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1、第三章 金属材料,3.1 碳钢 3.2 合金钢 3.3 铸钢与铸铁 3.4 有色金属及其合金,黑色金属,3.4 有色金属及其合金,3.4.1 铝及铝合金 3.4.2 铜及铜合金 3.4.3 钛及钛合金 3.4.4 轴承合金,3金属材料-有色金属及其合金,3,特性： (1)密度小(2.7g/cm3) 、比强度高 (2)有优良的物理、化学性能 导电性好，抗大气腐蚀能力好(Al2O3)，磁化率极低,良好的低温性能(纯铝-235塑性和冲击韧度也不降低) (3)加工性能良好 铝(FCC,= 3050 %,=80%)及铝合金(退火状态)的塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。 超高强铝合金成型后经热处理，
2、可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。,3.4.1 铝及铝合金,3金属材料-有色金属及其合金,4,一、纯铝,分类: 高纯铝：L05L01，数字越小，纯度越低 工业高纯铝：L0，L00，“0”个数增加，纯度降低(LG5LG1) 工业纯铝：L1L7，数字越大，纯度越低 用途： 高纯铝主要用于科学研究及制作电容器; 工业高纯铝的主要用途是配制铝合金; 工业纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。,3金属材料-有色金属及其合金,5,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),二、铝合金
3、,3金属材料-有色金属及其合金,6,1、铝合金的分类及强化机制,变形铝合金：D点以左，加热时能形成单相固溶体组织，塑性好，适于变形加工 Al-F不可热处理强化 F-D可热处理强化 铸造铝合金：D点以右，由于冷却时有共晶反应发生,流动性较好,适于铸造生产,1)铝合金的分类,3金属材料-有色金属及其合金,7,将成分位于相图中DF之间的合金加热到固溶线以上，保温获得单相后迅速水冷，得到过饱和的 固溶体,（2）时效强化（第二相强化） 在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。,2）铝合金的强化机制,（1）固溶处理,时效的条件：合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中
4、溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,3金属材料-有色金属及其合金,8,时效规律 时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小; 时效温度越高, 时效速度越快, 强度峰值出现所需时间越短; 低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性, 抑制时效的进行。,3金属材料-有色金属及其合金,9,回归,一切能时效硬化的合金都有回归现象。 自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。 时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。,自然时效后的铝合金, 在230 250 短时间(几秒至几分钟)加热后, 快速水冷至室温时, 可以重新变
5、软。如再在室温下放置, 则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。,3金属材料-有色金属及其合金,10,2、变形铝合金,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号,3金属材料-有色金属及其合金,11,（1）防锈铝合金,Al-Mn系 和Al-Mg系合金 Mg：固溶强化，降低密度，抗腐蚀 Mn：固溶强化，抗腐蚀 高的塑性，低中等强度，优良的抗腐蚀及焊接性能 不能进行热处理强化，退火/冷作硬化态使用。 LF21（ 3A21 ）(Al-Mn合金)用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯
6、曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。 LF5（ 5A05 ）(Al-Mg合金)用于焊接容器、管道，以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。,3金属材料-有色金属及其合金,12,（2）硬铝合金（Al-Cu-Mg系）,可时效强化，亦可形变强化 Cu、Mg强化相，Mn耐蚀性 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。 低合金硬铝 2A01(LY1) ： Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。时效强化。常称铆钉硬铝。 标准硬铝 2A11(LY11)：合金元素中等，强度和塑性中等。退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件。
