金属材料及热处理 课件 项目八 有色金属材料及其合金认知

项目八有色金属材料及其合金认知任务一认识铝及铝合金任务二认识铜及铜合金

任务三认识镁及镁合金

任务四认识钛及钛合金任务五认识滑动轴承合金任务六认识硬质合金一

工业纯铝纯铝是银白色的轻金属，密度为2.7g/cm3，熔点为660℃，具有面心立方晶格，无同素异晶转变。1.工业纯铝的性能特点

工业纯铝的纯度为98.7%～99.8%，并含有少量的铁和硅等杂质。

纯铝的强度、硬度很低，但塑性很好，通过冷变形强化可提高纯铝的强度，但塑性有所下降。

任务一认识铝及铝合金2.工业纯铝的牌号表示方法

（1）旧牌号工业纯铝的加工产品的牌号由“L”加数字组成。数字表示顺序号，序号数愈大，纯度愈低。（2）四位字符体系

用1×××四位字符表示，“1”表示组别：纯铝；第二位为字母，表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，表示为原始纯铝；后二位数字表示铝的最低含量小数点后的两位数字（用百分数表示）。如1A97表示的是最低铝含量为99.97%的原始纯铝。

二

铝合金1.铝合金的分类及牌号表示方法

（1）铝合金的分类

①形变铝合金

凡成分在D点左边的合金，加热时能形成单相固溶组织，合金塑性较高，适于压力加工，称为形变铝合金。成分在F与D点之间的铝合金：固溶体的成分随着温度的变化而变化，可用热处理来强化；成分在F点左边的合金：固溶体成分不随着温度的变化而变化，故不能用热处理强化。

②铸造铝合金成分在D点右边的合金，因具有共晶组织，塑性较差，不适于压力加工，但其熔点低，流动性好，适于铸造，故称铸造铝合金。（2）铝合金的牌号表示方法①旧牌号变形铝合金的牌号是用两个大写的汉语拼音字母及数字来表示。第一个字母为”L”表示铝合金；第二个字母表示合金的组别，（F—防锈铝合金，Y—硬铝合金，C—超硬铝合金、D—锻铝合金）；后面的数字表示顺序号。如LF2表示2号防锈铝合金，LY11表示11号硬铝合金，LC4表示4号超硬铝合金，LD8表示8号锻铝合金。铸造铝合金分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四类。铸造铝合金的代号用“铸铝”汉语拼音字首“ZL”加三位数字表示。第一位数字表示主要合金类别，即“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、三位数字表示合金的顺序号。如：ZL102表示2号铸造铝硅合金，ZL201表示1号铸造铝铜合金。②四位字符体系用数字2～9加大写英文字母B～Y（C、I、L、N、O、P、Q、Z除外）和两位数字组成。第一位数字表示铝合金的组别：“2～8”分别表示Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn、其他元素；大写英文字母表示原始铝合金的改型情况（若为A表示原始合金）；最后两位数字用来标识同一组中不同的铝合金。如LD5的四位字符体系为2A50，LF21的四位字符体系为3A21等。铝合金的强化1.铝合金的固溶热处理将铝合金加热到α单相区，经保温形成均匀的单相α固溶体，随后迅速水冷，使第二相来不及从α固溶体中析出，在室温下得到过饱和的α固溶体，这种处理方法称为固溶热处理。铝合金经固溶处理后强度和硬度没有明显地提高，但塑性和韧性却得到了改善，并且组织不稳定，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。2.铝合金的时效（1）自然时效将经过固溶处理的铝合金在室温下放置一定时间后或低温加热时，强度和硬度会明显提高。这种固溶热处理后的铝合金随时间的延长而发生硬度和强度升高的现象，称为时效（即时效强化）。在室温下进行的时效，称为自然时效。（2）人工时效在加热条件下进行的时效，称为人工时效。时效温度愈高，时效进行的速度愈快，合金达到其最高强度的时间愈短，但其强度愈低。

