工程材料学 有色金属.ppt

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1、1,非铁金属材料,铝及铝合金 铜及铜合金 钛及钛合金,（有色金属）,2,引言,黑色金属材料 钢铁材料。 有色金属 非铁金属材料是指钢铁材料以外的各种金属材料。 有色金属的许多特殊性能 比强度高 导电性或导热性好 耐腐蚀性及耐热性 有着钢铁材料无法替代的性能，在机电、仪表、特别是航海、航空、航天等工业中具有重要的作用。生产中常用的有铝、铜、钛、镁、锌等金属及其合金。,3,第一节 铝及铝合金,一、工业纯铝,1性能特点,比重小、比强度高 铝的密度(比重)为2.7g/cm3，仅为钢的三分之一，铝合金经处理后，单位质量材料能承受的载荷远大于高强度钢。 优良的物理、化学性能 铝的导电性和导热性仅次于Ag、

2、Cu、Au，但单位重量的导电能力却是铜的200。铝表面可生成致密的氧化膜，可以有效的抵抗大气腐蚀，但不耐酸、碱、盐液腐蚀。铝为非铁磁性材料。 良好的加工性能 强度不高(b80100MPa)，塑性很好(3540 80),熔点低(Tm=660)。冷变形、切削、铸造、焊接都比较容易。,4,一、工业纯铝,第一节 铝及铝合金,高纯铝 L01、L02、L03、L04 纯度为99.93%到99.996，编号越大纯度越高。主要用来制作铝箔、电容器、科研材料。,2纯铝的牌号和用途,工业纯铝 L1、L2、L3、L4、L5，纯度从99%98，编号越大纯度越低。主要用来制作电线、电缆、器皿等。纯铝的强度较低，一般不用

3、来制作机械构件。,按GB/T80631994对铸造纯铝规定为ZAl99.5，数字表示铝含量的百分数。 按GB/T164741996对变形纯铝规定为1A93，数字表示铝含量的百分数99.93中小数点后的数字。,5,二、铝合金的强化原理,第一节 铝及铝合金,基本特性 纯铝固态无同素异晶转变，无法象钢那样相变热处理，用冷加工强化，断裂强度 b可达150250MPa，但塑性的牺牲较大。在铝中加入Cu、Mg、Mn、Si等元素，可以采用热处理方法时效来强化。,时效强化的基本过程 以 4CuAl合金为例。 将合金加热到 550，Cu全部溶解到Al中，快速冷却(淬火)得到过饱和固溶体，这时合金的强度b可以达到

4、约250MPa。,6,二、铝合金的强化原理,第一节 铝及铝合金,过饱和固溶体室温放置45后，固溶体中有细小的AlCu化合物析出，获得高硬度，阻碍铝的塑性变形，b上升到约 400420MPa。时间延长，材料的强度和硬度提高的现象称为“时效硬化”。放置在室温下，材料自己发生时效的过程称为“自然时效”。在CuAl合金中，超过 5天之后，材料强度进一步变化就不很明显了。,过饱和固溶体进行加热，时效的温度提高，在130大约经过10小时,就能达到最高的硬度。这种人为加热来加快的时效过程称为“人工时效”。加热温度过高，化合物长大，数量减少，强化效果下降，所以这种铝合金不宜用于较高的温度。,7,二、铝合金的强

5、化原理,第一节 铝及铝合金,时效温度越高，达到最高硬度所用时间越短，能达到的最高硬度值也越低，常用人工时效工艺为130约10小时，在达到最高硬度的前沿。,8,三、常用铝合金,第一节 铝及铝合金,1. 铸造铝合金,牌号 ZLxxx表示，ZL为铸铝，后为三位数字，第一个数字表示合金类型，即主合金元素(1Si 2Cu 3Mg 4Zn等)，后两位的顺序号表示其它合金元素，对应不同的化学成分，但在这里没有钢那样明显。各自的成分和性能特点查相关手册。,主要用途 铸造铝合金用于制造形状复杂的零件， 例如仪表、内燃机活塞、飞机等壳体零件。主要利用质轻、比强度高的特点。,处理特点 铸造中采用钠盐变质处理来细化晶

