铜及铜合金物理冶金基础-相图、紫铜

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03典型铜合金相图Cu-Zn二元相图

二元相图

合金相图是一种研究合金化的基本工具。通过它可以了解各合金系中各种成分的合金、它们的相组成以及不同组织的形成和变化规律，从而为确定合金成分提供依据。H80黄铜H65黄铜H80黄铜组织变化：L→αH65黄铜组织变化：L→α→α+β→α→α+γ合金凝固过程中平衡组织的变化：3典型铜合金相图Cu-Ni二元相图3典型铜合金相图Cu-Al二元相图3典型铜合金相图Cu-Si二元相图Cu-Sn二元相图3典型铜合金相图

三元相图Cu-Zn-Fe系室温截面图Cu-Zn-Mn系a-等温液相线及800℃、400℃、360℃的固溶范围；b-20℃时的固溶范围铜的基本特点、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34紫铜的组织与性能

紫铜也称为纯铜，呈玫瑰红色，因表面形成氧化铜膜呈紫色而得名。通常由电解法制得，又称电解铜。按其所含成分可分为四个品种：普通纯铜（T1、T2、T3、T4）、无氧铜（TU1、TU2）、脱氧铜（TUP、TUMn）和特种铜（磷铜、碲铜、银铜）。

紫铜具有良好的导电导热性能、抗腐蚀性能、加工成形性能、可焊性能、抛光性能和表面处理性能等，广泛用于电工及电子工业，还大量用于制造汽车水箱、热交换设备、供水系统的各种零部件等。氧含量极少氧含量较高加入了不同的微量合金元素4.1合金元素对紫铜性能的影响4紫铜的组织与性能各元素对铜的电导率影响4紫铜的组织与性能

合金元素均不同程度地降低铜的电导率和热导率。固溶元素（Cd、Ag例外）的影响最大，呈第二相析出的元素的影响则较小。加工因素对铜的电导率也有所影响，大的冷变形率可使铜的电导率下降约2个百分点IACS。4紫铜的组织与性能

合金元素及杂质对铜的软化温度和晶粒大小也有较大影响。

固溶元素及杂质对铜冷、热压力加工性能的影响很小；很少固溶或几乎不固溶于铜的杂质及微量元素，则视其所形成的过剩相的情况不同，对铜的压力加工性能将有着不同的影响：例如，氧、硫、硒在铜中易形成Cu2O、Cu2S、Cu2Se等脆性化合物，降低铜的塑性；铅、铋与铜易生成易熔共晶，热轧易裂。

合金元素及杂质对铜的加工性能的影响视固溶状态不同而存在差异。

固溶和生成弥散析出相的杂质和微量元素，均提高铜的软化温度。高纯铜的晶粒随退火温度的升高而迅速长大，并且晶粒尺寸也很不均匀。导电用铜则由于氧化亚铜存在，在通常的退火温度范围内，可有效地抑制晶粒长大。4.1.1氧的影响

氧几乎不固溶于铜。含氧铜凝固时，氧以（Cu＋Cu2O）共晶体的形式析出，分布于晶界上。氧与其他杂质共存时则影响极为复杂，例如微量氧可氧化高纯铜中的微量杂质Fe、Sn、P等，提高铜的电导率，若杂质含量较多，则氧的这种作用就显不出来。氧能部分削弱Sb、Cd对铜导电性的影响，但不改变As、S、Se、Te、Bi等对铜导电性的影响。有些紫铜还特意保留一定量的氧，一方面它对铜性能的影响不大，另一方面Cu2O可与Bi、Sb、As等杂质起反应，形成高熔点的球状质点分布于晶粒内，消除了晶界脆性。含氧量极低，晶界清晰含0.39％氧，(Cu＋Cu2O)共晶体4紫铜的组织与性能4紫铜的组织与性能

氧稍微提高铜的强度，但降低铜的塑性和疲劳极限。氧对铜的导电率影响不大。氧对铜性能的影响4.1.2氢的影响

氢在液态与固态铜中的溶解度均随着温度的升高而增大（下表）。氢在固态铜中形成间隙式固溶体，提高铜硬度。含氧铜在氢气氛中退火时，氢可与铜中的Cu2O反应，产生高压水蒸气，使铜破裂，俗称“氢病”，CO也能使Cu2O中的Cu还原，生成高压CO2使铜破裂，但不像氢那样敏感。在1大气压下氢在铜中的溶解度

不过，氢病的发生与危害程度与温度有关。在150oC时，因水蒸气处于聚集状态，不引发氢病，含氧铜即使在氢气氛中耽置10a也不破裂；在200oC时可放置1.5a，在400oC氢气中只能停放70h。以Mg或B脱氧的铜不发生氢病。4紫铜的组织与性能

硫在室温铜中的溶解度为零。硫在铜中以Cu2S的弥散的质点存在，降低铜的电导率与热导率，也极大地降低铜的塑性，但可显著改善铜的可切削性能。硫对99.99％铜性能的影响见上表。硫对铜的性能影响4.1.3硫的影响4紫铜的组织与性能磷对铜的性能影响4紫铜的组织与性能4.1.4磷的影响

