1、第九章 有色金屬及合金,1輕金屬：密度小于4.5103Kg/m3的金屬稱為輕金屬。如鋁、鎂、鈹、鋰、鈦等 2重金屬：密度大于4.5103Kg/m3的金屬稱為重金屬。如銅、鋅、鉛、鎳等。 3貴金屬：如金、銀、鉑等金屬。 4稀有金屬：如鎢、鉬、鈮、鈦、鋰、鋯等。 5放射性金屬：如鐳、鈾、釷等。,本章主要講述鋁、銅、鈦及軸承合金。,9.1鋁及其合金,9.1.1.工業(yè)純鋁 ： 1.純鋁的性質(zhì)：密度為2.72gcm3，熔點660.4。為面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，具有極好的塑性 。 2.純鋁的牌號（用國際四位字符體系 ）： 1）1A99（原LG5）、1A97（原LG4）、1A93（原LG3）、1A90

2、（原LG2）、1A85（原LG1）； 2）1070A（代L1）、1060（代L2）、1050A（代L4）、1035（代L4）、1200（代L5）。 3.主要用途：配制鋁合金；導線、器具、隔熱鋁箔，鋁合金表面的包覆材料等。,9.2鋁合金的分類與牌號,1.鋁合金的分類： 變形鋁合金和鑄造鋁合金 。,2.鋁合金的牌號：,變形鋁合金及純鋁采用四位數(shù)字體系牌號和四位字符體系牌號 ： 1）1，2，3，4，5，6，7，8，9分別代表純鋁以及銅、錳、鎂、硅、鋅和其他元素為主要合金元素的鋁合金及備用合金組； 2）第二位數(shù)字或字母表示純鋁合金的改型情況，數(shù)字0或字母A表示原始純鋁和原始合金，19或BY表示改型情況

3、； 3）牌號最后兩位數(shù)字用以標識同一組中不同的鋁合金。 4)鑄造鋁合金的牌號由“Z”和基體元素化學符號、主要元素化學符號以及表示合金元素平均含量的百分數(shù)組成。優(yōu)質(zhì)合金在牌號后面標注A，壓鑄合金在牌號前面冠以字孚“YZ。,3.鋁合金的熱處理 ：退火、固溶和時效處理,(1)退火： 1)再結(jié)晶退火：加熱到再結(jié)晶溫度以（350450），保溫（0.5 h1.5h）后空冷； 2)去應力退火 ：加熱到（180300）、保溫1h3h，然后在空氣中冷卻 ； 3)鑄件退火：退火溫度一般為300400，保溫2h4h，然后空冷或隨爐冷卻。,(2)固溶（淬火)：獲得過飽和的、不穩(wěn)定的固溶體。,3.時效：,1）固溶后的鋁

4、合金，在室溫停留或加熱保溫后，其強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為鋁合金的時效。 2）在室溫自發(fā)強化的過程稱為自然時效，加熱后強化的過程稱為人工時效 。,4.變形鋁合金,變形鋁合金是指需要經(jīng)過名種壓力加工方法加工成形的一類鋁合金。 變形鋁合金按性能特點可分為熱處理不能強化的鋁合金，如防銹鋁合金；熱處理能強化的鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、鍛鋁。,(1)防銹鋁合金,用途：油箱、油管、鉚釘及其他冷變形零件。,(2)硬鋁,用途：骨架、螺旋槳葉片、航空鍛模件和重要的銷、軸、梁等。,(3)超硬鋁：,用途：飛機的大梁、起落架等。,（4）鍛鋁,用途：外形復雜的鍛件和模鍛件。,5.鑄造鋁合金,（1）鑄造鋁合金的特點： 1）

5、鑄造鋁合金具有高的流動性，較小的收縮性，熱裂、縮孔和疏松傾向小等良好的鑄造性能； 2）通過熱處理能改善鑄件的力學性能； 3）具有良好的抗腐蝕性和切削加工性； 4）熔煉工藝和設(shè)備比較簡單，成本低。 5）鑄造鋁合金的組織比較粗大，強度、塑性和韌性一般比變形鋁合金低。,（2）鑄造鋁合金的熱處理：,1）淬火加熱溫度一般比較高； 2）保溫時間比較長，一般均在15h20h左右； 3）一般采用溫度較高（60100）的水作淬火冷卻介質(zhì)； 4）凡是需要時效處理的鑄件，一般都采用人工時效。,(3)鑄造鋁合金的牌號：,1)鑄造鋁合金代號用“鑄鋁”兩字的漢語拼音字首“ZL”及三位數(shù)字表示； 2)ZL后的第一位數(shù)字表示

