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1、工程材料第九章有色金属,第八章 非铁金属材料钢铁以外的金属材料称为非铁金属材料或有色金属。有色金属中密度低于3.5103kg/m3的称为轻有色金属； 密度大于3.5103kg/m3的称为重有色金属。常用的有：铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金 和轴承合金等,工程材料第九章有色金属,一、纯铝 纯铝是银白色金属，熔点660，面心立方晶格，无同素异晶转变。是自然界出量最丰富的金属元素。 1、铝及其合金具有以下优良的性能1）质量轻密度为2.7kg/m3 ，仅为铁的1/3，是一种轻型金 属，飞机的主框架要选用铝合金。2）导电、导热性好，仅次于铜、银3）具有较好的抗大气腐蚀能力（能形成Al2O3氧化膜）4
2、）具有较好的加工工艺性能。它的塑性好，可以冷、热变 形加工，还可以通过热处理强化，提高铝的强度。,第一节 铝及其合金,工程材料第九章有色金属,2、纯铝的牌号、用途纯铝的牌号：旧牌号：L1、 L2、 L3 （数字越大纯度越低）新牌号：用l表示。最后两位数字表示铝的最低百分含量，第二位字母表示原始纯铝的改型情况，如lA35。1070、1060、1050 （60表示铝的最低质量分数中小数点后面的两位Al=99.6%）纯铝主要用于制作电线、电缆、散热和换热器件，以及强度要求不高的耐蚀容器、用具等。,工程材料第九章有色金属,二、铝合金的分类铝中加入合金元素（如Si、Cu、Mg、Zn等），配制成各种成分的
3、铝合金。,变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭，再经压力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带材、棒材、管材、线材以及其它各种型材，要求具有较高的塑性和良好的工艺成型性能。铸造铝合金，则是将熔融的合金液直接浇入铸型中获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能，如流动性好、收缩小、抗热裂性高。,工程材料第九章有色金属,铝合金相图大都具有二元共晶相图的特点。相图上可以直接划分变形铝合金和铸造铝合金的成分范围。D是理论分界线。低于D 点的合金，加热时均能形成单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，划归为变形铝合金。成分位于D点右侧的合金熔点低，结晶时发生共晶反应，固态下具有共晶组织，塑性较差，但流动性
4、好，适于铸造，划归为铸造铝合金。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类，凡成分在F点左侧的合金，不能进行热处理强化，即不可热处理强化的铝合金。成分在F、D点之间的铝合金，即属于可热处理强化的铝合金。,工程材料第九章有色金属,工程材料第九章有色金属,三、铝合金的强化途径 铝合金种类不同，其强化原理、途径则不同。,2、可热处理强化变形铝合金这类变形铝合金不但可变形强化，还能够通过热处理进一步强化，工艺是先固溶强化，然后时效处理 合金元素加入纯铝之后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。但是组元之间常常具有相似的物理化学性能和原子尺寸，晶格畸变程度低，
5、固溶强化效果不高。因此，铝的强化不能单纯依靠合金元素的固溶强化作用。,1、不可热处理的变形铝合金在固态范围内加热、冷却无相变，因而不能热处理强化，其常用的强化方法是冷变形，如冷轧、压延等工艺。,工程材料第九章有色金属,时效强化 时效强化又称沉淀强化。是指类似F、D之间成分的铝合金经固溶处理（铝合金加热到单相区保温后，快速冷却得到过饱和固溶体的热处理操作称为固溶处理，也称淬火）后在室温或较高的环境温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象。1）室温放置过程中发生的时效称为自然时效；2）合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。铝合金的时效强化与钢的淬火、回火根本不同。铝合金固
6、溶处理后虽然得到的也是过饱和固溶体，但强度、硬度并未得到提高，在随后的过饱和固溶体发生分解的过程中出现时效现象。,工程材料第九章有色金属,铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有关。以Al4%Cu合金为例。该合金在室温时的平衡组织为+CuAl2（CuAl2即为平衡相），加热到固相线以上，第二相CuAl2完全溶入固溶体中，淬火后获得在铝中的过饱和固溶体。又自发分解的倾向，当给予一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四格阶段：,Al4%Cu合金时效的基本过程可以概括为：合金淬火过饱和固溶体形成铜原子富集区（GP区）铜原子富集区有序化（GP区）形成过渡相析出平衡相（CuAl2）+平衡的固溶
