第七章 非铁金属及其合金(马凡)

第七章非铁金属及其合金主要内容铝及铝合金铜及铜合金镁及镁合金钛及钛合金其它非铁金属及其合金概述1.定义:除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属。2.性能特点:具有独特的物理、化学性能。3.分类重金属(密度＞3.5)：Cu、Ni等。轻金属(密度＜3.5)：Al、Mg等。贵重金属：Au、Ag、Pt等。稀有金属：W、Ti、Nb等。半金属：Si、Te、B等。

铝及铝合金1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）；2、密度低（2.63～2.85g/cm3），比强度高；3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au而位居第四位，约为纯铜导电率的60％）；4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。

铝及铝合金概述

工业纯铝物理性能：银白色光泽，密度小（2.7g/cm3），熔点低（660℃），为非磁性材料。原子结构：固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在0～253℃之间塑性韧性不降低。分类：纯铝按其纯度分为工业高纯和工业纯铝，纯度依次降低。应用：工业纯铝主要用作制备铝基合金；高纯铝用于科学试验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。铝合金的分类铝合金的分类形变铝合金铸造铝合金不能热处理强化能热处理强化固溶处理：

时效处理自然时效人工时效

将铝合金加热至α单相区恒温保持，然后快速冷却，可在室温下得到过饱和的α固溶体。

在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。铝合金的热处理含4%Cu的铝合金自然时效曲线含4%Cu的铝合金的人工时效曲线*过时效：时效温度过高合金软化回归时间温度

加热200～250℃水淬时效组织原淬火组织回归：经淬火自然时效后的铝合金（如铝－铜）重新加热到200～250℃，然后快冷到室温，则合金强度下降，重新变软，性能恢复到刚淬火状态；如在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效，这种现象称为回归现象。

*人工时效后的铝合金没有回归现象。形变铝合金形变铝合金是指合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类铝合金。1.防锈铝合金：LF(铝防）+顺序号（化学成分）如LF5是Mg含量为（4.8～5.5％）的防锈铝合金。这类合金主要有Al-Mg和Al-Mn系等，塑性好、耐腐蚀，可冷变形强化，多用于制造受力小、质轻、耐腐蚀的冲压件和焊接结构件等。常用的铝合金飞机翼梁(腹板为硬铝合金)2.硬铝合金:LY(铝硬）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg系合金，可通过淬火时效来显著提高强度，硬度和耐热性能都有所改善，但耐蚀性较差，多用于制造中等强度的飞机结构件等。3.超硬铝合金(LC):LC(铝超）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg-Zn系合金，耐蚀性同样较差，多用于制造质轻、受力较大的结构件等。飞机主起落架4.锻铝合金(LD):LD(锻铝）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg-Si系合金，热塑性和耐蚀性较高，适于锻压成形。多用于制造形状复杂、比强度要求高的受力结构件。压气机叶片

铸造铝合金合金含量较高，适于铸造成形。

牌号：ZL(铸铝）+三位数字说明：第一位数字表示合金系列；第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。铸造铝合金铝锌系合金铝镁系合金铝铜系合金铝硅系合金铸造、机械性能良好高温强度高（耐热），易腐蚀强度、塑性高，耐腐蚀，铸造时易氧化强度高，易腐蚀，价格低汽缸头铝铜合金大型空压机活塞铝锌合金活塞(裙部为铝硅合金)鼓风机用密封件铝镁合金

铜及铜合金

纯铜（紫铜）物理性能：紫红色光泽，密度8.9g/cm3，熔点1083℃，导电、导热性能良好，塑性好，耐蚀，强度低。应用：工业上利用铜制造电线、导电零件、油管等；同时，还利用纯铜（逆磁性材料）不受磁场干扰的特性制备磁性仪器和其他防磁器械等。纯铜通过合金化处理可以改善其机械性能，铜合金按其色泽的不同可分为黄铜、青铜、白铜三大类。

黄铜

黄铜以锌为主加元素，其外观呈金黄色光泽。我国应用黄铜在宋代有明确记载。普通黄铜：H(黄）+数字（铜的百分含量）属于Cu-Zn二元合金，其力学性能随铜的质量分数变化。H95、H90、H85有良好的导电性、导热性和耐蚀性，有适宜的强度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散热器。H70、H68强度较高、塑性很好，用于深冲零件，如散热器外壳、弹壳等。H62、H59可高温热加工，强度高，塑性较好，可制造导管、销钉等。特殊黄铜：

又称多元黄铜，在Cu-Zn二元合金的基础上，加入Sn、Si、Pb、Fe等合金元素，改善和提高其性能。表示方法：H(黄）+主加元素符号（锌除外）+数字（铜含量）-数字（主加元素含量，其余为锌含量）例如：HPb60-1

青铜除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，通称为青铜。表示方法：Q(青）+

主加元素符号

+

数字（主加元素含量）－数字（其他合金元素平均含量）锡青铜：普通青铜以锡为主加元素，又称锡青铜。它是人类历史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，但耐酸性差。

青铜牌号的表示方法ZQSn10–1其它合金元素含量为1%主加元素锡其含量为WSn=10%青铜铸造特殊青铜：

特殊青铜是不含锡的青铜合金。

铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最为广泛。铍青铜有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲击无火花；强毒，限制生产。另外，还有硅青铜、铅青铜等。以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，具有金属光泽，故得名白铜。耐蚀性、耐热性、耐寒性好，中等强度，高塑性，能冷、热压加工，还有很好的电学性能，用作结构材料外、高电阻和热电偶合金。普通白铜：即Cu-Ni二元合金。铜与镍形成无限固溶体，为单相固溶体。普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，广泛应用于海船、医疗器械、化工等。普通白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸的板、带、管、棒等半成品。