变形铝合金1.防锈铝合金防锈铝合金属于Al-Mn或Al-Mg系合金。常用的有5A05、3A21等。防锈铝合金属于不能用热处理强化的铝合金，只能用冷变形强化。防锈铝合金的强度、硬度较低，耐蚀性、塑性和焊接性良好，但切削加工性较差，主要用于制造高耐蚀性的构件、薄板容器、管道及需要弯曲或冷拉伸的零件和制品。2.硬铝合金硬铝合金属于Al-Cu-Mg系合金，可用热处理（淬火和时效处理）来强化。常用的有2A01、2A11、2A12等，由于密度小，比强度（接近高强度钢）高，所以称为硬铝。

3.超硬铝合金

超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系合金。常用的有7A03、7A04等。在铝合金中，超硬铝合金的时效强化效果最好，其强度、硬度均高于硬铝，比强度接近超高强度钢，故称超硬铝。超硬铝主要用作要求重量轻而受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架等。4.锻铝合金

锻铝合金属于Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。常用的有2A50、6A02等。其力学性能与硬铝相近，但热塑性、耐蚀性较高，适于锻造，故称锻铝。主要用于比强度要求较高的锻件。通常采用固溶热处理和人工时效来提高强度。铸造铝合金

1.铝硅合金铝-硅系铸造铝合金通常称硅铝明。这类铝合金具有良好的铸造性能，其流动性好，收缩及热裂倾向小，熔点低，采用铸造方法生产。最常用的是ZL102，它是典型的铝硅合金，属于共晶成分。其铸造组织是硅溶入铝中形成的α固溶体和粗大针状硅晶体组成的共晶体(α+Si)。为提高其力学性能，常采用变质处理。因变质剂使共晶点移向右下方，因而使合金处于亚共晶相区，硅晶体变为细小颗粒状，均匀分布在铝的基体上，形成了具有良好塑性的初晶α

相，即α

固溶体。2.其他铸造铝合金（1）铸造铝铜合金铸造铝铜合金的耐热性好，可进行时效硬化，但铸造性能和耐蚀性差，主要用来制造高温条件下不受冲击和要求较高强度的零件。常用代号有ZL201、ZL202等。（2）铸造铝镁合金铸造铝镁合金的强度较高、耐蚀性好、密度小，但铸造性能差，耐热性较低，易产生热裂和疏松。主要用于制造在腐蚀性介质中工作的零件，常用代号有ZL301、ZL302等。（3）铸造铝锌合金铸造铝锌合金的铸造性能好，经变质处理和时效处理后强度较高，但耐蚀性、耐热性较差。主要用于制造结构形状复杂的仪器零件、汽车零件，常用代号有ZL401、ZL402等。一

工业纯铜纯铜由于表面极易被氧化形成紫红色的Cu2O，所以又称红铜（或紫铜），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。工业用纯铜铜的质量分数为99.70%～99.95%，工业纯铜的代号用“T”

加顺序号表示，共有四个代号：T1、T2、T3、T4。序号愈大，纯度愈低，导电性愈差。任务二认识铜及铜合金二

铜合金1.铜合金的分类按所加的合金元素不同，铜合金可分为：黄铜（铜-锌合金）、白铜（铜-镍合金）和青铜（铜-除锌、镍以外的其他元素）；按生产方法不同：铜合金可分为铸造铜合金和压力加工铜合金。2.铜合金的牌号表示方法（1）压力加工铜合金的牌号表示方法①黄铜的牌号表示方法普通黄铜的牌号采用“H”

加数字表示。数字表示平均铜的质量分数，如H68表示铜的质量分数为68%，其余为锌的普通黄铜。特殊黄铜牌号依次有“H”、主加合金元素符号、铜的平均质量分数、主加合金元素平均质量分数组成。如HSn62-1表示平均铜含量为62%、锡含量为1%，其余为锌含量的锡黄铜。②白铜的牌号表示方法普通白铜的牌号由代号“B”

