第三章金屬材料,3.1碳鋼3.2合金鋼3.3鑄鋼與鑄鐵3.4有色金屬及其合金,黑色金屬,1,3.4有色金屬及其合金,3.4.1鋁及鋁合金3.4.2銅及銅合金3.4.3鈦及鈦合金3.4.4軸承合金,2,特性：(1)密度小(2.7g/cm3)、比強(qiáng)度高(2)有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能導(dǎo)電性好，抗大氣腐蝕能力好(Al2O3)，磁化率極低,良好的低溫性能(純鋁-235塑性和沖擊韌度也不降低)(3)加工性能良好鋁(FCC,=3050%,=80%)及鋁合金(退火狀態(tài))的塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。超高強(qiáng)鋁合金成型后經(jīng)熱處理，可達(dá)到很高的強(qiáng)度。鑄造鋁合金的鑄造性能極好。,3.4.1鋁及鋁合金,3,一、純鋁,分類:高純鋁：L05L01，數(shù)字越小，純度越低工業(yè)高純鋁：L0，L00，“0”個(gè)數(shù)增加，純度降低(LG5LG1)工業(yè)純鋁：L1L7，數(shù)字越大，純度越低用途：高純鋁主要用于科學(xué)研究及制作電容器;工業(yè)高純鋁的主要用途是配制鋁合金;工業(yè)純鋁還可用來(lái)制造導(dǎo)線、包覆材料、耐蝕和生活器皿等。,4,鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等,美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)(所用材料大部分是鋁合金),二、鋁合金,5,1、鋁合金的分類及強(qiáng)化機(jī)制,變形鋁合金：D點(diǎn)以左，加熱時(shí)能形成單相固溶體組織，塑性好，適于變形加工Al-F不可熱處理強(qiáng)化F-D可熱處理強(qiáng)化鑄造鋁合金：D點(diǎn)以右，由于冷卻時(shí)有共晶反應(yīng)發(fā)生,流動(dòng)性較好,適于鑄造生產(chǎn),1)鋁合金的分類,6,將成分位于相圖中DF之間的合金加熱到固溶線以上，保溫獲得單相后迅速水冷，得到過(guò)飽和的固溶體,（2）時(shí)效強(qiáng)化（第二相強(qiáng)化）在室溫下放置或低溫加熱時(shí)，強(qiáng)度和硬度會(huì)明顯升高。這種現(xiàn)象稱為時(shí)效或時(shí)效硬化。,2）鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制,（1）固溶處理,時(shí)效的條件：合金能在高溫形成均勻的固溶體，并且固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。,7,時(shí)效規(guī)律時(shí)效溫度越高,強(qiáng)度峰值越低,強(qiáng)化效果越小;時(shí)效溫度越高,時(shí)效速度越快,強(qiáng)度峰值出現(xiàn)所需時(shí)間越短;低溫使固溶處理獲得的過(guò)飽和固溶體保持相對(duì)的穩(wěn)定性,抑制時(shí)效的進(jìn)行。,8,回歸,一切能時(shí)效硬化的合金都有回歸現(xiàn)象。自然時(shí)效后的鋁合金在反復(fù)回歸處理和再時(shí)效時(shí)強(qiáng)度有所降低。時(shí)效后的鋁合金可在回歸處理后的軟化狀態(tài)進(jìn)行各種冷變形。利用這種現(xiàn)象，可隨時(shí)進(jìn)行飛機(jī)的鉚接和修理等。,自然時(shí)效后的鋁合金,在230250短時(shí)間(幾秒至幾分鐘)加熱后,快速水冷至室溫時(shí),可以重新變軟。如再在室溫下放置,則又能發(fā)生正常的自然時(shí)效。這種現(xiàn)象稱為回歸。,9,2、變形鋁合金,GB3190-82中的舊牌號(hào)仍可繼續(xù)使用，表示方法為:防銹鋁合金：LF+序號(hào)硬鋁合金：LY+序號(hào)超硬鋁合金：LC+序號(hào)鍛鋁合金：LD+序號(hào),10,（1）防銹鋁合金,Al-Mn系和Al-Mg系合金Mg：固溶強(qiáng)化，降低密度，抗腐蝕Mn：固溶強(qiáng)化，抗腐蝕高的塑性，低中等強(qiáng)度，優(yōu)良的抗腐蝕及焊接性能不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，退火/冷作硬化態(tài)使用。LF21（3A21）(Al-Mn合金)用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、彎曲等方法制造的低載荷零件、制品以及鉚釘?shù)?。LF5（5A05）(Al-Mg合金)用于焊接容器、管道，以及承受中等載荷的零件及制品，也可用作鉚釘。,11,（2）硬鋁合金（Al-Cu-Mg系）,可時(shí)效強(qiáng)化，亦可形變強(qiáng)化Cu、Mg強(qiáng)化相，Mn耐蝕性強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。低合金硬鋁2A01(LY1)：Mg、Cu含量較低,塑性好,強(qiáng)度低。時(shí)效強(qiáng)化。常稱鉚釘硬鋁。標(biāo)準(zhǔn)硬鋁2A11(LY11)：合金元素中等，強(qiáng)度和塑性中等。退火后變形加工性能良好，時(shí)效后切削加工性能也較好。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋漿葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵?。高合金硬鋁2A12(LY12)：合金元素較多，強(qiáng)度和硬度較高，塑性及變形加工性能較差。