铜及铜合金物理冶金基础-白铜、青铜

铜及铜合金物理冶金基础铜的基本特点、应用及分类1主要内容紫铜的组织与性能4铜合金设计的基本原理2典型白铜与青铜的组织与性能6黄铜的组织与性能5金属塑性加工原理7典型铜合金相图3绪论06.1典型白铜的组织与性能

白铜是指以镍为主要合金元素的铜合金。在Cu-Ni二元系中w（Ni）超过15%以后其颜色才逐渐呈银白色。在铜镍二元合金的基础上分别加入其他元素，如铁、锌、铝、锰等，则形成铁白铜、锌白铜、铝白铜、锰白铜等。白铜的合金牌号以B开头，如B19，为含Ni19%的白铜，BFe10-1-1则指含10%Ni、1%Fe的铁白铜。

镍的加入可在保持高塑性的情况下，明显地提高合金的高温和低温强度，其耐氧化、耐腐蚀能力和抗海水冲刷能力都非常突出，且弹性好，易于冷热加工，易于焊接，广泛用于制造耐蚀构件、各种弹簧与插接件等。6.1典型白铜的组织与性能

合金元素及杂质对白铜性能的影响（1）锌的影响

锌在Cu－Ni固溶体中的溶解度相当大，有较好的固溶强化作用，还会增加合金抗大气腐蚀的能力。俗称“德国银”的锌白铜系α单相合金，在此相的成分范围内可适当降低镍含量，增加锌的成分，以降低成本、减轻密度。（2）铁的影响Fe在Cu－Ni合金中的固溶度较小，950oC时可固溶4.8％，300oC时则剧降到0.1％，它可提高Cu－Ni合金的抗蚀性与力学性能，特别能大幅度提高Cu－Ni合金抗海水冲击腐蚀的能力。因此，作为冷凝管的白铜中一般加有适量的Fe和Mn。一般，Cu－Ni－Fe合金的Fe含量不大于2％，否则合金有应力腐蚀开裂的倾向，若超过4％，则腐蚀加剧。6.1典型白铜的组织与性能（3）铝的影响Al在Cu－Ni合金中的固溶度较低，并随着温度的下降而减少。Cu－Ni－Al合金中会产生Ni3Al化合物，有明显的沉淀硬化作用，提高合金的强度和硬度。铝显著提高白铜的强度与抗蚀性，但材料的冷成形性下降。合金的镍/铝比为8～10时，具有最佳的综合性能。（4）锰的影响

白铜中的锰含量一般不超过14%。在Cu－Ni－Mn合金中可形成MnNi化合物而产生沉淀硬化作用，Mn提高合金的强度、抗蚀性与弹性，还能提高Cu－Ni合金抗湍流冲击腐蚀的能力，不过会略使B19合金的抗应力腐蚀开裂的能力下降，但比Al、Si、Cr、Be等元素的影响小。6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能

铜与镍在元素周期表中相邻，原子半径差很小，且同为面心立方结构，是典型的彼此无限固溶体。铜-镍二元合金不论含镍多少，都均为单一的α相组织。然而，由于液相线和固相线的水平距离较大，加土镍在铜中的扩散速度很慢，因而Cu-Ni合金在铸态下呈明显的树枝状组织。这种组织甚至可一直保持到热加工之后。消除了晶内偏析的Cu-Ni合金，其显微组织在各种状态下均与纯铜有相似的特征。

白铜的组织与相组成6.1典型白铜的组织与性能B10白铜6.1典型白铜的组织与性能材料名称：B19白铜(半连续铸造)组织说明：在有疏松缺陷处取样的显微组织。除有明显的树枝状晶内偏析组织外，基体中还有大量严重的疏松，不少疏松已构成大的形态不规则的孔洞。根据铜镍合金在高温下极易吸气的特性推测，疏松内可能充有大量的气体。