和数字（镍的平均质量百分数）组成，如B30表示的是镍的平均质量分数为30%的白铜。特殊白铜的牌号由“B”、其他化学元素符号（第二主加元素的元素符号）、第一主加元素镍的平均质量分数和第二主加元素的质量分数组成，如BMn43-0.5表示镍的平均质量分数为43%、锰的平均质量分数为0.5%的锰白铜。③青铜的牌号表示方法青铜的牌号依次由“Q”、主加元素符号及其平均质量分数和其他元素的平均质量分数组成。如QSn4-3表示平均锡的质量分数为4%、锌的质量分数为3%，其余为铜的锡青铜；QBe2表示平均铍的质量分数为2%，其余为铜的铍青铜。（2）铸造铜合金的牌号表示方法①铸造黄铜的牌号表示方法铸造普通黄铜的牌号由“Z”、铜与合金元素符号及该合金元素平均质量分数组成。如ZCuZn38是常用铸造普通黄铜，表示平均铜含量为62%，锌含量为38%的铸造普通黄铜。铸造特殊黄铜牌号依次由“Z”

、铜和合金元素符号、合金元素平均质量分数组成。如ZCuZn16Si4表示平均锌含量为16%、硅含量为4%，其余为铜的铸造硅黄铜。②铸造青铜的牌号表示方法牌号由“Z”

、铜与合金元素符号及该合金元素平均质量分数组成。如ZCuSn10Zn2表示平均锡的质量分数为10%、锌的质量分数为2%，其余为铜的铸造锡青铜。3.黄铜(1)普通黄铜①普通黄铜的成分、组织和性能普通黄铜是由铜和锌组成的二元合金。加入锌可提高合金的硬度、强度和塑性，还可以改善铸造性能。（2）统一数字代号体系当锌的质量分数小于32%时，锌可全部溶入铜中，室温下形成锌在铜中的单相α固溶体；当锌的质量分数达到32%～45%时，普通黄铜室温组织为α固溶体与硬而脆的β相组成的两相组织；当锌含量大于45%时，黄铜组织全部是β相。②常用的黄铜牌号及用途H70、H68，组织为单相α固溶体，强度较高，塑性较好，适用于冷、热塑性变形加工，主要适于用冲压方法制造形状复杂、要求耐蚀性较高的零件，如弹壳、冷凝器等；H62、H59为双相黄铜（α+β），其强度较高，有一定的耐蚀性，但在室温下，其塑性和韧性较差，不适于冷变形加工，但在高温下具有良好的塑性和韧性，可进行热变形加工，广泛用于制作热扎、热压的零件。(2)特殊黄铜在普通黄铜中加入硅、锡、铝、铅、锰、铁等合金元素所形成的合金，称为特殊黄铜。特殊黄铜分为压力加工和铸造用两种。前者加入的合金元素较少。后者因不要求有很高的塑性，为提高强度和铸造性能，可加入较多的合金元素。

4.白铜白铜是以镍为主加元素的铜合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。（1）普通白铜普通白铜是由铜和镍组成的二元合金，镍的含量一般为25%以上。常用的牌号有B19、B25、B30等。广泛应用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、装饰工艺品等领域，并且还是重要的电阻及热电偶合金。（2）特殊白铜①铁白铜：常用铁白铜的牌号有BFe5-1.5-0.5、BFe10-1-1、BFe30-1-1等。②锰白铜：常用锰白铜的牌号有BMn3-12（锰铜）、BMn40-1.5（康铜）、BMn43-0.5（考铜）等。③锌白铜：常用锌白铜的牌号有BZn18-18、BZn18-26、BZn15-12-1.8等。④铝白铜：常用铝白铜的牌号有Ba113-3、Bal16-1.5等。5.青铜除黄铜和白铜以外的其他铜合金称为青铜，其中含有元素锡的称为锡青铜，不含元素锡的称为无锡青铜（也称特殊青铜）。按化学成分和工艺特点，又分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