6、粒。事后进行均匀化、时效强化等处理。,9,常用铸造铝合金成分应用列表,第一节 铝及铝合金,10,三、常用铝合金,第一节 铝及铝合金,2. 形变铝合金,由冶金厂进行处理并加工成各种型材，包括铝板、铝带、铝棒、线材、管材、角铝和各种异型材等，通常使用厂家不必在进行材质处理。由于在合金中加入的合金元素不同，性能特点也各不相同。常见的形变铝合金有：,防锈铝 牌号LFxx 主要在于进一步提高对大气的腐蚀，常用来制造航空油箱、油管、以及器皿、日用品、门窗装饰品等。,11,三、常用铝合金,第一节 铝及铝合金,2. 形变铝合金,硬铝 牌号LYxx，Al-Cu-Mg合金。主要进一步提高其强度和硬度，制造飞机的大

7、梁和蒙皮、机械构件等。,超硬铝 牌号LCxx，Al-Cu-Mg-Si合金。主要有高其强度和硬度，这时的b可达到680MPa，高于优质碳速结构钢，主要用来制造飞机上受力大的零件。,12,三、常用铝合金,第一节 铝及铝合金,2. 形变铝合金,锻铝 牌号LDxx，通常为Al-Cu-Mg-Si合金。强度b400500MPa，塑性较好，可以锻造成型，用来制造一些复杂的结构零件。,形变铝合金的具体成分和性能指标参数参看教材附表。,13,第二节 铜及铜合金,纯铜的比重8.9g/cm3，熔点1083，为面心立方晶格，无同素异晶转变。铜是人类用得最早的金属材料。,1铜及其合金的性能特点,优异的导电性和导热性；

8、对大气、水有良好的耐腐蚀性； 良好的加工性能，可以冷、热变形成型，可以铸造成型，便于切削加工； 强度不高(b=200250MPa)，硬度低(HB=4050)，塑性很好(4550)；但构成的一些合金有好的减摩性、耐磨性，有些有高的弹性极限和疲劳极限； 外表色泽美观。,14,一、工业纯铜,第二节 铜及铜合金,成分 铜为主体 + 为杂质，其中常见元素有Pb、Bi、O、S、P等，它们降低了材料的导电、导热性能,特别是高温或低温下明显降低了材料的塑性。,牌号 T1T4 铜含量为99.9599.5。纯铜有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。,T1 99.95% T2 99.90% T3 99

9、.70% T4 99.5%,用途 T1、T2用于电工导体材料，制作电线、电缆、电气开关、导电垫圈、螺杆等。T3、T4为一般用铜材，制作油管、油嘴等。,用于真空电气元件的纯铜，还需要经过还原气氛保护熔炼得到的无氧铜，以及用P或Mn进行脱氧铜。,15,二、黄铜（Cu-Zn合金),第二节 铜及铜合金,Zn对黄铜性能的影响, 明显改善其力学性能，随Zn含量增加，强度和塑性都提高。当Zn到3032时，达到最大值(10)；当Zn到45时，强度b达到最大值(约650MPa)，工业用黄铜中Zn的含量一般在45以下。 具有良好的铸造性能，特别是Zn含量10和38时，铸造的缩孔集中，铸件的致密都高。 具有良好的耐

10、腐蚀行，特别是在大气、海水中。,Zn在Cu中固溶度高，Cu-Zn合金称为黄铜.颜色淡黄色。,16,二、黄铜（铜锌合金),第二节 铜及铜合金,17,二、黄铜（铜锌合金),第二节 铜及铜合金,常用黄铜,1单相黄铜 组织为单一的相 牌号有H96、H90、H85、H80、H75、H70、H68。数字为Cu的含量，其余为Zn。用来制作散热器的管道、叶片，奖章和装饰品，深冲压类弹巧等。,2双相黄铜 组织为两相 是以电子化合物CuZn为基的固溶体，体心立方晶格，高温塑性好，低于456时为有序化转变成，塑性明显下降。 两相黄铜的牌号有H62、H59，其强度高于单相黄铜，但塑性低于单相黄铜，使用状态为生产厂的铸

11、件或冶金厂高温轧制的邦、板等型材。常用来制造铆钉、螺帽、垫圈等电气零件。,18,二、黄铜（铜锌合金),第二节 铜及铜合金,常用黄铜,3特殊黄铜 在CuZn黄铜的基础上加入Sn、Pb、Al、Si、Mn等元素，改变相应的性能。,牌号 HMxxx，元素符号为Zn以外的主元素，第一部分数字为含铜量，第二部分数字为Zn外的主元素量，余量为Zn。 例如： HPb64-2表示含铜量为64%，含铅2%，其余为锌的黄铜。,用途 品种繁多，如铅黄铜HPb64-2钟表或汽车用一般零件；铝黄铜HAl77-2制作齿轮、涡轮、衬套、螺旋桨的耐腐蚀零件等等。,19,三、白铜,第二节 铜及铜合金,白铜是CuNi系合金，以及C

