有色金属材料

关于有色金属材料

主要用途：电线、电缆

4、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。

3、面心立方晶格，强度低（σb=80-100MPa），

塑性好（ψ=80%），可以通过压力加工成各种型材，与其面心立方晶体有关。

2、导电性和导热性好，仅次于银、铜、金居第四位。

特性：1、熔点低，比重小。熔点为660.4℃密度2.72§4-1铝及铝合金一、工业纯铝牌号：工业纯铝牌号有L1L2……..L7数字大纯度低工业高纯铝牌号有L0L00

高纯铝L01L02……L04数字大纯度高。第2页,共36页，2024年2月25日，星期天

二、铝合金及强化方法（一）概述

1、合金化在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，经热处理可使强度比纯铝提高3－4倍。2、铝合金状态图共同特点是：基本相都是铝基

固溶体和

＋

共晶体。其中

为固溶体或化合物。

3、铝合金的分类及特性根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。即，变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧制、挤压等压力加工。铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。第3页,共36页，2024年2月25日，星期天Al

合金含量（SiMgCu等）温度DL

+变形铝合金铸造铝合金热处理不能强化热处理能强化D/F+L铝合金一般相图第4页,共36页，2024年2月25日，星期天

1、热处理强化强化方法：固溶处理－时效强化。

固溶处理：将合金加热到溶解度曲线以上某一温度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理的方法称固溶处理。

时效强化：固溶处理的合金在较低温度下随时间的延长发生进一步强化的现象(强度和硬度上升）称时效硬化或时效强化。

（二）铝合金强化方法第5页,共36页，2024年2月25日，星期天以铝铜合金为例，获得过饱和的α固溶体。其强度可以达到250MN/m2。时效强化：固溶处理的合金随时间的延续而发生进一步强化的现象称时效硬化或时效强化。例如：固溶处理的合金，如果在室温放置4-5例如4%Cu的铝合金加热到α相区中某一温度，经过一段时间保温，使获得单一的α固溶体组织，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2

来不及从α中析出第6页,共36页，2024年2月25日，星期天时效过程：分四个阶段：第一阶段，形成GP区(Guinier,Preston)，溶质原子的富集，引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。第二阶段，Gp区有序化,随着原子的进一步富集，原子有序的排列起来，成分结构接近CuAl2，称θ“，与母相共格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。第三阶段，形成过渡相θ′，溶质原子继续富集，化学成分逐渐达到CuAl2的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。第四阶段，θ相形成与长大，形成稳定的CuAl2。与母相完全脱离共格联系，晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合金发生软化，这种现象称“过时效“。

实际上，时效过程不一定全部包括以上四个阶段，自然时效只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。第7页,共36页，2024年2月25日，星期天

自然时效：在室温下进行的时效称自然时效（强度可以达到400MN/m2），人工时效：在加热条件下进行的时效称人工时效（100－200ºC）。人工时效的效果不如自然时效效果好，但时间短。

例：含4％Cu的铝合金，固溶强化后强度为250MPa自然失效后（4－5天）达到400MPa。

强化机理：在铝的过饱和

固溶体晶格内形成溶质原子富集区及铝化物且与

固溶体保持共格关系，使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合金的强度。第8页,共36页，2024年2月25日，星期天2、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。

3、固溶强化合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。第9页,共36页，2024年2月25日，星期天4、加入变质剂，进行变质处理—细晶强化。例：Al－Si铸造合金，浇铸前加入2－3％钠盐混合物（2/3NaF+1/3NaCl-变质剂），结晶时产生大量晶核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。铝硅合金变质处理前铝硅合金变质处理后第10页,共36页，2024年2月25日，星期天

特点：合金元素少，热处理强化不起作用，只能用加工硬化的方法强化。三、常用铝合金铝合金分为两大类：变形铝合金、铸造铝合金

（一）变形铝合金变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。1、防锈铝主要合金元素：Mn，Mg

常用牌号：LF5、LF11、LF21等

L－铝F－防锈

数字－顺序号

用途：制造油箱、油管等。第11页,共36页，2024年2月25日，星期天用途：制造铆钉、螺旋桨叶片等。3、超硬铝合金

特点：可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。2、硬铝合金

主要合金元素：Cu－Mg常用牌号：

LY1、LY11等。

L－铝Y－硬数字－顺序号

主要合金元素：Zn－Mg－Cu

常用牌号:LC4LC6L－铝C－超硬数字－顺序号

特点：这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最高的一种铝合金。第12页,共36页，2024年2月25日，星期天

