金属学及热处理课件：有色合金

有色合金及硬质合金[目标]1.了解有色金属性能、用途；

2.掌握常用有色金属的类别和牌号；3.了解硬质合金的分类、牌号、用途

[重点]1.铝及铝合金的分类、牌号、热处理、应用；

2.铜及铜合金的分类、牌号、热处理、应用；

3.硬质合金的分类、牌号、用途；

[难点]

1.铝及铝合金的热处理；2.铜及铜合金的热处理。有色合金及硬质合金金属黑色金属——钢铁材料有色金属——非铁金属（80余种）有色金属：高比强度：如铝、镁、钛及其合金；优良导电性、导热性、耐蚀性，如银、铜、铝等。在飞机制造、汽车制造、船舶制造等工业上应用十分广泛。有色合金及硬质合金各种材料在先进汽车中占的重量百分比近年来虽然纤维增强树脂复合材料在飞机机体和运载火箭箭体结构上的应用日益增多，但由于铝的资源丰富，性能优良（铝合金密度小、塑性好、耐腐蚀）、加工容易、成本低廉等一系列优点，在航空工业中，铝合金依然占绝对优势。铝合金制造的机翼9.1.1纯铝的特点及应用铝的熔点为660.37℃，密度为2.72g/cm3，具有面心立方晶格，无同素异构转变。铝的强度、硬度很低(Rm=90～120MPa，20HBW)，塑性很好(A=30～50%，Z=80%)。铝的导电和导热性能良好，仅次于银、铜、金而居第四位。

工业纯铝牌号：L1～L5。铝适合于各种冷、热压力加工，制成各种形式的材料，如丝、线、箔、片、棒、管和带等。9.1铝及铝合金9.1.2铝合金的分类与时效强化铝合金分类示意图铸造铝合金变形铝合金可热处理强化不可热处理强化

1.铝合金的分类按成形方法防锈铝合金硬铝铝合金超硬铝铝合金锻铝铝合金9.1.2铝合金的分类与时效强化分类名称合金系性能特点示例变形铝合金不能热处理强化防锈铝Al-MnAl-Mg强度低，抗蚀性好，压力加工与焊接性能好3A215A05能热处理强化硬铝Al-Cu-Mg强度高2A11超硬铝Al-Cu-Mg-Zn室温强度最高7A04锻铝Al-Mg-Si-CuAl-Cu-Mg-Fe-Ni锻造性能、耐热性好2A502A14铸造铝合金铝硅

铸造合金Al-SiAl-Si-MgAl-Si-Cu铸造性能、耐蚀性和力学性能好，不能进行压力加工ZL102ZL104ZL107铝铜

铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性和耐蚀性差ZL201铝镁

铸造合金Al-Mg耐蚀性好，力学性能和机加工性好ZL301铝锌

铸造合金Al-Zn铸造性和机加工性好，能自动淬火，耐蚀性差ZL401固溶处理过饱和α′固溶度↑强度/硬度↓塑性明显↑时效强化第二相从固溶体中析出强度、硬度明显↑

塑性↓铝合金的强化热处理包括固溶处理和时效强化。铝合金的时效强化α+β→α′单相区快冷加热固溶淬火过饱和时效析出（a）固溶状态

（b）时效状态铝合金固溶与时效过程的组织变化示意图时效形式：人工时效、自然时效一般“回火”用于晶型转变的淬火合金，“时效”用于非晶型转变的淬火合金

(1)形成铜原子富集区铜富集区称GP区晶体结构与基体α同，但产生了共格应变区

强度、硬度↑。GP区呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200℃就不再出现GP区。铝合金的时效过程（Al-Cu二元合金为例）(2)铜原子富集区有序化GP区急剧长大，GP区铜原子有序化，形成θ″相

θ″相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比GP区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大(3)形成过渡相θ＇

θ″相转变成过渡相θ′θ′是正方点阵，成分接近CuAl2完全共格→局部共格强度、硬度开始↓，合金此时处于过时效阶段。(4)形成稳定的θ过渡相θ′完全脱溶形成稳定相CuAl2，(θ)与基体非共格合金的强度、硬度进一步↓合金的种类不同，形成的GP区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样铝合金人工时效曲线铝合金的时效强化效果取决于固溶体的浓度和时效温度及时效时间。时效温度过高，时效时间过长，将使合金软化，称为过时效。铝合金自然时效曲线铝合金时效曲线过饱和α

