工程材料34課件

3.4

有色金屬及其合金

3.4.1

鋁及鋁合金

特點：

(1)密度小、比強度高

純鋁密度為2.7g/cm3，為鐵的1/3。鋁合金密度小，強度與低合金高強鋼強度相近，比強度比一般高強鋼高得多。(2)有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能

鋁的導(dǎo)電性好，僅次于銀、銅和金，在室溫時的導(dǎo)電率約為銅的64%。鋁及鋁合金有相當好的抗大氣腐蝕能力，磁化率極低，接近于非鐵磁性材料。3.4

有色金屬及其合金(2)有優(yōu)良的物理、化1

(3)加工性能良好

鋁及鋁合金(退火狀態(tài))的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。

超高強鋁合金成形后可通過熱處理獲得很高的強度。

鑄鋁合金的鑄造性能極好。

由于上述優(yōu)點，鋁及鋁合金在電氣工程、航空及宇航工業(yè)、一般機械和輕工業(yè)中都有廣泛的用途。

(3)加工性能良好由于上述優(yōu)點，鋁及鋁合2

一、純鋁

1.高純鋁

純度99.93～99.99%，牌號L01、L02、L03、L04，編號越大，純度越高。用于科學(xué)研究及制作電容器等。

2.工業(yè)高純鋁

純度98.85～99.9%，牌號L0、L00。用于制作鋁箔、包鋁、冶煉鋁合金的原料。

3.工業(yè)純鋁

純度98.0～99.0%，牌號L1、L2、L3、L4、L5，編號越大，純度越低。用于制作電線、電纜、器皿及配制合金。

一、純鋁

3

二、鋁合金鋁合金有較高的強度，良好的加工性能。制造承受較大載荷的機器零件和構(gòu)件。鋁合金分變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類鋁合金分類示意圖

（1）變形鋁合金

成分低于D的合金，加熱時能形成單相固溶體組織，塑性較好，適于變形加工，稱為變形鋁合金。●不可熱處理強化的鋁合金

成分低于F的合金，不能進行熱處理強化。

●可熱處理強化的鋁合金

成分位于F-D之間的合金，可進行固溶－時效強化。

（2）鑄造鋁合金

成分高于D的合金，由于冷卻時有共晶反應(yīng)發(fā)生，流動性較好，適于鑄造生產(chǎn)，稱為鑄造鋁合金。二、鋁合金鋁合金分類示意圖

（1）變形鋁合金41.鋁合金的時效

☆老師提示：重點內(nèi)容

鋁合金的固溶處理(1)固溶處理將成分位于D～F之間的合金加熱到α相區(qū),保溫獲得單相α固溶體，迅速水冷，在室溫得到過飽和的α固溶體,這種處理方式稱固溶處理。(2)時效固溶處理的過飽和α固溶體不穩(wěn)定，有分解出強化相過渡到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。室溫或低溫加熱時，強度和硬度會明顯升高。稱為時效或時效硬化。

自然時效室溫下進行。人工時效加熱時進行。1.鋁合金的時效

☆老師5

含4%Cu的Al-Cu合金，加熱到550℃保溫后,在水中快冷,θ相(CuAl2)來不及析出,合金獲得過飽和的α固溶體組織,強度為

σb=310MPa

在室溫放置,隨著時間強度逐漸提高,經(jīng)4天～5天后

σb可達420MPa。

Al-Cu合金相圖舉例：

(3)合金發(fā)生時效的條件合金在高溫形成均勻的固溶體。固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。含4%Cu的Al-Cu合金，加熱到550℃保溫后,6(4)時效規(guī)律：

時效溫度高，強化效果小;

時效溫度高，時效速度越快;

低溫抑制時效的進行。Al-Cu合金時效(4)時效規(guī)律：時效溫度高，強化效果小;Al-C7

(5)回歸

自然時效后的鋁合金，在230℃～250℃短時間加熱后,快速水冷至室溫，重新變軟。在室溫下又能發(fā)生自然時效。稱為回歸。老師提示:時效后的鋁合金回歸處理,軟化狀態(tài)進行冷變形。可用鋁合金鉚釘隨時進行飛機的鉚接和修理等。(5)回歸老師提示:時效后的鋁合金回歸處理,軟82.變形鋁合金

(1)防銹鋁合金主要合金元素是錳和鎂。錳提高抗蝕能力，并起固溶強化作用。鎂固溶強化，同時降低密度。鍛造退火后是單相固溶體，抗蝕性能高，塑性好。不能進行時效硬化，屬于不可熱處理強化的鋁合金?？衫渥冃?，利用加工硬化提高強度。

●3A21(LF21)

Al-Mn合金w(Mn)1.4%

抗蝕性和強度比純鋁高,有良好的塑性和焊接性能,但因太軟而切削加工性能不良。用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、彎曲等方法制造的低載荷零件、制品以及鉚釘?shù)取?/p>

●5A05(LF5)

Al-Mg合金

w(Mg)5%

密度比純鋁小,強度比Al-Mn合金高,具有高的抗蝕性和塑性,焊接性能良好,但切削加工性能差。用于焊接容器、管道，以及承受中等載荷的零件及制品，也可用作鉚釘。2.變形鋁合金

●39

(2)硬鋁合金

Al-Cu-Mg系合金,另含有少量錳。可進行時效強化，可熱處理強化的鋁合金，也可進行形變強化。

Cu、Mg可形成強化相θ及s相;Mn主要提高抗蝕性,并起一定固溶強化作用;