用于制作航空模鍛件和重要的銷、軸等零件。,12,（3）超硬鋁合金（Al-Mg-Zn-Cu系）,牌號(hào)有7A04(LC4)、7A09(LC9)等。固溶處理和人工時(shí)效強(qiáng)度最高的鋁合金?？刮g性較差，高溫下軟化快。用包鋁法可提高抗蝕性。超硬鋁合金多用于制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機(jī)大梁、起落架等。,飛機(jī)用座椅軌道及航空零件,飛機(jī)前起落架,13,(4)鍛鋁合金（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系）,牌號(hào)2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10)合金的元素種類多但用量少，有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機(jī)械性能。固溶處理和人工時(shí)效。這類合金主要用于承受重載荷的鍛件和模鍛件,14,變形鋁合金的主要牌號(hào)、成分、機(jī)械性能及用途,15,3、鑄造鋁合金,2)性能特點(diǎn)良好的鑄造性能力學(xué)性能不如變形鋁合金成本較低3)應(yīng)用：適合于形狀復(fù)雜的零構(gòu)件、箱體、殼體、活塞等,1）分類及牌號(hào),鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋,16,鑄造性好（熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、收縮小）,變質(zhì)處理顯著提高力學(xué)性能。組織變質(zhì)前，共晶體（粗針狀Si+基體）+初晶Si變質(zhì)后，共晶體（細(xì)點(diǎn)狀Si+基體）+初晶,ZL102的鑄態(tài)組織，未變質(zhì)，500,變質(zhì)處理后，100,Al-Si鑄造鋁合金（硅鋁明）,17,3.4.2銅及銅合金,銅及銅合金有下列特性：(1)優(yōu)異的物理、化學(xué)性能導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性極佳；對(duì)大氣和水的抗蝕能力很高；銅是抗磁性物質(zhì)。(2)良好的加工性能塑性加工性能優(yōu)良，容易冷、熱成型；切削加工性能優(yōu)良，鑄造銅合金有很好的鑄造性能；焊接性好。(3)某些特殊機(jī)械性例如優(yōu)良的減摩性和耐磨性(如青銅及部分黃銅)，抗卡咬，高的彈性極限和疲勞極限(如鈹青銅等)，彈性穩(wěn)定。(4)色澤美觀,18,一、純銅（紫銅）,FCC，無(wú)同素異構(gòu)體，牌號(hào)T1T4，編號(hào)越大，純度越低。純銅主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。純銅的強(qiáng)度低,不宜作結(jié)構(gòu)材料。,純銅管,19,（）黃銅Cu-Zn系合金,普通黃銅：?jiǎn)蜗帱S銅如H80，含80%Cu，單相，塑性好，可冷成型雙相黃銅如H62，+，可熱變形,二、銅合金,銅+合金元素銅合金黃銅、青銅和白銅,20,(a)單相黃銅,Cu-Zn合金的顯微組織,(b)雙相黃銅+,組織,工業(yè)黃銅的實(shí)際鋅含量多47，其退火組織可以是單相或雙相+。,21,牌號(hào)、性能、用途,單相黃銅H80、H70、H68塑性很好，適于制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件。雙相黃銅H62、H59可進(jìn)行熱變形，常熱軋成棒材、板材?？设T造。,22,復(fù)雜黃銅改善Cu-Zn合金的耐蝕性、機(jī)械性能。,鐘表,海船,海船,船舶及化工機(jī)械,編號(hào)：H+主加元素符號(hào)+銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)+主加元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),23,黃銅制品,24,壓力加工青銅Sn青銅如QSn4-3，含4%Sn、3%Zn，其余為Cu。做軸承、彈簧等。Al青銅如QAl10-3-1.5，做耐蝕、抗磨的齒輪、軸套等Be青銅如QBe2，做重要彈簧，高速軸承等。鑄造青銅如Sn青銅，ZCuSn10Zn2。,（2）青銅Cu-Sn系合金,船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋),25,（3）白銅Cu-Ni系合金,以鎳為主要合金元素，B（白）+鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，例B19銅、鎳無(wú)限固溶，單相，可冷、熱變形，較好的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性。它的抗蝕性很好，電阻率較高。用于制造船舶儀器零件、化工機(jī)械零件及醫(yī)療器械等。,26,3.4.3鈦及鈦合金,鈦及鈦合金具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕以及良好低溫韌性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)資源豐富，所以有著廣泛應(yīng)用前景。但目前鈦及鈦合金的加工條件復(fù)雜，成本較昂貴。,美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造,27,純鈦,性能：銀白色，熔點(diǎn)1680，密度4.54g/cm3，比鋁大但比鋼輕43%。