溶质偏聚GP区

过渡相θ″过渡相θ′稳定相θ

弱

强

最大值

开始软化

降低时间t>5h温度T或时间t↑过时效脱溶铝合金的时效过程（另一种表达，供选择）（a）固溶状态

（b）时效状态铝合金固溶与时效过程的组织变化示意图（a）固溶状态

（b）时效状态铝合金固溶与时效过程的组织变化示意图铝合金人工时效曲线9.1.3变形铝合金变形铝合金分类

防锈铝：Al-Mn系，Al-Mg系

硬铝：

Al-Cu-Mg系，又称杜拉铝

超硬铝：Al-Zn-Mg-Cu系

锻铝：Al-Mg-Si-Cu系，Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金

四位字符体系：第一位数字表示组别，2～9表示合金。后两位数字是区别同一组不同的铝合金。第二位字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合金；B～Y表示改型情况。如2A06表示主要合金元素为铜的6号原始铝合金。变形铝合金系列牌号标记主要合金元素备注1×××工业纯铝，铝含量大于99.00%高纯铝，铝含量大于99.85%不可热处理强化高纯铝牌号为1A××2×××Al-Cu合金，Al-Cu-Li合金可热处理强化3×××Al-Mn合金不可热处理强化4×××Al-Si合金若含镁，则可热处理强化5×××Al-Mg合金不可热处理强化6×××Al-Mg-Si合金可热处理强化7×××Al-Zn-Mg合金可热处理强化8×××Al-Li，Al-Sn，Al-Zr或Al-B合金可热处理强化9×××备用合金系列——

Al-Mn和Al-Mg两个合金系。用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能进行热处理强化。用于需深冲、弯曲、焊接和耐腐蚀的零件，油罐、壳体、管道、低压容器、热交换器等。防锈铝合金铝合金波纹管卫星天线（LF2）汽化器热交换管LF21硬铝合金（杜拉铝）Al-Cu-Mg系合金。2A+顺序号表示。有两个重要的特性必须注意：一是耐蚀性差，易产生晶间腐蚀，尤其在海水中，需要耐蚀防护的硬铝部件，其外部都包一层高纯度铝制成包铝硬铝材。其二是固溶处理温度范围很窄。常用2A01、2A11、2A12。超硬铝合金

Al-Zn-Cu-Mg系。7A+顺序号表示。室温强度最高约500~700MPa，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，<120℃的温度下使用。飞机工业中重要的结构材料。强化相:MgZn2\Al2Mg3Zn3

锻铝合金Al-Mg-Si、Al-Cu系合金，用6A或2A加顺序号表示。常用的合金有6A02、2A14等。具有优良的锻造性能，力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高。用做航空仪表中形状复杂、强度要求高的锻件。飞机起落架9.1.4铸造铝合金共晶合金的流动性最好，收缩性最小，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。铸造铝合金的牌号用ZL+三位数字表示。第一位数字是合金系别：第二、三位数字是合金的顺序号。例如ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。Al-Si系ZL101～ZL111Al-Cu系ZL201～ZL203Al-Mg系ZL301～ZL303Al-Zn系ZL401、ZL402铝硅系铸造合金（简单硅铝明）流动性好，收缩与热裂倾向小；焊接性、较好。铸态组织为粗大针状的硅（硬脆相）分布在铝基α固溶体基体中构成的共晶体，其间有少量板块状的初晶硅，力学性能低：Rm小于140MPa，A仅为1%左右，必须经变质处理提高强度和塑性。（a）未变质处理250×（b）变质处理100×

ZL102变质处理前后的组织形貌铝硅系铸造合金（简单硅铝明）简单硅铝明认为是不可热处理的铝合金。常用合金：ZL102和ZL105等。如ZL105工作在＜225℃的耐热零件。

它的主要缺点是结晶时易出现大量分散性缩孔，铸件致密度较低，强度不够高。一般用于制造形状复杂、质轻、薄壁；但强度要求不高的耐蚀、耐热、耐磨铸件，如内燃机缸体及缸盖、仪表支架、壳体等。