（1）锡青铜①锡青铜的化学成分锡青铜是以锡为主要添加元素的铜基合金。wSn＜7%时，锡青铜的室温组织是单相α固溶体；wSn＞7%时，组织中出现硬而脆的δ相；wSn＞10%时，强度上升，但塑性下降，适宜铸造；wSn＞20%时，合金变得很脆，强度显著降低。②锡青铜性能特点及用途锡青铜的耐磨性高、无磁性、无冷脆现象，对大气、水、海水的抗蚀性比纯铜、黄铜高，但对酸类和氨水的抗蚀性差。锌可改善其流动性并可代替部分贵重的锡；铅可改善锡青铜的切削加工性；磷可增加锡青铜的耐磨性。（2）特殊青铜①铝青铜铝青铜是指以铝为主要添加元素的青铜合金。铝的质量分数一般为5%～11%。②铍青铜铍青铜是以铍为主要添加元素的青铜合金。铍的质量分数一般为1.7%～2.5%。一、镁及镁合金的性能特镁的密度是1.74g/cm3，只有铝的2/3，钛的2/5，钢的1/4，它具有密度小，高的比强度和比刚度，良好的阻尼减震性、耐蚀性、切削加工性，电磁屏蔽性好、压铸性能好等优点，使其在汽车和航空工业中有了一定的作用。任务三认识镁及镁合金1、镁合金的牌号：如AZ91D：含有铝约9%，含有锌约1%的镁合金。变形镁合金（MB），铸造镁合金（MZ）压铸镁合金（YM）2、镁合金的分类Mg-Mn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Zn-Mn一、纯镁及镁合金的性能特点1、Mg-Al系合金：（1）AZ系列合金是常见的结构用含铝镁合金（2）AZ91是最常用的压铸合金（3）AZ31是最常见的变形合金（4）AM合金适合制造汽车轮毂、方向盘2、Mg-Mn系合金：有着优良的耐蚀性和焊接性，可以用于飞机蒙皮、壁板及内部构件，管材多用于汽油、润滑油等要求抗腐蚀性的管路系统。三、常用典型镁合金一

工业纯钛钛是银白色的金属，密度小（4.5g/cm3），熔点高（1720℃），热膨胀系数小。钛具有同素异晶转变现象，在882℃以下为密排六方晶格，称为α-Ti（α钛）；在882℃以上为体心立方晶格，称为β-Ti（β钛）。工业纯钛按纯度可分为TA1、TA2、TA3三个等级。其中“T”为“钛”字汉语拼音字首，序号表示纯度，数字越大则纯度越低。任务四认识钛及钛合金二

钛合金1.钛合金的成分和性能钛合金是指在工业纯钛中加入合金元素而得到的合金，加入的合金元素主要有铝、铜、铬、锡、钒和钼等。根据元素的作用不同，可将合金元素分为α相稳定元素和β相稳定元素。2.钛合金的分类和牌号表示方法（1）钛合金的分类室温下，钛合金有三种基体组织：全部α相、全部β相和α+β相。根据基体的不同，钛合金可分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三类

（2）钛合金的牌号表示方法钛及钛合金的牌号采用“T”、大写的英文字母（A、B、C）和数字来表示。其中，“T”表示钛合金；英文字母表示钛合金的种类：A、B、C分别代表α钛合金、β钛合金和α+β钛合金；数字表示顺序号。如TA1表示1号α钛合金，即1号工业纯钛；TB2表示2号β钛合金；TC4表示4号α+β钛合金。3.常用的钛合金的牌号及用途（1）α钛合金主加元素是铝和锡。常用的牌号有TA5、TA6、TA7等。在高温（500～600℃）时，它的强度最高，切削加工性最好，它的组织稳定，焊接性良好；但在常温下，它的硬度和强度低于其他钛合金。（2）β钛合金含有铬、钼、钒和铁等合金元素，这些元素都是使β相稳定的元素，在正火或淬火时容易将高温的β相保留到室温，得到较稳定的β相组织。因其生产工艺复杂，合金密度大，在三种钛合金中它的切削加工性最差，故在工业上用途不广。（3）α+β钛合金合金的室温组织为α+β两相组织。常用的牌号有TC1、TC2、TC4，其中应用最广的是TC4（钛-铝-钒合金），它具有较高的强度和良好的塑性。在400℃时，组织稳定，强度较高，抗海水等腐蚀能力强。三

