第八章有色金屬材料

1、1機械工程材料機械工程材料主講教師：吳宜勇電話：864124622主要內(nèi)容緒論第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章 結(jié)晶與顯微組織第三章 工程材料的力學(xué)性能第四章 工程材料的物理、化學(xué)性能第五章 工程材料的強化理論第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強化第七章 鋼鐵材料第八章 有色金屬及其合金3第八章 有色金屬及其合金 有色金屬定義：除鐵、鉻、錳及其合金以外的所有金屬材料成有色金屬 有色金屬分類：輕金屬：鋁、鎂、鈦、鈹-低密度、高比強度貴金屬：金、銀、銅-導(dǎo)電導(dǎo)熱耐腐蝕其他金屬高熔點合金高熔點合金Ni, W, Ta, MoNi, W, Ta, Mo稀土金屬、原子能材料等稀土金屬、原子能材料等 有色金屬應(yīng)用：

2、航空航天、電子、真空、原子能等高科技領(lǐng)域或特殊環(huán)境和要求下應(yīng)用48.1.1 工業(yè)純鋁8.1 鋁及鋁合金 純鋁的結(jié)構(gòu)特點：FCC結(jié)構(gòu)；無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純鋁的性能特點：資源豐富，地殼總量8.2%物理性能銀白光澤密度2.72g.cm-3, 熔點660C導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，僅次于Cu, Ag化學(xué)性能：優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性力學(xué)性能強度較低，室溫50MPa；極好的塑性和韌性, 無冷脆 純鋁應(yīng)用：合金組元，化工原料，包覆材料，電力電子，電磁屏蔽，科學(xué)實驗58.1.2 鋁合金及其分類8.1 鋁及鋁合金1.鋁的合金化及其特點 鋁合金結(jié)構(gòu)材料合金化主要目的 改善材料的工藝和使用性能 最高強度可達(dá)400 700 MPa，耐熱

3、性達(dá)300C 合金化元素（見相圖） 主要元素：Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Li 其它元素：Ni, B, Zr, Cr, Ti, RE 力學(xué)性能 主要合金化元素：固溶強化作用，同時通過時效強化效應(yīng)起到第二相強化效果 其它合金化元素第二相強化效應(yīng)6鋁合金相圖及合金分類：變形鋁合金及鑄造鋁合金8.1.2 鋁合金及其分類8.1 鋁及鋁合金72. 鋁合金的強化方式 強化方式主要有五種： 固溶強化 時效（沉淀）強化 過剩（第二相）強化 形變強化 細(xì)化組織強化問題：試說明如何實現(xiàn)上述五種強化過程8.1.2 鋁合金及其分類8.1 鋁及鋁合金8熱處理目的：提高綜合性能，穩(wěn)定合金組織熱處理方法：退火、

4、淬火（固溶處理）、時效退火低溫退火（去應(yīng)力退火）再結(jié)晶退火均勻化退火淬火（固溶處理）時效人工時效、自然失效單級時效、多級時效問題：說明各種熱處理方法的溫度、對組織結(jié)構(gòu)的影響和相應(yīng)工藝過程的作用8.1.3 鋁合金的熱處理8.1 鋁及鋁合金9鋁合金的時效處理與強化 鋁無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能利用馬氏體相變強化 時效：冷卻方式的影響很重要緩慢冷卻：第二相主要沿基體相的晶界析出，且易于長大粗化強化效果不好，甚至?xí)嗷倘懿⒖焖倮鋮s（淬火），獲得過飽和固溶體過飽和固溶體在室溫下停留或在較低的溫度下保溫時效溫度下，過飽和固溶體不穩(wěn)定，會逐漸在基體內(nèi)部脫溶析出第二相，且由于析出溫度低，第二相極為細(xì)小且均勻彌散地

5、分布于基體中，具有顯著的強化效果這就是時效強化8.1.3 鋁合金的熱處理8.1 鋁及鋁合金101.鑄造鋁合金分類：按主要合金元素分為Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn 性能特點及應(yīng)用Al-Si系：鋁硅明、變質(zhì)處理、變質(zhì)處理、鑄造性能好；牌號ZL10XAl-Cu系：高溫性能、耐蝕性差; 牌號ZL20XAl-Mg系：抗沖擊、耐腐蝕，但耐熱性差; 牌號ZL30XAl-Zn系：尺寸穩(wěn)定、便宜，但力學(xué)性能和耐蝕性一般; ；牌號ZL40X8.1.4 常用鋁合金及其應(yīng)用8.1 鋁及鋁合金11128.1.4 常用鋁合金及其應(yīng)用8.1 鋁及鋁合金138.1.4 常用鋁合金及其應(yīng)用8.1 鋁及鋁