B19是典型的Cu-Ni结构合金之一，有极好的塑性，软态的伸长率不小于35%，可加工成各种板带以至箔材，因合金还具有一系列特殊性能，在机械制造、石油化工、造船、航空等行业的重要部件中得到广泛应用。6.1典型白铜的组织与性能B19冷轧板经低温退火经成品退火

沿金属加工方向所形成的纤维状组织。晶粒已变成极细的条带，具有明显的方向性。合金已明显地被加工硬化，合金的硬度、强度升高，伸长率下降。

由于退火温度较低，纤维状组织依然存在，但在基体上已有少量极细小的再结晶晶粒的出现，此时合金加工硬化未被完全消除，但硬度已有所下降。

经成品退火后，纤维组织完全消失，代之以具有孪晶的α单相再结晶晶粒。合金的加工硬化作用完全消失，合金的强度、硬度和塑性得到恢复。6.1典型白铜的组织与性能B30白铜6.1典型白铜的组织与性能成品退火组织B30挤压管组织冷轧组织具有孪晶的α单相再结晶组织孪晶及α晶粒被破碎变形，并随加工率的增大，纤维状越来越严重。纤维状组织完全消失，代之以细小的具有孪晶的α单相再结晶等轴晶粒。6.1典型白铜的组织与性能BZn15-20锌白铜6.1典型白铜的组织与性能BAl13-3铝白铜6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能BPb17-18-2铅白铜

可见大量铅相呈细小颗粒状分布于枝晶间。此类合金具有美丽的银白色光泽，合金耐大气腐蚀，由于大量铅的存在，经机械加工后工件可获得极光洁的表面，故多用于精密仪器、手表及装饰材。由于此材料易出现热脆缺陷，故仅能经均匀化退火后作冷变形加工。α相基体树枝状偏析完全消失，代之以具有退火孪晶的再结晶组织。铅相略有聚集而成较大颗粒，分布基本均匀。6.1典型白铜的组织与性能物理性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能力学性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能6.1典型白铜的组织与性能6.2典型青铜的组织与性能

青铜系指以锌、镍以外的元素为主要添加元素的铜基合金，也可以说是除了黄铜和白铜以外的铜基合金，因其外观颜色为青灰色而得名。事实上除紫铜、黄铜、白铜外的所有铜合金都可称为青铜，一般按铜基中第一主添加元素命名，如锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。青铜主要用作高强、耐磨、耐蚀和弹性材料。

锡青铜是人类文明史上使用最早的一种铜合金。我国古代留下的一些古钱币、古铜镜、古剑及钟鼎之类皆系锡青铜所制。现代工业使用的锡育铜中还加入了磷、锌、铅等合金元素。锡青铜的强度较纯铜、黄铜更高，且耐腐蚀，可焊接，耐低温，冲击时不产生火花，因而得到了广泛的使用，是在工业上广泛应用的弹性材料，常用来制造导电性能好的接地触片或其他弹簧，精密仪器中的抗磨零件和抗磁元件及一些耐蚀零件，如衬套、轴套、衬垫以及螺母、缸套、泵体等。

锡青铜6.2.1典型锡青铜的组织与性能部分加工锡青铜的合金牌号（代号）、化学成分及用途6.2.1典型锡青铜的组织与性能部分铸造锡青铜的合金牌号（代号）、化学成分及用途6.2.1典型锡青铜的组织与性能

合金元素及杂质对锡青铜性能的影响

在锡青铜中，Pb、P即可能是合金元素又可能是杂质元素，而Zn则是一种合金元素，Sb、Si、Al、S、Fe、Bi等则是杂质。1）磷的影响锡、磷含量对退火锡青铜力学性能的影响1－0.02％～0.04％P，2－0.02％P，3－0.05％P

