有色金属课件

有色金属

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凡不是以铁为主要元素的金属都属于有色金属。工程上常用的有色金属有铝、铜、镁、钛、锌及其合金。有色金属铝及铝合金铝及铝合金是应用非常广泛的一类金属结构材料。航空上主要用于飞机的蒙皮、隔框、长梁、桁条和锻、铸件等。一架波音747客机，需要消耗约18.6吨铝，航天技术上主要用于气动加热温度在150℃以下的运载火箭和宇宙飞行器，也用在卫星、航天飞机等其他航天器结构上。有色金属4.3.1铝合金的分类铝合金按加工方法可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又可分为不可热处理强化合金和可热处理强化合金。有色金属不可热处理强化的合金可热处理强化的合金变形铝合金铸造铝合金aa+bL+aL+bL合金元素含量温度ADEF图4-6铝合金分类示意图有色金属4.3.2变形铝合金变形铝合金通常经不同的变形加工方式生产成各种半成品提供使用，如板、棒、管、线、型材及锻件等。根据合金的特性，变形铝合金可分为以下几类：1.防锈铝合金2.硬铝合金3.超硬铝合金4.锻造铝合金有色金属1.防锈铝合金防锈铝其特点是抗蚀好、易于加工成形和焊接。但不能热处理强化，强度较低。适于制作要求抗腐蚀及受力不大的零部件，如油管、油箱等。这类合金主要是Al-Mn系和Al-Mg系。有色金属2.硬铝合金硬铝是目前航空工业中应用最广泛的一类变形铝合金。其特点是具有强烈的时效硬化能力。强度高,抗蚀性和焊接性能较差。用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱等。硬铝主要为A1-Cu-Mg和A1-Cu-Mn系。有色金属3.超硬铝合金超硬铝是在硬铝的基础上再加锌而成，强度高于硬铝，故称超硬铝合金，应用于飞机结构件，如翼梁、螺旋桨叶、起落架等。有色金属4.锻造铝合金锻铝具有良好的热塑性、焊接、抗蚀、冷加工等性能。以Al-Mg-Si系为主。有色金属变形铝合金的加工及热处理状态代号有色金属4.3.3铸造铝合金铸造铝合金的优点是比重小，比强度较高，并有良好的抗蚀性和铸造工艺性。铸造铝合金按成分不同可分为以下五类：1.Al-Si系合金2.Al-Cu系合金3.Al-Mg系合金4.Al-Zn系合金5.Al-Re系合金有色金属4.3.4铝合金的热处理铝合金通常采用的热处理操作主要有退火、淬火和时效。有色金属1.退火不论变形铝合金或铸造铝合金都可以进行退火。变形铝合金的退火主要有再结晶退火、消除应力退火和完全退火。有色金属2.淬火和时效淬火和时效是铝合金的强化热处理。铝合金淬火的目的是为了将高温下的固溶体固定到室温，得到均匀的过饱和固溶体。铝合金的淬火加热温度一般应高于其饱和溶解度曲线，而低于其熔化温度。铝合金淬火后的性能与钢淬火后得到的马氏体组织大不相同。其塑性显著增加，而强度和硬度提高不多，需经时效处理,才能提高强度、硬度。有色金属时效就是淬火后的铝合金在室温停留或加热保温后其强度、硬度提高的现象。在室温下进行的时效成为自然时效。在加热情况下进行的时效称为人工时效。时效过程是第二相从饱和固溶体中沉淀的过程。有色金属铝合金时效的强化效果2503003504000123456(天)200℃150℃20℃100℃-5℃-50℃sb(MPa)图4-7淬火LY12的时效曲线有色金属4.3.5纯钛和钛合金纯钛熔点1667℃,比重4.5g/cm3,室温下为密排六方结构,882.5℃以上为体心立方结构。钛合金按其组织可分成α型(TA)、β型(TB)、α+β型(TC)。有色金属钛合金的特点a.比强度高：钛合金的抗拉强度可达1500MPa，比重只有钢的一半。b.热强度高：钛合金可在550℃以下工作，可望提高到600℃。c.低温性能好：钛合金低温韧性很好，在-253℃时仍具有良好的韧性。d.抗蚀性好：钛在大气、水、海水、硝酸、稀硫酸等腐蚀介质中的抗蚀性优于不锈钢。