6、合金2. 變形鋁合金 分類：以性能和使用特點分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁（可熱處理強化） 性能特點及應(yīng)用 防銹鋁：Al-Mn、Al-Mg合金；牌號LF 硬鋁：Al-Cu-Mg,強度可達(dá)420MPa; 牌號LYxx 超硬鋁：Al-Cu-Mg-Zn,強度可達(dá)680MPa; 牌號LCYxx 鍛鋁：Al-Mg-Si-Zn，合金元素多、含量低，強度與硬鋁類似；牌號LDxx問題：時效鋁合金的耐腐蝕性一般較差，說明原因148.2 鎂及鎂合金Al合金合金Mg合金合金密度密度2.721.74資源資源占地殼占地殼8.2%2.5%結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)FCCHCP熔點熔點660C650C強度強度合金可達(dá)合金可達(dá)450MPa合金

7、合金350MPa彈性模量彈性模量較大較大較小較小(抗沖擊振動性好抗沖擊振動性好)塑性、韌性塑性、韌性好好差差耐蝕性耐蝕性(常規(guī)條件常規(guī)條件)好好差差導(dǎo)電、導(dǎo)熱性導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好好差差主要合金化元素主要合金化元素CuMgSiMnZnLiAlZnMnZr合金分類合金分類鑄造類、變形類鑄造類、變形類鑄造類、變形類鑄造類、變形類強化與熱處理強化與熱處理五種五種與鋁類似與鋁類似158.3.1 工業(yè)純銅及其應(yīng)用8.3 銅及銅合金 純銅的結(jié)構(gòu)特點：FCC結(jié)構(gòu)；無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純銅的性能特點：物理性能紫紅色（紫銅）；密度8.9g.cm-2, 熔點1083C導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，僅次于Ag無磁性，碰撞無火花化學(xué)性能：常規(guī)

8、條件化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；在海水,銨鹽,碳酸鹽,氧化酸環(huán)境下不耐蝕力學(xué)性能強度較高，室溫200MPa；極好的塑性和韌性, 無冷脆 純銅應(yīng)用：電力電子（電纜、電刷、電線），防磁機械，換熱管，深冷設(shè)備等168.3.2 銅的合金化及分類8.3 銅及銅合金1. 銅的合金化：與與AlAl、MgMg合金化類似合金化類似固溶強化元素：Zn, Sn, Al, Mn, Ni (固溶度9.4%)顯著沉淀元素：Be, Ti, Zr, Cr問題：指出銅合金的強化方法？2.2. 銅合金分類：銅合金分類：與與AlAl、MgMg合金類似合金類似成型方法：鑄造銅合金、變形銅合金鑄造合金主要指含高錫、高錳、高鉛銅合金其他銅合金均為變形

9、銅合金化學(xué)成分：黃銅、青銅和白銅黃銅：以鋅為主要合金元素白銅：以鎳為主要合金元素青銅：除鋅、鎳以外的其它元素為主要合金化元素178.3.3 常用銅合金及特點8.3 銅及銅合金1.黃銅的特性及其應(yīng)用 以鋅為主要合金化元素，包括普通黃銅和特殊黃銅普通黃銅: Cu-Zn二元合金,普通黃銅牌號-H62, H90普通黃銅主要特點：色彩美麗單相黃銅機械性能好，易于冷成形加工對大氣、海水很耐蝕可用于防護層、冷凝器、彈殼188.3.3 常用銅合金及特點8.3 銅及銅合金普通黃銅的熱處理單相黃銅不能進行熱處理強化，但低溫形變后必須進行去應(yīng)必須進行去應(yīng)力退火力退火（260280C）雙相黃銅一般也不進行熱處理，可進

