工程材料第七章有色金属

工程材料第七章有色金属第一页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属1.定义：除黑色金属（钢、铁）以外的所有金属。2.性能特点：具有独特的性能。3.分类

金属（密度＞4.5g/cm3）；Cu、Ni等。轻金属（密度＜4.5g/cm3

）；Al、Mg等。贵重金属；Au、Ag、Pt等。稀有金属；W、Ti、Ra、Nb等。半金属；Si、Te、B等。9.1铝及铝合金9.2镁及镁合金9.3钛及钛合金第二页，共五十五页，2022年，8月28日7.1铝及铝合金1．纯铝

第七章有色金属

①密度小，2.7g/cm3，为铁的1/3。②良好的导电性(仅次于Ag、Cu)和导热性。③在大气中具有良好的抗蚀性。④弹性模量小，为钢的1/3。⑤硬度低，强度低，塑性好。⑥熔点低,660℃。⑦面心立方结构，无同素异构转变。特点第三页，共五十五页，2022年，8月28日

高纯铝：纯度为99.93～99.99％，

L01、L02、L03、L04、L05（编号越大纯度越高）

电容器

工业高纯铝：纯度为98.85～99.9％，L0、L00

铝箔、包铝及冶炼铝合金原料

工业纯铝：纯度为98.0～99.0％，

L1、L2、L3、…L7（编号越大纯度越低）

电线、电缆、器皿及配制合金

第七章有色金属分类1．纯铝第四页，共五十五页，2022年，8月28日2．铝合金

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。

(1)合金元素常用的添加合金元素有：

Cu、Mn、Zn、Mg、Si合金元素的作用：通过固溶强化和时效强化提高铝合金的硬度与强度。第七章有色金属第五页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属(2)铝合金的分类与编号按成分及工艺特点分：

变形Al合金：成分低于B点，加热形成单相固溶体，塑性好；铸造Al合金：成分高于B点，冷却时发生共晶反应，适于铸造生产。2．铝合金第六页，共五十五页，2022年，8月28日变形Al合金铸造Al合金LF－防锈Al（Mn、Mg）LY－硬铝（Al-Cu-Mg，少量Mn）LC－超硬Al（Al-Mg-Zn-Cu，少量Cr、Mn）LD－锻Al（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe）

(后面的数字为顺序号)ZL102－Al-SiZL101－Al-Si-MgZL107－Al-Si-CuZL105/110－Al-Si-Mg-CuZL109－Al-Si-Mg–Cu-NiZL201－Al-Cu

2．铝合金

(2)铝合金的分类与编号第七章有色金属第七页，共五十五页，2022年，8月28日（1）退火

①完全退火：

消除加工硬化，获得最大的成型性，为成型工序作准备。

②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。

③显微组织：

α(固溶体)＋粒状金属间化合物3.铝合金的热处理第七章有色金属第八页，共五十五页，2022年，8月28日

（2）淬火实质：固溶处理，固溶处理过程

中无相变发生。目的：获得过饱和的、不稳定的α固溶体，为随后的时效处

理作准备。以Al－4%Cu合金为例：

加热温度：550℃左右

保温时间：随零件尺寸与形状而定。

冷却：在40℃水中淬火。则可获得过饱和的α-固溶体。3.铝合金的热处理第七章有色金属第九页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

(3)时效

过饱和的α-固溶体不稳定，有自发分解的趋势，自发分解的过程称为时效。

人工时效（在加热条件下进行的时效）

自然时效（室温下进行的时效）3.铝合金的热处理4%Cu的铝合金自然时效曲线第十页，共五十五页，2022年，8月28日(3)时效人工时效

①形成Cu原子富集区(GP[Ⅰ]区)②Cu原子富集区有序化(GP[Ⅱ]

区),形成过渡相θ″。③形成过渡相θ′④形成稳定的θ相(CuAl2)

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θ′相，合金的最大强度值也较高。铝合金时效强化示意图（a）铜在铝中的均匀固溶体（b）铜原子聚集形成GP区第七章有色金属第十一页，共五十五页，2022年，8月28日3.铝合金的热处理含4％Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线第七章有色金属第十二页，共五十五页，2022年，8月28日

（4）回归定义：将自然时效后的Al合金，在200～250℃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效前的能力，这种现象称为回归，而这种热处理方法则称为回归处理。用途：

①经自然时效强化的Al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。②只有自然时效的合金，才可进行回归处理