7、体。,时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低，时效后的强化效果越明显。,工程材料第九章有色金属,1）时效初期 铜原子偏聚于固溶体的100晶面上，形成铜原子富集区，称为GP区。,2）随着时间的延长或温度的提高，在GP1区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP。GP区可视为中间过渡相，常用表示，使合金得到进一步强化。,3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP1区继续偏聚，形成过渡相，晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。,4）时效后期，过渡相完全从母相中脱溶，形成平衡相，使合金的强度、硬度进一步降低，即所谓“过时效”。,工程材料第九章有色金属,3、铸造铝合金
8、采用变质处理变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。铸造铝合金组织中有一定比例的共晶体，熔点低，流动性好，可制造形状复杂的零件；但共晶体比较粗大且韧性差，采用变质处理就能使共晶体细化，并在一定程度上使铸造铝合金强化、韧化。,工程材料第九章有色金属,四、变形铝合金牌号、性能、用途依据其主要性能特点分为 防锈铝合金（简称防锈铝） 硬铝合金（简称硬铝） 超硬铝合金（简称超硬铝） 锻铝合金（简称锻铝）防锈铝合金为不可热处理强化的铝合金，其余三种为可热处理强化的铝合金。变形铝合金的代号采用汉语拼音字母
9、加顺序号表示。LF（防锈铝）；LY（硬铝）；LC（超硬铝）；LD（锻铝）。,工程材料第九章有色金属,1、防锈铝合金（LF +数字） 主要是AlMn系及AlMg系合金。有良好的塑性和焊接性能，还具有很高的抗蚀性，故称防锈铝。防锈铝的强度不高，可通过塑性变形加工硬化强化，但不能热处理强化。主要用作容器管道、铆钉及承受中等载荷的零件与制品。2、硬铝合金（LY +数字） AlCuMg系，铜和镁的加入，在合金中形成强化相，通过淬火、时效处理后，可达到相当高的强度，切削加工性也较好，但耐腐蚀性较差，主要用于飞机蒙皮、螺旋桨叶片、焊接结构和高载荷铆钉等重要工件。,工程材料第九章有色金属,3、超硬铝合金（LC
10、+数字） AlZnMgCu系，超硬铝的强度硬度均高于其他铝合金，主要用于重量轻而承载大的结构件，如飞机大梁、起落架等。,飞机主起落架,工程材料第九章有色金属,4、锻铝合金（LD +数字） AlMgSiCu系，每种元素的含量较少，有良好的热塑性，适合加工外形复杂的锻件，故称为锻铝。主要用于各种形状复杂的重载锻件和模锻件，如航空发动机活塞、离心压缩机，直升飞机桨叶等。新牌号：用28系列表示。 第一位数字：铝合金的组别； 第二位字母：原始合金的改型情况，A为原始合金，BY为原始合金的改型合金。最后两位数字：区分同一组中不同的铝合金。例：5A02。,压气机叶片,工程材料第九章有色金属,五、铸造铝合金铸
11、造铝合金加入的合金元素主要有Si、Mg、Mn、Ni、Cr、Zn、RE等。,牌号：旧：用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是主加合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。新：“ZL+数字+两位数字”第一位数表示合金类别，（1为铝硅合金、2为铝铜合金、3为铝镁合金、4为铝锌合金）后两位数字表示合金顺序号。顺序号不同，化学成分也不一样。,铸造铝合金,Al-Si系铸造铝合金(硅铝明)（应用广泛）,Al-Cu系铸造铝合金,Al-Mg系铸造铝合金,Al-Zn系铸造铝合金,工程材料第九章有色金属,1、AlSi系铸造铝合金，又称硅铝明是工业上使用最广泛的铸造铝合金，具有很好的流动性，补缩能力强，热裂倾向小。
12、用来制造形状复杂的零件。在铝硅合金的共晶组织中，硅呈粗大片状，所以合金的抗拉强度很低，伸长率也不高。为了改善铝硅合金的力学性能，可对合金进行变质处理。使硅晶体成为极细小的粒状，均匀分布在铝集体上，从而提高了合金的力学性能。,工程材料第九章有色金属,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55,( ZL101ZL111 ),工程材料第九章有色金属,2、AlCu系铸造铝合金( ZL201ZL203 )是以AlCu为基的二元或多元合金。 铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。大部分已为其它铝合金所代替，ZL201室温强度、塑性比较好，可制作300以下工作的零件。Z
