工程材料教案-9有色金属及其合金.doc

1、课程名称：工程材料 第 周，第 讲次摘 要授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.熟悉纯铝及常用铝合金的成分、牌号、性能与用途；2.熟悉纯铜及常用铜合金的分类、牌号、性能及用途；3.熟悉常用的轴承合金。【重 点】1.铝及铝合金的特性、分类与牌号及铝合金的强化；2. 铜及铜合金的特性、分类与牌号；3.轴承合金的性能与牌号；【难 点】铝合金的热处理特点；铝合金的牌号与强化、铜合金分类与牌号。内 容【本讲课程的引入】工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非 铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金属、镍、 锌、钛、铜等，金属及合金。有色金属及合金与钢铁材料相比

2、，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。重点介绍铝 及铝合金、 铜及铜合金、 钛及钛合金及轴承合金。【本课程的内容】第一节 铝及其合金铝及其合金在工业上是仅次于钢的一种重要金属，尤其是要航空、航天、电力工业及日常生活用品中得到广泛的应用。一 工业纯铝1. 铝及铝合金的性能特点（1）密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝的密度 2.72g/cm3，仅为铁的 1/3，熔点 为 660.4，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁 磁材料。（2）抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝

3、合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。（3）加工性能好，比强度高，纯铝为面心立方晶格，无同素异构 转变，具有较高的塑性（=30 50%，=80%），易于 压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低， n=70Mpa，虽经冷变形强化， 强度可提高到 150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而 铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比 强度高，成为飞机的主要结构材料。2用途：广泛用于制造电线、 电缆、散热器、器皿用具等。3牌号：工业纯

4、铝依据纯度有 7 个牌号，分 别为 L1L7，顺序号越大， 纯度越低，其纯度分别为 99.7% 99.6% 99.5%。铝含量大于 99.93%叫高纯铝，其有 5 个牌号，分别为 LG1L G5，顺序号越大，则纯度越高，例 LG5铝含量大于 99.996%。为增加铝的强度，通常加入 Cu、Si、Mg、Mn、Zn 等元素而制成 铝合金。二 铝合金（一）铝合金的分类 铝合金都有如图 9-1 所示的一般相图。成分在 D 点以左的合金，加热到固溶线 DF 以上，将会得到 单相的 固溶体，塑性很好，适于压力加工，故合金含量小于 D 点的铝合金叫做：不 能 热 处理 强 化 能 热 处 理 强 化AlWM

5、10%F形 状 合 金温度 + L铸 造 合 金图 9-1 铝合金状态图的一般类型1形变铝合金：此种合金亦可分为两类：不能热处理强化的铝合金：成分在 F 点以左的合金，因其成分不随温度的变化而变化，故不能借助于热处理进行强化；能热处理强化的铝合金：成分在 D-F 之间的合金，其 固溶体的成分随温度而变化，故可借助于固溶强化提高其强度。2铸造铝合金：成分位于 D 点以右的合金，由于有共晶组织存在，流动性好，适于铸造，故称为铸造铝合金。铸造铝合金也有成分随温度而变化的 相，故也能用热处理加以强化，但距D 点越远，合金中的 相的相对含量越少， 强化效果越不明显。（二）铝合金的热处理1铝合金的热处理特

6、点：固溶处理：将可热处理强化的铝合金加热到 单相区某一温度，得到单相 固溶体，随后水冷， 获得 单相过饱和固溶体 组织的一种处理工艺。上述工艺亦即铝合金的淬火，但其和钢 的淬火不同，高碳 钢淬火后，强度、硬度立即提高，而塑性则急剧下降；铝合金淬火后，强度和硬度并不高，塑性仍很好。时效强化：淬火后的铝合金放置在低于固溶线以下的某一温度，随时间的延 长，其强 度、硬度显著提高，而塑性下降，此谓之时效强化。例如含铜 4%的铝合金：平衡状态下： b=180200MPa =18%淬火后： b=240250MPa =2022%室温下放置 45 天： b=420MPa =18%时效形式有两种：自然时效和人工

7、时效。（1）铝合金的时效强化将成分位于 DF 之间的合金加热到固态溶解度线 DF 以上某一温度，获得单相固溶体 ，然后水冷（淬火），获得过饱和固溶体 称为固溶处理。这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使 过饱和 固溶体趋于发生某种程度的分解，使合金的 强度和硬度明显提高，这种 现象称为时效或时 效硬化（时效强化）。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。 Al Cu 合 金 部 分 相 图图 9-2 Al-Cu 合金部分相图含 4%Cu的 铝 合 金 自 然 时 效 曲 线图 9-3 Al-Cu 合金的自然时效时效曲线显然合金能

8、发生时效强化的必要条件是：高温能形成均匀固溶体且快冷（淬火）时不发生晶体结构和成分的变化；固溶体中溶质含量随温度降低而显著降低。图 9-4 含 4% Cu 的 Al 合金在不同温度下的时效曲线上图为含 4% Cu 的 Al 合金在不同温度下的时效曲 线，可 见，室温时效时，在时效初期的几个小时内，强 度不发生明显变化， 这一 时间称为孕育期，比 时合金塑性很高，极容易进行铆接、弯曲和校直等操作， 时效温度愈高，孕育期愈短，时效速度愈快，达到最高强度的时间 愈短，最大 强度值愈低， 强化效果愈小。当温度低于-50时 ，孕育期很长，甚至可以保持相 对稳定，即低温可以抑制时效的进行。2时效强化原理：