3.铝合金的热处理第七章有色金属第十三页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属（1）不能热处理强化的变形铝合金定义：这类合金主要有Al-Mn、Al-Mg系合金两种。具有很高的抗蚀性，可用加工硬化提高强度。用途：航空油箱、油路导管4.变形铝合金第十四页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属（2）可热处理强化的变形铝合金

①硬铝(Al-Cu-Mg系)合金成分

Al-Cu-Mg系中，Cu、Mg在铝中可形成固溶体，起固溶强化作用。此外，还可形成强化相CuAl2(θ相)、和MgAl2(s相)，进行强化。4.变形铝合金第十五页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

①硬铝(Al-Cu-Mg系)

合金特性一般用自然时效，时间为4昼夜。如使用温度在150℃以上，则用人工时效。

表面处理：硬铝抗蚀性不高，通常用阳极氧化处理。热处理方法：淬火＋时效。加热温度500℃左右。

冷却介质：<40℃的水

常用牌号：LY11－用于整流罩、螺旋桨

LY12－翼梁、长桁4.变形铝合金第十六页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

②超硬铝(Al-Zn-Mg-Cu系)合金成分

主要强化相：η相(MgZn2)和T相(Mg3Zn3Al2)，

辅助强化相：S相（Al2CuMg）和θ相（CuAl2）。合金特性

机械性能：热处理强化后，其强度超过一般的硬铝合金，

比强度相当于超高强度钢，但其缺口敏感性较高，疲劳强度

及断裂韧性较低。耐蚀性：耐蚀性能较低，特别是应力腐蚀倾向较大。

原因：MgZn2相电极电位较低。热处理：淬火＋时效常用牌号及用途：LC4、LC9-飞机的大梁、桁条、翼肋、蒙皮4.变形铝合金飞机前起落架第十七页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

③锻Al(Al-Cu-Mg-Si系)合金成分

除Mg、Si、Cu部分溶入铝中形成固溶体外，可形成强化相为：Mg2Si、CuMgAl2、CuAl2，其中Mg2Si是主要强化相。合金特性机械性能，热塑性好，可进行锻造。热处理：淬火＋时效常用牌号及用途

LD5－形状复杂、强度中等的锻件。4.变形铝合金第十八页，共五十五页，2022年，8月28日5.铸造铝合金

定义：一般是指Al-Si系合金，通常称为硅铝明，可分为简单硅铝明和复杂硅铝明。（1）简单硅铝明

合金成分

Al-Si二元合金，牌号为：ZL-102，含10~13%Si。微观组织:

(α＋Si)共晶体，其中硅呈粗大的针状。

强度和塑性都很低，为改善组织和性能，必须做变质处理；在液态合金中，加入0.1%Na或2~3%钠盐(2/3NaF+1/3NaCl)；第七章有色金属第十九页，共五十五页，2022年，8月28日

5.铸造铝合金（1）简单硅铝明变质处理后组织：共晶体中硅由粗大针状变为细粒状，初生的块状硅，被树枝状的α固溶体替代，即过共晶组织变为亚共晶组织。性能：

ZL-102接近共晶成分，流动性很好。α相与Si相的电极电位差很小，抗蚀性好。ZL102的铸态组织第七章有色金属第二十页，共五十五页，2022年，8月28日5.铸造铝合金

（2）复杂硅铝明

在简单的Al-Si二元合金中，加入Cu、Mg、Mn等合金元素，就形成了复杂硅铝明，因Cu、Mg在铝中的溶解度有变化，所以可以热处理强化。

●常用的牌号有：

ZL-101、ZL-104、ZL-103发动机缸体及缸盖第七章有色金属第二十一页，共五十五页，2022年，8月28日7.2镁及镁合金

1.纯镁性能

镁的密度为1.74g/cm3（约相当于铝的2/3）电极电位很低，所以抗蚀性很差，镁的化学活性很强。高温下镁氧化更剧烈，如果氧化反应放出的热量不能及时散发，则很容易燃烧。镁为密排六方晶格，故力学性能很低，尤其是塑性比铝低得多（δ=10％），不能用作结构材料。

2.镁合金化

主要的合金元素：铝、锌及锰。

在镁中都有溶解度变化，可利用热处理方法（淬火+时效）来强化，强度可达300～350MPa。第七章有色金属第二十二页，共五十五页，2022年，8月28日3.镁合金分类与编号按加工工艺可分为：变形镁合金与铸造镁合金。

●变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等；●铸造镁合金牌号以“ZM”加数字表示，如ZM1、ZM5等。国外应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，有四个系列：