鈦有很好的強(qiáng)度，約為鋁的6倍，所以鈦的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/相對(duì)密度）在結(jié)構(gòu)材料中是很高的。鈦的抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼。晶體結(jié)構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變882.5時(shí)，密排六方-Ti-Ti（體心立方）牌號(hào)及用途工業(yè)純鈦TA1TA3，編號(hào)越大雜質(zhì)越多純鈦可制作在350以下工作的、強(qiáng)度要求不高的零件。,28,合金元素溶入-Ti中，形成固溶體，溶人-Ti中形成固溶體。,二、鈦合金,鋁、碳、氮、氧、硼等為穩(wěn)定化元素。,鐵、鉬、鎂、鉻、錳、釩為穩(wěn)定化元素。,分類：a鈦合金、鈦合金和(a+)鈦合金。牌號(hào)分別以TA、TB、TC加上編號(hào)來(lái)表示。,29,鈦中加入鋁、硼等穩(wěn)定化元素獲得鈦合金。鈦合金的室溫強(qiáng)度低于和(a+)鈦合金，但高溫(500一600)強(qiáng)度比它們的高，并且組織穩(wěn)定，抗氧化性和抗蠕變性好，焊接性能也很好。鈦合金不能淬火強(qiáng)化，主要依靠固溶強(qiáng)化，熱處理只進(jìn)行退火(消除應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火)。典型牌號(hào)：TA7，成分：Ti-5Al-2.5Sn用途：使用溫度500；主要用于制造導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的渦輪機(jī)匣等。,（1）鈦合金,鈦泵,30,鈦中加入鉬、鉻、釩等穩(wěn)定化元素得到鈦合金。鈦合金有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的沖壓性能，并可通過(guò)淬火和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。在時(shí)效狀態(tài)下，合金的組織為相和彌散分布的細(xì)小相粒子。典型牌號(hào)：TBl，成分：Ti-3Al-13V-11Cr用途：一般在350以下使用，適于制造壓氣機(jī)葉片、軸、輪盤等重載的回轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)構(gòu)件等。,(2)鈦合金,31,鈦中加入a和穩(wěn)定化元素所得到的(a+)鈦合金，塑性很好，容易鍛造、壓延和沖壓，并可通過(guò)淬火和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后強(qiáng)度可提高50%100%,(3)(a+)鈦合金,典型牌號(hào)：TC4，成分：Ti-6Al-4V強(qiáng)度高，塑性好，在400時(shí)組織穩(wěn)定，蠕變強(qiáng)度較高，低溫韌性好，抗海水應(yīng)力腐蝕及抗熱鹽應(yīng)力腐蝕用途：在400以下長(zhǎng)期工作的零件，要求一定高溫強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，以及在低溫下使用的火箭、導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件等。,塊狀()基體針狀,32,(1)退火消除應(yīng)力退火，450650，14h再結(jié)晶退火，650850，13h消除加工硬化。(2)淬火和時(shí)效：適用鈦合金和(a+)鈦合金目的：提高鈦合金的強(qiáng)度和硬度。淬火溫度：a+兩相區(qū)的上部范圍，淬火后部分a保留下來(lái)，細(xì)小的相轉(zhuǎn)為成介穩(wěn)定相或a相或兩種均有，經(jīng)時(shí)效后獲得好的綜合機(jī)械性能。若加熱到區(qū)，晶粒極易長(zhǎng)大，則熱處理后的韌性很低。鈦合金的時(shí)效溫度一般在450一550之間。,三、鈦及鈦合金的熱處理,33,3.4.4軸承合金,滑動(dòng)軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的材料工作條件：軸承支撐著軸，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦和軸發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷性能：強(qiáng)硬度、塑韌性和疲勞強(qiáng)度好，與軸的磨合能力、減摩性好、導(dǎo)熱、較小的膨脹系數(shù)、抗蝕性好,軸瓦,34,ZChSnSb11-6的組織，100,組織特點(diǎn),既軟又硬:在軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)，或者在硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)。,軟基體硬質(zhì)點(diǎn)硬基體軟質(zhì)點(diǎn),35,代號(hào)：ZCh基本元素符號(hào)（Sn或Pb）主加元素符號(hào)主加元素含量+輔加元素含量。Z鑄造，Ch軸承ZChSnSb11-6表示含w(Sb)=11%、w(Cu)=6%、余量為錫Sn的錫基軸承合金，ZChPbSb16-16-2表示含w(Sb)=16%、w(Sn)=16%、w(Cu)=2%、余量為鉛Pb的鉛基軸承合金。,工業(yè)上常用的是錫基、鉛基軸承合金,又稱巴氏合金,36,(1)Sn基軸承合金(錫基巴氏合金),軟基體硬質(zhì)點(diǎn)ZChSnSb11-6（含11%Sb，6%Cu，余Sn）。軟基體+硬質(zhì)點(diǎn)（白方