工程材料与制造技术基础-任云鹏-第6章

工程材料及其成形基础主讲：任云鹏Email:renyp@6.4第6章有色金属及其合金铝及铝合金铜及铜合金轴承合金其它有色金属及其合金Microlattice，中空结构，99.99%是空气，壁厚100nm。包裹一枚鸡蛋从25层楼落下，鸡蛋可毫发无损。波音公司研制。在工业生产中，通常把铁、锰、铬及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。Al、Cu、Ni、Mg、Ti、Zn用量占有色金属的90%。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性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料。材料占汽车净重比AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比6.1铝及铝合金一、铝及铝合金性能特点铝是地壳中含量最丰富的金属元素。8%

纯铝：具有银白色金属光泽密度小(2.72，仅为铁的1/3)，熔点低(660.4℃)，导电、导热性能优良。强度、硬度低，塑性好，易加工。耐空气腐蚀。无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼

铝合金：铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等。既具有高强度又保持纯铝的优良特性。经强化处理，铝合金可获得与低合金钢相近的高强度。耐高温性能差。弹性模量低。选材时不必考虑硬度，因为最硬的铝也不如最软的钢。铝合金：变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金：可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金。铸造铝合金：D点右边出现共晶组织，熔点低，流动性好，适合铸造。铝合金分类示意图二、铝合金的分类铝合金一般具有共晶相图。三、铝合金的热处理可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理+时效。固溶处理：是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的固溶体组织的处理。加热固溶淬火过饱和时效析出时效：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。四、铝合金的牌号、性能及用途1、变形铝合金根据国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。铝合金共9个系列：1XXX，纯铝2XXX，铜为主要合金3XXX，锰为主要合金4XXX，硅为主要合金5XXX，镁为主要合金6XXX，镁、硅为主要合金，Mg2Si为强化相7XXX，锌为主要合金8XXX，其他合金为主要合金9XXX，备用合金组第二位为字母，表示纯铝或改型情况，A为纯铝，B~Y表示已改型。最后两位是数字。GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，变形铝合金表示方法为:

防锈铝合金：LF+序号

硬铝合金：LY+序号

超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属防锈铝合金：LFAl-Mn、Al-Mg单相固溶体，抗蚀性高、塑性及焊接性能较好。不可热处理强化，但可冷变形强化。3A21可用作管道、容器、油箱5A03有较高的抗疲劳性能和抗振性，耐热性较差。可制造铆钉、飞机行李架等硬铝合金（杜拉铝）：LYAl-Cu-Mg、Al-Cu-Mn可通过固溶-时效强化获得相当高的强度，为可热处理的铝合金。耐蚀性较纯铝差。耐热性好，常用作飞机构件、蒙皮、螺旋桨、叶片等。超硬铝合金：LCAl-Zn-Mg-Cu强度最高的变形铝合金，具有良好的热塑性、疲劳性较差、耐热性和耐蚀性不高。淬火+人工时效强化处理，用于温度低，受力大的结构件。7A04，常用作飞机蒙皮、大梁、起落架等。锻铝合金：LDAl-Mg-Si-Cu合金元素种类多但用量少，热塑性好，锻造性能好且力学性能好。6A02，用作叶轮、接头铝锂合金：密度小，比强度高，比刚度大，疲劳性能好，耐蚀性好，为新型超轻结构材料。高强度铝合金的应用：高强铝合金具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，广泛应用于航空、航天及其运载工具的结构材料，如：运载火箭的液体燃料箱（减重5%）超音速飞机和汽车的结构件轻型战车的装甲等协和客机，2马赫速度，从伦敦到纽约3小时。飞行时会变长24cm。美F-117隐身战斗机

(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼2、铸造铝合金（简称铸铝）Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号铝硅合金（硅铝明）成分在共晶点附近熔点低，流动性好，收缩小，耐蚀性好强度与塑性较差，多用钠盐混合物进行变质处理用作内燃机活塞、气缸体、仪表外壳等铝铜合金流动性好，强度高有热裂和疏松倾向，耐蚀性差制造要求高强度或高温条件下工作的零件铝镁合金强度高，密度小，耐蚀性好铸造性能及耐热性差用作在腐蚀性介质（海水）中工作的零件铝锌合金强度高，价格便宜铸造性能、焊接性能和切削加工性能好耐蚀性差，热裂倾向大制造医疗器械、仪表零件6.2铜及铜合金