简单硅铝明中加入Cu、Mn、Mg等就构成复杂硅铝明，强度得到很大提高。常用来制造发动机气缸体、风扇叶片等。铝铜铸造合金主要强化相是CuAl2，时效强化后强度高，加工性能好、表面粗糙度小。但耐蚀性、铸造性能差，有热裂和疏松倾向。最大特点就是具有更高的耐热强度。适于制作内燃机气缸盖、活塞、支臂等高强度、高温（＜300℃）条件下工作的构件。牌号有：ZL201、ZL202、ZL203。Cu↑热强性↑脆性↑<14%Cu

ZL2034~5%Cu铸造性较差ZL2029~11%Cu铸造性好,耐蚀性↓

汽缸头铝镁铸造合金密度最小、耐蚀性最好、强度最高；且塑性、韧性、切削加工性、焊接性能良好；熔点低→热强度、耐热性较低，工作温度＜200℃结晶温度范围较宽→铸造性能差，易产生疏松、热裂等缺陷。

常用作承受冲击、振动载荷和耐海水或大气腐蚀零件，如氨用泵体、船舰配件等。因其切削加工后表面光洁，可制作光学仪器零件。牌号：

ZL301、ZL302。铝锌铸造合金锌固溶强化，不形成金属间化合物，极限溶解度为31.6%。是最便宜的铸造铝合金。

铸造性能好，缩孔和热裂倾向小；焊接和切削加工性能好；经变质处理和时效处理后强度较高；但密度大，耐蚀性、耐热性差（<200℃）。常用ZL401、ZL402。制作工作温度在200℃以下，主要用于制造受力较小、形状复杂的汽车、飞机、仪器零件等。大型空压机活塞(ZL401)铜可以以单质存在于自然界，但多数存在于各种铜矿石和孔雀石CuSO4

·2H2O)中。9.2铜及铜合金密度为8.96g/cm3，熔点为1083.5℃。导电性、导热性好，在大气、淡水中具有良好的耐蚀性。

具有面心立方晶格，无同素异构转变，强度不高、塑性优良（A≈50%），易冷、热压力加工。9.2铜及铜合金9.2.1纯铜的特点及应用纯铜的代号有T1、T2、T3、T4。纯铜主要用于制作导电、导热及兼具耐蚀性的器材，如电线、电缆、电缆、铜管、散热器和冷凝器等。锡Qsn4-3铝QAl7铍QBe2白铜:+Ni

铜合金黄铜:+Zn青铜:+Me普通黄铜：H68H90特殊黄铜:耐蚀、强度↑＜45%HMn58-29.2.2铜合金B5强度↑耐磨性↑耐蚀性↑1.黄铜普通黄铜：H62表示含62%Cu、38%Zn金奖黄铜

--H90弹壳黄铜

--H70(H68)日用黄铜

--H62(H59)1.黄铜特殊黄铜：用“H”+主加合金元素化学符号+铜含量+主要添加元素的含量表示。如HMn58-2表示58%Cu、2%Mn的锰黄铜。铸造黄铜：用“Z”+铜元素符号+合金元素化学符号及其含量表示。如ZCuZn38表示38%Zn的锌黄铜。黄铜铸件特殊黄铜零件1）

组织ⱲZn＜39%为单相α黄铜

ⱲZn

在39～45%为α+β双相黄铜，适合热变形加工，为热加工黄铜。（1）普通黄铜单相黄铜两相黄铜2）

性能随ⱲZn↑,导电导热性↓，线胀系数↑ⱲZn＜30%时,随Zn↑,强度和塑性↑，A达到最高值；ⱲZn＞32%时，由于出现脆性β′相，塑性↓，强度↑，在45%时强度达最大值。此后强度、塑性剧急下降而无使用价值。Zn含量对普通黄铜的力学性能的影响（1）普通黄铜2.青铜压力加工青铜：“Q”+主加元素化学符号及其含量+其它合金元素及其含量。如QSn4-3为含4%Sn，3%Zn的锡青铜。铸造青铜：以“Z”表示铸造，如ZCuPb30表示含Pb量为30%的铸造铅青铜。青铜比纯铜的强度、耐磨性、耐蚀性均有明显提高。ⱲSn＜6%：室温为单相α固溶体，良好塑性，适于塑性变形加工；ⱲSn＞6%：出现硬而脆δ相，强度继续升高，但塑性迅速降低；ⱲSn＞20%：δ相过多,强度陡降。