6、合金系列，其中1為鋁硅系、2為鋁銅系、3為鋁鎂系、4為鋁鋅系。后兩位數(shù)字表示合金順序號，序號不同者，化學成分也不同。 例：ZL102、ZL203、ZL302、ZL401等 。,1）Al-Si合金,鋁硅二元相圖,特點： 共晶成分wSi=11.7（E點），共晶溫度為578。共晶組織由相及硅晶體組成。共晶硅呈粗針狀或片狀； 經(jīng)變質(zhì)后，AlSi相圖上的共晶溫度下降到564，共晶成分變?yōu)閣Si14，共晶合金變成由固溶體和細小的共晶組成的亞共晶組織，共晶中硅相呈細粒狀。,用途： 儀表殼體、渦輪泵殼體、汽缸活塞等 ； 發(fā)動機氣缸體、發(fā)動機機匣等。； 形狀復雜的內(nèi)燃機氣缸等 。,2）Al-Cu合金：,特點：

7、有較高的強度和耐熱性，其高溫強度隨銅含量的增加而提高，而合金的鑄縮率和形成裂紋的傾向則減小。 牌號： ZAlCu5Mn（ZL201）、ZAlCu10（ZL202）、ZAlCu4（ZL203）等 。,熱處理及性能： ZAlCu4（ZL203）：固溶處理為（5155）保溫10h15h，在熱水80100中冷卻。 1）采用自然時效，b210MPa，0.2106MPa，8； 2）若采用不完全人工時效，在150保溫2h4h，則強度較高，塑性稍低，其b240MPa，0.2144MPa，5。,3）Al-Mg合金：,特點： 具有優(yōu)良的抗蝕性，同時比重較小，強度和韌性較高，切削加工性和拋光電鍍性能也很好。 牌號：

8、 ZAlMg10（ZL301、ZL302）、ZAlMg5Si1（ZL303）等 ； 用途： 制造大氣或海水中工作的零件，承受沖擊載荷、外形不太復雜的零件，如艦船配件、氨用泵體等，要求抗蝕性能高的飛機零件。,4）Al-Zn合金：,特點： 具有較高的強度，是最便宜的一種鑄造合金。其主要缺點是抗蝕性差； 牌號： ZAlZn11Si7（ZL401），ZAlZn6Mg（ZL402）合金； 用途： 常用于制造結(jié)構(gòu)形狀復雜的汽車、飛機、儀器零件，也可制造日用品。,9.2銅合金,9.2.1工業(yè)純銅 1.純銅的結(jié)構(gòu)與性能： 具有面心立方點陣，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 ； 特點: 導電、導熱性好； 在大氣、淡水和冷水中均有

9、優(yōu)良的抗蝕性 ； 優(yōu)良的加工成形性和可焊性 ； b只有200240MPa，s為 6070MPa，硬度為35HB，塑性很好，可達50，可達70%。,2.工業(yè)純銅的牌號及用途:,純銅：T1、T2、T3、T4； 無氧銅：TU1、TU2； 脫氧銅：TUP、TUMn； 純銅主要用作導體和配制合金以及制造抗磁性干擾的儀器、儀表零件，如羅盤、航空儀表等零件。,9.2.2銅合金,常用合金元素： Zn、Sn、Al、Mg、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Si、As、Cr等。 作用： 固溶強化、時效強化、第二相強化。,1.黃銅： 黃銅是以鋅為主要加入元素的銅合金 。銅鋅二元合金稱為普通黃銅，在此基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種其

10、它合金元素稱為特殊黃銅。 普通黃銅代號表示為H（“黃”寫漢語拼音字首）+平均銅的質(zhì)量分數(shù)（100），如H68；特殊黃銅的代號為H+主加元素符號（除鋅外）+銅及各元素含量質(zhì)量分數(shù)，如HPb59-1表示W(wǎng)（Cu）=59%，W（Pb）=1%的59-1鉛黃銅。,(1)普通黃銅：,黃銅的相圖,黃銅的力學性能與鋅含量的關(guān)系,常用單相黃銅： H80、H70等，冷加工性能好。制作冷凝管、薄壁管、彈殼等。 常用雙相黃銅： H62、H59等，熱加工性能好。制作散熱器、墊圈、螺母等。,（2）特殊黃銅：,1）鋁黃銅：HAl59-3 鋁對力學性能和抗腐蝕性均起有利作用。 制作海船冷凝器管、化工機械零件等。 2）鉛黃銅：