少量Ti、B細化晶粒,提高合金強度?！竦秃辖鹩蹭X2A01(LY1)

w(Cu)2.6%、w(Mg)0.4%

。

Mg、Cu含量較低,塑性好,強度低。采用固溶處理和自然時效提高強度和硬度，時效速度較慢。主要用于制作鉚釘，常稱鉚釘硬鋁。

●標準硬鋁2A11(LY11)

w(Cu)4.4%、w(Mg)0.6%

、w(Mn)0.6%。合金元素含量中等，強度和塑性屬中等水平。退火后變形加工性能良好，時效后切削加工性能也較好。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋漿葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵?。●高合金硬鋁

2A12(LY12)

w(Cu)4.4%、w(Mg)1.5%

、w(Mn)0.6%。合金元素含量較多，強度和硬度較高，塑性及變形加工性能較差。用于制作航空模鍛件和重要的銷、軸等零件。(2)硬鋁合金

●低合金硬鋁2A0110

鋁合金型材飛機用座椅軌道及航空零件

鋁合金散熱器鋁合金汽車車身鋁合金應(yīng)用舉例：鋁合金型材11(3)超硬鋁合金

超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金,含有少量的鉻和錳。

7A04(LC4)、7A09(LC9)等。鋅、銅、鎂與鋁形成固溶體和多種復(fù)雜的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)。飛機前起落架

固溶處理和人工時效后，很高的強度和硬度，是強度最高的一類鋁合金?？刮g性較差，高溫下軟化快。用包鋁法可提高抗蝕性。

制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機大梁、起落架等。(3)超硬鋁合金

超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-12

(4)鍛鋁合金

鍛鋁合金為Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。

2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10)

合金元素種類多但用量少。有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機械性能。

用于承受重載荷的鍛件和模鍛件。要進行固溶處理和人工時效。(4)鍛鋁合金133.鑄造鋁合金

(1)Al-Si鑄造鋁合金(硅鋁明)

Al-Si合金相圖

①簡單硅鋁明ZL102w(Si)10%～13%

鑄造后幾乎全部得到共晶體組織(α+Si),具有優(yōu)良的鑄造性能(熔點低、流動性好、收縮小)。3.鑄造鋁合金Al-Si合金相圖①簡單硅14

變質(zhì)處理：在一般情況下，ZL102的共晶體由粗針狀硅晶體和α固溶體構(gòu)成,強度和塑性都較差。澆鑄前向合金液中加入占合金質(zhì)量2%～3%的變質(zhì)劑(常用鈉鹽混合物:2/3NaF+1/3NaCl)以細化合金組織,顯著提高合金的強度及塑性。這種處理方法即是變質(zhì)處理。

變質(zhì)處理：15

(a)未變質(zhì)處理

(b)變質(zhì)處理

(α+Si)初生α

+(α+Si)+SiⅡ變質(zhì)處理后的組織：細小均勻的共晶體(α+Si)+初生α+SiⅡ。獲得亞共晶組織是由于加入鈉鹽后，鑄造冷卻較快時共晶點右移的緣故。ZL102合金的鑄態(tài)組織

16ZL102的性能及應(yīng)用：

ZL102鑄造性能很好，焊接性能也好，密度小，并有相當好的抗蝕性和耐熱性，但不能時效強化，強度較低。經(jīng)變質(zhì)處理后,σb最高不超過180MPa。

應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜但強度要求不高的鑄件，例如儀表、水泵殼體以及一些承受低載荷的零件。ZL102的性能及應(yīng)用：應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜但17

②特殊硅鋁明

為了提高強度，加入能形成強化相CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg的Cu、Mg等元素，能進行時效硬化，也可進行變質(zhì)處理●ZL101w(Si)6.5%～7.5%、w(Mg)0.35%

ZL104

w(Si)8.0%～10.5%、w(Mg)0.24%

w(Mn)0.35%

含有少量鎂，能生成Mg2Si相。ZL104的熱處理工藝:530℃～540℃加熱，保溫5h,在熱水中淬火，然后在170℃～180℃時效6h～7h。強度σb可達200MPa～230MPa。

應(yīng)用：制造低強度、形狀復(fù)雜的鑄件。如電動機殼體、氣缸體及承受低載荷的零件等。②特殊硅鋁明

●ZL101w(Si)18

●ZL107

w(Si)7%、w(Cu)4%ZL109

w(Si)12%、w(Cu)0.5%～1.5%

w(Mg)0.8%～1.3%

含有少量銅、鎂，能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg多種強化相。強度、硬度高。密度小,抗蝕性好,線膨脹系數(shù)較小,強度、硬度較高，耐磨性、耐熱性以及鑄造性能都比較好。是常用的鑄造鋁活塞材料。鋁合金發(fā)動機缸體和缸蓋活塞●ZL107

w(Si)7%、w(Cu)4%鋁合19(2)Al-Cu鑄造鋁合金

Al-Cu合金的強度較高,耐熱性好，但鑄造性能不好，有熱裂和疏松傾向，耐蝕性較差?！馴L201w(Cu)4.5%～5.3%、

w(Mn)0.6%～1.0%、w(Ti)0.8%～1.3%

室溫強度、塑性比較好，可制作在300℃以下工作的零件，常用于鑄造內(nèi)燃機氣缸頭、活塞等零件。

●ZL203

w(Cu)4%～5%

經(jīng)淬火時效后，強度較高，可作結(jié)構(gòu)材料，鑄造承受中等載荷和形狀較簡單的零件。(2)Al-Cu鑄造鋁合金●ZL20120(3)Al-Mg鑄造鋁合金