9、淬火状态下， 铜原子均匀分布在过饱和固溶体里，如 图 9-5a,晶格畸变并不严重，故强度、硬度升高不多，塑性仍好；第一阶段：形成溶质原子 Cu 的富集区（Cu 原子在固溶体100 晶面上偏聚）- GpI区，随着 GpI区形成，引起固溶体 严重畸变 ，使位 错运动受到阻碍。第二阶段：随着时间的延续，溶质原子继续向 GpI区扩散富集，并有序化而形成 GpI I区。Gp I I的化学成分接近于 CuAl2，具有正方晶格（以 ”表示），随着GpI I区形成，将引起固溶体更严重的畸变，使位错 运动受到更大阻碍。第三阶段：溶质原子 Cu 继续富集，第二 阶段形成的 ”相逐渐达到 CuAl2 的成分，并部分

10、地与母相 固溶体的晶格脱离，形成一种 过渡相 ，随着 的形成，固含 4%Cu的 铝 合 金 在 不 同 温 度 下 的人 工 时 效 曲 线溶体的晶格畸变程度减轻，合金趋于软化。第四阶段：稳定的 相- CuAl2 形成，并与母相 固溶体完全脱离联系，使 固溶体的晶格畸变大为减轻， 时效产生的强化效果显著减弱，合金软化， 这种现象称为“过时效”。实际上的时效不一定会出现上述四个阶段，如自然时效只出现 1、2 阶段，温度较高的人工时效则主要包括 3、4 阶段。如 图 9-3、9-4。下面我们将具体介绍一下铝合金的牌号、性能和用途。（三）形变铝合金根据合金的特性，形变铝合金可分为四类：1防锈铝：主要

11、有 AL-Mn、AL-Mg 合金，其抗腐 蚀 性好；牌号：LF5 、LF11、LF21，见表 9-1。2硬铝：属于 AL-Cu-Mg-Mn 系合金。牌号：LY1 、LY11 等。3超硬铝：AL-Cu-Mg-Zn 系合金，其强度在铝合金中是最高的。牌号：LC4、LC54锻铝：A L-Cu-Mg-Si 系合金，具有良好的锻造性能。牌号：LD2 、LD6 等。如上各牌号的铝合金，其 应用见表 9-1。（四）铸造铝合金铸造铝合金可分为四类：1AL-Si 系：代号 ZL101、ZL1022AL-Cu 系：代号 ZL201、ZL2023AL-Mg 系：代号 ZL301、ZL3024AL-Zn 系：代号 Z

12、L401、ZL402其牌号、性能、用途见表 9-2。在铸造 Al 合金中，变质处理细化晶粒的原因一般认为是 Na 等元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大。同 时钠的存在使液态合金产生510的过 冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅 形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生 固溶体。图 9-5 ZL102 合金变质前的显微组织 图 9-6 ZL192 合金变质后的显微组织第二节 铜及铜合金一 工业纯铜纯铜的颜色为玫瑰红色，它的表面常形成一层紫红色的氧化物，故称紫铜。其熔点 1083，比重 8.9，大 约是铝的 3 倍多，是钢的 1.15 倍。1性能：具有较高的导电导热性

13、能；耐蚀性好；具有良好的塑性，=50%；硬度、强度较低， b=200250Mpa。2用途：用做导电材料；造船及机制方面的耐蚀件。3牌号：根据纯铜中杂质含量的不同，工业纯铜分为四个牌号，如表 9-3。由于纯铜的机械性能较差，所以各种结构件几乎不用纯铜而是广泛地利用它的合金，我们将简略介绍几种 较常见的铜合金；二、铜合金铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。（一）黄铜1定义：以锌（Zn）为主要合金元素的 铜基合金。其有良好的力学性能、加工性能、导电导热性能，且色泽美丽，是有色金属中 应用最广的金属材料。2性能：a机械性能：黄铜的机械性能和锌的含量有很大的关系，如图 9-9，Zn=30%时，

14、塑性最好；Zn=3945%时，强度最高：Zn45%时，塑性和强度急剧下降，故黄 铜的含锌量小于45%。b其它性能： 耐蚀性好；工艺性能好；价格较纯铜便宜。3牌号及用途：a.普通黄铜：如表 9-4 所示。b特殊黄铜： 为改善普通黄铜的性能，可在 Cu-Zn 合金的基础上加入AL、Fe、Si、Mn、Pb、Sn 等元素而形成特殊黄铜编号方法如下：符号+主添加元素符号+ 铜 含量+主添加元素含量如：HSn62-1 ，主添加元素 Sn，Cu=62% ，Sn =1%。如表 9-5 所示。c铸造黄铜：如表 9-6 所示。其牌号 H+平均铜 含量，如 H62 表 62%Cu 的其余量 Zn。4.黄铜的分类黄铜

15、按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。普通黄铜，就是 Cu-Zn 二元合金，见下图，当 Zn 含量 36%，时单相 ，Zn 含量36% 而 47%时组织 +两相工业上所用的黄铜 Zn 含量一般不超过 47%。图 9-7 单相黄铜的显微组织 图 9-8 双相黄铜 的显微组织室温组织为单相 的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号有 H80、H70、H68，其中 H70、H68 强 度较高，大量用作 枪弹壳和炮弹筒，故有“ 弹壳黄铜”之称。 +黄铜又称双相黄铜， 强度高，塑性差、常用 H59、H62用作水管、油管、散热器等。特殊黄铜：在普通黄铜的基础上加入 Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni 等元素，形成特殊黄铜，它们比普通黄铜 具有更高的强度、硬度、抗腐 蚀性能。