11、HPb59-1 良好的切削性能及耐磨零件。 制作銷子、螺釘、鐘表元件。 3）錫黃銅 ： HSn90 -1、 HSn62 -1 改善切削加工性。 錫黃銅又稱“海軍黃銅”，用于艦船、汽車拖拉機 彈簧、套管等。 錳黃銅 、鐵黃銅 、鎳黃銅 、硅黃銅 等。,3.青銅：,青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習慣稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金為青銅，所以青銅實際上包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等等。 青銅的代號表示方法是：Q（“青”字的漢語拼音字首）主加元素符號及平均含量其他元素的平均含量。 例如，QSn4-3表示含W（Sn）4、W（Zn）3、其余為Cu的錫青銅。,1）錫青銅:,Cu-Sn二元相圖,含錫量對錫青

12、銅的力學性能的影響,含錫量對錫青銅的加工性能的影響 :,wSn5%的錫青銅適宜冷變形加工； wSn57%的錫青銅宜于熱加工； wSn1014之間的錫青銅只適宜鑄造生產(chǎn)。 錫青銅具有較好的減磨性、抗磁性和低溫韌性。在海水、蒸汽、淡水中的抗蝕性超過純銅和黃銅，但在酸和氨水中的抗蝕性較差。,2)鋁青銅,鋁對鋁青銅的力學性能的影響：,隨著含鋁量的增加，合金的強度、塑性均有升高，但當W（Al）78后，塑性急劇下降，當W（Al）11%時，由于硬脆2相大量出現(xiàn)，而使其強度也急劇下降。所以鋁青銅的含鋁量一般是W（Al）11%。 鋁青銅的強度、硬度、耐磨性、耐熱性、耐蝕性都高于黃銅和錫青銅，但其焊接性能較差。有

13、良好的耐蝕性，在大氣、海水、碳酸和有機酸中，耐蝕性優(yōu)于黃銅和錫青銅。,3)鈹青銅,熱處理：淬火+時效； G.P區(qū)2。 導電、導熱性能優(yōu)良，無磁性，受沖擊時不產(chǎn)生火花。,4)白銅,白銅分簡單白銅和特殊白銅兩類，工業(yè)上主要用于耐蝕結(jié)構(gòu)和電工儀表。 簡單白銅是Cu-Ni二元合金。 代號用B+Ni的平均質(zhì)量分數(shù)表示，如B5、B19等。 主要用途：制造蒸汽或海水環(huán)境工作的精密儀器、儀表零件、冷凝器、熱交換器等。 特殊白銅：簡單白銅+Zn、Mn、Al等合金元素。 代號用B+添加的合金元素+Ni的平均質(zhì)量分數(shù)+添加合金元素的質(zhì)量分數(shù)表示，如BMn40-1.5（電阻絲）、BZn15-20等。 主要用途：精密儀

14、器、精密機械零件；低溫熱電偶、熱電偶補償導線、變阻器等。,9.3鈦及鈦合金,鈦及鈦合金是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的新材料，具有很高的比強度和耐蝕性，是世界各國大力發(fā)展的輕金屬材料，近三十年來已經(jīng)發(fā)展成主要的飛機和發(fā)動機結(jié)構(gòu)材料。 鈦及鈦合金在造船、化工、冶金、醫(yī)療等方面也獲得了廣泛的應用。,9.3.1純鈦,1.高純度鈦： 鈦在固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，低于882.5為六方晶格，稱為-Ti ； 高于882.5為體心立方晶格，稱為-Ti； 鈦在淡水和海水中具有極高的抗蝕性； 鈦的密度為4.5103kg/m3，因而比強度高； 鈦在液氮溫度下仍有良好的力學性能，強度高而仍保持有良好的塑性及韌性。,2.工業(yè)