●ZL301w(Mg)9.5%～11%ZL302w(Si)0.8%～1.3%、w(Mg)5%

w(Mn)0.1%～0.4%

強度高,密度小(2.55g/cm3),有良好的耐蝕性,但鑄造性能不好,耐熱性低?？蛇M行自然時效。

應(yīng)用：制造承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)中工作的、外形不太復(fù)雜的零件，例如艦船配件、氨用泵體。(3)Al-Mg鑄造鋁合金應(yīng)用：制造承受21(4)Al-Zn鑄造鋁合金

●ZL401w(Si)6%～8%、w(Mg)0.1%～0.3、

w(Zn)9%～13%

ZL402

w(Mg)0.5%～6.5%、w(Cr)0.5%

w(Zn)5%～6.5%、、w(Ti)0.2%

價格便宜,鑄造性能優(yōu)良，變質(zhì)處理和時效處理后強度較高。但抗蝕性差，熱裂傾向大。

應(yīng)用：制造汽車、拖拉機發(fā)動機零件及形狀復(fù)雜的儀器元件，日用品。(4)Al-Zn鑄造鋁合金22

鑄造鋁合金發(fā)動機進氣排氣管鑄造鋁合金應(yīng)用舉例：鑄造鋁合金電動機殼體

23

3.4.2銅及銅合金

銅及銅合金具有下列特殊性能：

(1)優(yōu)異的物理、化學(xué)性能

純銅導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性極佳，銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性也很好。銅是抗磁性物質(zhì)。對大氣和水的抗蝕能力很高。

(2)良好的加工性能

塑性很好，容易冷、熱成形；鑄造銅合金有很好的鑄造性能。

(3)具有某些特殊機械性能

優(yōu)良的減摩性和耐磨性(青銅及部分黃銅)。高的彈性極限和疲勞極限(如鈹青銅等)。

(4)色澤美觀

24

一、純銅(紫銅)

純銅呈紫紅色，常稱紫銅.

工業(yè)純銅分為四種：T1、T2、T3、T4。編號越大，純度越低。用于制作電導(dǎo)體及配制合金。強度低,不宜作結(jié)構(gòu)材料。純銅管一、純銅(紫銅)純銅管25

二、銅合金

1.黃銅

以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。分普通黃銅和復(fù)雜黃銅兩類。(1)普通黃銅

銅鋅二元合金

單相黃銅：退火組織單相α

雙相黃銅：退火組織α+β’Cu-Zn合金相圖

26

●單相黃銅：H80、H70、H68

塑性很好，制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件。散熱器、導(dǎo)電零件。

●雙相黃銅：H62、H59

可進行熱變形，常熱軋成棒材、板材?？设T造。制造沖壓件、螺母等。(a)單相黃銅(b)雙相黃銅銅鋅合金的顯微組織黃銅制品

27

(2)復(fù)雜黃銅

●鉛黃銅HPb63-3

w(Cu)63%、w(Pb)3%、余Zn

鉛改善切削加工性能，提高耐磨性，對強度影響不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如鐘表零件等)，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套。

●錫黃銅HSn62-1

w(Cu)62%、w(Sn)3%、余Zn)

錫顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，并使強度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛用于制造海船零件。

●鋁黃銅HAl60-1-1

w(Cu)60%、w(Al)1%、w(Fe)1%、余Zn

鋁提高黃銅的強度和硬度，改善抗蝕性。制作海船零件及其它機器的耐蝕零件。加入鎳、錳、鐵后，得到高強度、高耐蝕性的復(fù)雜黃銅。制造大型蝸桿、海船螺旋漿等重要零件。●硅黃銅HSi80-3

w(Cu)80%、w(Si)3%、余Zn

硅顯著提高黃銅的機械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進行焊接和切削加工。制造船舶及化工機械零件。

28

2.青銅青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金都為青銅。

（1）錫青銅

以錫為主要合金元素的銅基合金。

QSn6.5-0.1w（Sn)6%～7%、

w（Pb)0.1%～0.25%

錫質(zhì)量分數(shù)低于6%的錫青銅能獲得α單相組織。α相是錫溶于銅的固溶體,具有面心立方晶格，塑性良好，容易冷、熱變形。錫質(zhì)量分數(shù)大于6%時,組織中出現(xiàn)(α+δ)共析體。δ相極硬和脆,不能塑性變形。

29

錫青銅性能：鑄造收縮率很小，可鑄造形狀復(fù)雜的零件。但鑄件易生成分散縮孔，使密度降低，在高壓下容易滲漏。在大氣、海水、淡水以及蒸氣中的抗蝕性比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸和氨水中的抗蝕性較差。

少量鉛，提高耐磨性和切削加工性；

磷，提高彈性極限、疲勞極限及耐磨性；

鋅，縮小結(jié)晶溫度范圍，改善鑄造性能。

應(yīng)用：在造船、化工、機械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件、抗蝕、抗磁零件等。錫青銅性能：少量鉛，提高耐磨性和切削加工性；30

（2）鋁青銅以鋁為主要合金元素的銅合金。

QAl10-3-1.5w（Al)8.5%～10%、

w（Fe)2%～4%、

w（Mn)1%～2%

性能：耐蝕性優(yōu)良，在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機酸中的耐蝕性，均比黃銅和錫青銅高。耐磨性亦比黃銅和錫青銅好。

應(yīng)用：制造齒輪、軸套、蝸輪等在復(fù)雜條件下工作的高強度抗磨零件，以及彈簧和其它高耐蝕性彈性元件。

31

（3）鈹青銅以鈹為基本合金元素的銅合金(鈹質(zhì)量分數(shù)為1.7%～2.5%)，如

QBe2。●淬火狀態(tài)下塑性好，可進行冷變形和切削加工；●制成零件經(jīng)人工時效處理后，獲得很高的強度和硬度：σb達1200MPa～1500MPa，硬度達350HB～400HB,超過其它銅合金?！駨椥詷O限、疲勞極限都很高?！衲湍バ院涂刮g性優(yōu)異?！窳己玫膶?dǎo)電性和導(dǎo)熱性?！駸o磁性、耐寒、受沖擊時不產(chǎn)生火花?！駜r格較貴。