一、铜及铜合金性能特点纯铜：呈紫红色，故又称紫铜，相对密度为8.9，熔点为1083℃。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。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，但强度低，不适宜做结构材料。铜的冶炼矿石精选在反射炉或电炉中熔炼，铜、铁、硫及其他贵重金属在炉底形成冰铜冰铜送入转炉，通入压缩空气，使铁、硫氧化除掉，得到粗铜（99%）粗铜在还原气氛中熔化、脱氧，电精炼后得到精炼铜（纯铜，99.5~99.95%）纯铜一般用作导电材料、散热器、导管等铜合金：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。铜合金分为黄铜、青铜和白铜。铜管铜与黄铜带二、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。黄铜铸件黄铜棒1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。与纯铜比，黄铜的塑性较好，强度提高，耐蚀性提高，加工性能提高，价格降低。力学性能与Zn的百分含量有关。普通黄铜的牌号为：H(黄)+表示铜平均百分含量的数字。常用牌号：H80、H70、H68，适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。H59、H62，适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。汽车机油泵衬套2、特殊黄铜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。特殊黄铜强度、耐蚀性和抗磨性比普通黄铜好，铸造性能改善。特殊黄铜分为压力加工黄铜和铸造黄铜。铸造黄铜：ZCuZn16Si4压力加工黄铜：HPb59-1黄铜制品黄铜棒三、青铜除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。青铜可分为两类：锡青铜（以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3~14%）。无锡青铜（铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等）。1）锡青铜良好的强度、硬度、耐磨性和铸造性能。锡对青铜力学性能的影响。青铜制品白铜件6%以下，塑性上升；6%以上，塑性下降，强度继续增加。20%以上，强度也下降。一般工业用锡青铜锡含量为3~14%。8%以下，适合压力加工。10%以上，塑性差，适合铸造。锡青铜流动性差，不易形成集中缩孔，不适合铸造要求致密度高和密封性好的铸件。但锡青铜收缩率小，适合铸造形状复杂，壁厚的零件。牌号：压力加工锡青铜：Q+Sn+数字，例如QSn4-3，表示Sn4%，Zn3%，Cu93%。铸造锡青铜：Z+Cu+Sn+数字+别的元素符号+数字，例如ZCuSn10P1，表示Sn10%，P1%，Cu89%。性能锡青铜耐蚀性比纯铜和黄铜都好，耐磨性也好，多用来制造轴承，轴套，蜗轮等。2）无锡青铜：不含锡的青铜添加Al、Si、Pb、Mn、Be等元素。强度、耐磨性较高，良好的耐蚀性，价格低廉。（1）铝青铜，如ZCuAl10Fe3。Al含量5~10%。耐磨性、耐蚀性好，铸造、切削性能较差，不能钎焊。常用来铸造承受重载的零件。（2）硅青铜，如QSi3-1。Si含量2~5%。弹性好，强度大，耐蚀性好，铸件致密度高，常用来制造在海水中工作的弹性元件。（3）铅青铜，如ZCuPb30疲劳强度高，减摩性好，能在高速重载下工作。（4）铍青铜，如QBe2具有很高的弹性极限和疲劳强度，可做优质弹性元件。价格高。6.3轴承合金

制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。轴承合金的性能：足够的强度和硬度足够的塑性和韧性良好的磨合性能高耐磨性，与轴摩擦系数小，并能存储润滑油，减少磨损。良好的耐腐蚀性、导热性，较小的热膨胀系数。滑动轴承滚动轴承轴瓦不能太硬，否则会磨损轴颈；也不能太软，否则承载能力太低。轴承合金需要既硬又软。轴承合金的组织特点：软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点。软质点承受磨损而凹陷，硬质点突出，减小轴与瓦的接触面积。同时凹坑可存润滑油，降低磨损。软基体可承受冲击和振动，但不能承受高负荷。以锡基和铅基为主。锡基轴承合金：是以锡为主，加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。SnSb为硬质点，Cu6Sn5在浇注是首先结晶，帮助SnSb分布均匀。硬度适当，摩擦系数低。导热性和耐蚀性较好。价格较高。常用轴承合金：工业上常用的是锡基、铅基轴承合金。铅基轴承合金：是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。硬质点为SnSb和Cu3Sn。硬度与锡基轴承合金相仿，强度、韧性较差，耐蚀性也较差。但价格低，高温强度好，有自润滑性。为了提高轴承的寿命，一般在钢制轴瓦上浇注一层薄而均匀的轴承合金，既可以提高承载能力，又节约材料。铝基轴承合金：价格低，密度小，导热性好，疲劳强度和高温强度高。可连续轧制。应用于高速重载场合。铜基轴承合金：软质点硬基体。疲劳强度高，导热性好，摩擦系数低。可用于航空发动机轴承。锌基轴承合金：强度与硬度均较高，耐磨性较好。6.4其它有色金属及合金1）钛及钛合金工业纯钛

纯钛密度小（4.5），熔点高（1677℃）。热膨胀系数小。耐蚀性及抗氧化能力高。882.5℃发生同素异构转变，由密排六方-Ti转变为体心立方-Ti。纯钛塑性好、强度低，易于加工成型。600℃以上，性能恶化，不易加工。1）钛及钛合金钛合金：-Ti，-Ti，（+）-Ti纯钛加入合金元素形成钛合金。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。-Ti，代号TA，合金元素为铝、硼、锡等。组织为单相固溶体，不能热处理强化。高温强度高（500℃），焊接性能好。-Ti，代号TB，合金元素为钼、铬、钒等。组织为单相固溶体，可热处理强化。室温强度高，焊接和压力加工性能好。（+）-Ti，代号TC，组织为+双相组织，可热处理强化。可焊性较差钛合金被称为航空合金，多用于飞机压气机部件、火箭、导弹、高速飞机的结构件。美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造美SR-71侦察机约93%重量的零件用钛合金制造，3马赫，升限30000米博派元老，天火喷气发动机燃料喷嘴，部件数20->1喷气发动机燃烧室部件2）镁合金密度小（1.74），熔点略低于铝。耐蚀性与铝相仿，但不耐海水腐蚀。弹性模量低（45G