15、純鈦,1）工業(yè)純鈦的熱處理：只進行退火處理 再結(jié)晶退火工藝為593700加熱，保溫0.25h3h后空冷； 消除應力退火一般為450 650加熱，保溫0.25h3h空冷。 2）工業(yè)純鈦主要用途： 以棒材、管材、板材和擠壓型材供應，用于飛機、船舶、化土以及海水淡化方面，制造各種零部件以及制造在350以下工作的耐熱零件，如熱交換器等。,3）工業(yè)純鈦的牌號、成分及力學性能 ：,9.3.2鈦合金,1.鈦的合金化： 1）穩(wěn)定元素：鋁、氮、硼、碳等 ； 2）穩(wěn)定元素：鉻、錳、鐵、銅、鎳、鈷、鎢等； 3）中性元素：鋯、鉿和錫 等。,2.鈦合金的牌號： 1）型鈦合金 ：退火狀態(tài)的組織為單相的固溶體，含有相穩(wěn)定元

16、素及一些中性強化元素。TA1TA8等牌號 ； 2）型鈦合金 ：含有鋁、鋯、錫等元素。如TB1、TB2等牌號； 3）+型鈦合金 ：含有較多的相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素，具有相混合組織結(jié)構(gòu)。如TC1TC10等牌號 。,3.鈦合金的特性：,1）比強度高 ：b可達1200MPa； 2）熱強度高：鈦合金可以在500下長期工作，并向承受600的方向發(fā)展； 3）低溫性能好：在-253（液氫溫度）的超低溫下，保持良好的塑性和韌性，可用來制作火箭和導彈的液氫燃料箱。 4）抗蝕性高：抗氧化性能優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼。,5) 熱加工困難 ：熱加工和熱處理過程中容易出現(xiàn)裂紋，只能在真空或保護氣氛中進行熱加工。 6) 冷加

17、工性能差 ：冷壓成型困難，容易開裂。一般多采用熱壓加工成型。 7) 切削加工性差：鈦及鈦合金的導熱性差，摩擦系數(shù)大，在切削加工時容易升溫、粘刀。 8) 抗磨性差：一般不用來制作承受抗磨損的零件。,4.鈦合金固態(tài)相變與熱處理,熱處理是改善鈦合金的組織和性能的重要手段。在某些情況下所起的作用并不亞于合金化。 1）鈦合金的熱處理，少數(shù)鈦合金系與鋁合金相似，屬于時效強化型，如如Ti- Cu系，可以進行時效析出金屬間化合物（如Ti2Cu）強化； 2）大多數(shù)鈦合金與鋼的熱處理相似，通過熱處理控制相變，發(fā)生馬氏體相變。,5.型鈦合金,1）TA4、TA5、TA6主要用作鈦合金的焊絲材料。 2）TA7合金的熱塑

18、性和焊接性能較好，熱強性和熱穩(wěn)定性較好，可制造在500以下下長期工作的零件。 3）TA8合金的室溫力學性能和高溫力學性能都比TA7合金高，能在500長期工作，可用于制造發(fā)動機壓氣機盤和葉片等零件。,4）型鈦合金的牌號、主要成分和力學性能：,5. 型鈦合金 ：牌號、主要成分、力學性能,6.+型鈦合金 ：,7.鈦合金的應用前景和發(fā)展方向 ：,（1）提高鈦合金的耐熱性：目前有兩條途徑，一是根據(jù)合金化的方法研制新型鈦合金，使其使用溫度能夠突破600；另一是研究發(fā)展可耐更高溫度的Ti3Al和TiAl金屬間化合物。 （2）鈦合金生產(chǎn)成本高：為了降低成本，除了采用新技術(shù)降低海綿鈦的成本外，目前一些更經(jīng)濟的成

19、型工藝，如擴散連接、超塑性成型及等溫鍛造已陸續(xù)被采用，而且更多的零件采用了鑄造工藝代替鍛造工藝。,9.4鎂及鎂合金,9.4.1 純鎂 ： 熔點651，密度是1.74103kg/m3，具有密排六方晶格，是最輕的工程金屬。 鎂的電極電位很低，抗蝕性很差，在潮濕大氣、淡水、海水及絕大多數(shù)酸、鹽溶液中易受腐蝕。 由于鎂為密排六方晶格，滑移系少，使得塑性比鋁低很多（=10%左右），而且強度很低（鑄造鎂b=115MPa），因而不能直接用作結(jié)構(gòu)材料。 鎂占地殼重量的2.5%；在海水中僅次于氯和鈉，1m3海水中約有4kg鎂。,中國每年出口原鎂占世界市場的40%以上。,9.4.2鎂的合金化及其熱處理,1.鎂的生