32

鈹青銅應(yīng)用：

●精密儀器的重要彈簧和其它彈性元件，鐘表齒輪

●高速高壓下工作的軸承及襯套等耐磨零件●電焊機電極、防爆工具●航海羅盤

33

3.白銅

以鎳為主要合金元素的銅合金。

B30、B19、BMn3-12、BMn40-1.5

在固態(tài)下，銅與鎳無限固溶。組織為單相α固溶體。

●有較好的強度和優(yōu)良的塑性，能進行冷、熱變形。冷變形能提高強度和硬度；●抗蝕性很好；●電阻率較高。

應(yīng)用：制造船舶儀器零件、化工機械零件及醫(yī)療器械等。錳白銅可制作熱電偶絲。

34

3.4.3鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具有密度小、質(zhì)量輕、比強度高、耐高溫、耐腐蝕以及良好低溫韌性等優(yōu)點。資源豐富，有廣泛應(yīng)用前景。但目前鈦及鈦合金的加工條件復(fù)雜，成本較昂貴。

35

一、純鈦

1.純鈦性能

●密度小，熔點高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性差。

●純鈦塑性好、強度低，容易加工成形，可制成細絲和薄片?！疋伒目寡趸芰?yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼。●鈦在大氣和海水中有優(yōu)良的耐蝕性，在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉中都很穩(wěn)定。鈦的耐蝕性

36

2.晶體結(jié)構(gòu)鈦在固態(tài)有兩種結(jié)構(gòu)。β-Ti882.5℃以上到熔點，體心立方晶格α-Ti882.5℃以下，密排六方晶格

冷卻時在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變:

β-Ti→α-Ti 純鈦筆記本電腦外殼3.牌號及用途

TA1、TA2、TA3

編號越大雜質(zhì)越多。純鈦可制作在350℃以下工作的、強度要求不高的零件。

37

二、鈦合金

合金元素溶入α-Ti中形成α固溶體,

溶入β-Ti中形成β固溶體。

α穩(wěn)定化元素鋁、碳、氮、氧、硼等使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度升高。α穩(wěn)定化元素的影響β穩(wěn)定化元素的影響合金元素對鈦同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響β穩(wěn)定化元素鐵、鉬、鎂、鉻、錳、釩等使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度下降。二、鈦合金α穩(wěn)定化元素的影響38

1.α鈦合金

鈦中加入鋁、硼等α穩(wěn)定化元素。室溫強度低于β鈦合金和（α＋β）鈦合金，但高溫(500℃～600℃)強度比它們的高，組織穩(wěn)定，抗氧化性和抗蠕變性好，焊接性能也很好。不能淬火強化，主要依靠固溶強化?？蛇M行消除應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火)。鈦泵

典型牌號是TA7，成分為Ti-5Al-2.5Sn。使用溫度不超過500℃，制造導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機的渦輪機匣。

392.β鈦合金

鈦中加入鉬、鉻、釩等β穩(wěn)定化元素。

β鈦合金有較高的強度、優(yōu)良的沖壓性能，可通過淬火和時效進行強化。在時效狀態(tài)下，合金的組織為β相和彌散分布的細小α相粒子。

典型牌號是TB1，成分為Ti-3Al-13V-11Cr,一般在350℃以下使用,適于制造壓氣機葉片、軸、輪盤等重載的回轉(zhuǎn)件，以及飛機構(gòu)件等。

葉片2.β鈦合金典型牌號是TB1，成分為Ti403.（α＋β）鈦合金

鈦中加入β穩(wěn)定化元素、大多數(shù)還加入α穩(wěn)定化元素，得到（α＋β）鈦合金。塑性很好，容易鍛造、壓延和沖壓，并可通過淬火和時效進行強化。熱處理后強度可提高50%～100%。Ti-6Al-4V合金

時效處理后的顯微組織

典型牌號是TC4，成分為Ti-6Al-4V，淬火及時效處理后，顯微組織為塊狀α＋β＋針狀α。其中針狀α是時效過程中從β相析出的。

（α＋β）鈦合金強度高，塑性好，在400℃時組織穩(wěn)定，蠕變強度較高，低溫時有良好的韌性，并有良好的抗海水應(yīng)力腐蝕及抗熱鹽應(yīng)力腐蝕的能力。

應(yīng)用：制造在400℃以下長期工作的零件，要求一定高溫強度的發(fā)動機零件，低溫下使用的火箭、導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件等。鈦飛船鈦合金人工關(guān)節(jié)3.（α＋β）鈦合金Ti-641

3.4.4軸承合金

滑動軸承是汽車、拖拉機、機床及其它機器中的重要部件。軸承合金是制造滑動軸承中的軸瓦及內(nèi)襯的材料。

滑動軸承的結(jié)構(gòu)

軸承支撐著軸，當軸旋轉(zhuǎn)時，軸瓦和軸發(fā)生強烈的摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷。

42

一、軸承合金性能要求和組織特點

1.性能要求

(1)足夠的強度和硬度，以承受軸頸較大的壓力。

(2)足夠的塑性和韌性，高的疲勞強度，以承受軸頸的周期性載荷，抵抗沖擊和振動。

(3)良好的磨合能力，與軸能較快地配合。

(4)高的耐磨性，與軸的摩擦系數(shù)小，并能保留潤滑油，減輕磨損。

(5)良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性、較小的膨脹系數(shù)，防止摩擦升溫發(fā)生咬合。