13、L202 塑性较低，制作不受冲击的零件。,铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210,汽缸头,工程材料第九章有色金属,3、 AlMg系铸造铝合金( ZL301、ZL302 )是密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，且抗冲击和切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐热性能较差。该系铸造铝合金常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头。,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),工程材料第九章有色金属,4、AlZn合金( ZL401、ZL402 )是最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。Z
14、L401主要用于工作温度不超过200、形状复杂、受力不大的零件。,大型空压机活塞(ZL401),工程材料第九章有色金属,第二节 铜及铜合金,一、工业纯铜,纯铜呈紫红色，熔点1083，密度为8.96 g/cm3，面心立方晶格、无同素异晶转变，良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。 工业纯铜的代号用“T”加顺序号表示，共有T1、T2、T3、T4四个牌号。序号越大，纯度越低。 纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。,工程材料第九章有色金属,纯铜组织金相图,工程材料第九章有色金属,铜合金的分类,黄铜 : Cu Zn,白铜 : Cu Ni主要用来制作精密机械和仪表中的耐蚀零件、热
15、电偶等，价格高。,青铜 : 除黄铜和白铜外的所有 铜合金。,二、铜合金,工程材料第九章有色金属,普通黄铜 ( common brass )特殊黄铜 ( special brass ),1、黄铜,工程材料第九章有色金属,普通黄铜的金相组织,工程材料第九章有色金属,黄铜的牌号,( Z ) H 90,压力加工黄铜的牌号用“H+数字”表示。如H68。铸造普通黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同。如ZCuZn38,工程材料第九章有色金属,常用的黄铜,金奖黄铜 - H90,弹壳黄铜 - H70 ( H68 ),日用黄铜 - H62 ( H59 ),冷凝器管,工程材料第九章有色金属,1.定义:在黄铜中加入Al
16、、Fe、Si、Cr、 Ni、Sn、Mn 等元素所形成的合金。,2.牌号:,H Al 59 - 3,2、特殊黄铜,工程材料第九章有色金属,常用的特殊黄铜,海军黄铜 - HSn62 - 1,易切削黄铜 - HPb59 - 1,工程材料第九章有色金属,H62 1 海军黄铜金相组织图,62Cu 37Zn Sn 海军黄铜铸造组织 ( 化染 ) 600,工程材料第九章有色金属,硅黄铜铸造组织金相图,硅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 50,工程材料第九章有色金属,铅黄铜退火组织金相图,铅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 70,工程材料第九章有色金属,锰黄铜铸造组织金相图,锰黄铜铸造组织 ( 化染 ) 25,工程材料第
17、九章有色金属,青铜牌号的表示方法,Z Q Sn10 1,3、青铜,工程材料第九章有色金属,（1）锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金。常用锡青铜一般Wsn314，其中压力加工锡青铜Wsn7%。 锡青铜的耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹簧等弹性元件。 锡青铜的铸造收缩率小，用于铸造形状复杂、致密性要求不高，耐磨、耐蚀的零件。,工程材料第九章有色金属,锡青铜铸造组织金相图,锡青铜铸造组织 ( 真空镀膜 ) 53,（2）无锡青铜 是含铝、铍、硅、铅、锰等合金元素的铜基合金。主要有：铝青铜、铍青铜等。,工程材料第九章有色金属,轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。1
