工程材料教學之有色金屬及合金

第八章有色金屬及合金通常把鐵及其合金（鋼、鑄鐵）稱為黑色金屬材料，而把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬材料。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良特性，例如鋁、鎂、鈦及其合金具有密度小，比強度高的特點，在飛機，汽車制造等工業(yè)中應用十分廣泛；又如銀、銅、鋁及其合金的導電性導熱性好，是電器，儀表工業(yè)不可缺少的材料。雖然有色金屬使用量少，在機械制造業(yè)中僅占4.5%左右，但它是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。主要用途：電線、電纜4、抗大氣腐蝕好，其表面有一層致密的氧化膜。3、面心立方晶格，強度低（σb=80-100MPa），

塑性好（ψ=80%），可以通過壓力加工成各種型材，與其面心立方晶體有關。2、導電性和導熱性好，僅次于銀、銅、金居第四位。特性：1、熔點低，比重小。熔點為660.4℃密度2.72第一節(jié)鋁及其合金一、工業(yè)純鋁牌號：工業(yè)純鋁牌號有L1L2……..L7數(shù)字大純度低

工業(yè)高純鋁牌號有L0L00

高純鋁L01L02……L04數(shù)字大純度高。二、鋁合金及強化方法（一）概述

1、合金化

在純鋁中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，經(jīng)熱處理可使強度比純鋁提高3－4倍。

2、鋁合金狀態(tài)圖（一般式）

共同特點是：基本相都是鋁基固溶體和＋

共晶體。其中為固溶體或化合物。

3、鋁合金的分類及特性

根據(jù)加工工藝特性和合金元素含量可分為兩大類。即，變形鋁合金和鑄造鋁合金。

變形鋁合金：具有良好的塑性，可進行鍛造、軋制、擠壓等壓力加工。

鑄造鋁合金：流動性好，宜鑄造，不宜壓力加工。Al

合金含量（SiMgCu等）溫度DL+變形鋁合金鑄造鋁合金熱處理不能強化熱處理能強化D/F+L鋁合金一般相圖1、熱處理強化強化方法：固溶處理－時效強化。

固溶處理：將合金加熱到溶解度曲線以上某一溫度，得到單一的固溶體組織，然后在水中迅速冷卻，使第二相來不及析出，形成過飽和固溶體。這種處理的方法稱固溶處理。

時效強化：固溶處理的合金在較低溫度下隨時間的延長發(fā)生進一步強化的現(xiàn)象(強度和硬度上升）稱時效硬化或時效強化。

（二）鋁合金強化方法以鋁銅合金為例，獲得過飽和的α固溶體。其強度可以達到250MN/m2。時效強化：固溶處理的合金隨時間的延續(xù)而發(fā)生進一步強化的現(xiàn)象稱時效硬化或時效強化。例如：固溶處理的合金，如果在室溫放置4-5例如4%Cu的鋁合金加熱到α相區(qū)中某一溫度，經(jīng)過一段時間保溫，使獲得單一的α固溶體組織，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2來不及從α中析出時效過程：分四個階段：第一階段，形成GP[1]區(qū)，溶質(zhì)原子的富集，引起晶格畸變，位錯受阻，強度提高。第二階段，形成GP[11]，Gp區(qū)有序化,隨著原子的進一步富集，原子有序的排列起來，成分結構接近CuAl2，稱θ“，與母相共格，引起晶格進一步畸變，位錯進一步受阻，強度進一步提高。第三階段，形成過渡相θ′，溶質(zhì)原子繼續(xù)富集，化學成分逐漸達到CuAl2的化學成分，部分與母相脫離共格聯(lián)系，晶格畸變減輕，對位錯阻礙減少，合金趨向軟化。第四階段，θ相形成與長大，形成穩(wěn)定的CuAl2。與母相完全脫離共格聯(lián)系，晶格畸變大為減輕，強化效果顯著減弱，合金發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象稱“過時效“。

