《金属材料工程概论（第2版）》10有色金属及合金课件

10有色金属及合金除铁、铬、锰及其合金之外的其他金属均属有色金属。特点及应用：

（1）具有相对密度小、比强度高

飞机制造、汽车制造、船舶制造

（2）导电性和导热性优良

电气工业和仪表工业制造

（3）耐高温性

在1300℃以上使用的高温零件及电真空元件本章主要内容10.1有色金属及生产110.2铜及铜合金210.4镁及镁合金410.3铝及铝合金3有色金属的分类轻有色金属：相对密度在4.5以下。

铝、镁、钛、钠、钙、钾等。熔盐电解及金属热还原法提取。重有色金属：相对密度在4.5以上。

铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、汞、镉等。火法冶炼和湿法冶炼。

10.1有色金属及生产稀有金属：在地壳中分布不广，而且又很分散，难于冶炼，工业上应用较晚。锆、钒，锂、铍、铅、锌、锡、汞等。按其物理化学性质、提取的方法及在地壳中存在的特征又可分为以下五类。(1)稀有轻金属：锂、铷、铯、铍等。特点是比重轻，如锂比重为0.53，是最轻的金属。(2)稀有高熔点金属：钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒、铼等。其特点是硬度高，抗蚀性强，熔点高。

10.1有色金属及生产10.1有色金属及生产(3)稀有分散金属：镓、铟、铊、锗、硒、碲等。特点是在地壳中很分散，大多数没有形成单独的矿物和矿床。(4)稀土金属：钪、钇，鑭及鑭系元素。特点是各种稀土金属一起伴生于矿物中。(5)稀有放射性金属：锕及锕系元素(钍、镤、铀等)，是原子能工业的主要原料。

贵金属：金、银及铂族金属(铂、钯、钉、铑、铱、娥)。金和银一直是当作货币储备的。10.1有色金属及生产生产比较复杂1)采矿和选矿

有色金属在矿石中的含量低，需要原矿石多2)冶炼

火法冶金、湿法冶金和电冶金。3）加工

轧制、挤压、拉伸、锻造、等静压加工、扩散焊接、超塑成型等方法4）综合利用回收有色金属许多稀有金属没有单纯矿床，主要是从钢铁、有色金属及化工厂的废料、废气中综合回收。10.2铜及铜合金

铜及铜合金概述：铜是人类最早使用的金属，即从铜器时代人类就应用铜。

铜的强度低，硬度低，限制了工程应用

高导电性和导热率，易于成型，良好的耐蚀性。工业纯铜纯度99．70％～99.95％

玫瑰红色的金属，表面形成氧化亚铜(Cu2O)膜后呈紫色，故又称紫铜。

密度为8.96g／cm3，熔点为1083℃，

具有面心立方晶格，无同素异晶转变。

优点是具有良好的导电性、导热性及良好的耐蚀性(抗大气及海水腐蚀)。铜还具有抗磁性。10.2铜及铜合金强度不高(σb＝230～240MPa)，硬度低，塑性高。冷塑性变形后，可以使铜的强度提高到400～500MPa，但延伸率急剧下降到2％左右。分类：冶炼产品(铜锭、电解铜)和压力加工产品(铜材)两种。应用：制作导体和抗磁性干扰的仪器、仪表零件以及配制铜合金等。10.2铜及铜合金黄铜以锌为主加元素的铜合金称为黄铜，其相图如图10-1所示。图10-1Cu-Zn相图图10-2Cu-Zn合金的显微组织，OM黄铜分类：普通黄铜和特殊黄铜。1)普通黄铜不含其它合金元素的黄铜称为普通黄铜。α黄铜具有优良的塑性、焊接性和锻造性，适宜于冷加工。β相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，具有体心立方晶格，其塑性良好，β相在453℃～468℃时，将发生有序化转变，即铜锌原子由杂乱无序分布转变为分别占据顶角和体心位置有序分布的固溶体。图为H62普通黄。铜棒材2）特殊黄铜在铜锌二元合金的基础上再加入其它合金元素，就形成特殊黄铜。加入其它合金元素是为了改善黄铜的力学性能、抗蚀性能以及铸造性能。铝黄铜

铝能提高黄铜的耐蚀性，也能提高其强度、硬度，但降低塑性。铝黄铜主要用来制造船舶上要求具有高强度、高耐蚀性零件。

硅黄铜

硅可降低黄铜的裂纹敏感性，并能显著提高黄铜的强度、耐磨性、铸造性能和焊接性能。硅黄铜主要用来制造船舶及化工机械零件。铅黄铜

铅对黄铜的强度影响不大，但能提高其耐磨性，并可改善黄铜的切削加工性。铅黄铜主要用来制造要求耐磨性和切削加工性能较好的零件，如轴承等。锰黄铜

锰可提高黄铜的强度和弹性极限，并且不降低塑性。锰还可提高黄铜在海水中和过热蒸汽中的抗蚀性能。锰黄铜主要用来制作耐蚀零件等。锡黄铜

锡可提高黄铜在海水中和海洋大气中的抗蚀性能。并能改善黄铜的切削加工性能。锡黄铜主要用来制造船舶零件。图为HSn62-1特殊黄铜棒材铁黄铜·铁可提高黄铜的力学性能和耐磨性。如果再加入少量的锰，可提高黄铜的耐蚀性。铁黄铜一般用来制作要求耐磨、耐大气和海水腐蚀的零件。镍黄铜