钛合金的热处理1.退火

（1）为了消除内应力，可在450～650℃进行去内应力退火。（2）在冷变形加工时，容易产生加工硬化，导致加工过程难以顺利进行。为了消除加工硬化，可650～850℃退火。2.淬火+时效处理钛合金通过淬火得β相（亚稳定相），再经400～600℃时效，可析出弥散分布的化合物，从而使强度提高，但塑性下降。α+β钛合金可进行淬火+时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％。一

滑动轴承对轴承合金的性能要求1.轴承合金应具备的性能（1）足够的强度、硬度和较高的疲劳强度、抗压强度和耐磨性；（2）良好的磨合性及较小的摩擦系数；（3）良好的耐腐蚀性、导热性和抗咬合性；（4）足够的塑性、韧性和较高的抗冲击、振动性，膨胀系数小。任务五认识滑动轴承合金2.轴承合金的组织特征（1）软基体上分布着硬质点软基体被磨凹下去，硬质点凸出基体支撑轴颈，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，从而减小了摩擦力；硬质点周围的凹陷能储存润滑油，形成油膜；软基体能承受冲击与振动，促使轴颈与轴瓦磨合。这类合金具有较好的磨合性，且抗冲击和震动，但承载能力不高。属于这类组织的有锡基和铅基轴承合金（也称巴氏合金）。二

轴承合金的分类及牌号表示方法轴承合金牌号由“Z”、基体金属的化学元素符号、主加合金元素符号和数字、辅加合金元素符号和数字组成。如ZSnSb11Cu6表示主加元素锑的质量分数为11%，辅加合金元素铜的质量分数为6%的铸造锡基轴承合金；ZPbSb16Sn16Cu2表示主加元素锑的质量分数为16%，辅加合金元素锡的质量分数为16%，铜质量分散为上2%的铸造铅基轴承合金

三

常用的轴承合金及用途1.锡基轴承合金（锡基巴氏合金）

以锡为基础，并加入锑和铜元素组成的合金。

常用的锡基轴承合金有ZSnSb11Cu6和ZSnSb8Cu6等。

适于制造重要的轴承，如涡轮机、汽轮机、内燃机等高速轴瓦。2.铅基轴承合金（铅基巴氏合金）铅基轴承合金是以铅为基础，并加入锡、锑、铜等元素组成的合金。常用的牌号有ZPbSb16Sn16Cu2。适用于制作工作温度不超过120℃，承受中、低载荷的中速轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承及电动机、破碎机的轴承等。3.铜基轴承合金（1）铅青铜是以铅为基本合金元素的铜基合金，常用牌号是ZCuPb30。用于制造高速、重载荷下工作的轴承，如航空发动机、高速柴油机轴承和其他高速重载荷轴承。（2）锡青铜是以锡为基本合金元素的铜基合金，常用的有ZCuSn10P1和ZCuSn5Pb5Zn5。用于承受较大载荷的中等速度的轴承，如电动机、泵等的轴承。

4.铝基轴承合金高锡铝基轴承合金是以铝为基本合金元素，加入锡、铜、铝等合金元素组成的合金。组织为硬的铝基体上均匀分布着软的粒状锡质点。这种合金常以08钢为衬背，轧制成双合金带使用。它具有的疲劳强度，良好的耐磨、耐热和耐蚀性。适于制作高速（13m/s）、重载（3200MPa）的轴承，在汽车、拖拉机和内燃机等部门应用广泛。一、硬质合金的性能及用途

用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成型、烧结等工艺过程而制成的材料称为粉末冶金材料。这种工艺过程称为粉末冶金。1.粉末冶金的特点（1）具有较高生产率和材料利用率；（2）一种无切屑或少切屑的加工方法。（3）但金属粉末成本高，模具费用高。任务六认识硬质合金2.粉末冶金法的应用粉末冶金法主要用于高熔点的难熔材料及难加工材料的加工。在工程上常用粉末冶金法制作硬质合金、减摩材料、含油轴承材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料（如钨丝、高温合金）、过滤材料（水的净化，空气、液体燃料、润滑油的过滤材料等）、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

二、常用硬质合金

硬质合金是指以一种或几种难熔金属的碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加入起