磷在铜中的最大溶解度（714oC共晶温度时）为1.75％，室温时几乎为零，显著降低铜的电导率（表8）及热导率，但对铜的力学性能与焊接性能有良好的影响，磷对在700oC退火300min后的铜性能的影响见表8。4.1.5铁的影响

1050oC时，铁在铜中的溶解度可达3.5％，635oC时的溶解度下降到0.15％。铁的有益作用是：细化铜晶粒，延迟铜的再结晶过程，提高其强度与硬度。铁也有不利的一面：降低铜的塑性、电导率与热导率。4.1.6铋的影响

铋在铜中的溶解度可忽略不计。铋在270oC与铜形成共晶体，其中的铋呈薄膜分布于晶界，严重降低铜的加工性能。因此，其含量不得大于0.002％。铜质板式换热器4紫铜的组织与性能4.1.7稀土元素的影响

稀土元素一般几乎不固溶于铜，但少量的稀土金属不管是单个加入，还是以混合稀土的形式加入，都对铜的力学性能有益，而对铜的电导率影响不大，这类元素加入适量时可铈对Cu－0.3Pb合金性能的影响与铜中杂质铅、铋等形成高熔点化合物，呈细小的球形质点均布于晶粒内，细化晶粒，提高铜的高温塑性。4紫铜的组织与性能4紫铜的组织与性能组织说明：纯铜液的结晶前沿是沿扁锭模四周逐渐进行的，其冷却方向是上、下及侧面同时进行的于是就形成柱状自上、下及侧面同时向中心发展，结果在中心线及边缘的45°处柱状晶彼此接触，构成最后结晶的薄弱面（箭头所指），弱面处最易有低熔点的杂质富集，导致热轧开坯时产生开裂。4.2紫铜的组织4紫铜的组织与性能材料名称：T2铜处理情况：180*640mm半连续铸造扁锭组织说明：半连续铸造有较强的冷却条件，边缘成核多，故边部为较细短的柱状晶，中心部分冷至成核温度以下。由于晶核较少，故中心为较粗的等轴晶，无明显薄弱面存在。4紫铜的组织与性能材料名称：T2铜（实物照片）处理情况：850℃下热加工组织说明：热加工后的加工铜α相为完全再结晶组织，温度较高，晶粒较大，有明显的退火孪晶。4紫铜的组织与性能4.3物理性能下图(b)，无下图(a)4紫铜的组织与性能纯铜冷拉引起的导电率降低T2的电阻率与变形率的关系退火温度对T2电阻率的影响见左图！（保温1h）4紫铜的组织与性能。下表。下表。4紫铜的组织与性能（5）弹性模量20℃时纯铜的弹性模量为105-137GPa，切变模量为38-48GPa。温度和加工率对铜的弹性模量的影响见下图。4紫铜的组织与性能

轧制铜板带会出现板织构，拉制线材存在着丝织构，退火后又会出现再结晶织构。材料有织构时，各个方向的物理、化学、力学性能会不一致，即有各向异性现象。各向异性板带材在冲压时会出现制耳，存在制耳的产品不但成品率较低，而且可能产生裂纹，提高制造成本、缩短工件使用期限。织构愈大。各向异性愈严重，制耳就愈大，危害也越大。（6）织构与各向异性1mm厚铜板的各向异性情况4紫铜的组织与性能

要完全消除制耳几乎是不可能的，特别是在加工率大时，但可以通过控制冷轧前后的退火工艺和加工率将各向异性减到最小，从而使制耳率降到最低限度：1）控制最后冷轧加工率不超过60%，冷轧前退火温度在700℃左右，冷轧后的最终退火温度为550-600℃(对1.0mm厚的铜板)。2）当冷轧加工率不大(约50%)时，冷轧前可在较宽的温度范围内退火，也不影响紫铜板、带力学性能的均匀性；当冷轧加工率较大(70%-80%)时，则冷轧前的退火温度范围缩小至550-600℃，方可获得均一的力学性能。提高最终退火温度，将增加紫铜板、带力学性能的各向异性。3）取消中间退火，采用大的冷轧加工率〔如大于95%)，并选择合理的最终退火工艺，可使紫铜板、带获得较好的“伪各向同性”，从而在深冲时得到杯口较齐的制品。4紫铜的组织与性能4.4化学性能Cu与大气、水等接触时，反应生成难溶于水的碱性硫酸铜CuSO4·

3Cu(OH)2和碱性碳酸铜CuCO3·

3Cu(OH)2薄膜，又称为铜绿。这层薄膜与铜基体结合牢固，本身致密，能防止铜继续腐蚀。因此，铜在大气、纯净淡水、流速慢的海水中都具有很强的抗蚀性，在这些介质中使用时，可不加保护。

铜的氧化速度在高温下会显著加快，生成正方晶格的致密的红色Cu2O膜，不形成CuO，因为它在高温下会分解为游离氧和Cu2O。无氧铜在高温退火时，氧会渗入铜的表面层内。4紫铜的组织与性能4.5力学性能紫铜的典型力