燃?xì)廨啓C(jī)材料基礎(chǔ)第十一章有色金屬及合金通常把鐵及其合金（鋼、鑄鐵）稱為黑色金屬材料，而把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬材料。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良特性，例如鋁、鎂、鈦及其合金具有密度小，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在飛機(jī)，汽車制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛；又如銀、銅、鋁及其合金的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性好，是電器，儀表工業(yè)不可缺少的材料。雖然有色金屬使用量少，在機(jī)械制造業(yè)中僅占4.5%左右，但它是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。金屬黑色金屬有色金屬鋼鐵鋁及鋁合金鈦及鈦合金銅及銅合金軸承合金純鋁鋁合金變形鋁合金鑄造鋁合金鋁硅合金鋁銅合金鋁鎂合金鋁鋅合金防銹鋁硬鋁超硬鋁鍛鋁純銅

銅合金黃銅白銅青銅鑄造銅合金純鈦鈦合金錫基軸承合金(錫基巴氏合金)鉛基軸承合金(鉛基巴氏合金)銅基軸承合金(鉛青銅)鋁基軸承合金2xxx1xxxTXHXXBXXQSnXXZCuXXTA1-3α型：TA4-10β型：TBα+β型：TC

ZSnSbXXZPbSbXXZCuPbXXZAlSnXX材料占汽車凈重比AlFe塑料其它橡膠磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纖維各種材料在先進(jìn)汽車中占的重量百分比鋁及鋁合金百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量鋁及鋁合金鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬衛(wèi)星天線（LF2）鋁及鋁合金鋁錠鋁合金制造的機(jī)翼鋁合金型材鋁鑄件鋁及鋁合金美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)

(所用材料大部分是鋁合金)鋁及鋁合金銅管銅與黃銅帶黃銅鑄件黃銅棒銅及銅合金鈦合金棒β鈦合金眼鏡架美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造鈦及鈦合金生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片鈦及鈦合金巴氏合金軸瓦內(nèi)燃機(jī)軸瓦表面保護(hù)層

減磨層

鎳柵層

軸承合金

襯背

軸承合金主要用途：電線、電纜4、抗大氣腐蝕好，其表面有一層致密的氧化膜。3、面心立方晶格，強(qiáng)度低（σb=80-100MPa），

塑性好（ψ=80%），可以通過壓力加工成各種型材，與其面心立方晶體有關(guān)。無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。2、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅、金居第四位。特性：1、熔點(diǎn)低，比重小。熔點(diǎn)為660.4℃密度2.72第一節(jié)鋁及其合金一、工業(yè)純鋁牌號：工業(yè)純鋁牌號有L1L2……..L7

數(shù)字大純度低

工業(yè)高純鋁牌號有L0L00

高純鋁L01L02……L04數(shù)字大純度高。二、鋁合金及強(qiáng)化方法（一）概述

1、合金化

在純鋁中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，經(jīng)熱處理可使強(qiáng)度比純鋁提高3－4倍。

2、鋁合金狀態(tài)圖（一般式）

共同特點(diǎn)是：基本相都是鋁基

固溶體和

＋

共晶體。其中

為固溶體或化合物。

3、鋁合金的分類及特性

根據(jù)加工工藝特性和合金元素含量可分為兩大類。即，變形鋁合金和鑄造鋁合金。

變形鋁合金：具有良好的塑性，可進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓等壓力加工。

鑄造鋁合金：流動(dòng)性好，宜鑄造，不宜壓力加工。Al

合金含量（SiMgCu等）溫度DL

+變形鋁合金鑄造鋁合金熱處理不能強(qiáng)化熱處理能強(qiáng)化D/F+L鋁合金一般相圖1、熱處理強(qiáng)化強(qiáng)化方法：固溶處理－時(shí)效強(qiáng)化。

固溶處理：將合金加熱到溶解度曲線以上某一溫度，得到單一的固溶體組織，然后在水中迅速冷卻，使第二相來不及析出，形成過飽和固溶體。這種處理的方法稱固溶處理。

時(shí)效強(qiáng)化：固溶處理的合金在較低溫度下隨時(shí)間的延長發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象(強(qiáng)度和硬度上升）稱時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化。

（二）鋁合金強(qiáng)化方法時(shí)效1）定義在固溶處理后的合金隨時(shí)間延續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象。2）背景資料

1906年德國Duralumin首次發(fā)現(xiàn)。1910年德國A·Welmer發(fā)明并獲專利。1916年用于制造飛機(jī)。1938年Guinier–Preston建立學(xué)說。3)種類自然時(shí)效