43

2.組織特點

在軟基體上分布硬質(zhì)點，或在硬基體上分布軟質(zhì)點。

若軟基體上分布硬質(zhì)點，軟基體磨損凹陷，儲存潤滑油。硬質(zhì)點凸出于基體上，使軸和軸瓦的接觸面積減小，降低摩擦系數(shù)。軟基體能承受沖擊和震動，使軸和軸瓦能很好的結(jié)合，嵌藏外來硬質(zhì)點，保證軸頸不被劃傷。

軸承合金的組織是硬基體上分布軟質(zhì)點時，也可達到同樣目的。

44

二、常用軸承合金

1.錫基軸承合金(錫基巴氏合金)

軟基體硬質(zhì)點軸承合金。

ZChSnSb11-6（11%Sb、6%Cu，余Sn）。

顯微組織：α＋β'＋Cu6Sn5

。

ZChSnSb11-6軸承合金的顯微組織●α相:黑色軟基體。銻在錫中的固溶體。●β'相：白方塊，硬質(zhì)點。以化合物SnSb為基的固溶體?！馛u6Sn5:白針狀或星狀。樹枝狀Cu6Sn5先結(jié)晶,阻止β'上浮。硬度高,作為硬質(zhì)點,提高強度和耐磨性。二、常用軸承合金

ZChSnSb11-6●α相:黑45

錫基軸承合金性能特點：摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)小。塑性和導(dǎo)熱性好。但錫基軸承合金的疲勞強度較低。許用溫度也較低(不高于150℃)。

適于制作最重要的軸承，如汽輪機、發(fā)動機和壓氣機等大型機器的高速軸瓦。軸瓦

462.鉛基軸承合金

軟基體硬質(zhì)點類型的軸承合金，鉛銻系的鉛基軸承合金應(yīng)用很廣。典型牌號有ZChPbSb16-16-2，(16%Sb、16%Sn、2%Cu、其余為Pb)

鑄造性能和耐磨性較好(但比錫基軸承合金低)，價格較便宜。用于制造中、低載荷的軸瓦，例如汽車、拖拉機曲軸的軸承等。

老師提示:錫基、鉛基軸承合金強度低，必須鑲鑄在低碳鋼上，形成一層薄而均勻的內(nèi)襯，做成雙金屬軸承。

2.鉛基軸承合金鑄造性能和耐磨性較好(但比47

3.銅基軸承合金

（1）鉛青銅

ZQPb30

（30%Pb,余Cu）硬基體軟質(zhì)點類型的軸承合金。

銅和鉛在固態(tài)時互不溶解。室溫顯微組織為Cu+Pb。

Cu為硬基體,粒狀Pb為軟質(zhì)點。

與巴氏合金相比，具有高的疲勞強度和承載能力，優(yōu)良的耐磨性、導(dǎo)熱性和低的摩擦系數(shù)，能在較高溫度(250℃)下正常工作。

應(yīng)用：制造大載荷、高速度的重要軸承，例如航空發(fā)動機、高速柴油機的軸承等。

48

（2）錫青銅

ZQSn10-1

（10%Sn、1%P,余Cu）顯微組織為α＋δ＋Cu3P。α固溶體為軟基體，δ相和Cu3P為硬質(zhì)點。具有高的強度，適于制造高速度、高載荷的柴油機軸承。

老師提示:含錫的鉛青銅和錫青銅，錫溶于銅中使合金強化，獲得高的強度，可直接做成軸承或軸套使用。

49

本節(jié)小結(jié)

常用鋁合金：LF5、LY11、LC4、ZL102

常用銅合金：H80、H62、QSn6.5-0.1、QAl9-4、QBe2

常用鈦合金：TA7、TB1、TC4

常用軸承合金：ZChSnSb11-6

50

第３章

小結(jié)

1.碳鋼

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q215、Q235

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

20、45、60

碳素工具鋼

T8、T10、T12

不同牌號的鋼材其應(yīng)用領(lǐng)域不同。

51

2.合金鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼

Q345(16Mn)、Q420(15MnVN)

調(diào)質(zhì)鋼

40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi

滲碳鋼

20Cr、20MnVB、20CrMnTi18Cr2Ni4WA

彈簧鋼

65Mn、50CrV、60Si2Mn

軸承鋼

GCr9、GCr15、GCr15SiMn

52

低合金刃具鋼

9SiCr、CrWMn

高速鋼

W18Cr4V

熱模具鋼

5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V

冷模具鋼

Cr12MoV

不銹鋼

1Cr13、3Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti

合金結(jié)構(gòu)鋼制造各種結(jié)構(gòu)件、機械零件。合金工具鋼制造各種刃具、模具、量具。

53

3.鑄鋼ZG230-450、ZG270-500ZG310-570

制造形狀復(fù)雜、需要一定強度、塑性和韌性的零件。4.鑄鐵：HT150、HT250、KT350-10、

KT450-5、QT420-10、QT800-2。鑄造性能好，制造形狀復(fù)雜的零件。

54

5.有色金屬及其合金

具有特殊的機械性能和理化性能。

鋁合金：5A05(LF5)、2A11(LY11)7A04(LC4)、ZL102

銅合金：H80、H62、QSn6.5-0.1QAl9-4、QBe2

鈦合金：TA7、TB1、TC4

錫基軸承合金：ZChSnSb11-6

553.4

有色金屬及其合金

3.4.1

鋁及鋁合金

特點：

(1)密度小、比強度高

純鋁密度為2.7g/cm3，為鐵的1/3。鋁合金密度小，強度與低合金高強鋼強度相近，比強度比一般高強鋼高得多。(2)有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能