用途：制造飞机大梁、蒙皮等。

特点：具有良好的锻造成型性，可固溶处理+人工时效强化。

用途：制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞。

4.锻铝合金

主要合金元素：Mg－Si－Cu,Cu－Mg－Ni

常用牌号：LD5LD7L－铝D－锻造数字－顺序号第13页,共36页，2024年2月25日，星期天四、铸造铝合金

用途：铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。

合金系：Al－SiAl－CuAl－MgAl－Zn

牌号表示方法：字母“ZL”＋三位数字

ZL－铸铝;

第一位数字表示合金类别

1－表示铝硅系，2－表示铝铜系

3－表示铝镁系，4－表示铝锌系第二、三位数字表示顺序号。例如：ZL102、ZL202、LZ302等。

特点：铸造性能好（Al-Cu合金差）第14页,共36页，2024年2月25日，星期天1、工业纯铜（又称紫铜）物理性能：密度为8.93g/cm3，熔点为1083℃，呈面心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、导热性能好。强度低，不能作为结构材料使用。应用：电线、电缆第二节铜及合金2、黄铜：化学成分：主要元素是铜和锌。含锌量0－50％。呈淡黄色。

性能特点：强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。第15页,共36页，2024年2月25日，星期天黄铜普通黄铜Cu－Zn合金，H59、H62、H70等

H－黄铜数字－Cu%

应用：水管、油管、散热器等。特殊黄铜普通黄铜基础上加入AlMnPbSi

进一步提高强度、硬度、耐磨性和耐蚀性。牌号：HPb59-1表示含铅黄铜，

Cu%=59Pb%=1

应用：制造船舶、化工中的高强耐蚀零件钟表、机械的轴瓦耐磨零件等分类、牌号及应用：第16页,共36页，2024年2月25日，星期天第17页,共36页，2024年2月25日，星期天3、青铜

主要成分：Cu-Sn合金，应用最早合金。近代又发展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的铜合金，习惯上也都称为青铜。

特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。

牌号：Q+元素符号＋含量

QSn4-3QAl5ZQSn10-5等（3％Zn）（5％Pb）

应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹簧，耐磨和抗磁零件第18页,共36页，2024年2月25日，星期天第19页,共36页，2024年2月25日，星期天4、白铜

白铜相图是匀晶相图，是单相组织。能够作为很好的耐蚀材料，如Monelalloy系列，见第三章。其中经常加入Zn固溶强化，还能提高耐蚀性。如CuNi15Zn20，其耐蚀性和机械性能都很好。另外加入Mn，有高电阻和低电阻温度系数，CuNi40Mn2被称为康铜，作为低温热电偶使用(500-600℃以下)以及在此温度下的变阻器和加热器。CuNi43Mn1又名考铜，性能与康铜类似，可作为变阻器，低温热电偶和补偿导线。

第20页,共36页，2024年2月25日，星期天第21页,共36页，2024年2月25日，星期天五、铜基形状记忆合金

所谓形状记忆合金是指一类具备马平衡氏体相变的合金。合金在室温发生马氏体相变后，对马氏体变形。当将变形后的马氏体再加热到高温，则合金自动回复到原来母相的形状。如果对形状记忆合金的母相状态在马氏体转变温度之上变形形成应力诱发马氏体，同样在加热到As点以上后能够回复到母相原始形状。这是因为在相变过程中，有序的母相与马氏体相之间是共格关系，具有晶体学的可逆性和马氏体变体之间的自协调，以层错作为不变点阵切变，而且马氏体相变阻力小，其弹性应变、热滞和体积变化也小。其变形的能量主要以弹性能形式储存在马氏体与母相之间的共格界面上及界面附近。在对马氏体加热过程中，马氏体在弹性能作用下逆切变，而转变沿可逆路径返回，使形成的母相又回复到原来形状。

第22页,共36页，2024年2月25日，星期天以黄铜为基础的CuZnAl合金和以铝青铜为基础的CuAlNi合金就具有很好的形状记忆效应。

第23页,共36页，2024年2月25日，星期天§4-3钛及钛合金

Ti的熔点高于Fe，达1668℃。在882.5℃发生密排六方的

相(低温相)向体心立方的

相的转变。

相的a=0.2951nm，c=0.4684nm。其钝化电位低，在常温下其表面可形成氧化物和氮化物组成的致密钝化膜。能耐大气、湿气，海水，硝酸，硫酸，氯化物和湿氯气的腐蚀。因此广泛使用于化工设备中。但不能超过550℃。在此温度以上，则金属吸收氧化膜而造成基体与O、N、C强烈反应，造成污染和材料脆化而无法使用。高纯Ti的