10、行熱加工。加工后也必須去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火使用注意事項：脫鋅腐蝕和應(yīng)力腐蝕加砷或鎂抑制脫鋅腐蝕去應(yīng)力退火、表面噴丸或表面改性防止應(yīng)力腐蝕198.3.3 常用銅合金及特點8.3 銅及銅合金特殊黃銅:除鋅外，還加入Al、Sn、Mn、Ni等元素的黃銅。有錳黃銅、鉛黃銅、鋁黃銅等特殊黃銅牌號：HMn58-2, HPb59-1其他合金元素作用：提高硬度、耐磨性、抗蝕性Al、Sn、Mn、Ni提高抗蝕性和耐磨性Mn提高耐熱性Pb改善切削性能和潤滑性黃銅的主要應(yīng)用：普通黃銅主要應(yīng)用：彈殼、耐蝕件、裝飾特殊黃銅主要應(yīng)用：螺旋槳、壓緊螺帽、重要耐蝕件208.3.3 常用銅合金及特點8.3 銅及銅合金2.白銅的特性

11、及其應(yīng)用 以Ni為主加元素。包括簡單白銅和特殊白銅。從用途分為耐蝕白銅和電工白銅 白銅牌號：B30(簡單白銅，含Ni30%)；BFe5-1(特殊白銅，含Ni5%, Fe1%)耐蝕白銅：主要為簡單白銅，B5, B19, B30性能：高化學(xué)穩(wěn)定性, 冷熱加工性好, 抗腐蝕疲勞性好應(yīng)用：海水及蒸汽環(huán)境中精密儀表零件, 高溫高壓管道電工白銅：主要性能：高電阻、高熱電勢、極小的電阻溫度系數(shù)應(yīng)用：電阻器、熱電偶及其補償線，加熱器等常用材料：B16, BMn3-12(錳銅)，BMn40-1.5(康銅)218.3.3 常用銅合金及特點8.3 銅及銅合金3.青銅合金及其應(yīng)用 青銅成分：以除Zn、Ni以外的元素為

12、主要合金化元素 青銅牌號：QBe2, QSn10-2, QAl19-4 錫青銅Sn含量決定其性能Sn(57%)，塑性好，適于冷熱加工，做耐蝕件Sn(10%)，塑性差，鑄造流動性差，但線收縮很小；適于鑄造形狀復(fù)雜但對外形尺寸要求高的工藝品 鋁青銅、鈹青銅：成分：Al12%；Be1.72.5%強化：時效強化效果顯著性能特點：力學(xué)性能優(yōu)秀、其他特殊電磁、耐腐蝕性能應(yīng)用：高強度、高耐磨耐蝕和彈性零件228.4.1 純鈦的性質(zhì)及應(yīng)用8.4 鈦及鈦合金 純鈦結(jié)構(gòu)特點：HCP()-BCC()同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純鈦的性能特點：物理性能銀白色；密度4.54g.cm-2, 熔點1680C導(dǎo)熱性差，線膨脹小化學(xué)性能：活

13、潑，可與C, H, O, N反應(yīng);高溫耐蝕性差大氣, 海水,中性及氧化性介質(zhì)耐蝕力學(xué)性能強度較高，室溫260MPa；可相變強化彈性模量低，抗沖擊；塑性韌性好，高低溫性能好 純銅應(yīng)用：航空航天航海、化工等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料238.4.2 鈦的合金化及分類8.4 鈦及鈦合金 合金化特點與相圖有關(guān)與, 相完全固溶元素，如Zr、Hf等相穩(wěn)定元素，擴大相區(qū)。如Al, Ni, Sn, O, C相穩(wěn)定元素，擴大相區(qū)。如Nd, Mo, V, W產(chǎn)生共析型相圖元素。如Ag, Cu, Fe, Cr, Mn, Si 按退火狀態(tài)，鈦合金分為型(TA48), 型(TB12), +型(TC110)248.4.2 鈦的合金化及分

14、類8.4 鈦及鈦合金25 退火：去應(yīng)力退火(450650C)，再結(jié)晶退火(750800 C) 淬火及時效：淬火：從相快速冷卻，有無擴散的馬氏體相變過程發(fā)生。 (BCC)(HCP)v馬氏體為 穩(wěn)定元素在鈦中的過飽和置換式固溶體；強化效果不如鋼的M體相變強化時效溫度(450650C)。v強化主要靠亞穩(wěn)相和由過飽和相分解析出高度彌散的固溶體相來實現(xiàn)8.4.3 鈦合金的熱處理8.4 鈦及鈦合金261. 型鈦合金：不能熱處理強化室溫強度較低，耐蝕成形焊接性好熱強性和蠕變強度最高制作飛機構(gòu)件、發(fā)動機葉片，超低溫容器等2. 型鈦合金型合金元素Mn、Cr、Mo、V, 可淬火時效強化室溫強度可達(dá)b1300MPa