鋁的導(dǎo)電性好，僅次于銀、銅和金，在室溫時的導(dǎo)電率約為銅的64%。鋁及鋁合金有相當好的抗大氣腐蝕能力，磁化率極低，接近于非鐵磁性材料。3.4

有色金屬及其合金(2)有優(yōu)良的物理、化56

(3)加工性能良好

鋁及鋁合金(退火狀態(tài))的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。

超高強鋁合金成形后可通過熱處理獲得很高的強度。

鑄鋁合金的鑄造性能極好。

由于上述優(yōu)點，鋁及鋁合金在電氣工程、航空及宇航工業(yè)、一般機械和輕工業(yè)中都有廣泛的用途。

(3)加工性能良好由于上述優(yōu)點，鋁及鋁合57

一、純鋁

1.高純鋁

純度99.93～99.99%，牌號L01、L02、L03、L04，編號越大，純度越高。用于科學(xué)研究及制作電容器等。

2.工業(yè)高純鋁

純度98.85～99.9%，牌號L0、L00。用于制作鋁箔、包鋁、冶煉鋁合金的原料。

3.工業(yè)純鋁

純度98.0～99.0%，牌號L1、L2、L3、L4、L5，編號越大，純度越低。用于制作電線、電纜、器皿及配制合金。

一、純鋁

58

二、鋁合金鋁合金有較高的強度，良好的加工性能。制造承受較大載荷的機器零件和構(gòu)件。鋁合金分變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類鋁合金分類示意圖

（1）變形鋁合金

成分低于D的合金，加熱時能形成單相固溶體組織，塑性較好，適于變形加工，稱為變形鋁合金?！癫豢蔁崽幚韽娀匿X合金

成分低于F的合金，不能進行熱處理強化。

●可熱處理強化的鋁合金

成分位于F-D之間的合金，可進行固溶－時效強化。

（2）鑄造鋁合金

成分高于D的合金，由于冷卻時有共晶反應(yīng)發(fā)生，流動性較好，適于鑄造生產(chǎn)，稱為鑄造鋁合金。二、鋁合金鋁合金分類示意圖

（1）變形鋁合金591.鋁合金的時效

☆老師提示：重點內(nèi)容

鋁合金的固溶處理(1)固溶處理將成分位于D～F之間的合金加熱到α相區(qū),保溫獲得單相α固溶體，迅速水冷，在室溫得到過飽和的α固溶體,這種處理方式稱固溶處理。(2)時效固溶處理的過飽和α固溶體不穩(wěn)定，有分解出強化相過渡到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。室溫或低溫加熱時，強度和硬度會明顯升高。稱為時效或時效硬化。

自然時效室溫下進行。人工時效加熱時進行。1.鋁合金的時效

☆老師60

含4%Cu的Al-Cu合金，加熱到550℃保溫后,在水中快冷,θ相(CuAl2)來不及析出,合金獲得過飽和的α固溶體組織,強度為

σb=310MPa

在室溫放置,隨著時間強度逐漸提高,經(jīng)4天～5天后

σb可達420MPa。

Al-Cu合金相圖舉例：

(3)合金發(fā)生時效的條件合金在高溫形成均勻的固溶體。固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。含4%Cu的Al-Cu合金，加熱到550℃保溫后,61(4)時效規(guī)律：

時效溫度高，強化效果小;

時效溫度高，時效速度越快;

低溫抑制時效的進行。Al-Cu合金時效(4)時效規(guī)律：時效溫度高，強化效果小;Al-C62

(5)回歸

自然時效后的鋁合金，在230℃～250℃短時間加熱后,快速水冷至室溫，重新變軟。在室溫下又能發(fā)生自然時效。稱為回歸。老師提示:時效后的鋁合金回歸處理,軟化狀態(tài)進行冷變形。可用鋁合金鉚釘隨時進行飛機的鉚接和修理等。(5)回歸老師提示:時效后的鋁合金回歸處理,軟632.變形鋁合金

(1)防銹鋁合金主要合金元素是錳和鎂。錳提高抗蝕能力，并起固溶強化作用。鎂固溶強化，同時降低密度。鍛造退火后是單相固溶體，抗蝕性能高，塑性好。不能進行時效硬化，屬于不可熱處理強化的鋁合金。可冷變形，利用加工硬化提高強度。

●3A21(LF21)

Al-Mn合金w(Mn)1.4%

抗蝕性和強度比純鋁高,有良好的塑性和焊接性能,但因太軟而切削加工性能不良。用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、彎曲等方法制造的低載荷零件、制品以及鉚釘?shù)取?/p>

●5A05(LF5)

Al-Mg合金

w(Mg)5%

密度比純鋁小,強度比Al-Mn合金高,具有高的抗蝕性和塑性,焊接性能良好,但切削加工性能差。用于焊接容器、管道，以及承受中等載荷的零件及制品，也可用作鉚釘。2.變形鋁合金

●364

(2)硬鋁合金

Al-Cu-Mg系合金,另含有少量錳。可進行時效強化，可熱處理強化的鋁合金，也可進行形變強化。

Cu、Mg可形成強化相θ及s相;Mn主要提高抗蝕性,并起一定固溶強化作用;

少量Ti、B細化晶粒,提高合金強度?！竦秃辖鹩蹭X2A01(LY1)

w(Cu)2.6%、w(Mg)0.4%

。

Mg、Cu含量較低,塑性好,強度低。采用固溶處理和自然時效提高強度和硬度，時效速度較慢。主要用于制作鉚釘，常稱鉚釘硬鋁。

●標準硬鋁2A11(LY11)

w(Cu)4.4%、w(Mg)0.6%

、w(Mn)0.6%。合金元素含量中等，強度和塑性屬中等水平。退火后變形加工性能良好，時效后切削加工性能也較好。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋漿葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵！窀吆辖鹩蹭X