一般常用锡青铜的wSn≈3%~14%，压力加工锡青铜的wSn<7%，wSn＞10%的锡青铜适于铸造。锡青铜

锡青铜力学性能Sn含量的关系船用锡青铜阀体阀盖

锡青铜结晶温度范围大，流动性差，易产生偏析或分散性缩孔，易渗漏；但铸造收缩性小，可用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件和艺术品等。

锡青铜在大气、淡水、蒸汽、海水中的耐蚀性比黄铜高。但在亚硫酸钠、氨水、酸性矿泉水中极易被腐蚀。广泛用于蒸汽锅炉件、海船铸件等。铝青铜强度、耐磨性、耐蚀好，能进行热处理强化。在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性。但铸造性和焊接性较差。铝青铜

ⱲAl↑：强度、硬度↑，塑性↓ⱲAl=5~7%：压力加工用铝青铜ⱲAl

≈7%～11%：强度最高,塑性很低，宜铸造成形ⱲAl

＞10~11%：强度、塑性均↓出现了硬脆γ2相铝青铜液相线与固相线间隔很小，具有良好铸造性能，缩孔集中，容易获得致密铸件。常用作耐磨、耐蚀的轴套、齿轮、蜗轮、弹簧、螺旋桨、管路配件等零件。铍青铜

常用铍含量约为1.7%～2.5%。

经固溶热处理和时效处理后具有高的弹性极限、疲劳抗力、耐磨性及耐低温特性，且耐蚀性、导电性、导热性优良。铍青铜广泛用于精密仪器的重要弹簧、弹性零件，如仪表齿轮、高速高压下工作的轴承、衬套，以及航海罗盘仪、电焊机电极等。受到打击时不易产生火花，可以用作防爆工具。铍青铜制品9.3.1纯镁的特点及应用纯镁具有密排六方结构，熔点650℃，密度1.736g/cm3（铝密度的2/3、钢密度的1/4）。化学活性很强，容易自燃，极易与氧生成MgO，MgO不致密，其耐腐蚀性很差。纯镁牌号旧牌号：M1，M2，M3，序号越大，纯度越低。新牌号：Mg+数字，如Mg99.9，表示Mg的纯度为99.9%。9.3镁及镁合金9.3.2镁合金的分类、牌号和热处理强化镁合金比强度（强度/密度）、比刚度（刚度/密度）很高，可以与高强度合金结构钢相媲美；镁合金的阻尼性能好可承受较大冲击载荷；切削加工性能良好；电磁屏蔽能力强；镁合金还有良好吸热性能，是制造飞机、汽车轮毂的理想材料。

在汽油、煤油、润滑油中很稳定，广泛使用在航空航天、石油化工、现代汽车和通信等领域，主要可归纳为壳体类、支架类零件。镁合金的分类、牌号

按成型工艺分为:变形镁合金、铸造镁合金。

镁合金牌号：两个汉语拼音+序号，如：MB1表示1号变形镁合金，ZM2表示2号铸造镁合金。元素代号元素名称元素代号元素名称元素名称元素代号元素名称A铝AlF铁Fe锰MnS硅SiB铋BiG镁Mg镍NiT锡SnC铜CuH钍Th铅PbW钇YD镉CdK锆Zr银AgY锑SbE稀土ReL锂Li铬CrZ锌Zn

国际上最常用的是美国ASTM标准：字母+数字+字母，即：合金元素代号、合金元素的质量分数、合金发展的不同阶段。

镁合金的热处理工艺与铝合金相似：固溶处理+时效。但具有以下不同点：

（1）镁合金组织一般较粗大，淬火加热温度较低。合金元素扩散速度非常慢，加热保温时间会长达十几个小时。

（2）铸造镁合金组织容易出现共晶组织。通常需要采用分段加热，以防止过烧。

（3）沉淀析出强化相的速度极缓慢，故镁合金一般都采用人工时效处理。镁合金的热处理9.3.3变形镁合金

可进行变形加工。一般在300~500℃进行热加工。

Mg-Li系：最轻的金属结构材料Mg-Mn系：较高的耐腐蚀性能Mg-Al-Zn系：塑性较高的变形镁合金Mg-Zn-Zr系：与高强度的铝合金相当，耐蚀性好有Mg-Al系、Mg-Zn-Zr、Mg-Re-Zn-Zr系。1.Mg-Al系合金