人工時(shí)效以鋁銅合金為例，獲得過飽和的α固溶體。其強(qiáng)度可以達(dá)到250MN/m2。時(shí)效強(qiáng)化：固溶處理的合金隨時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)化的現(xiàn)象稱時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化。例如：固溶處理的合金，如果在室溫放置4-5例如4%Cu的鋁合金加熱到α相區(qū)中某一溫度，經(jīng)過一段時(shí)間保溫，使獲得單一的α固溶體組織，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2

來不及從α中析出時(shí)效過程：分四個(gè)階段：第一階段，形成GP[1]區(qū)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，位錯(cuò)受阻，強(qiáng)度提高。第二階段，形成GP[11]，Gp區(qū)有序化,隨著原子的進(jìn)一步富集，原子有序的排列起來，成分結(jié)構(gòu)接近CuAl2，稱θ“，與母相共格，引起晶格進(jìn)一步畸變，位錯(cuò)進(jìn)一步受阻，強(qiáng)度進(jìn)一步提高。第三階段，形成過渡相θ′，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學(xué)成分逐漸達(dá)到CuAl2的化學(xué)成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變減輕，對位錯(cuò)阻礙減少，合金趨向軟化。第四階段，θ相形成與長大，形成穩(wěn)定的CuAl2。與母相完全脫離共格聯(lián)系，晶格畸變大為減輕，強(qiáng)化效果顯著減弱，合金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱“過時(shí)效“。

實(shí)際上，時(shí)效過程不一定全部包括以上四個(gè)階段，自然時(shí)效只有一二階段，人工時(shí)效只能觀察到三、四階段。時(shí)效時(shí)間屈服強(qiáng)度時(shí)效峰過時(shí)效亞時(shí)效鋁合金的熱處理

自然時(shí)效：在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱自然時(shí)效（強(qiáng)度可以達(dá)到400MN/m2），

人工時(shí)效：在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱人工時(shí)效（100－200oC）。人工時(shí)效的效果不如自然時(shí)效效果好，但時(shí)間短。

例：含4％Cu的鋁合金，固溶強(qiáng)化后強(qiáng)度為250MPa自然失效后（4－5天）達(dá)到400MPa。強(qiáng)化機(jī)理：

在鋁的過飽和

固溶體晶格內(nèi)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與

固溶體保持共格關(guān)系，使得晶格嚴(yán)重畸變，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，提高了合金的強(qiáng)度。

2、對變形鋁合金通過冷變形加工硬化，使強(qiáng)度提高。

3、固溶強(qiáng)化合金元素溶入鋁晶格中形成有限固溶體，使合金強(qiáng)度提高。如硅銅鎂錳等。

含4%Cu鋁合金的時(shí)效曲線

時(shí)效時(shí)間/d

4、加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理—細(xì)晶強(qiáng)化。例：Al－Si鑄造合金，澆鑄前加入2－3％鈉鹽混合物（2/3NaF+1/3NaCl-變質(zhì)劑），結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生大量晶核，獲得細(xì)晶粒，合金的強(qiáng)度和塑性都得以提高。鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理后

特點(diǎn)：合金元素少，熱處理強(qiáng)化不起作用，只能用加工硬化的方法強(qiáng)化。三、常用鋁合金鋁合金分為兩大類：變形鋁合金、鑄造鋁合金

（一）變形鋁合金變形鋁合金按其性能和用途分為：防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。1、防銹鋁主要合金元素：Mn，Mg

常用牌號：LF5、LF11、LF21等

L－鋁F－防銹

數(shù)字－順序號

用途：制造油箱、油管等。用途：制造鉚釘、螺旋槳葉片等。3、超硬鋁合金

特點(diǎn)：可用熱處理時(shí)效強(qiáng)化，也可冷變形加工硬化。2、硬鋁合金

主要合金元素：Cu－Mg常用牌號：

LY1、LY11等。

L－鋁Y－硬數(shù)字－順序號

主要合金元素：Zn－Mg－Cu

常用牌號:LC4LC6L－鋁C－超硬數(shù)字－順序號

特點(diǎn)：這類鋁合金是經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化后強(qiáng)度最高的一種鋁合金。

用途：制造飛機(jī)大梁、蒙皮等。

特點(diǎn)：具有良好的鍛造成型性，可固溶處理+人工時(shí)效強(qiáng)化。

用途：制造直升飛機(jī)的葉片、航空發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。4.鍛鋁合金

主要合金元素：Mg－Si－Cu,Cu－Mg－Ni

常用牌號：LD5LD7L－鋁D－鍛造數(shù)字－順序號四、鑄造鋁合金

用途：鑄造鋁合金主要用于制造重要的形狀復(fù)雜的鋁合金零件，例如汽車、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞等。

合金系：Al－SiAl－CuAl－MgAl－Zn

牌號表示方法：字母“ZL”＋三位數(shù)字

ZL－鑄鋁;