白铜铁白铜：普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜。铁能显著细化晶粒，提高强度和耐蚀性，尤其是提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。10％Ni的铜合金中加入l～2％Fe，对提高耐流动海水的冲刷腐蚀有显著效果。30％Ni的合金中加入0.5％Fe，有相同作用。白铜中Fe的加入量不超过2％，否则，反而引起腐蚀开裂。

特殊白铜锌白铜：锌白铜亦称“镍银”或“德国银”。锌能大量溶于Cu-Ni合金中，形成单相α固溶体。锌起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀能力。BZnl5-20耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。铝白铜：铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀性，抗寒，有很好的弹性并能承受冷热加工。铝白铜的机械性能和导热性比B30还好，耐蚀性接近B30，焊接性好，可代替B30。工业白铜：应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜锰铜：BMn3-12锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。用来制作工作温度在100℃以下的标准电阻、电桥、电位差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。康铜：BMn40-1.5锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能并能很好地和承受压力加工。康铜与Cu、Fe、Ag配对时有高的热电势，康铜与铜线接触的热电势为39×10-6V／℃，而锰铜只有1.6×10-6V／℃，铜与康铜配用于-100℃～+300℃温区测温；也用来制作滑动变阻器，工作温度在500℃以下的加热器。1、镁资源丰富，是地壳中仅次于铝、铁的第三种最为丰富的金属元素，其储量占地壳的2.5%；2、密度低，只有铝的2/3，使镁合金在许多性能上可与铝合金相媲美，在许多飞机零件和航天器中越来越多地使用镁合金；3、化学性质活泼，易氧化。

概述镁及镁合金

工业纯镁银白色，密度1.74g/cm3，熔点650℃，沸点1100℃。其晶体结构hcp，无同素异构转变，镁的电极电位较低，抗蚀能力很差，在潮湿的空气和海水中，易受到腐蚀。当温度升高，镁能被剧烈氧化以至燃烧。

物理性能工业纯镁牌号用拼音字母M+顺序号表示。其主要用于制造镁合金和用于其他合金的添加元素，其次还常用作化工与冶金生产中的还原剂和烟火工业、钢铁脱硫等。

应用纯镁弹性模量小（室温下仅为45GPa），因此在外力作用下弹性变形功较大，镁合金可承受较大的冲击和振动载荷。

作为结构材料，一般要向纯镁中加入一些合金元素制成镁合金而应用。镁合金中常加入的合金元素有Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素等。

镁的合金化

添加Al：产生固溶强化，同时沉淀析出强化相Mg17Al12，增加了合金强度和塑性；

添加Mn：提高合金的耐热性和抗蚀性，并改善焊接性；

添加少量Zr和稀土元素：细化晶粒，提高耐热性并改善镁合金的工艺性能等多方面作用。

杂质元素：Fe、Ni、Cu等元素对Mg合金性能危害很大，作为杂质必须严格控制其在合金中的含量。

添加Zn：产生固溶强化，其沉淀析出相Mg2Zn3或MgZn2，强化效果不及Mg17Al12元素，故一般Zn元素用于配合其他合金元素来强化Mg；镁合金分为形变镁合金和铸造镁合金两大类，其编号方法与铝合金类似，如MB1表示1号形变镁合金，ZM1表示1号铸造镁合金。工业中常用镁合金主要集中于Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-M等几个合金系列。

镁合金的分类

镁合金的分类和常用铝合金

我国目前的形变镁合金主要为Mg-Mn系，Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系三类。

Mg-Mn系合金有良好的耐蚀性和焊接性能，其板材用于制作蒙皮等焊接结构件，以及通过锻造制作外形复杂的耐蚀构件，且一般在退火状态使用；

Mg-Al-Zn系合金强度较高，塑性好，多用于制造有中等力学性能要求的零件；

Mg-Zn-Zr系强度最高，属高强镁合金，是在航空等工业应用最多的变形镁合金，使用时应进行人工时效强化。形变镁合金我国八个牌号的铸造镁合金又分为高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金两大类。

高强度铸造镁合金有Mg-Al-Zn系（ZM5）和Mg-Zn-Zr系（ZM1，ZM2，ZM7，ZM8），其有高的室温强度，塑性好且工艺性能优异，但耐热性差（<150℃使用），可用于制造飞机发动机，卫星中承受较高载荷的铸造结构件。

耐热铸造镁合金是Mg-RE-Zr系（ZM3、ZM4、ZM6），合金工艺性能好，可在温度(200～250)℃长期使用，短期使用温度达(300～350)℃，但其常温强度和塑性较低。

铸造镁合金钛合金质量小，强度高，具有很高的耐蚀性和耐热性。熔点高、熔炼和浇注工艺复杂，价格昂贵。一、纯钛灰白色，熔点1668℃，固态有同素异构转变。焊接性好、强度低、塑性好、易于冷压加工。二、钛合金按退火和淬火状态组织不同：钛合金，钛合金和+钛合金牌号：TA、TB、TC加上编号钛及钛合金（一）

钛合金组织全部为固溶体，组织稳定。单相合金不能热处理强化。（二）钛合金具有较高的强度，良好的冲压性，但耐热性差，抗氧化低。可进行热处理强化（三）+钛合金室温组织为：+具有

钛合金和钛合金两者的优点三、钛合金的热处理主要有：退火、淬火和时效锌合金纯锌是一种蓝白色金属，密度为7.14g/cm3，熔点为419℃，在室温下较脆，在100-150℃变软，超过200℃后又变脆。锌的化学性质活泼，在常温下的空气中，表面会生成一层薄而致密的碱式碳酸锌膜，可以阻止其进一步氧化。其它非铁金属合金轴承合金