磷提高锡青铜的工艺性能与力学性能，加工锡青铜的磷含量一般不超过0.45％，因为磷含量大于0.5%在637oC左右会发生共晶反应：L＋α→

β＋Cu3P，引起热脆。磷是铜合金的有效脱氧剂，提高锡青铜的流动性。缺点是加大铸锭的逆偏析。6.2.1典型锡青铜的组织与性能2）锌的影响

锌是锡青铜的合金元素之一，锌在锡青铜α固溶体中的溶解度大。因此，Cu－Sn－Zn加工青铜为单相α固溶体，Zn可以提高合金的流动性、缩小结晶温度区间，减轻逆偏析，而对其组织与性能无大的影响。Zn在加工锡青铜中的含量一般不大于5%。Pb在锡青铜中含量不超过5％，它不固溶于α相，以游离状态存在，呈黑色质点分布于枝晶之间，但分布不均匀。Pb为一种软的相，降低锡青铜的摩擦系数，改善耐磨性能，提高可切削性能，但略使合金的力学性能下降。3）铅的影响热交换器6.2.1典型锡青铜的组织与性能Cu-Sn相图

由Cu-Sn二元平衡图可见，其固液相线的水平及垂直距离都很大，加上锡原子在铜中的扩散速度极慢，因而实际铸造组织与相图有很大的偏离。相界线显著向铜侧移动，结果使高温下位于α单相区的锡青铜铸态下也常可看到δ相，其铸造组织均有极明显的树枝状晶内偏析。6.2.1典型锡青铜的组织与性能

显微组织锡青铜中的相组成

工业上获得应用的锡青铜中的w（Sn）大都不超过14%。根据Cu-Sn相图，在w（Sn）不超过20%的Cu-Sn合金中可能出现以下相：

1）α相：为锡溶入铜中的固溶体，面心立方晶格，是锡青铜中最基本的组成相。

2)β相：以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，体心立方晶体结构。只在高温下存在。温度降至586℃发生β→α+γ的共析转变。若在高温β相区淬火急冷，则可得到硬脆的β’马氏体非稳定相。

3)γ相：也只在高温下存在，复杂立方晶体结构。温度降至520℃时发生γ→α+δ的共析转变:6.2.1典型锡青铜的组织与性能4）δ相：为以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，具有复杂立方晶格。在350℃下又发生δ→α+ε的共析转变，但实际上这种转变极为困难，故δ相也是Cu-Sn合金室温下的常见相。δ相属硬脆相，显微镜下呈浅蓝灰色，不能进行塑性变形，它的出现会导致合金的塑性下降。

5）ε相：按Cu-Sn二元平衡图，空温下似应有ε相存在，但此相不论由δ相的共析分解或α相的析出都极为缓慢，故实际上极难出现。6.2.1典型锡青铜的组织与性能6.2.1典型锡青铜的组织与性能

树枝状组织，晶内偏析明显，先析出枝晶α相因含铜量高不易受浸蚀故呈白色，枝晶间隙锡含量逐渐增高，易受浸蚀而逐渐变深黑，而其中心白色决状为三元共晶组织。经二次冷轧退火后，基休为细小孪晶α相和极少量Cu3P颗粒。含磷锡青铜铸态组织6.2.1典型锡青铜的组织与性能由于铜液温度较低，补缩部分与原锭金属并未相互熔合，故有明显的分界。未熔的分界处有气孔等缺陷。采取了半连续铸造，并在工艺上保证了铸锭的顺序结晶，铜液中存在的气体及杂质能及时的排出，使铸锭结晶完善，组织较水冷模大为改善。6.2.1典型锡青铜的组织与性能

由于Cu-Sn合金的固相线与液相线的结晶间隔较宽，其铸造流动性差，凝固时的线收缩小，易在铸件的断面上形成分散分布的疏松，从而降低了铸件的致密度。现在工业上锡青铜中常加入一定量的磷、锌、铅等合金元素，从而可使其组织及性能有很大程度的提高。