12、u-Ni-Zn、Cu-Ni-Mn系合金,不仅有较好的强度和优良的塑性，可以进行冷、热变形加工，而且耐腐蚀性很好。 主要用来制造蒸气和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、化工机械零件及医疗器械等。 含锰量较高的白铜可用来制作热电偶丝及变阻器，另一典型用途就是镶牙和制作奖牌。,20,四、青铜,第二节 铜及铜合金,1锡青铜,除黄铜(CuZn)、白铜(CuNi)外其余的铜合金的总称。牌号 QMxxx，其中 Q表示青铜，元素符号为主元素，第一部分数字为主合金元素的含量，第二部分数字为其它合金元素的含量。对铸造青铜在前面加字母Z。,人类最早使用的金属材料，古代剑、镜、鼎都用锡青铜铸造成。为fcc，适合冷热

13、加工；为电子化合物Cu5Sn为基的固溶体(bcc)，塑性好；低温是形成相，再转为相；相是以电子化合物 Cu31Sn8为基的固溶体，系复杂立方晶格，硬而脆。,21,四、青铜,第二节 铜及铜合金,1锡青铜,锡青铜表面易形成Cu2O及CuCO3*Cu(OH)2构成的致密薄膜，对大气、海水、碱性溶液有由于黄铜的耐腐蚀能力，强度、硬度也比黄铜高，但易被氨水和酸性介质浸蚀。 含锡量较高的锡青铜在铸造时树枝结晶非常严重，流动性小，形成大量的分散缩孔，对型腔的填充性好，但铸件的致密度差，容器在高压下会渗漏。如QSn10-1(10%Sn-1%Pb)主要用来制作减磨零件，轴承、轴套、涡轮、丝杆螺母等。 含锡量较低

14、的青铜有好的塑性，可以进行压力加工，得到较高强度、硬度，例如QSn4-3(4%Sn-3%Zn-Cu)， b=550MPa、硬度到160HB，用来制作弹性元件，化工管道配件和耐蚀耐磨零件，以及一些抗磁零件。,22,四、青铜,第二节 铜及铜合金,2铝青铜,含铝10左右的合金具有强度高（400500MPa），结晶温度范围小，铸件致密，具有高的耐大气、海水、碳酸腐蚀能力，同时具有耐磨损、耐寒冷、冲击时无火花等特点。例如QAl94(9%Al-4%Fe-Cu)用来制作齿轮、涡轮、衬套、螺旋桨的耐腐蚀零件等。,3.铍青铜,QBe2(2%Be-0.4%Ni-Cu),含铍青铜热处理后，可以获得很高的力学性能,(

15、b12001400MPa，24，HB330400)，铍青铜不仅强度、硬度、弹性、耐磨性高，而且抗蚀性、导热性、导电性、耐寒性也非常好，并且无磁性、冲击无火花。铍青铜主要用于制作重要弹簧，弹性元件、钟表、仪器零件和防爆工具等等，可惜的是价格太贵而妨碍了在工业中的大量硬应用。,23,第三节 钛及钛合金,一、性能特点,密度小(4.5g/cm3)、熔点高(1668)，强度相当于优质钢，比强度高，是好的热强合金材料。 热膨胀系数小，加热时热应力小。 导热性差、摩擦系数大，切削加工困难。 对大气、高温气体、氧化性海水具有极高的耐腐蚀性，对硝酸、铬酸、碱液、有机酸也具有良好的耐蚀性，但不耐氢氟酸腐蚀。,24

16、,二、工业纯钛,第三节 钛及钛合金,高纯Ti的强度并不高，仅250290MPa，随着杂质含量的增加，钛的强度增加，而塑性下降。含有少量杂质的工业纯钛的抗拉强度达550700MPa，经过冷塑性变形可明显提高其强度。40的冷变形可以使工业纯钛的抗拉强度从588MPa提高到784MPa，再结晶退火温度一般为600700。工业纯钛可以用来制作飞机的蒙皮和隔热板等。,纯Ti在固态下具有同素异晶转变，在882.5以下时为-Ti，具有chp；在882.5以上至熔点为-Ti，具有bcc。合金元素的加入一方面对Ti可以达到固溶强化的效果，同时也是提高钛合金抗蠕变的能力；另一方面，不同元素对同素异晶转变温度的影响