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－表示鋁鋅系第二、三位數(shù)字表示順序號。例如：ZL102、ZL202、LZ302等。

特點(diǎn)：鑄造性能好（Al-Cu合金差）1、工業(yè)純銅（又稱紫銅）物理性能：密度為8.93g/cm3

，熔點(diǎn)為1083℃，呈面心立方晶格，表現(xiàn)出優(yōu)異的冷、熱壓力加工性能，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好。強(qiáng)度低，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。

應(yīng)用：電線、電纜第二節(jié)銅及合金

2、黃銅：化學(xué)成分：主要元素是銅和鋅。含鋅量0－50％。呈淡黃色。

性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高（比鋁合金高）；耐磨性和耐海水腐蝕性好，都優(yōu)于鋁合金和碳鋼。黃銅普通黃銅

Cu－Zn合金，H59、H62、H70等

H－黃銅數(shù)字－Cu%

應(yīng)用：水管、油管、散熱器等。特殊黃銅普通黃銅基礎(chǔ)上加入AlMnPbSi

進(jìn)一步提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性。牌號：HPb59-1表示含鉛黃銅，

Cu%=59Pb%=1

應(yīng)用：制造船舶、化工中的高強(qiáng)耐蝕零件鐘表、機(jī)械的軸瓦耐磨零件等分類、牌號及應(yīng)用：

3、青銅

主要成分：Cu-Sn合金，應(yīng)用最早合金。近代又發(fā)展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的銅合金，習(xí)慣上也都稱為青銅。

特性：具有極高的耐磨性并耐蝕性好。

牌號：Q+元素符號＋含量

QSn4-3QAl5ZQSn10-5等（3％Zn）（5％Pb）

應(yīng)用：耐磨件如齒輪、軸套、蝸輪，儀器上的彈簧，耐磨和抗磁零件其它有色金屬及合金一、鈦及鈦合金二、鎂及鎂合金三、鋅及鋅合金一、鈦及鈦合金§8.3其它有色金屬及合金美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔鈦合金泵鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵鈦合金管鈦合金管應(yīng)用鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵鈦合金列管式換熱器生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片一、鈦及鈦合金其它有色金屬及合金（一）工業(yè)純鈦1.性能特點(diǎn)

1）密度小、熔點(diǎn)高，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2）強(qiáng)度低，但比強(qiáng)度高，塑性及低溫韌性好，耐蝕性高。3）具有良好的壓力加工工藝性能，切削性能較差。4）在氮?dú)庵屑訜峥扇紵?，因此加熱或焊接時(shí)使用氬氣做保護(hù)氣。一、鈦及鈦合金其它有色金屬及合金2.種類及牌號

1）根據(jù)雜質(zhì)含量分：

高純鈦（純度達(dá)99.9%）工業(yè)純鈦（純度達(dá)99.5）2）工業(yè)純鈦牌號：TA+

順序號數(shù)字1、2、3表示。一、鈦及鈦合金其它有色金屬及合金（二）鈦合金純鈦中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等元素形成鈦合金。按退火組織可分為α型、β型、（α+β）型鈦合金，分別用TA、TB、TC加順序號表示。二、鎂及鎂合金其它有色金屬及合金二、鎂及鎂合金其它有色金屬及合金（一）純鎂密度小、熔點(diǎn)低，具有密排六方結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度不高，室溫塑性較低，耐蝕性差，易氧化。工業(yè)純鎂代號：M+

順序號。二、鎂及鎂合金其它有色金屬及合金（二）鎂合金在純鎂中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素制成鎂合金。目前應(yīng)用的鎂合金有Mg-Mn系、Mg–Al-Zn系、Mg–Zn-Zr系、Mg–Re-Zr系，它們可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。

1.變形鎂合金代號：MB+

順序號2.鑄造鎂合金代號：ZM+

順序號三、鋅及鋅合金（一）純鋅密度高，熔點(diǎn)低，具有密排六方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；具有一定的強(qiáng)度和較好的耐蝕性，主要有于配制各種合金和鋼板表面鍍鋅。三、鋅及鋅合金（二）鋅合金1.變形鋅合金2.鑄造鋅合金

1）壓鑄鋅合金2）高強(qiáng)度鋅合金3）模具用鋅合金3.熱鍍鋅合金

理想的軸承合金的組織應(yīng)是軟基體上均勻分布著硬質(zhì)點(diǎn)。軟的基體被磨損下凹，可貯存潤滑油并形成連續(xù)的油膜；硬質(zhì)點(diǎn)則凸起來支撐軸頸，使軸承和軸頸的實(shí)際接觸面積小，減小摩擦。如圖示：滑動(dòng)軸承合金

用于制造滑動(dòng)軸承及其內(nèi)襯的合金

一、性能要求1、