例如，某冷凝管在海水中试验16年之后，未出现腐蚀现象。钛合金的主要缺点是工艺性差有色金属钛合金应用现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途的α+β型Ti-6A1-4V合金。用于制造发动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度为-253℃。许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合金，并取得了良好的经济效益。有色金属4.3.6镁合金镁合金在常用工程金属材料中密度最小，为1.8g/mm3，约为铝合金的2/3，钛合金的1/3，钢的1/4。镁合金分为变形镁合金(MB)和铸造镁合金(ZM)二大类有色金属镁合金特点和应用镁合金有较大承受冲击载荷的能力，可制造受猛烈碰撞的零件。例如飞机的轮毂。美国近年为陆军生产的一种“瘪气下行驶”的车轮。这种轮子的轮胎和轮毂之间装有12.2kg重的镁合金压铸环形件，万一轮胎被弹片扎破漏气，装这种轮子的军车可在48km/h速度下行驶而不使车辆受损。有色金属4.4塑料和橡胶塑料和橡胶是以高分子聚合物为基础添加各种助剂而成的混合物体系，在常温下有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子材料。塑料和橡胶的区别是塑料在常温下处于玻璃态，强度较高；橡胶在常温下处于高弹态，弹性较大。有色金属塑料根据塑料的用途，可以分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三大类。大多数塑料都能在加热时反复地塑化，称之为热塑性塑料。另外有一些塑料，它们只能在第一次加工时塑化，做成固定的形状。以后再把它加热，形状不再发生变化，这类塑料称为热固性塑料。热固性塑料由于其内部高分子的交联结构使本身的机械强度和耐热性都较热塑性塑料好。有色金属4.4.1高聚物的力学性能高聚物的模量和强度与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低得多，其最大可能的断裂伸长率又比金属高得多。高聚物的弹性模量范围为7～35GPa，金属材料的模量范围为48～410GPa；高聚物的最大强度为240MPa，而金属材料中某些合金的强度可达3000MPa；高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000％，而金属塑性变形中最大的断裂伸长率不超过100％。有色金属粘弹性理想的弹性固体材料受力时产生的弹性变形与时间无关。即变形与外力是同步的。而塑料受力时产生的弹性变形流变是随时间而发展的。表现为：蠕变和应力松驰有色金属蠕变是在恒定应力作用下变形随时间而增加的现象。例如架空的聚氯乙烯电线套管的缓慢变弯有色金属应力松驰是高聚物产生一定形变后，在保持变形量不变条件下，应力随时间发展而逐渐衰减的现象。例如，连接管道的法兰盘的密封垫片(硬橡胶制品)经一定时间后，由于应力松驰而产生泄漏。对线型分子链经足够长时间后，应力可降为零。有色金属高聚物的冲击韧性各类高聚物的冲击韧性相差很大。未改性的聚苯乙烯，有机玻璃等脆性高聚物的冲击韧性大都小于0.25J/cm2，聚碳酸酯等韧性高聚物的值大于0.9J/cm2。提高冲击韧性有两条途径。一是将高聚物和增强纤维复合，提高强度。二是将塑料和橡胶共混，增加断裂伸展率。两种方法都可以使材料在受冲击载荷时吸收更多的能量。经过改性的高聚物其冲击韧性可达8J/cm2。有色金属常用工程塑料聚乙烯（PE）有色金属聚乙烯（PE）聚乙烯是发展最为迅速，产量最大的一种塑料品种。按照聚合反应的压力，可分为高压法和低压法。高压法制成的聚乙烯。由于产品的密度较小，仅0.910g/cm3－0.925g/m3，因此被称为低密度聚乙烯（LDPE）。用低压法生产的聚乙烯密度高，达0.941g/cm3～0.965g/cm3，故称为高密度聚乙烯（HDPE）。