2A12(LY12)

w(Cu)4.4%、w(Mg)1.5%

、w(Mn)0.6%。合金元素含量較多，強度和硬度較高，塑性及變形加工性能較差。用于制作航空模鍛件和重要的銷、軸等零件。(2)硬鋁合金

●低合金硬鋁2A0165

鋁合金型材飛機用座椅軌道及航空零件

鋁合金散熱器鋁合金汽車車身鋁合金應(yīng)用舉例：鋁合金型材66(3)超硬鋁合金

超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金,含有少量的鉻和錳。

7A04(LC4)、7A09(LC9)等。鋅、銅、鎂與鋁形成固溶體和多種復(fù)雜的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)。飛機前起落架

固溶處理和人工時效后，很高的強度和硬度，是強度最高的一類鋁合金?？刮g性較差，高溫下軟化快。用包鋁法可提高抗蝕性。

制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機大梁、起落架等。(3)超硬鋁合金

超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-67

(4)鍛鋁合金

鍛鋁合金為Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。

2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10)

合金元素種類多但用量少。有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機械性能。

用于承受重載荷的鍛件和模鍛件。要進行固溶處理和人工時效。(4)鍛鋁合金683.鑄造鋁合金

(1)Al-Si鑄造鋁合金(硅鋁明)

Al-Si合金相圖

①簡單硅鋁明ZL102w(Si)10%～13%

鑄造后幾乎全部得到共晶體組織(α+Si),具有優(yōu)良的鑄造性能(熔點低、流動性好、收縮小)。3.鑄造鋁合金Al-Si合金相圖①簡單硅69

變質(zhì)處理：在一般情況下，ZL102的共晶體由粗針狀硅晶體和α固溶體構(gòu)成,強度和塑性都較差。澆鑄前向合金液中加入占合金質(zhì)量2%～3%的變質(zhì)劑(常用鈉鹽混合物:2/3NaF+1/3NaCl)以細化合金組織,顯著提高合金的強度及塑性。這種處理方法即是變質(zhì)處理。

變質(zhì)處理：70

(a)未變質(zhì)處理

(b)變質(zhì)處理

(α+Si)初生α

+(α+Si)+SiⅡ變質(zhì)處理后的組織：細小均勻的共晶體(α+Si)+初生α+SiⅡ。獲得亞共晶組織是由于加入鈉鹽后，鑄造冷卻較快時共晶點右移的緣故。ZL102合金的鑄態(tài)組織

71ZL102的性能及應(yīng)用：

ZL102鑄造性能很好，焊接性能也好，密度小，并有相當好的抗蝕性和耐熱性，但不能時效強化，強度較低。經(jīng)變質(zhì)處理后,σb最高不超過180MPa。

應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜但強度要求不高的鑄件，例如儀表、水泵殼體以及一些承受低載荷的零件。ZL102的性能及應(yīng)用：應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜但72

②特殊硅鋁明

為了提高強度，加入能形成強化相CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg的Cu、Mg等元素，能進行時效硬化，也可進行變質(zhì)處理●ZL101w(Si)6.5%～7.5%、w(Mg)0.35%

ZL104

w(Si)8.0%～10.5%、w(Mg)0.24%

w(Mn)0.35%

含有少量鎂，能生成Mg2Si相。ZL104的熱處理工藝:530℃～540℃加熱，保溫5h,在熱水中淬火，然后在170℃～180℃時效6h～7h。強度σb可達200MPa～230MPa。

應(yīng)用：制造低強度、形狀復(fù)雜的鑄件。如電動機殼體、氣缸體及承受低載荷的零件等。②特殊硅鋁明

●ZL101w(Si)73

●ZL107

w(Si)7%、w(Cu)4%ZL109

w(Si)12%、w(Cu)0.5%～1.5%

w(Mg)0.8%～1.3%

含有少量銅、鎂，能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg多種強化相。強度、硬度高。密度小,抗蝕性好,線膨脹系數(shù)較小,強度、硬度較高，耐磨性、耐熱性以及鑄造性能都比較好。是常用的鑄造鋁活塞材料。鋁合金發(fā)動機缸體和缸蓋活塞●ZL107

w(Si)7%、w(Cu)4%鋁合74(2)Al-Cu鑄造鋁合金

Al-Cu合金的強度較高,耐熱性好，但鑄造性能不好，有熱裂和疏松傾向，耐蝕性較差?！馴L201w(Cu)4.5%～5.3%、

w(Mn)0.6%～1.0%、w(Ti)0.8%～1.3%

室溫強度、塑性比較好，可制作在300℃以下工作的零件，常用于鑄造內(nèi)燃機氣缸頭、活塞等零件。

●ZL203

w(Cu)4%～5%

經(jīng)淬火時效后，強度較高，可作結(jié)構(gòu)材料，鑄造承受中等載荷和形狀較簡單的零件。(2)Al-Cu鑄造鋁合金●ZL20175(3)Al-Mg鑄造鋁合金

●ZL301w(Mg)9.5%～11%ZL302w(Si)0.8%～1.3%、w(Mg)5%

w(Mn)0.1%～0.4%

強度高,密度小(2.55g/cm3),有良好的耐蝕性,但鑄造性能不好,耐熱性低?？蛇M行自然時效。

應(yīng)用：制造承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)中工作的、外形不太復(fù)雜的零件，例如艦船配件、氨用泵體。(3)Al-Mg鑄造鋁合金應(yīng)用：制造承受76(4)Al-Zn鑄造鋁合金