15、, 為5%塑性韌性好，耐熱性差。不常應(yīng)用，一般作緊固件3. (+)型鈦合金兼有和型鈦合金的優(yōu)點綜合機械性能好。耐熱、耐寒、耐蝕，強度高8.4.4 鈦合金的性能特點和應(yīng)用8.4 鈦及鈦合金278.5.1 軸承合金滾動軸承滑動軸承比較滾動軸承與滑動軸承服役條件、選材性能特點的異同28 軸承合金：指用與制造滑動軸承軸瓦及其內(nèi)襯的合金 滑動軸承合金的工作條件：軸高速旋轉(zhuǎn)時，承受軸頸周期性負(fù)荷保證軸的準(zhǔn)確定位軸與軸瓦間強烈摩擦磨損效應(yīng)（邊界潤滑）啟動、停車及重載時一定的沖擊作用8.5.1 軸承合金29 軸承合金性能要求足夠的抗壓強度和疲勞強度良好的減摩性（耐磨）、磨合性，抗冷焊性一定的塑性和韌性良好的導(dǎo)

16、熱性和小的膨脹系數(shù) 軸承合金的組織結(jié)構(gòu)特征合金組成：采用對鋼鐵互溶性小的元素組成，Sn, Pb, Al, Cu, Zn等，對鋼的粘著性和擦傷性小組織特點：軟基體上均勻分布硬質(zhì)點或硬基體上均勻的軟質(zhì)點-硬相承載、軟相潤滑（或間接潤滑） 含有適量低熔點元素：展平、潤滑8.5.1 軸承合金30 常用軸承合金錫基軸承合金(錫基巴氏合金)：Sn-Sb基合金，軟基體硬質(zhì)點類材料牌號：ZchSnSb11-6，Sn11%，輔加元素Cu6%性能特點：摩擦系數(shù)小、線膨脹小、導(dǎo)熱性耐蝕性好、工藝性好，抗疲勞性較差，使用溫度110C用途：汽輪機、渦輪機、內(nèi)燃機、壓氣機高速軸瓦鉛基軸承合金(鉛基巴氏合金)： Pb-Sb

17、基合金，軟基體硬質(zhì)點類材料牌號：ZchPbSn16-16-2，Sn16%，Sb16%，Cu2%，余量為Pb性能特點：性能較錫基合金低、但成本較低用途：中低載荷軸瓦，汽車拖拉機曲軸軸承8.5.1 軸承合金31 常用軸承合金鋁基軸承合金：Al-Sn, Al-Sb, Al-石墨基合金性能特點：比重小、導(dǎo)熱性耐蝕性好、疲勞強度高用途：高速重載軸承其他軸承： Cu基粉末冶金軸承材料、Zn基軸承材料、非金屬材料軸承（水基潤滑）8.5.1 軸承合金32 現(xiàn)代高效率加工工具材料需求：硬質(zhì)合金高速切削高效加工成型高速鋼不能滿足要求極高耐磨性 HRC6981高紅硬性 9001000 C高使用壽命 硬質(zhì)合金：用粉末

18、冶金方法制成原料粉末充分均勻混合加壓成形加熱燒結(jié)極細(xì)金屬或金屬與非金屬粉末低于材料熔點以下某溫度8.5.2 硬質(zhì)合金33 硬質(zhì)合金作用與分類：用于難熔難冶煉材料的生產(chǎn)加工包括金屬陶瓷硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金8.5.2 硬質(zhì)合金 鋼結(jié)硬質(zhì)合金:將極細(xì)的高熔點金屬碳化物粉末(TiC, WC等)與合金鋼粉末混合加壓成形，再高溫?zé)Y(jié)而成 鋼結(jié)硬質(zhì)合金特點基本保持金屬陶瓷硬質(zhì)合金的特點退火后可進行切削加工可進行淬火回火處理可以鍛造焊接34金屬陶瓷硬質(zhì)合金：將高熔點金屬碳化物粉末(TiC, WC等)與粘結(jié)劑(Co, Ni)混合加壓成形并高溫?zé)Y(jié)而成特點： 硬度高(HRC69-81); 熱硬性好(9001000C)與高速鋼刀具相比, 切削速度提高47倍, 壽命提高580倍金屬陶瓷硬質(zhì)合金分類：鎢鈷類: YG3