AZ系列Mg-Al-Zn；AM系列Mg-Al-Mn；

AS系列Mg-Al-Si；AE系列Mg-Al-RE。我国各有三个系列：

●铸造镁合金：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn。●变形镁合金：Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。第七章有色金属第二十三页，共五十五页，2022年，8月28日4.镁合金特点

（1）性能特点：

比强度高、减振性好、切削加工性好、抗蚀性差（2）热处理特点：

合金元素含量较少的镁合金：退火处理

合金元素含量较多的镁合金：淬火＋人工时效，且时间较长。

镁的化学稳定性低，加热温度应准确控制。在普通电炉中加热必须通入保护气氛(一般通入SO2气体或在炉中放置一定数量的硫铁矿碎块)，以防镁合金的氧化燃烧。第七章有色金属第二十四页，共五十五页，2022年，8月28日镁合金的主要合金元素有Al、Zn和Mn等，有害元素有Fe、Ni和Cu等。第七章有色金属

5.合金元素对镁合金的影响第二十五页，共五十五页，2022年，8月28日6.变形镁合金的组织及性能

MBl5－－－Mg-Zn-Zr系合金，

高强度变形镁合金；由于其含锌量高，且在镁中的溶解度随温度变化较大，能形成强化相MgZn，所以能热处理强化。●锆在镁中能细化晶粒，并能改善抗蚀性。组织组成：

●

α相和沿晶界分布的β相组成，并存在孪晶组织。热处理工艺：

●经热挤压的型材及锻件不经淬火，只进行人工时效即可强化。人工时效的温度一般为160~170℃，保温10～24小时。

●MBl5合金是常用变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的。第七章有色金属第二十六页，共五十五页，2022年，8月28日性能：

☆

400℃以下挤压，挤压合金已发生再结晶。

☆

300℃进行冷挤压，材料内部保留了许多冷加工的显微组织特征。

☆在再结晶温度以下挤压可使挤压制品获得更好的力学性能。应用：

室温下承受大载荷零件，如机翼长桁、翼肋等，使用温度不超过150℃。第七章有色金属6.变形镁合金的组织及性能第二十七页，共五十五页，2022年，8月28日7.铸造镁合金的组织及性能

航空工业上应用较多的是ZM5合金，属Mg-A1-Zn系。组织组成：

α相+晶界析出的β相

Mg-Al-Zn合金组织成分常常出现晶内偏析现象，先结晶部分含Al量较多，后结晶部分含Mg量较多。晶界含Al量较高，晶内含Al量较低；表层Al含量较高，里层Al含量较低。压铸Mg-Al-Zn合金组织

第七章有色金属第二十八页，共五十五页，2022年，8月28日7.铸造镁合金的组织及性能冷却速度的影响：压铸组织表层组织致密、晶粒细小；而心部组织晶粒比较粗大。因而表面层硬度明显高于心部硬度。热处理：淬火+人工时效由于其含铝量较高，能形成较多的强化相Mg17A112。应用：

ZM5合金广泛用于制造飞机、发动机、仪表等承受较高负荷的结构件或壳体。第七章有色金属第二十九页，共五十五页，2022年，8月28日

8.冶金缺陷对镁合金性能的影响

●镁合金夹杂物主要是MgO，同时还有Al2O3、SiO2、Fe2O3以及MgC12、NaCl、KCl等。●铸造缺陷（如空隙、夹杂物）是疲劳裂纹源，有利于裂纹萌生。镁合金铸锭夹杂物扫描电子显微形貌第七章有色金属第三十页，共五十五页，2022年，8月28日9.

镁合金的应用存在的问题镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150～350℃）场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。

第七章有色金属第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日7.2镁及镁合金江铃汽车第七章有色金属第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属物理性能：银白色，熔点：1667℃［比Fe(1553℃)高］，密度：4.5g/cm3。晶格类型：具有同素异构转变

当温度>882.5℃时，为体心立方，称为β-Ti；

当温度<882.5℃时，为密排六方，称为α-Ti。性能优点：

1、比强度高；2、热强度高；3、抗蚀性高。牌号：TA1－TA37.3钛及钛合金

1.纯钛退火组织为α单相固溶体第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属合金元素溶于α-Ti中形成α固溶体，溶于β-Ti中形成β固溶体，因溶解度的变化，都可提高其强度。

2．钛合金(a)(b)(c)(d)

（a）为添加Zr的完全固溶型相图；（b）为添加铝、氮、氧、锡、碳、镓等的α相稳定型相图；（c）为添加铌、钽、钼、钒等的β相稳定型相图；（d）为添加银、铜、钴、铬、铁、氢、锰、镍、钨、铋、硅等的β共析型相图。第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属按钛合金热处理组织可分为：