合金含锡，结晶间隔很宽，生成宏观及显微疏松的倾向都很大。本试样取自连续铸锭（金属型或砂型会更加严重）中心，存在于结晶枝叉间形状不规则的黑色空洞即为显微疏松。如内有气体则加工后也难以焊合而形成缺陷。所以应避免浇注温度过低、浇注速度过快并应及时补缩。6.2.1典型锡青铜的组织与性能

白色基体为α相，在α相枝晶间，随着含锡含磷的增加颜色逐渐变黑。黑色区域的中间出现的蓝灰色颗粒及不规则块状为块状为Cu3P或(α+δ+Cu3P)三元共晶组织。由以上二图可以看出，随着含锡量的增加，树枝状偏析越加明显，Cu3P及(α+δ+Cu3P)的数量也逐渐增多。铸态组织6.2.1典型锡青铜的组织与性能铸态组织：基体为α固溶体，灰色枝晶处为富锡的α固溶体，枝晶中心的白色块状为α+δ共析体，且已发生离异。枝晶间黑色孔洞为疏松孔隙，它的外形凹陷呈岛块状，枝晶间圆形颗粒为铅粒。在枝晶间的疏松孔隙处尚有因凝固补缩不足而引起的沿晶界分布的显微细裂纹，右图。含铅锡青铜6.2.1典型锡青铜的组织与性能此种扁锭在热轧时沿薄弱面发生严重张嘴开裂，同时又因扁锭加热温度过高，边部和中心出现横向开裂，从而导致板杯完全报废。由两边向里倾斜生长的粗大柱状晶，它们在中心互相接触形成一个界而、此处最易有低熔点相或杂质或微缩孔、疏松及未能排出的气体聚集而形成一个明显的薄弱面。6.2.1典型锡青铜的组织与性能热挤压棒的组织。合金的树枝状偏析及(α+δ+Cu3P)三元共晶组织己全部消失，为α单相等轴孪晶再结晶组织，所有经热变形的锡青铜均是此种组织。随后冷拉变形的组织，晶粒外形略有改变，但晶内的滑移带极为清晰。变形进一步加大，晶粒沿拉伸方向伸长，滑移带的数量及密度也进一步增加，合金明显被加工硬化，硬度、强度增大，而韧性和塑性下降。6.2.1典型锡青铜的组织与性能

物理及工艺性能6.2.1典型锡青铜的组织与性能

化学性能

锡青铜在海水与大气环境中很稳定，对海水的抗蚀性比紫铜、黄铜的抗蚀性强得多。含7%-9%Sn、0.7%-1.3%Al和0.1%-0.2%Si的锡青铜可在被污染的海水中应用。Sn明显提高锡青铜对海水的抗蚀性，Ni也有提高效果，但Pb则有负作用。6.2.1典型锡青铜的组织与性能

力学性能6.2.1典型锡青铜的组织与性能

基本特性与用途6.2.1典型锡青铜的组织与性能6.2.2

典型铝青铜的组织与性能

铝青铜分普通铝青铜和复杂铝青铜两类。前者是普通的Cu-Al二元合金，后者除加铝外还含有铁、锰、镍等其他合金元素。铝青铜具有比黄铜和锡青铜更好的力学性能，液态下流动性良好，晶内偏析及疏松倾向小，铸件致密，耐蚀、耐寒、耐磨，冲击时不产生火花。可通过热处理改变其性能，是一种优良的铜合金品种。缺点是凝固时线收缩率大，熔体易被氧化铝膜夹杂污染，较难焊接。6.2.2典型铝青铜的组织与性能部分加工铝青铜的合金牌号(代号)、化学成分及用途6.2.2典型铝青铜的组织与性能部分铸造铝青铜的合金牌号(代号)、化学成分及用途合金元素及杂质对铝青铜性能的影响1）铁的影响