實際上，時效過程不一定全部包括以上四個階段，自然時效只有一二階段，人工時效只能觀察到三、四階段。

自然時效：在室溫下進行的時效稱自然時效（強度可以達到400MN/m2），

人工時效：在加熱條件下進行的時效稱人工時效（100－200oC）。人工時效的效果不如自然時效效果好，但時間短。例：含4％Cu的鋁合金，固溶強化后強度為250MPa自然失效后（4－5天）達到400MPa。強化機理：

在鋁的過飽和固溶體晶格內(nèi)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)及鋁化物且與固溶體保持共格關系，使得晶格嚴重畸變，使位錯運動受到阻礙，提高了合金的強度。

2、對變形鋁合金通過冷變形加工硬化，使強度提高。

3、固溶強化合金元素溶入鋁晶格中形成有限固溶體，使合金強度提高。如硅銅鎂錳等。

4、加入變質(zhì)劑，進行變質(zhì)處理—細晶強化。例：Al－Si鑄造合金，澆鑄前加入2－3％鈉鹽混合物（2/3NaF+1/3NaCl-變質(zhì)劑），結晶時產(chǎn)生大量晶核，獲得細晶粒，合金的強度和塑性都得以提高。鋁硅合金變質(zhì)處理前鋁硅合金變質(zhì)處理后特點點：：合金金元元素素少少，，熱熱處處理理強強化化不不起起作作用用，，只只能能用用加加工工硬硬化化的的方方法法強強化化。。三、、常常用用鋁鋁合合金金鋁合合金金分分為為兩兩大大類類：：變變形形鋁鋁合合金金、、鑄鑄造造鋁鋁合合金金（一一））變變形形鋁鋁合合金金變形形鋁鋁合合金金按按其其性性能能和和用用途途分分為為：：防銹銹鋁鋁合合金金、、硬硬鋁鋁合合金金、、超超硬硬鋁鋁合合金金和和鍛鍛鋁鋁合合金金。。1、、防防銹銹鋁鋁主要要合合金金元元素素：：Mn，，Mg常用用牌牌號號：LF5、、LF11、、LF21等L－－鋁鋁F－－防防銹銹數(shù)字字－－順順序序號號用途途：：制制造造油油箱箱、、油油管管等等。用途途：：制造造鉚鉚釘釘、、螺螺旋旋槳槳葉葉片片等等。3、、超超硬硬鋁鋁合合金金特點點：：可用用熱熱處處理理時時效效強強化化，，也也可可冷冷變變形形加加工工硬硬化化。。2、、硬硬鋁鋁合合金金主要要合合金金元元素素：：Cu－－Mg常用用牌牌號號：：LY1、、LY11等等。。L－－鋁鋁Y－－硬硬數(shù)數(shù)字字－－順順序序號號主要要合合金金元元素素：Zn－－Mg－－Cu常用用牌牌號號:LC4LC6L－－鋁鋁C－－超超硬硬數(shù)數(shù)字字－－順順序序號號特點點：這類類鋁鋁合合金金是是經(jīng)經(jīng)固固溶溶處處理理和和時時效效硬硬化化后后強強度度最最高高的的一一種種鋁鋁合合金金。。用途途：：制制造造飛飛機機大大梁梁、、蒙蒙皮皮等等。特點點：：具有有良良好好的的鍛鍛造造成成型型性性，，可可固固溶溶處處理理+人人工工時時效效強強化化。。用途途：：制造造直直升升飛飛機機的的葉葉片片、、航航空空發(fā)發(fā)動動機機活活塞塞。4.鍛鍛鋁鋁合合金金主要要合合金金元元素素：Mg－－Si－－Cu,Cu－－Mg－－Ni常用用牌牌號號：LD5LD7L－鋁D－鍛鍛造數(shù)數(shù)字－順序序號四、鑄造鋁鋁合金用途：鑄造鋁合金金主要用于于制造重要要的形狀復復雜的鋁合合金零件，，例如汽車車、拖拉機機發(fā)動機的的活塞等。。合金系：Al－SiAl－CuAl－MgAl－－Zn牌號表示方方法：字母“ZL”＋三位位數(shù)字ZL－鑄鋁鋁;第一位數(shù)字字表示合金金類別1－表示鋁鋁硅系，2－表示鋁鋁銅系3－表示鋁鎂系系，4－表示鋁鋁鋅系第二、三三位數(shù)字表表示順序號號。