17、趋势不同，缩小区的为稳定元素，降低转变温度的为稳定元素，当其数量增加时在室温下分别可以单一的相、单一的相、或两相共存。相的强度高于相，而相的塑性较高，但使用温度有一定的限制，高温下会发生从相向相的相变。,25,三、工业用钛合金,第三节 钛及钛合金,1钛合金,Al是稳定钛合金的主要元素，一般含量在46%左右。可以加入Sn、Cu、Zr来进一步提高固溶强化的效果。 工业用钛合金牌号为TA4TA8，数值高表示强度升高，强度可达1000MPa，使用温度相应可提高，塑性递减。 如: TA8的成分为Ti（4.55.5%）Al-（2.03.0%）Sn-（2.53.5%Cu）-（1.01.5%）Zr，比强度高，

18、制作大半径的飞机蒙皮；500以下长期工作的发动机压气机盘、叶片、外壳、排其管道、框架等；利用好的塑性特点用来制作超低温容器,26,三、工业用钛合金,第三节 钛及钛合金,2钛合金,含少量铝(2.53.55%Al)的钛合金中，加入较多的Cr、Mo、V来稳定相，在水冷或空气冷却条件下，相全部保留到室温。此外当加入量超过固溶量时，弥散析出相也有强化作用。 钛合金是一种高强度钛合金，b可达13721470MPa，这时还有710的延伸率 (优于60Si2Mn淬火460回火的性能)。 现用钛合金：TB1 (Ti-3Al-8Mo-11Cr)，b1000MPa，17%；TB2 (Ti-3Al-8Cr-5Mo-5

19、V)，b1400MPa，10%。多以板材和棒材供应，主要用来制作飞机列国零件、螺栓、铆钉等紧固件。但这种合金的密度大、弹性模量低、热稳定性差，工作温度一般不超过200。,27,三、工业用钛合金,第三节 钛及钛合金,3钛合金,同时加入了稳定元素和稳定元素，两个相都得到强化。良好的综合力学性能，即强度较高，塑性良好。焊接性能不及钛合金，两相混合的钛合金的生产工艺较为简单，可以用热处理来调整两相的比例来改变性能。 牌号 TC1TC10， b 6001050MPa，数字高，强度高，塑性相差不大，9%。,28,四、钛合金的热处理,第三节 钛及钛合金,热处理的概念 从高温到低温有bcc向hcp的相变，不同

20、的元素在和钛中的溶解度也不相同，与钢类似。 退火 缓慢冷却得到平衡的单或两相组织。 淬火 快速冷却 1)从向相变以切变方式形成马氏体； 2)可溶入相而在相中溶解度较小的合金元素可以形成过饱和固溶体； 3)淬火使相量少时的析出过程被抑制，增加相含量。 时效 淬火后长时间的加热保温 1)被抑制的相在相中弥散析出而强化相；2)相马氏体的过饱和元素形成相的析出。这两种弥散析出都提高材料的强度。 钛合金的合金化和热处理都有很多问题在研究中，钛合金无疑是一种优秀的金属材料，但目前因储存量和生产成本决定只应用在高、新结构中。,29,第四节 铸造轴承合金,一、轴与轴瓦的配合,轴是最基本和常用的重要构件，轴需要

21、轴承来支撑，并且轴和轴承之间存在着相对运动，有时是高速运动。 为了使轴受到的磨损最小，使用寿命延长，必须减小轴与轴瓦间的摩擦，必要时牺牲轴瓦来保全轴颈，这就需要有良好的减摩材料来制造轴瓦或内衬。,30,二、轴承合金的性能与组织,第四节 铸造轴承合金,制造周围与内衬的合金称为铸造轴承合金。其性能特点是：,有较小的摩擦系数，并能保持润滑剂以减轻轴的磨损； 有较高的抗压强度和疲劳强度，以承受工作中巨大的负荷； 有足够的塑性和韧性，抵抗冲击和振动； 有高的耐磨性，但又不能损伤轴颈； 有良好的耐蚀性和导热性，防止发生咬合及抗润滑剂的腐蚀。,轴承合金的组织通常是在软基体上分布着摩擦系数小的硬质点，软基体的磨损凹陷可存放润滑剂，并能调整硬质点分布达到理想接触；由微突出的硬质点支撑轴的压力，并保持较小的接触面积，达到最优效果。,31,三、常用铸造轴承合金,第四节 铸造轴承合金,铸造轴承合金按成分分有锡基、铅基、铝基、铜基合铁基，前两种用得最多，常称为“巴氏合金”，因材料较软以内衬形式焊合在轴瓦上。,锡基、铅基轴承合金组织形貌：,32,三、常用铸造轴承合金,第四节 铸造轴承合金,铸造轴承合金牌号、成分及用途(GB/T1174-1992):,