7、 高合金硬铝 2A12(LY12)：合金元素较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。,3金属材料-有色金属及其合金,13,（3）超硬铝合金（Al-Mg-Zn-Cu系）,牌号有7A04(LC4)、7A09(LC9)等。 固溶处理和人工时效 强度最高的铝合金。抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。 超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。,飞机用座椅轨道及航空零件,飞机前起落架,3金属材料-有色金属及其合金,14,(4) 锻铝合金（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系）,牌号2A50(LD5)、2A70
8、(LD7)、2A14(LD10) 合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。 固溶处理和人工时效。 这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件,3金属材料-有色金属及其合金,15,变形铝合金的主要牌号、成分、机械性能及用途,3金属材料-有色金属及其合金,16,3、铸造铝合金,2) 性能特点 良好的铸造性能 力学性能不如变形铝合金 成本较低 3) 应用：适合于形状复杂的零构件、箱体、壳体、活塞等,1）分类及牌号,铝合金发动机缸体和缸盖,3金属材料-有色金属及其合金,17, 铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小）,变质处理 显著提高力学性能。 组织 变质前，共晶
9、体（粗针状Si + 基体 ）+ 初晶Si 变质后，共晶体（细点状Si + 基体 ）+ 初晶,ZL102的铸态组织，未变质，500,变质处理后，100,Al-Si 铸造铝合金（硅铝明 ）,3金属材料-有色金属及其合金,18,3.4.2 铜及铜合金,铜及铜合金有下列特性： (1)优异的物理、化学性能 导电性、导热性极佳；对大气和水的抗蚀能力很高；铜是抗磁性物质。 (2)良好的加工性能 塑性加工性能优良，容易冷、热成型；切削加工性能优良，铸造铜合金有很好的铸造性能；焊接性好。 (3)某些特殊机械性 例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)，抗卡咬，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)，弹性稳定。
10、 (4)色泽美观,3金属材料-有色金属及其合金,19,一、纯铜（紫铜）,FCC，无同素异构体， 牌号T1T4，编号越大，纯度越低。 纯铜主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低, 不宜作结构材料。,纯铜管,3金属材料-有色金属及其合金,20,（）黄铜 Cu-Zn系合金,普通黄铜： 单相黄铜 如 H80，含 80% Cu ，单相，塑性好，可冷成型 双相黄铜 如 H62，+ ，可热变形,二、铜合金,铜+合金元素铜合金 黄铜、青铜和白铜,3金属材料-有色金属及其合金,21,(a) 单相黄铜 ,Cu-Zn合金的显微组织,(b) 双相黄铜+,组织,工业黄铜的实际锌含量多47，其退火组织可以是单相 或双
11、相 + 。,3金属材料-有色金属及其合金,22,牌号、性能、用途, 单相黄铜H80、H70、H68 塑性很好，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。 双相黄铜H62、H59 可进行热变形，常热轧成棒材、板材。可铸造。,3金属材料-有色金属及其合金,23,复杂黄铜 改善Cu-Zn合金的耐蚀性、机械性能。,钟表,海船,海船,船舶及化工机械,编号：H+主加元素符号+铜质量分数+主加元素质量分数,3金属材料-有色金属及其合金,24,黄铜制品,3金属材料-有色金属及其合金,25,压力加工青铜 Sn青铜 如 QSn4-3，含4%Sn 、3%Zn，其余为 Cu 。做轴承、弹簧等。 Al青铜
12、如 QAl 10-3-1.5，做耐蚀、抗磨的齿轮、轴套等 Be青铜 如 QBe2，做重要弹簧，高速轴承等。 铸造青铜 如Sn青铜 ，ZCuSn10Zn2 。,（2）青铜 Cu-Sn系合金,船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖),3金属材料-有色金属及其合金,26,（3）白铜 Cu-Ni 系合金,以镍为主要合金元素，B（白）+镍质量分数，例B19 铜、镍无限固溶，单相， 可冷、热变形，较好的强度和优良的塑性。它的抗蚀性很好，电阻率较高。 用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。,3金属材料-有色金属及其合金,27,3.4.3钛及钛合金,钛及钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、耐高温、
13、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。 但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵。,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,3金属材料-有色金属及其合金,28,纯钛,性能： 银白色，熔点1680，密度4.54 g/cm3，比铝大但比钢轻43%。钛有很好的强度，约为铝的6倍，所以钛的比强度（强度/相对密度）在结构材料中是很高的。 钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。 晶体结构 同素异构转变 882.5时， 密排六方-Ti -Ti（体心立方） 牌号及用途 工业纯钛 TA1TA3，编号越大杂质越多 纯钛可制作在350以下工作的、强度要求不高的零件。,3金属材料-