20、產(chǎn)方法：氯化熔鹽電解法和熱還原法,1）氯化熔鹽電解法：二氯化鎂+電解制鎂 2）熱還原法（Pidgeon Method)： 以白云石、硅鐵和氟石制成粉末混合后制成球團，并在11501200的耐熱還原罐中還原，在500延伸端冷凝，得到冠狀結(jié)晶鎂。,粗鎂經(jīng)精練后可以達到99.85%以上純度。目前世界上有17個國家能生產(chǎn)鎂，總生產(chǎn)能力達到50萬t/年。,2.鎂的熔煉與成型,2）鎂的合金化： 鎂合金中的合金元素主要是鋁、鋅、稀土金屬、鋯、釷、錳及微量元素鎳等。 可以利用熱處理方法（淬火+時效）使鎂合金強化。,1）鎂的熔煉： 熔煉溫度一般高于650，鎂熔液表面的氧化膜是疏松的，不能保護里面的金屬被進一步氧

21、化。所以在處理熔融鎂及合金時必須使用適當?shù)娜蹌┗蚨栊詺怏w保護。,3）常用鎂合金溶質(zhì)元素的固溶強化,3.常用鎂合金 1）鎂鋁二元合金：,鋁在固態(tài)鎂合金中有較大的固溶度,在共晶溫度其極限溶解度為W(Al)=12.6%且隨溫度降低而顯著減小，在室溫時的溶解度為2.0%左右。,鎂鋁合金可以進行時效強化，平衡相Al12Mg17（）；在晶界形成Mg4A13（）相沉淀 。 變形鎂合金中鋁合量一般控制在W（Al）=3%5%比較適宜。,2）鎂鋅二元合金：,鋅在鎂中最大的溶解度為W（Zn）=6.2% ；其溶解度隨溫度降低而顯著減少，200時為W（Zn）=2.0。,鎂鋅合金能時效強化，在鎂鋅系中有金屬間化合物Mg2

22、Zn3和MgZn2等，可作為沉淀強化相。 鋅在鎂的強化效果不如鋁，所以鎂鋅二元合金在工業(yè)上應用很少，一般都與其他合金元素同時加入配制成多元鎂合金。,3）鋯鎂二元合金：,鋯和鎂組成包晶反應，在包晶溫度654，鋯在鎂中的極限溶解度W（Zr）=3.8，隨著溫度下降，鋯的溶解度急劇下降。,鎂中加入W（Zr）=0.5%0.8時，其細化晶粒的效果最好。 鋯還能提高鎂合金的熔點，改善高溫性能和耐蝕性。,4.鎂合金的性能特點,1）比強度高：使用鎂合金可減輕飛機、發(fā)動機、儀表及各種附件的重量。 2）減振性好：現(xiàn)代飛機的起落架輪轂很多采用鎂合金制造，就是發(fā)揮其減振性能好這一特性。 3）切削加工性好：可以進行高速切

23、削，表面光潔度高，也易于進行研磨和拋光。 4）抗蝕性差：使用時要采取防護措施，如氧化處理，涂漆保護等。,9.4.3.鎂合金的分類及牌號,1.分類： 變形鎂合金和鑄造鎂合金 ；,2.牌號： 變形鎂合金牌號以“MB+序號”表示。例如， MB1、MB2、MB15等； 鑄造鎂合金以“ZM”表示，后面標以序號，例如， ZM1、ZM5等。,3.變形鎂合金,（1）Mg-Al-Zn合金:,主要特點： 強度高，可以熱處理強化；屈服強度和耐熱性較低； 常用牌號： MB2、MB3 ； 用途： 制造形狀復雜的鍛件，以及用板材、棒材制造的其它零件，如導彈蒙皮、殼體、主翼等,（2）Mg-Zn-Zr合金：,特點： 較高的熱處理強化效果，具有最高的屈服強度和抗拉強度 。 牌號： MB15 常用熱處理： 固溶處理和人工時效 ；或熱變形（擠壓或鍛造）后直接進行人工時效； 用途：形狀復雜的大型構(gòu)件，如飛機上的機翼長桁、翼肋等，其使用溫度不超過150。,Mg-Zn-Zr合金的組織(TEM照片):,Mg-Zn-Zr合金的組織(SEM照片):,4.鑄造鎂合金,常用的鑄造鎂合金有 ZM1、ZM2、ZM5等；ZM1、ZM2為Mg-Zn-Zr系。具有良好的鑄造性，流動性好，熱裂傾向小。適用于鑄造形狀簡單、承受高強度和沖擊載荷的零件； ZM5屬Mg-Al-Zn系， 可進行熱處理強化；