例如：ZL102、、ZL202、LZ302等。特點：鑄造性能好好（Al-Cu合金金差）1、工業(yè)純純銅（又又稱紫銅））物理性能：：密度為8.93g/cm3，熔點為1083℃℃，呈面心立立方晶格，，表現(xiàn)出優(yōu)優(yōu)異的冷、、熱壓力加加工性能，，導電、導導熱性能好好。強度度低，不能能作為結構構材料使用用。應用：電線線、電纜第二節(jié)銅銅及合金2、黃銅：化學成分：主要元素是是銅和鋅。。含鋅量0－50％％。呈淡黃色。性能特點：強度高（比比鋁合金高高）；耐磨磨性和耐海海水腐蝕性性好，都優(yōu)優(yōu)于鋁合金金和碳鋼。。黃銅普通黃銅Cu－Zn合金，H59、H62、、H70等等H－黃銅數(shù)數(shù)字－Cu%應用：水管管、油管、、散熱器等等。特殊黃銅普通黃銅基基礎上加入入AlMnPbSi進一步提高高強度、硬硬度、耐磨磨性和耐蝕性。牌號：HPb59-1表表示含鉛黃黃銅，Cu%=59Pb%=1應用：制造船舶、、化工中的的高強耐蝕零件鐘表表、機械的的軸瓦耐磨零件等等分類、牌號號及應用：：3、青銅主要成分：：Cu-Sn合金金，應用最最早合金。。近代又發(fā)發(fā)展了含Al、Si、Be、、Mn、Pb的銅合合金，習慣慣上也都稱稱為青銅。。特性：具有有極高的耐耐磨性并耐耐蝕性好。。牌號：Q+元素符符號＋含量量QSn4-3QAl5ZQSn10-5等等（3％Zn）（（5％％Pb）應用：耐磨磨件如齒輪輪、軸套、、蝸輪，儀儀器上的彈彈簧，耐磨和和抗磁零件件理想的軸承承合金的組組織應是軟軟基體上均均勻分布著著硬質(zhì)點。。軟的基體體被磨損下下凹，可貯貯存潤滑油油并形成連連續(xù)的油膜膜；硬質(zhì)點點則凸起來來支撐軸頸頸，使軸承承和軸頸的的實際接觸觸面積小，，減小摩擦擦。如圖示示：第三節(jié)滑滑動軸承承合金用于制造滑滑動軸承及及其內(nèi)襯的的合金一、性能要要求1、要求軸承合合金必須具具有足夠的的抗壓強度度和疲勞強強度。2、足夠的的塑性和韌韌性。3、、低的的摩摩擦擦系系數(shù)數(shù)4、、良良好好的的導導熱熱性性和和小小的的膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)。二、、分分類類及及主主要要成成分分錫基基軸軸承承合合金金Sn+銻銻（（Sb））和和銅銅鉛基基軸軸承承合合金金Pb+Sb+Sn+Cu還有有銅銅基基軸軸承承合合金金、、鋁基基、、等等四、、工工業(yè)業(yè)中中常常用用的的軸軸承承合合金金工業(yè)業(yè)上上稱稱巴巴氏氏合合金金（（巴巴比比特特合合金金））（（錫錫基基和和鉛鉛基基軸軸承承合合金金））錫銻銻合合金金ZchSnSb11-6鉛銻銻合合金金ZChPbSb16-16-2(16%Sb,16%Sn,2%Cu)三、、牌牌號號表表示示方方法法：ZCh+基基本本元元素素符符號號＋＋主主加加元元素素符符號號＋＋含含量量＋＋輔輔加加元元素素平平均均含含量量例：：ZChSnSb11-6ZCh－－鑄鑄造造軸軸承承Sn－－基基本本元元素素是是錫錫Sb11－－銻銻含含量量為為11％％6－－銅銅含含量量6％％軟基基體體是是Sb溶溶于于Sn形形成成的的固固溶溶體體呈呈暗暗黑黑色色；；硬質(zhì)質(zhì)點點是是SnSb,ββ相相呈呈白白方方塊塊用途途：：澆澆注注大大型型