要比没有空位时容易得多。3、时效过程中的组织变化时效过程是第二相从过饱和固溶体中沉淀的过程，是固态相变的一种，通过新相的形核和长大的方式完成转变。1）相变时系统自由能的变化当因相中出现新相时，系统自由能的总变化为：ΔG=-VΔGv+Sσ+Vε上式：ΔG为系统自由能的总变化；V为新相的总体积；ΔGv为单位体积新旧二相自由能之差，应为负值；S为相界面的总面积；σ为单位面积相界面的界面能；ε为单位体积新相形成时的弹性应变能（由于新旧两相的比容或晶体结构不同造成的）。2）以Al-Cu合金为，分析它的相变过程

G.P.区形成：在室温下即可生成；它是铜原子在铝晶体的六面体{100}上聚集，形成了圆片状的脱溶区（厚度不超过几个原子距离、直径小于（10nm)；它没有独立的晶体结构，完全保持母相的晶格，并与母相共格；由于铜原子较铝原子小，G.P.区产生一定的弹性收缩。θ’’相：如果将Al-4Cu合金在较高的温度下进行时效,G.P.区的直径急剧长大，而且铜原子和铝原子逐渐形成规则的排列，即所谓正方有序化结构。

θ’’过渡相在基体的{100}面上形成为圆片状组织，厚度为8--20Å，直径为150--400Å。

θ’’过渡相与基体完全共格，但在Z轴方向上的晶格常数比基体晶格常数的两倍小一些，产生约4%的错配度。因此，它造成一个弹性共格应变场，对位错运动产生阻碍作用。θ’相：继续增加时效时间或提高时效温度，例如将Al-4Cu合金时效温度提高到200℃，过渡相转变为θ’，它属于正方点阵，其中a=b=4.04Å，c=5.80Å，名义成分为CuAl2。其大小则决定于时效时间和温度，直径约为100--6000Å，厚度为100--150Å。

由于在Z轴方向的错配度过大（约30%），在（010）和（100）面上的共格关系遭到破坏，θ’与基体成半共格关系。此时，它的应变能减小，意味着晶格畸变的减少，合金的硬度和强度下降，开始进入过时效阶段。θ相：进一步提高时效温度和延长时效时间，θ’过渡到平衡相θ，由于此时析出相与基体完全失去共格关系，故θ相的出现，意味着合金的硬度和强度显著下降。以上可以看出：时效析出强化的原理三、铝合金1、分类(1)铝合金相图的一般类型如下图所示。ⅡⅠ温度成分Me,%D’

AlFba铝合金相图的一般类型（2）根据成分与生产工艺分二大类形变铝合金和铸造铝合金变形铝合金：凡是位于D’左边的合金，在加热时能形成单相固溶体，塑性较好，适于压力加工。

形变铝合金：防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝。铸造合金：D’以右合金，有共晶组织，适于铸造而不适合于压力加工。

铸造铝合金：按主要合金元素不同分：Al-Si，Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn。（3）编号按国家标准的规定：1）铸造铝合金：“ZL”+3个数字，如ZL102ZL203;防锈铝用“LF”+一组顺序号；硬铝，“LY”

超硬铝，“LC”+一组顺序号表示；锻铝：“LD”2、铸造铝合金2.1定义：用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金；要求该合金有良好的铸造性能；因而，必须有适当数量的共晶体；2.2若干铝合金相图特点