HDPE是不透明的白色粉末，力学性能是所有PE产品中最好的。熔点也高于LDPE。有色金属聚乙烯（PE）用途PE是制备包装材料的重要原料，可以做成中空容器、食品周转箱，也可以做成各种日用杂品。PE还能纺成纤维，制作渔网或绳索，将PE纤维做成絮片，可以代替棉花作保暖材料。利用PE优良的电绝缘性，经交联处理的LDPE已大量用于制作电缆的绝缘层。PE还是电视、雷达等高频电器的绝缘材料，并能用于海底电缆的绝缘。有色金属聚氯乙烯树脂（PVC）PVC是塑料中产量较大的品种之一。其价格低廉、性能优良。有色金属PVC性能及用途PVC质地很硬，通过加人增塑剂，可以变成比PE还柔软的塑料，用于制备各种不同的用品。作为硬塑料，PVC可以用于制造在常温下使用的不耐压的容器、管材或板材，如化工厂的输液管道、管配件、贮槽和输液泵的泵体材料。PVC的板材在建筑上有很多的应用。在PVC中混入大量的碳酸钙做成钙塑料，可以提高塑料的硬度，降低成本，用于代替钢铁或木材，制作塑料门窗、楼梯扶手、地板、天花板和电线套管等。将PVC轻度发泡，可以制成塑料地毯和塑料墙纸等。有色金属PVC树脂非常透明，气密性又好，适于制作包装瓶，用于饮料、药品和化妆品的外包装。PVC软塑料主要用于制作薄膜或日用品。PVC薄膜的透光性、染色性、保温性、耐撕裂性和耐穿刺性都比PE薄膜好，不仅大量用于日用塑料薄膜制品的制备，如雨衣、桌布、窗帘、浴帘等，而且是制备农用薄膜的重要原料。PVC的染色性非常好，制得的产品鲜艳、美观，深受人们的喜爱，常用来制造玩具、凉鞋和人造革等。PVC具有优良的电绝缘性能，是制备电线、电缆的绝缘层和保护套管的原料。有色金属PVC塑料缺点主要是耐温性差，通常的使用温度为一15℃～60℃。在60℃以上就会变形。PVC很容易老化，使制品颜色变深，质地变脆。PVC塑料最致命的缺点是在高温或燃烧时会分解，放出能使人窒息的氯化氢气体，不仅污染环境，甚至造成对生命的威胁。因此PVC的使用，特别是在建材中的应用已经受到限制。有色金属ABS树脂（丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚树脂）ABS的名称是来自丙烯睛（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）和苯乙烯（Styrene）三种单体的第一个字母。是一种以苯乙烯树脂为基料、通过三种单体共聚或共混制备而成的高强度树脂。有色金属这种树脂综合了三种组分的优点，丙烯睛使它具有耐化学腐蚀性，丁二烯使它具有耐冲击性和韧性，苯乙烯使它有良好的加工性、染色性和刚性，因此，ABS树脂的综合性能非常优异。不仅抗冲击性好，硬度高，而且绝缘性和化学稳定性都好，使ABS树脂在家电和汽车工业中得到广泛的应用，如电视机、洗衣机、电话等家用电器及仪器仪表的外壳，冰箱及其他冷冻设备的内胆，汽车仪表板及其他车用零件，齿轮、泵的叶轮、塑料管道等。有色金属尼龙（聚酰胺）是最实用的、产量最大的工程塑料。它的性能良好，尤其是经过玻璃纤维增强后，强度更佳，应用更广。尼龙塑料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度。主要用作具有自润滑作用的齿轮和轴承。有色金属聚碳酸酯（PC）PC是一种韧而刚性的塑料，强度高，尺寸稳定性高，特别适于制备精密仪器中的齿轮、照相机零件。医疗器械的零部件。PC的耐冲击性能也很好，可制造银行的安全玻璃和警察的防暴盾牌，也可用作电动工具的外壳。PC还具有良好的电绝缘性，是制备电容器的优良材料。PC的耐温性好，可反复消毒，近年来被大量用于制备婴儿奶瓶、饮水杯（又称“太空杯”）和净水桶（用于盛装“太空水”）等中空容器。PC的透光性好，可用于制备飞机风档，透明仪表板。同时，也是制备CD光盘的原料。有色金属.聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯有有非常优良的耐高低温性能，能在-260℃到250℃的温度下长期使用。化学性稳定。