●ZL401w(Si)6%～8%、w(Mg)0.1%～0.3、

w(Zn)9%～13%

ZL402

w(Mg)0.5%～6.5%、w(Cr)0.5%

w(Zn)5%～6.5%、、w(Ti)0.2%

價格便宜,鑄造性能優(yōu)良，變質(zhì)處理和時效處理后強度較高。但抗蝕性差，熱裂傾向大。

應(yīng)用：制造汽車、拖拉機發(fā)動機零件及形狀復(fù)雜的儀器元件，日用品。(4)Al-Zn鑄造鋁合金77

鑄造鋁合金發(fā)動機進氣排氣管鑄造鋁合金應(yīng)用舉例：鑄造鋁合金電動機殼體

78

3.4.2銅及銅合金

銅及銅合金具有下列特殊性能：

(1)優(yōu)異的物理、化學(xué)性能

純銅導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性極佳，銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性也很好。銅是抗磁性物質(zhì)。對大氣和水的抗蝕能力很高。

(2)良好的加工性能

塑性很好，容易冷、熱成形；鑄造銅合金有很好的鑄造性能。

(3)具有某些特殊機械性能

優(yōu)良的減摩性和耐磨性(青銅及部分黃銅)。高的彈性極限和疲勞極限(如鈹青銅等)。

(4)色澤美觀

79

一、純銅(紫銅)

純銅呈紫紅色，常稱紫銅.

工業(yè)純銅分為四種：T1、T2、T3、T4。編號越大，純度越低。用于制作電導(dǎo)體及配制合金。強度低,不宜作結(jié)構(gòu)材料。純銅管一、純銅(紫銅)純銅管80

二、銅合金

1.黃銅

以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。分普通黃銅和復(fù)雜黃銅兩類。(1)普通黃銅

銅鋅二元合金

單相黃銅：退火組織單相α

雙相黃銅：退火組織α+β’Cu-Zn合金相圖

81

●單相黃銅：H80、H70、H68

塑性很好，制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件。散熱器、導(dǎo)電零件。

●雙相黃銅：H62、H59

可進行熱變形，常熱軋成棒材、板材?？设T造。制造沖壓件、螺母等。(a)單相黃銅(b)雙相黃銅銅鋅合金的顯微組織黃銅制品

82

(2)復(fù)雜黃銅

●鉛黃銅HPb63-3

w(Cu)63%、w(Pb)3%、余Zn

鉛改善切削加工性能，提高耐磨性，對強度影響不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如鐘表零件等)，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套。

●錫黃銅HSn62-1

w(Cu)62%、w(Sn)3%、余Zn)

錫顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，并使強度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛用于制造海船零件。

●鋁黃銅HAl60-1-1

w(Cu)60%、w(Al)1%、w(Fe)1%、余Zn

鋁提高黃銅的強度和硬度，改善抗蝕性。制作海船零件及其它機器的耐蝕零件。加入鎳、錳、鐵后，得到高強度、高耐蝕性的復(fù)雜黃銅。制造大型蝸桿、海船螺旋漿等重要零件。●硅黃銅HSi80-3

w(Cu)80%、w(Si)3%、余Zn

硅顯著提高黃銅的機械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進行焊接和切削加工。制造船舶及化工機械零件。

83

2.青銅青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金都為青銅。

（1）錫青銅

以錫為主要合金元素的銅基合金。

QSn6.5-0.1w（Sn)6%～7%、

w（Pb)0.1%～0.25%

錫質(zhì)量分數(shù)低于6%的錫青銅能獲得α單相組織。α相是錫溶于銅的固溶體,具有面心立方晶格，塑性良好，容易冷、熱變形。錫質(zhì)量分數(shù)大于6%時,組織中出現(xiàn)(α+δ)共析體。δ相極硬和脆,不能塑性變形。

84

錫青銅性能：鑄造收縮率很小，可鑄造形狀復(fù)雜的零件。但鑄件易生成分散縮孔，使密度降低，在高壓下容易滲漏。在大氣、海水、淡水以及蒸氣中的抗蝕性比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸和氨水中的抗蝕性較差。

少量鉛，提高耐磨性和切削加工性；

磷，提高彈性極限、疲勞極限及耐磨性；

鋅，縮小結(jié)晶溫度范圍，改善鑄造性能。

應(yīng)用：在造船、化工、機械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件、抗蝕、抗磁零件等。錫青銅性能：少量鉛，提高耐磨性和切削加工性；85

（2）鋁青銅以鋁為主要合金元素的銅合金。

QAl10-3-1.5w（Al)8.5%～10%、

w（Fe)2%～4%、

w（Mn)1%～2%

性能：耐蝕性優(yōu)良，在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機酸中的耐蝕性，均比黃銅和錫青銅高。耐磨性亦比黃銅和錫青銅好。

應(yīng)用：制造齒輪、軸套、蝸輪等在復(fù)雜條件下工作的高強度抗磨零件，以及彈簧和其它高耐蝕性彈性元件。

86

（3）鈹青銅以鈹為基本合金元素的銅合金(鈹質(zhì)量分數(shù)為1.7%～2.5%)，如

QBe2?！翊慊馉顟B(tài)下塑性好，可進行冷變形和切削加工；●制成零件經(jīng)人工時效處理后，獲得很高的強度和硬度：σb達1200MPa～1500MPa，硬度達350HB～400HB,超過其它銅合金。●彈性極限、疲勞極限都很高?！衲湍バ院涂刮g性優(yōu)異?！窳己玫膶?dǎo)電性和導(dǎo)熱性?！駸o磁性、耐寒、受沖擊時不產(chǎn)生火花?！駜r格較貴。