b=220-260MPa，

s=120-170MPa，

=50-60%，

=70-80%。此塑变能力在密排六方中是罕见的，与其c/a值较低有关。除在多个晶面上可进行滑移外，还有多个孪晶面。

第24页,共36页，2024年2月25日，星期天我国牌号用T表示Ti合金。TA表示组织为

单相。TB表示组织为

单相。TC表示组织为

+

两相。TA类合金中TA1-TA3为工业纯Ti。纯度在99.5-99.0%之间。

型Ti合金中主要合金元素是

稳定性元素Al和中性元素Sn和Zr，同时起到固溶强化的效果。

+

类钛合金中的主要合金元素除

相稳定性元素Al和中性元素Sn外，加入V、Mn、Cr、Fe、Mo等

相稳定元素。而

型Ti合金主加元素为

相稳定元素Mo和Cr。为了提高热处理强化效果，还加入少量Al和V。

第25页,共36页，2024年2月25日，星期天第26页,共36页，2024年2月25日，星期天

理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴颈的实际接触面积小，减小摩擦。如图示：

§4-4滑动轴承合金用于制造滑动轴承及其内衬的合金

一、性能要求1、要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳强度。

2、足够的塑性和韧性。

3、低的摩擦系数

4、良好的导热性和小的膨胀系数。第27页,共36页，2024年2月25日，星期天

二、分类及主要成分锡基轴承合金Sn+锑（Sb）和铜铅基轴承合金Pb+Sb+Sn+Cu

还有铜基轴承合金、铝基、等

第28页,共36页，2024年2月25日，星期天

四、工业中常用的轴承合金工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基轴承合金）锡锑合金ZchSnSb11-6

铅锑合金ZChPbSb16-16-2(16%Sb,16%Sn,2%Cu)

三、牌号表示方法：ZCh+基本元素符号＋主加元素符号＋含量＋辅加元素平均含量例：ZChSnSb11-6ZCh－铸造轴承Sn－基本元素是锡

Sb11－锑含量为11％6－铜含量6％第29页,共36页，2024年2月25日，星期天

软基体是Sb溶于Sn形成的固溶体呈暗黑色；硬质点是SnSb,β相呈白方块

用途：浇注大型机器的轴瓦，如气轮机发动机等高速轴瓦。巴氏合金熔点和强度均较低，承受不了大的压力，生产上常用离心浇注法将它们镶铸在08F钢轴瓦上，制成所谓“双金属”轴承。第30页,共36页，2024年2月25日，星期天第31页,共36页，2024年2月25日，星期天一、镁及镁合金Mg既可以通过电解还原MgCl2，也可以通过化学还原MgO生产。其结构为密排六方，熔点为6500C，沸点为11070C。Mg的比重低，为1.733。弹性模量低(45000MPa)、膨胀系数大(25.6×10-6/K)。由于其化学性质活泼，在冶金中主要作为脱氧剂制取V、Cr、Ti等金属。由于其形成的氧化膜很脆，所以没有保护基体的作用，也就不耐蚀。但对碱金属、铬酸和氢氟酸耐蚀。在干燥空气中不需要保护。在球墨铸铁生产中作为球化剂使用。纯Mg的塑性低、强度低、熔点低、比重低，一般不作为结构材料使用。§4-5其它合金第32页,共36页，2024年2月25日，星期天Mg合金分为铸造和锻造Mg合金。常见变形Mg合金牌号为Mg2Mn，Mg3AlMnZn，Mg2MnCe，MgMn5Ce。其特点是合金含量较低、杂质含量要求高以保证其塑性。加入的Mn基本上是以单质形式析出，强化效果弱。但能与有害杂质Fe化合以清除Fe对耐蚀性的有害作用。Ce主要是细化晶粒提高室温和高温强度。Al与Mg形成第二相，因此可进行热处理强化(固溶处理加时效)。铸造Mg合金主要牌号为ZMg4ZnZr，ZMg4ZnRE1Zr，ZMgZn3REZr，ZMg8AlZnMn。其中ZMg8AlZnMn应用最广。可进行各种热处理。热处理表示方法与Al合金相同。这里Zr的主要作用是细化晶粒。

第33页,共36页，2024年2月25日，星期天二、锌及锌合金

Zn是低熔点元素，其熔点只有419.4℃。但比重高达7.14，有一定强度(150MPa)和耐蚀性。为六方晶格，在室温塑性不好。在100℃以上其塑性有