由于它在王水中也不会溶解，被誉为“塑料王”。聚四氟乙烯的上述特性在工业上被用于制备化工设备和管道的耐腐蚀内衬。聚四氟乙烯有很低的磨擦系数，是优良的减磨材料。在工业上，可用作转动部件的密封件。在民用上被用于制备不粘锅的涂料。有色金属聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯的介电常数高，能耐很高的电压，可以用于制造高频微波设备中的绝缘材料。聚四氟乙烯也有不足之处，除了加工困难，原料资源少、价格高外，它的强度和硬度都较差，而且有较大的冷流性。在加压下，它一直会慢慢地变形。大家所熟悉的作为管道密封材料的生料带就是利用了聚四氟乙烯的冷流性。有色金属4.5陶瓷无机非金属材料有色金属传统陶瓷大都是从硅酸盐矿物原料。经加工—成型—烧结，得到的。采用纯度较高的人工合成原料来制造能满足高温、高强、功能性等要求的特种陶瓷。常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶(晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。有色金属4.5.1陶瓷的力学性能陶瓷比较脆。陶瓷材料抗拉强度的差别很大，低的可以小于0.69MPa，高的可达7GPa（例如在仔细控制条件下制备的Al2O3陶瓷晶须）。作为一类材料，只有少数陶瓷的抗拉强度超过172MPa。抗压不抗拉：陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的5～10倍。陶瓷材料由于具有离子键和共价键而比较硬。多数陶瓷室温弹性模量高于金属。有色金属4.5.2.氧化铝(Al2O3)陶瓷氧化铝是高熔点(熔点2050℃)氧化物中被研究和应用最成熟最多的一种，原料来源丰富约占地壳重量的25%，价格低廉。耐高温、耐腐蚀。硬度大。高温绝缘性。介电性能优良。有色金属4.5.3氮化硅(Si3N4)陶瓷氮化硅化学性能稳定，具有优异电绝缘性；硬度高，有良好耐磨性，摩擦系数小(只有0.1-0.2)，本身具有润滑性；热膨胀系数小，有优越的抗高温蠕变性能，强度在1200℃时仍不下降。用反应烧结的氮化硅用于耐磨、耐腐蚀均合的泵和阀，如盐酸泵，三氯化铁泵，泥砂泵等。氮化硅耐高温，又有较好的抗热冲击性和耐磨性，可用作高温轴承，它是测量铝液热电偶套管的理想材料，用它还可用作输送铝液的电磁泵管道、阀门等。有色金属4.5.4氮化硼(BN)氮化硼有六方BN和立方BN两种。六方BN结构与石墨相似，故又称“白石墨”。具良好的耐热性，导热系数与不锈钢相当，热稳定性好。在2000℃仍然是绝缘体,是理想的高温绝缘材料和散热材料。六方BN硬度低，有自润滑性。立方氮化硼CBN晶体的硬度与金刚石相近，是优良耐磨材料。用于磨料和金属切削刀具。可直接切削淬火钢。有色金属4.6复合材料有色金属4.6.1聚合物基复合材料1.聚合物基复合材料的性能（1）比强度、比模量大（2）耐疲劳性能好（3）减震性好（4）过载时安全性好（5）具有多种功能性a.耐烧烛性好。b.有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性；c.高度的电绝缘性能或导电性；d.优良的耐腐蚀性能；e.有特殊的光学、电学、磁学的特性。（6）有很好的加工工艺性有色金属玻璃纤维增强热固性塑料GFRP玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维（包括长纤维、布、带、毡等）作为增强材料，热固性塑料（包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等）作为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。根据基体种类不同，可将GFRP分成三类，即玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