14、有色金属及其合金,29,合金元素溶入-Ti 中，形成固溶体， 溶人 -Ti 中形成 固溶体。,二、钛合金,铝、碳、氮、氧、硼等为稳定化元素。,铁、钼、镁、铬、锰、钒为 稳定化元素。,分类： a 钛合金、 钛合金和(a + )钛合金。 牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。,3金属材料-有色金属及其合金,30,钛中加入铝、硼等稳定化元素获得钛合金。 钛合金的室温强度低于 和(a + )钛合金，但高温(500一600 )强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。 钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火(消除应力退火或再结晶退火)。 典型牌号：TA7，成
15、分：Ti-5Al-2.5Sn 用途：使用温度500 ；主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。,（1） 钛合金,钛泵,3金属材料-有色金属及其合金,31,钛中加入钼、铬、钒等 稳定化元素得到 钛合金。 钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。 在时效状态下，合金的组织为相和弥散分布的细小相粒子。 典型牌号：TBl，成分：Ti-3Al-13V-11Cr 用途：一般在 350以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。,(2) 钛合金,3金属材料-有色金属及其合金,32,钛中加入a 和 稳定化元素所得到的(a + )钛合金， 塑性很好，容
16、易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50%100%,(3) (a + )钛合金,典型牌号：TC4，成分：Ti-6Al-4V 强度高，塑性好，在400时组织稳定，蠕变强度较高，低温韧性好，抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀 用途：在400 以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。,块状()基体针状,3金属材料-有色金属及其合金,33,(1)退火 消除应力退火，450650，14h 再结晶退火 ，650850，13h 消除加工硬化。 (2)淬火和时效：适用 钛合金和(a + )钛合金 目的：提高钛合金的强度和硬度。
17、 淬火温度：a + 两相区的上部范围，淬火后部分a保留下来，细小的相转为成介稳定相或a相或两种均有，经时效后获得好的综合机械性能。若加热到区， 晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。 钛合金的时效温度一般在450一550 之间。,三、钛及钛合金的热处理,3金属材料-有色金属及其合金,34,3.4.4 轴承合金,滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料 工作条件： 轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷 性能 ： 强硬度、塑韧性和疲劳强度好，与轴的磨合能力、减摩性好、导热、较小的膨胀系数、抗蚀性好,轴瓦,3金属材料-有色金属及其合金,35,ZChSnSb11-6的组织，1
18、00,组织特点,既软又硬: 在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。,软基体硬质点 硬基体软质点,3金属材料-有色金属及其合金,36,代号：ZCh基本元素符号（Sn或Pb）主加元素符号主加元素含量+辅加元素含量。 Z铸造，Ch轴承 ZChSnSb11-6表示含w(Sb)=11%、w(Cu)=6%、余量为锡Sn的锡基轴承合金， ZChPbSb16-16-2表示含w(Sb)=16%、w(Sn)=16%、w(Cu)=2%、余量为铅Pb的铅基轴承合金。,工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金,3金属材料-有色金属及其合金,37,(1)Sn基轴承合金(锡基巴氏合金),软基体硬质点 ZC
19、hSnSb11-6（含11%Sb，6%Cu，余Sn）。 软基体 + 硬质点（白方块是-SnSb 白针状Cu6Sn5 ）,摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，制造重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低(不高于150 )。,3金属材料-有色金属及其合金,38,也是一种软基体硬质点类型 ZChPbSb16-16-2 ()共晶软基体 + 硬质点（方块状SnSb+针状Cu6Sn5）,(2)Pb基轴承合金(铅基巴氏合金),合金的铸造性能和耐磨性较好(但比锡基轴承合金低)，价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,3金属材料-有色金属及其合金,39,