α型钛合金：组织为α固溶体，牌号为TA；

β型钛合金：组织为β固溶体，牌号为TB；（α+β）型钛合金：

组织为(α+β)固溶体，牌号为TC。

2．钛合金第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属（1）α型钛合金

退火组织：单相α固溶体，室温下为六方晶格。特点：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

合金。加工特点：压力加工性较差，多采用热压加工成形。

2．钛合金第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属（2）β型钛合金

组织：单相β固溶体，室温、高温均为体心立方晶格。特点：可用热处理强化（淬火＋时效）性能：室温强度较高。

耐热性不高。350℃以下使用。热稳定性较差。压力加工性能较好，熔炼工艺较复杂，目前应用较少。

2．钛合金第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

（3）α+β型钛合金组织：α+β固溶体特点：即可以在退火状态下使用，又可在淬火、时效状态

下使用；通过淬火＋时效进行强化；性能：高的室温强度和高温强度；塑性较好；应用最广泛。（TC4---Ti6Al4V）

2．钛合金第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日3．钛合金的热处理

（1）淬火α型钛合金一般不进行淬火，多在退火状态下使用。β型钛合金（成分位于Cβ稍右的合金）的淬火温度应选在ACβ线附近，淬火后得到亚稳的β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。（α+β）钛合金淬火加热温度一般选在（α+β）两相区的上部范围，这样可以获得较多数量的亚稳β相，而且晶粒也不会过分长大。含有β稳定元素的钛合金相图含有α稳定元素的钛合金相图第七章有色金属第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日3．钛合金的热处理

（2）时效

●实质：依靠β′相在时效过程中分解析出高弥散的

α+β组织，使合金强化。

●时效温度：500℃左右时效温度过高，析出的α相粗大，强化效果差；时效温度过低，保温时间需要很长。第七章有色金属第四十页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属

（3）退火

再结晶退火

目的：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“α＋β→β”相变温度（β

型钛合金除外），以避免晶粒长大。

去应力退火

目的：消除机械加工或焊接过程中所形成的内应力。加热温度一般都低于再结晶温度。

稳定化退火

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，为使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，使合金的热稳定性降低，需进行稳定化退火。稳定化退火多采用双重退火法（或称分级退火法）.第四十一页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属（4）强化热处理

目的：消除晶界α相，粗大的α片群体和单独粗大的α相。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α相消失，片状α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。

主要方法：α-β固溶处理（ABST）；β固溶处理（BST），破碎组织处理（BUS）；GTEC处理；热化学处理（TCT）；成分固溶处理（CST）；高温渗氢处理（HTH）等。

3．钛合金的热处理第四十二页，共五十五页，2022年，8月28日4．钛合金的应用（1）发动机业：

Ti5Al2.5Sn高强钛合金—齿轮套、发动机外壳、叶片罩

Ti8Al1Mo1V高温钛合金—发动机叶片、陀螺仪导向罩、内蒙皮

Ti6Al4V（抗拉强度≥895MPa）热处理强化钛合金—核心机叶片及叶轮

（2）航空业：

Ti6Al2Sn强化钛合金—紧固件、导向装置、重要结构

Ti4AlMo1V钛合金—飞机骨架

TiSn5Zr1Mo钛合金—起落架、飞机承重架、紧固件

（3）航天业

钛合金1M1315—火箭机盘、导弹基座构件

钛合金1M1550—导弹动力叶片套

钛合金T-A6V—飞船主用材料

第七章有色金属第四十三页，共五十五页，2022年，8月28日

4．钛合金的应用F-22猛禽结构用钛36t，2台发动机用钛5t第七章有色金属第四十四页，共五十五页，2022年，8月28日

4．钛合金的应用

俄罗斯的钛合金潜艇第七章有色金属第四十五页，共五十五页，2022年，8月28日

4．钛合金的应用

头颅模型及颅骨缺损的钛合金修复体

第七章有色金属第四十六页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属1、纯铜力学和工艺性能：极好的塑性，可碾压成极薄的板，拉成极细的铜线；

较低的抗拉强度，不宜作结构材料；

铸造性能差，熔化时易吸收CO和SO2等气体，形成气孔。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，数字为编号，数字愈大则纯度愈低。7.4铜及铜合金第四十七页，共五十五页，2022年，8月28日第七章有色金属2、铜合金

在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不同，可分为黄铜、青铜和白铜。（1）黄铜

以锌为