镍可提高黄铜的力学性能、热强性和耐蚀性。也可改善其压力加工性能，并能降低黄铜的裂纹敏感性。镍黄铜主要用来制作电机及船舶零件。特殊黄铜的牌号表示方法是“H”加上主加元素符号(除锌以外)加上铜含量再加上主加元素含量。如HSi80-3表示含铜为80％、含硅为3％(余量为锌)的硅黄铜。如是铸造产品，则在其前加上字母“Z”即可。黄铜的主要热处理：低温退火和再结晶退火。

低温退火

低温退火的主要目的是消除内应力，防止黄铜应力腐蚀破裂及切削加工过程中的变形。退火加热温度为200℃～300℃。

再结晶退火

黄铜的再结晶退火目的是消除加工硬化和恢复塑性。黄铜的再结晶温度约为300℃～400℃，因此常用的再结晶退火温度为500℃～700℃。青铜早期，人们把以锡为主加元素的铜锡合金称为青铜。近年来，工业上应用了大量的含铝、硅、铍、锰、铅等的铜基合金，习惯上统称为青铜。为了区别起见，分别称为铝青铜、硅青铜、铍青铜等。图为QSn-3普通青铜棒材青铜的牌号：用“青”字的汉语拼音第一个字母“Q”加上主加元素的化学符号和其百分含量再加上其它元素的百分含量来表示。如是铸造产品，则在牌号前加“Z”字。如QAl5表示含铝量为5％的铝青铜；ZQSnl0—l表示含锡为10％，其它合金元素的含量为1％的铸造锡青铜。白铜定义：以镍为主要添加元素的铜基合金，称镍白铜，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。（镍含量一般为25%）性能及应用：

（1）耐蚀性优异，且易于塑型、加工和焊接，广泛用于造船、石油、化工、建筑、电力、精密仪表、医疗器械、乐器制作等部门作耐蚀的结构件。（2）某些白铜还有特殊的电学性能，可制作电阻元件、热电偶材料和补偿导线。非工业用白铜主要用来制作装饰工艺品。

10.3铝及铝合金工业纯铝的主要特性银白色金属光泽的金属，地壳中储量最多的一种元素，约占地壳总重量的8.2％，工业上冶炼铝应用电解制铝，其纯度为99.7％～98％。

性能特点：它的相对密度小(2.72)，熔点低(660.4℃)，沸点高(2477℃)。具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝耐大气和淡水耐蚀性好，耐碱和盐水腐蚀性差。纯铝具有良好的低温性能。纯铝易于铸造，易于切削，易通过压力加工制成各种规格的半成品。铝具有良好的导电性和导热性。不能热处理强化的变形铝合金：固溶体成分不随温度而改变，不能热处理强化，称为不能热处理强化的变形铝合金；可热处理强化的变形铝合金：其固溶体成分随温度变化而变化，可用热处理强化，称为可热处理强化的变形铝合金。铝合金的分类铝合金的时效强化固溶处理：把铝合金加热到固相线温度以下，保温一定时间，然后将其迅速淬入水中冷却，使之成为单相的过饱和固溶体。时效强化或时效：合金在室温下放置或低温加热时，因第二相析出，使强度、硬度明显提高。这种现象称为时效强化或时效。自然时效：室温放置过程中使合金产生强化的效应称为自然时效；人工时效：重新加热过程中使合金产生强化的效应称为人工时效。变形铝合金按性能和用途可分为：

防锈铝合金Al—Mg系或Al—Mn系合金；制作容器、管道、铆钉等图为防锈铝带硬铝合金也称杜拉铝铝-铜-镁系合金。经热处理后，强度从200N/mm2可增加到400N/mm2，耐蚀性较防锈铝差，使用时外包一层纯铝，可提高防蚀能力。

超硬铝合金是铝-铜-镁-锌系合金。经热处理强化后，强度超过硬铝，达600N/mm2，耐蚀性差，使用时常外包纯铝图为硬铝棒材图为超硬铝带锻铝合金铝-铜-镁-硅系合金。机械性能与硬铝相近，热塑性、耐蚀性较高，适宜锻造。

铸造铝合金

发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体图为某公司的客车锻造铝圈10.4镁及镁合金银白色的轻质碱土金属，在实用金属中是最轻的金属性能：力学性能差。拉伸强度115MPa，延伸率8%，硬度HB36，冷加工态下，拉伸强度200MPa，延伸率11.5%，硬度HB36。化学活性很强，电极电位很低，抗蚀性较差，用途：配制镁合金；在化工中常用做还原剂，去置换钛、锆、铀、铍等金属；制烟火、镁盐、照明弹、信号弹等；未成为大规模使用的结构材料。按化学成分：Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn等二元镁合金Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn等三元系

多组分系镁合金。按成形工艺：

铸造镁合金

变形镁合金如图10-6所示为晶粒大小不同的组织形貌。镁合金的分类(1)重量轻

现代社会的手提类产品（如3C用品）减轻重量，车辆减少能耗具有非常重要的意义。镁合金的特点及其应用(2)高的阻尼和吸震、减震性能

镁合金具有极好的吸收能量的能力，可吸收震动和噪音，保证设备能安静工作。(3)良好的抗冲击和抗压缩能力

旋转草坪切割机机盖采用镁合金压铸件的原因之一。(4)良好的铸造性能

镁合金铸造制品的壁厚可以小于0.6mm(5)尺寸稳定性

在100℃以下，镁合金可以长时间保持其尺寸的稳定性(6)铸模生产率高

镁合金的单位热含量低，可在模具内快速凝固。(7)良好的机械加工性能

镁合金的切削阻力小，其切削速度大大高于其它金属，切削加工时间短，切削加工而且加工成本低。(8)良好的耐蚀性

在大气中，镁具有很好的耐蚀性，比铁的耐蚀性好。镁合金的特点及其应用(9)高散热性镁合金具有高的