18、、滑动轴承工作状况：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。,第三节 滑动轴承合金,一、滑动轴承的工作条件及对轴承合金的性能要求,工程材料第九章有色金属,2、轴承支承轴进行工作，会与轴颈产生摩擦。为减少轴承对轴颈的磨损，对轴承合金有如下要求：1）足够的强度和硬度；2）足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，承受周期性载荷，抵抗冲击和振动；3）良好的磨合能力；4）高的耐磨性；5）良好的耐蚀性、导热性，轴承合金的组织最好在软基体上分布着硬质点。软基体（或软质点）被磨损而凹陷，硬的质点（或硬基体）耐磨相对凸起。凹陷部分可保持润滑油，凸起部分可支持轴的压力，并使轴与轴瓦的
19、接触面积减小，保证了近乎理想的摩擦条件和极低的摩擦因数。,工程材料第九章有色金属,3、轴承合金的组织特点: 软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点。,当轴运转时，轴瓦的软基体易磨损而凹陷，能容纳润滑油，硬质点则相对凸起支撑着轴颈，这就减小了轴颈和轴瓦之间的接触面积，降低了摩擦系数。此外软基体可承受冲击和振动，并使轴颈和轴瓦之间能很好的磨合，并且偶然进入的外来硬质点能嵌入基体中，不致擦伤轴颈。,工程材料第九章有色金属,二、常用轴承合金简介,锡基轴承合金（锡基巴氏合金）,铅基轴承合金（铅基巴氏合金）,铜基轴承合金,铝基轴承合金,轴承合金可分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基。使用最多的是锡基与铅基轴承
20、合金，又称巴氏合金。牌号编号方法为：Z+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素含量。“Z”是“铸造”。,工程材料第九章有色金属,锡锑轴承合金 ( 锡基巴氏合金 ),Z Ch Sn Sb11 6,工程材料第九章有色金属,锡基轴承合金组织金相图,锡基轴承合金组织 ( SnSb+Cu Sb+基体,溅射 ) 52,工程材料第九章有色金属,铅基轴承合金组织金相图,铅基轴承合金组织 ( Sn ,Cu3Sb ,Pb-Sb 共晶体 ) 52,工程材料第九章有色金属,在高速重载荷情况下,用硬基体上分布软质点组织的材料。,工程材料第九章有色金属,铝基轴承合金 : ZChAlSb4 1,铜基轴承合金 :
21、 ZCuPb30 ZCuSn10P1,工程材料第九章有色金属,巴氏合金轴瓦,内燃机轴瓦,工程材料第九章有色金属,第四节 硬质合金和粉末冶金,一、粉末冶金的特点与工艺,1、粉末冶金的特点,粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，有以下特 点1）能生产具有特殊性能的材料和制品。2）无切屑或少切屑的精密加工。但金属粉末成本高、模具费用高、制品大小和形状受到一定限制、制品的韧性和强度较差。,2、粉末冶金工艺简介,工程材料第九章有色金属,二、粉末冶金材料简介,含油轴承材料,摩擦材料,铁基结构材料,以碳钢或合金钢粉末为主要成分，用粉末冶金法制作结构零件用的材料。 具有精度较高、表面质量好，省工时、省材料、生产率高，
22、制品多孔可浸润滑油，减摩、减振、消声。 广泛用于制作各类零件。,工程材料第九章有色金属,三、硬质合金的性能特点,1）硬度高、耐磨性好、热硬性好 常温下的硬度可达到8693HRA，在9001000的温度下，仍可保持60HRC的高硬度。可切削50HRC左右的硬质材料。2）抗压强度和弹性模量高 常温下的抗压强度可达6000MPa，900时可达到1000MPa。弹性模量高，是高速工具钢的23倍。,工程材料第九章有色金属,四、常用的硬质合金,1、常用硬质合金的分类与牌号,（1）钨钴类硬质合金主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。牌号用“YG+数字”表示，例：YG15。（2）钨钛钴类硬质合金主要成分
23、是碳化钨、碳化钛（TiC）和粘结剂钴。牌号用“YT+数字”表示，例：YT15表示。（3）通用硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）和粘结剂钴。牌号用“YW+数字”表示，例：YW1。,工程材料第九章有色金属,2、常用硬质合金的化学成分、性能与应用,（1）钨钴类硬质合金 碳化钨的含量越高，粘结剂钴的含量越低，则合金的硬度、耐磨性、红硬性越高，抗弯强度和韧性越低。适宜于加工脆性材料（如铸铁等）。（2）钨钛钴类硬质合金 由于碳化钛的加入，提高了硬度、耐磨性和热硬性，但抗弯强度和韧性有所下降。同时，在合金表面形成一层氧化钛薄膜，切削时不易粘刀。适于加工韧性材料（如钢等）。（3）通用硬质合金 因含碳化钽（或碳化铌），有利于提高抗弯强度、硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力。可用来加工铸铁和各种钢材。,