9.1鋁及其合金9.2銅及其合金9.3鈦及其合金9.4滑動軸承合金9.5硬質(zhì)合金9有色金屬及硬質(zhì)合金金屬材料分為黑色金屬（鋼鐵材料）和有色金屬兩大類。有色金屬是指元素周期表中除鐵以外的所有金屬，國際上通稱為非鐵金屬。如Al、Cu、Mg、Ti、Pb、Sn、Zn等金屬及其合金有色金屬在金屬材料中占據(jù)有很重要的地位，它不僅是制造各種優(yōu)質(zhì)合金鋼及耐熱鋼所必須的合金元素，而且許多有色金屬材料具有比重小、比強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、彈性以及一些特殊的物理性能，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的結(jié)構(gòu)材料。9.1鋁及其合金鋁是地殼中的蘊(yùn)藏最多的有色金屬。在金屬材料中，鋁合金的用量僅次于鋼鐵，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要有色金屬材料。純度為99%~99.99%（AL）的純鋁稱為工業(yè)純鋁。具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性純鋁熔點(diǎn)為660℃，密度較小（2.7g/cm3），只有鐵的三分之一。純鋁的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性僅次于銀、銅、金。如果按單位重量的導(dǎo)電能力比較，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的兩倍。鋁具有優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能力。鋁與氧親和力大，在大氣中其表面能形成一層致密的氧化膜，可隔絕鋁與氧的接觸，阻止進(jìn)一步氧化。純鋁的強(qiáng)度很低（σb僅有80~100MPa）、塑性很好（δ=35%~40%，ψ=80%），易于加工成形。工業(yè)純鋁可制作電線、電纜、以及要求具有較高導(dǎo)熱和抗大氣腐蝕性能，而對強(qiáng)度要求不高的用品或器皿。工業(yè)純鋁的主要用途是配制鋁合金。9.1.1工業(yè)純鋁為提高鋁的力學(xué)性能，在純鋁中加入合金元素制成鋁合金。鋁合金保留純鋁密度小、耐蝕性好的特點(diǎn)，力學(xué)性能比純鋁高得多，經(jīng)熱處理后鋁合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）接近甚至超過合金鋼，可用于制造承受較大載荷的機(jī)器零件和構(gòu)件。用于鋁合金的合金元素可分為主加元素（硅、銅、鎂、錳、鋅等）和輔加元素（鉻、鈦、鋯等）。主加元素溶解度高，具有顯著的強(qiáng)化作用。輔加元素的主要作用是改善鋁合金的某些工藝性能，如細(xì)化晶粒、改善熱處理性能等。9.1.2鋁合金及其應(yīng)用鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金型材鋁鑄件鋁合金的二元相圖通常具有如圖9-1所示的形式。以相圖中最大溶解度點(diǎn)D為界，把鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。鋁合金的分類鋁合金分類示意圖合金元素溶入鋁中產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效果有限，因而必須通過熱處理進(jìn)一步提高強(qiáng)度。鋁合金的強(qiáng)化是通過淬火（固溶處理）和時效強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)的。鋁合金的時效強(qiáng)化

鋁合金的時效強(qiáng)化處理

固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。加熱固溶淬火過飽和時效析出在室溫下進(jìn)行的時效稱自然時效；在加熱條件下進(jìn)行的時效稱人工時效。時效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時間有關(guān)。圖9-3含銅4%鋁合金在不同溫度下的時效曲線

合金元素在鋁中的溶解度一般都是有限的，因此鋁合金組織中除了形成鋁基固溶體（α）外，還有第二相（金屬間化合物）出現(xiàn)。鋁合金具有低密度、耐腐蝕、良好的導(dǎo)熱性、良好的塑性和加工工藝性。鋁合金還可通過冷變形或熱處理來大幅提高強(qiáng)度。因此鋁合金可用于制造承受較大載荷的機(jī)器零件和構(gòu)件。鋁合金與鋼、鑄鐵力學(xué)性能對比鋁合金組織和性能特點(diǎn)性

能低碳鋼低合金鋼高合金鋼鑄鐵鋁合金相對密度1.01.01.00.920.35相對比強(qiáng)度極限1.01.62.50.601.8相對比屈服極限1.01.74.20.702.9～4.3相對比剛度1.01.01.00.518.5根據(jù)化學(xué)成分和性能的不同，變形鋁合金可分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等四類。通常加工成各種規(guī)格的板、帶、線、管等型材供應(yīng)。按GB/T16474-1996規(guī)定，變形鋁合金牌號用2×××~8×××系列表示。牌號第一位數(shù)字表示以主要合金元素確定的組別，按2-銅、3-錳、4-硅、5-鎂、6-鎂硅、7-鋅，8-其它元素的順序來確定合金組別；牌號第二位的字母為“A”，表示為原始合金。例如，5A05表示以鎂為主加合金元素的變形鋁合金，最后兩位的數(shù)字××用于標(biāo)識同一組別中的不同鋁合金。（一）變形鋁合金的牌號、性能及用途

超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機(jī)大梁、起落架等.

鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等.飛機(jī)主起落架壓氣機(jī)葉片鑄造鋁合金的力學(xué)性能較變形鋁合金差，但它具有良好的鑄造性能，可以通過鑄造成型方法生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，全世界每年消費(fèi)的鋁中，有15%~20%用于鑄造鋁合金。鑄造鋁合金的成分通常接近其合金相圖的共晶點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)低、流動性好、鑄造性好。但共晶組織使塑性降低，不適于壓力加工。一般用于制作質(zhì)輕、耐蝕、形狀復(fù)雜及有一定力學(xué)性能的零件。常用鑄造鋁合金有

A1-Si系、A1-Cu系、Al-Mg系和

Al-Zn系四大類，各類鑄造鋁合金都可以通過熱處理強(qiáng)化或調(diào)整力學(xué)性能。（二）鑄造鋁合金鑄造鋁合金的牌號由“鑄”字的漢語拼音字首“Z”＋Al＋其它主要元素符號及百分含量來表示，如ZAlCu10表示含10%Cu的Al-Cu系鑄造鋁合金。另外，壓鑄合金在牌號前面冠以字母“YZ”，優(yōu)質(zhì)合金的牌號后面標(biāo)注“A”。鑄造鋁合金的代號用“鑄鋁”的漢語拼音字首“ZL”加三位數(shù)字表示。第一位數(shù)字表示合金類別（1表示鋁硅系，2表示鋁銅系，3表示鋁鎂系，4表示鋁鋅系）。后兩位數(shù)為順序號。例如，ZL102表示2號Al-Si系鑄造鋁合金。鑄造鋁合金牌號（1）鋁硅系鑄造鋁合金

該系鋁合金又稱為“硅鋁明”，一般Si含量為4%~22%。

A1-Si系合金具有良好的鑄造性能，經(jīng)過熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐蝕性和中等的切削加工性能，是鑄造鋁合金中種類最多、應(yīng)用最廣泛的合金系。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。活塞(裙部為鋁硅合金)（2）鋁銅系鑄造鋁合金

該系鑄造鋁合金中Cu含量為3%~11%，其特點(diǎn)是耐熱性在鋁合金中最高，缺點(diǎn)是鑄造性和耐蝕性差，隨著Cu增加，鑄造性能提高，耐蝕性增加，但強(qiáng)度降低。這類合金在航空產(chǎn)品上應(yīng)用較廣，主要用于承受大載荷的結(jié)構(gòu)件和耐熱零件。這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。汽缸頭主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。（3）鋁鎂系鑄造鋁合金

該系鑄造鋁合金密度小（為2.55×103kg/m3）、強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的耐蝕性、良好的切削加工性能，但其鑄造性能差，耐熱性低（一般使用溫度小于200℃），熔鑄工藝復(fù)雜，時效強(qiáng)化效果小。常用牌號有ZL301，ZL302這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度??；但鑄造性能差,耐熱性低。鼓風(fēng)機(jī)密封件等(ZL102、301)（4）鋁鋅系鑄造鋁合金該系鑄造鋁合金鑄造性能好，鑄態(tài)下可自然時效，不用熱處理就能得到較高的強(qiáng)度，是一種鑄態(tài)下高強(qiáng)度合金；價格是鋁合金中最便宜的；缺點(diǎn)是密度大、耐蝕性差、熱裂傾向大。常用于制作汽車、飛機(jī)、醫(yī)療器械、壓鑄儀表殼體等零件。常用的有ZL40l、ZL402。這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)9.2銅及其合金純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。特點(diǎn)：1、面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2、塑性高、強(qiáng)度低，δ→50％，σb→240MPa3、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，抗腐蝕用途：純銅主要用于導(dǎo)電、導(dǎo)熱及兼有抗蝕性的器材，如電線、電纜、電刷、銅管等，純銅也作為配制銅合金的原料。9.2.1工業(yè)純銅純銅雖可通過冷變形強(qiáng)化，但塑性大大下降，因此常用合金化來獲得強(qiáng)度較高的銅合金。加入合金元素主要通過固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化等提高銅的強(qiáng)度。（1）按化學(xué)成分

銅合金可分為黃銅、青銅、白銅三大類。（2）按生產(chǎn)方法

銅合金可分為壓力加工產(chǎn)品和鑄造產(chǎn)品。9.2.2銅合金及其應(yīng)用以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。黃銅鑄件黃銅棒（一）黃銅特殊黃銅制品（二）、青銅青銅是以除Zn和Ni以外的合金元素為主加元素的銅合金。Cu-Sn合金是應(yīng)用最早的青銅。