典型的不含Zr镁合金，有Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si和Mg-Al-Re等。

兼顾力学性能和铸造性能，含铝为8%~9%。此时合金具有较高比强度、良好铸造性和焊接性。

主要用于飞机、发动机、仪表等承受较高载荷的结构体或壳体等。Zr有很好的细化Mg合金晶粒的作用。如Mg-Zn-Zr系镁合金是铸造镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的一种，其抗蚀性良好，但铸造工艺性能差。

加入稀土元素，则形成Mg-Re-Zn-Zr系镁合金，铸造性能得以改善，但强度、塑性下降，适合铸造170℃~200℃工作的发动机机匣、整流舱、电机壳体等零件。2.含Zr镁合金9.4.1纯钛的特点及应用呈银白色，熔点1668℃，密度4.54g/cm3

。有同素异构转变：α-Ti(密排六方)、β-Ti（体心立方）。被称为“全能金属”：高的比强度，同时具有很好的塑性；熔点高，耐热性好，可在500℃以下长期工作；耐低温性能好，-253℃仍具较好的综合性能；具有很好的防腐性能。9.4钛及钛合金以钛的汉语拼音首字母“T”开头，如：TA0、TA1、TA3。其中“A”

表示α-Ti，数字表示纯度，数字越大杂质含量越高，强度越高，塑性越低。纯钛力学性能

纯钛力学性能与其纯度有很大关系，少量杂质能使钛强度激增，塑性、韧性急剧下降。纯钛主要用于350℃以下工作，强度要求不高的低载荷零件及冲压件，如超音速飞机蒙皮、交换器、海水净化装置等。工业纯钛牌号9.4.2钛合金的分类、牌号及热处理Ti合金分类（按退火组织）:

α钛合金TA

β钛合金TB

α+β钛合金TC钛合金牌号以“钛合金类别+数字”表示，类别后面的数字表示顺序号。主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等能升高α→

转变点，扩大α相区，增大α相稳定性的元素，主要为Al。

Al固溶强化提高合金强度和耐热性。但含Al量过高会出现脆化相使合金变脆，因而含A1一般不超过7%。α

稳定元素

稳定元素能降低α→

转变点，扩大

相区，增大

相稳定性的元素，主要为Fe、Mo、Cr、V、Mn等。

α钛合金在500～600℃下，其高温强度高于后两种钛合金，具有热稳定性、热强性、良好耐蚀性和焊接性能；常温下保持单相固溶体，强度低；α钛合金不能热处理强化，在退火或热轧态下使用。

TA7应用最多，还具有优良的低温性能，主要用于使用温度不超过500℃的零件

，如飞机发动机压气机盘和叶片、导弹燃料罐、超音速飞机涡轮机匣、火箭及飞船上高压低温容器等。

1.α钛合金2.β钛合金β钛合金经淬火后具有良好的塑性，可进行冷变形加工；但因其组织不够稳定、耐蚀性较差；β型钛合金焊接性能较好；淬火后再经时效处理后，强度明显提高。主要用于350℃以下使用的重载荷回转件，如压气机叶片，轮盘等；还可用于制造结构件和紧固件，如轴、弹簧等。3.α+β钛合金

TC4的合金应用最广，约占航空工业使用的钛合金70%以上，该合金主要用于制造400℃以下和低温下工作的零件，如火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件等，是低温和超低温的重要结构材料。

钛中同时加入稳定α相与β相元素时，可获得α+β双相组织的钛合金。α+β型钛合金兼具α型和β型的优点。塑性好，具有良好的压力加工性能；良好的热强性、耐蚀性和低温韧性；热稳定性较差，焊接性能不如α钛合金；可进行淬火+时效强化。9.5.1轴承合金的性能和组织特点

滑动轴承承受强烈摩擦、周期性载荷和冲击震动。需具有较小的摩擦系数，足够的强度、韧性和疲劳抗力。在软基体上分布硬质点。软基体磨损快而凹陷能储存润滑油，具有减小摩擦系数和震动的作用；凸起的硬质点起支撑作用。