Cu、Mg、Mn、Zn和Si等五种常见合金元素都能与铝形成共晶体：但Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn系中形成的共晶体中含有硬脆的化合物，因而随着这些共晶体的出现，合金性能迅速变坏；对于Al-Cu和Al-Mg系，共晶体不多，因此铸造性能不好。Al-Zn共晶点的Zn成分为95%,当选用共晶点附近成分时，它成为Zn合金了。实验证明：Al-Si合金中随着共晶体数量的增加，铸造性能、机械性能都越来越好；因此，以Al-Si为基础而发展起来的一类铸造合金是最重要的。2.3Al-Si系铸造铝合金（硅铝明）Al-Si系铸造铝合金称为硅铝明合金：简单硅铝明：不含其他合金元素；特殊硅铝明：除硅外含有其它合金元素；（1）简单硅铝明1）铸造特点含硅11—13%的合金铸造后全部为共晶体，因此该成分的合金铸造时流动性好，热裂倾向小；但是致密度不高，主要该合金吸气，导致结晶时能生成大量缩孔，因此，该合金适合于铸造形状复杂，但致密度要求不高的铸件。2）组织特点粗大的硅的针状晶体和α固溶体构成的共晶体。粗铝-硅二元相图共晶点的温度为577℃共晶点成分为:11.7wt%粗针状硅严重降低合金的塑性；变质处理：Na、Ti、B等①Na：溶入合金溶液的活性钠一方面促进硅的形核，另一方面能在初生的硅晶体表面阻碍硅晶体的生长；变为亚共晶结晶可能是Na右移共晶点。②Ti：TiAl3、TiB2先于α固溶体析出，成为α固溶体的非自发结晶中心。该合金的优点：铸造性能好，焊接性能好，比重小，抗蚀性、耐热性好；缺点：强度不够高，铸件密度小，不能淬火时效强化。未变质的Al-12%Si合金组织，X500Al-12%Si合金变质后的组织，X500（2）特殊硅铝明变质后的硅铝明，其强度提高不多，满足不了负荷较大的零件的要求；为了强化，可以在少许降低其中含硅量的同时，向合金中加入能形成强化相CuAl2(θ相）、Mg2Si(β相）、Al2CuMg(S相）等合金元素，这样的合金除变质处理外，还能进行淬火时效，进一步提高硅铝明的强度；加入的元素为：Cu、Mg等，形成强化相；实例：1）Zl101中含Si较少（6—8%)，但含少量Mg，Mg除变质外，可以进行淬火及人工时效处理（强化相Mg2Si)，这样获得的合金强度σb=200—230MPa(原先为160—170MPa）;2)Zl107铸铝：加入少量Cu(减少Si)

强化相为CuAl2;3)同时加入Cu与Mg：Al-Si-Cu-Mg系铸造铝合金这类合金采用多元少量原则，有多种合金元素存在，形成的强化相较多：CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg，Zl110、Zl105和Zl108就是这样的合金。在这类合金中，上述强化相的共同作用使合金在淬火时效后获得很高的强度及硬度。应用：制造形状复杂、性能要求高，如在较高温度下工作的零件（用在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上）。2.4其它的一些合金系Al-Cu系铸造铝合金：铸造性能不好，抗蚀性差，比强度低；Al-Mg系：耐蚀性好；强度高；Al-Zn系：自行淬火，时效强化。3、形变铝合金3.1防锈铝合金（LF)Al-Cu合金系的主要强化相为CuAl2,它本身有较强的时效强化能力和热稳定性，因而该合金系适合高温工作。Al-Cu合金淬火+时效处理后，硬度的变化Al-Mg合金相图，表明它可以进行时效强化处理β相为Mg5Al6淬火+时效处理后的Al-Mg合金的性能存在着一个Mg的最佳含量；含镁太高，淬火加热时难于完全固溶，从而使合金的强度与塑性下降。简单的Al-Zn二元铸造合金由于没有突出的优点未获实际应用。Al-Zn-Si合金是为了改善Al-Zn合金的铸造工艺性；

Zn在铝中有很高的溶解度，在铸造冷却中不发生分解，故获得相当的固溶强化；具有自淬火效应，这对于制造形状复杂、要求高尺寸稳定性的零件十分有利。(1)主要合金元素Mn：在铝中通过固溶强化提高合金的强度以及抗蚀能力；含Mn的防锈铝均具有比纯铝更好的抗蚀性。Mg：对合金的抗蚀性损伤较小，固溶强化效果较好，使合金比重降低。(2)几种防锈铝合金的主要特点：

Al-Mn(1.0—1.6%):抗蚀性好，强度高，可焊性好，切削性能差些（太软）。

Al-Mg(2-10%):比重小，强度高，相当好的抗蚀性，在冷变形或退火状态下使用。

锰起固溶强化作用；锰小于1.6%，强度较高，塑性较好，工艺性能也好；大于1.6%时，由于MnAl6形成，合金变形时容易开裂；锰提高合金的再结晶温度

这些合金均是单相固溶体，不能热处理强化，可以施以冷压力加工强化。3.2硬铝合金(LY)（1）成分：Al-Cu-Mg，还含有少量的