常用青銅有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。

船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)鈹青銅制品（三）、白銅

銅和鎳都具有面心立方晶格，可無限互溶，所以各種銅-鎳合金均為單相組織。這類合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，主要通過固溶強(qiáng)化和加工硬化來提高力學(xué)性能。白銅具有較高的強(qiáng)度和塑性，彈性好，易于進(jìn)行冷、熱變形加工，具有很好的耐蝕性、電阻率較高，廣泛用于耐蝕的結(jié)構(gòu)件和彈簧、插接件等。銅鎳二元合金稱為普通白銅。其代號表示方法是：B（“白”的漢語拼音字首）+鎳的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×100，例如，B30表示成分w（Ni）=30％的普通白銅。在銅鎳二元合金基礎(chǔ)上加入其它合金元素的銅基合金稱為特殊白銅。其代號表示方法是：B+特殊合金元素化學(xué)符號+鎳的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×100-特殊合金元素的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×100。例如，BMn3-l2表示含3%Ni、12%Mn和85％Cu的錳白銅。鈦及鈦合金具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕以及良好低溫韌性等優(yōu)點(diǎn)，資源豐富，是一種很有發(fā)展前途的金屬材料。在航空工業(yè)、化工、醫(yī)療、體育用品、汽車工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)等方面得到了應(yīng)用。由于鈦及鈦合金的加工條件復(fù)雜，成本較昂貴，在很大程度上限制了它們的應(yīng)用。9.3鈦及其合金

美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造純鈦密度小，熔點(diǎn)高。882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

-Ti?

-Ti,由體心立方

-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕?/p>

-Ti.純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。9.3.1純鈦純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度.根據(jù)使用狀態(tài)的組織，鈦合金可分為三類：α鈦合金、β鈦合金和（α+β）鈦合金。我國的鈦合金牌號分別以TA、TB、TC加上順序號表示。9.3.2鈦合金及其應(yīng)用鈦合金應(yīng)用鈦合金泵鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金眼鏡架鈦合金飛機(jī)葉片軸承分滾動軸承和滑動軸承兩類。滑動軸承具有承壓面積大、承載能力強(qiáng)、工作平穩(wěn)、無噪音、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，占有非常重要的地位。在滑動軸承中，制造軸瓦及內(nèi)襯的合金稱為軸承合金，又稱軸瓦合金。9.4軸承合金滑動軸承是許多機(jī)器設(shè)備中對旋轉(zhuǎn)軸起支撐作用的重要部件，由軸承體和軸瓦兩部分組成。當(dāng)軸高速旋轉(zhuǎn)時，軸瓦與軸頸發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，承受軸頸施加的交變載荷和沖擊力。對軸承合金的性能要求：（1）低摩擦系數(shù)，以減小軸的磨損和動力消耗，避免由于摩擦使溫度升高而發(fā)生咬合；（2）良好的磨合性，以保證工作時軸和與軸瓦很好的磨合；（3）足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度并能抵抗沖擊和振動，以保證在承受軸頸施加的較大壓應(yīng)力、交變應(yīng)力和沖擊振動下能正常工作。（4）軸承合金還應(yīng)具有良好的耐蝕性、良好的導(dǎo)熱性、小的膨脹系數(shù)和良好的鑄造性能。9.4.1對滑動軸承合金的要求根據(jù)以上性能要求，目前軸承合金的組織特征可分為兩大類。一類是在軟基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)，另一類是在硬基體上分布著軟質(zhì)點(diǎn)。其中軟基體使合金具有很好的嵌鑲性、順應(yīng)性和抗咬合性，并在磨合后，軟基體內(nèi)凹，硬質(zhì)點(diǎn)外凸，使滑動面之間形成微小間隙，成為儲油空間和潤滑油通道，有利于減摩。外凸的硬質(zhì)點(diǎn)起支撐作用，有利于承載。軟基體還具有抗沖擊與振動能力。但這種組織難以承受高的載荷。屬于這類組織的軸承合金有錫基和鉛基軸承合金。具有硬基體和軟質(zhì)點(diǎn)的軸承合金，也具有較低的摩擦系數(shù)，能提高軸承的承載能力，但其磨合性較差，屬于這類組織的軸承合金有鋁基軸承合金和鋁青銅等。軸承合金的組織特點(diǎn)9.4.2常用滑動軸承合金巴氏合金軸瓦內(nèi)燃機(jī)軸瓦硬質(zhì)合金是以一種或幾種難熔碳化物（如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮等）的粉末為主要成分，加入鐵、鈷、鎳等起粘結(jié)作用的金屬粉末，經(jīng)過配料、壓制成形、燒結(jié)、后處理等工藝過程（該過程稱為粉末冶金法）而制成的材料。9.5硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金密度范圍在6.0~16.0g/cm3之間。硬質(zhì)合金具有高的抗壓強(qiáng)度、耐蝕性和抗氧化性，常溫下硬度可達(dá)86~93HRA（約為69~81HRC）；紅硬性高，可達(dá)900~1000℃。硬質(zhì)合金的耐磨性高出高速