少量Fe可固溶于Cu-Al合金的α固溶体中，若过量则会形成FeAl3，使合金的力学性能与抗蚀性降低。因此，合金中的Fe含量不应超过5％。若合金中的Ni、Mn、Al含量增多，会进一步降低Fe在固溶体中的溶解度。铁可使铝青铜中的原子扩散速度减慢，增加β相稳定性，因而能抑制引起合金变脆的“自退火”现象，使合金的脆性大大降低。适量铁能细化铝青铜铸造与再结晶晶粒，提高力学性能，加0.5％～1％Fe就有明显的细化晶粒效果。6.2.2典型铝青铜的组织与性能2）镍的影响

镍在Cu－Al合金中有一定的固溶度，当Ni含量超过最大固溶度时会有K相NiAl形成。Ni一方面提高铝青铜的共析转变温度，另方面又使共析点成分向升温方向移动，还能改变α相的形态。

Ni含量低时，α相呈针状，镍含量达3％时转变为片状。Ni能显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性与抗蚀性，含有一定量Ni的Cu－Al－Ni－Fe合金在热加工后不需要另行固溶处理与淬火，即可直接时效。4）磷、硫、砷、锑、铋的影响

它们都是铝青铜的有害杂质，降低合金的力学性能、工艺性能及其他性能，须严格控制在标准范围之内。6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能QAl7铝青铜半连续铸造组织半连续铸造组织热挤压组织

甚体为不明显的树伎状偏析的α相。由于较强的快速冷却，枝晶最深处为富铝α相，枝叉处出现很少量的（α+γ2）共析体，是高温少量β相在冷却时分解而得，由于分解不充分，细节不能分辨故呈黑色。结晶间隔很窄，生成柱状晶的倾向较大，图中可见到发到的柱状晶。树枝状偏析及量共析体均全部消失，基体呈具有孪晶的α相再结晶组织。6.2.2典型铝青铜的组织与性能

据左图所示Cu-Al相图，w(Al)低于7.4%的铝青铜组织应为α固溶体，具有良好的塑性，易于进行冷、热加工。基体中少量的高温β相是偏析造成的。β相在565℃以上时稳定，可以进行热塑性变形，在565℃下降分解成（α+γ2）共析体。β相是以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，体心立方晶格。

γ2是以电子化合物Cu9Al4为基的固溶体，复杂立方结构，性硬脆。QAl7锡青铜可作弹簧及其他要求耐蚀的弹性元件。6.2.2典型铝青铜的组织与性能由左图可见，随着铝含量的增加，α相逐渐减少，由β相分解成的(α+γ2)共析体增多，当w(Al)达12.75%时，α相消失，代之以共析基体上分布着大量花状γ2相，合金严重脆化。6.2.2典型铝青铜的组织与性能QAl10-3-1.5挤制品常会有组织过于细密、硬度过高、塑性过低的现象。因此要进行退火。图1为挤压态的组织，图2和3为经不同退火工艺退火的组织，其硬度也明显降低。图3所示工艺下，由于在共析转变温度附近长期保温，结果使共析体完全分解，黑色点状物为铁相。可见热处理可以较大程度地改变铝青铜的组织和性能。α共析体6.2.2典型铝青铜的组织与性能力学性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.2典型铝青铜的组织与性能基本特性及用途6.2.2典型铝青铜的组织与性能6.2.3典型铍青铜的组织与性能

铍青铜是铜合金中综合性能极佳、时效效果极好的一种典型铜合金材料。它具有很高的强度、硬度和弹性极限，且弹性滞后小，稳定性高，抗蠕变、耐磨、耐蚀、耐疲劳、无磁性、导电导热性能高，冲击时不产生火花等优良性能。缺点是生产中有毒性、价格高。工业上铍青铜还常加有Ni,Co.Ti.Al等其他元紊。加工铍青铜的合金代号、化学成分及用途6.2.3典型铍青铜的组织与性能6.2.3典型铍青铜的组织与性能Cu-Be二元相图