有色金屬(工程材料課件)

第8章有色金屬及其合金Contents8.1鋁及其合金18.2銅及其合金28.3鈦及其合金38.4軸承合金48.5粉末冶金與硬質(zhì)合金5TransitionalPage鋁及鋁合金的特點(diǎn)：1、密度小，比強(qiáng)度高。2.7g/cm32、有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能導(dǎo)電性僅次于銀、銅、金。耐大氣腐蝕，磁化率低。3、加工性能良好：塑性好可冷成型；切削性能好；可熱處理強(qiáng)化。鑄造性能好。8.1鋁及其合金8.1.1工業(yè)純鋁

純鋁，f.c.c，熔點(diǎn)660℃，比重2.7g/cm3，無同素異晶轉(zhuǎn)變。其特點(diǎn)是密度小，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、抗蝕性好。工業(yè)純鋁具有極好的塑性，延伸率達(dá)到30—50%，斷面收縮率達(dá)到80%，可進(jìn)行各種加工、制成板材、箔材、線材、帶材及型材，但是強(qiáng)度過低，適用于制造電纜、電器零件、裝飾件及日常生活用品。8.1.2鋁合金分類及時(shí)效強(qiáng)化1.鋁合金分類鋁合金常用：AL-SiAL-CuAL-MgAL-Mn等合金系。鋁合金

淬火固溶處理僅造成過飽和無強(qiáng)化效果

時(shí)效強(qiáng)化第2相析出時(shí)強(qiáng)化鋼淬火馬氏體強(qiáng)化固溶強(qiáng)化

回火塑韌化碳化物析出

2.鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化（熱處理原理）固溶處理將鋁合金加熱到固溶化溫度，保溫一定時(shí)間，迅速淬入水中造成過飽和強(qiáng)化。時(shí)效強(qiáng)化

將固溶處理后的鋁合金，在室溫或某一溫度下放置一定時(shí)間，其機(jī)械性能隨時(shí)間而發(fā)生顯著變化二戰(zhàn)期間在鋁AlCu4%合金中首次發(fā)現(xiàn)Al4％Cu合金固溶處理形成過飽和α相（θ相來不及析出，α相屬于置換型固溶體晶格畸變不嚴(yán)重，強(qiáng)化效果不明顯）

1形成富銅區(qū)，且與α相共格，晶格畸變加劇，合金強(qiáng)度、硬度開始升高

Al-4％Cu合金時(shí)效

2在富銅區(qū)中形成Cu原子有序化析出過渡相θ``相，此時(shí)θ``仍與α相共格，在脫離共格過程中造成晶格畸形，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，宏觀強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步提高提高自然時(shí)效：原子擴(kuò)散能力不足常進(jìn)行1、2階段3θ``相成分達(dá)到CuAl2，形成過渡相θ`，此時(shí)尚未完全從母相中脫離出來，強(qiáng)化達(dá)到峰值人工時(shí)效：加熱，原子擴(kuò)散能力強(qiáng)，第1、2階段時(shí)間很短，可直接加入第3、4階段4從θ`相過渡到穩(wěn)定的θ相，完全脫離母相，晶格畸變消失，強(qiáng)化效果開始下降。凡是具有時(shí)效強(qiáng)化的合金均有“回歸”現(xiàn)象，即將時(shí)效強(qiáng)化后的鋁合金，加熱至230－250℃、短時(shí)間保溫（幾秒或幾分），迅速入水冷卻，時(shí)效強(qiáng)化效果將消除，合金又重新軟化，又可繼續(xù)進(jìn)行加工。如再在室溫下放置，則又能發(fā)生正常的自然時(shí)效，回歸現(xiàn)象可進(jìn)行多次。8.1.3形變鋁合金鋁合金型材鋁合金鉚釘螺釘8.1.4鑄造鋁合金Al-Si合金，Si10－13％，其共晶點(diǎn)為11.6%Si，鑄造性能好，但共晶組織粗大，加熱變質(zhì)劑，使相圖共晶點(diǎn)左移、獲得初晶α相＋細(xì)化共晶體ZAL102變質(zhì)前ZAL102變質(zhì)后常用鑄造鋁合金Al-SiZL101ZAlAl-CuZL201ZAlAl-MgZL301ZAlAl-MnZL401ZAl

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞常用鋁合金制造，初始使用灰鑄鐵，1911年開始研制鋁合金。1920年Al-Cu-Ni-Mg系活塞研制成功投入使用，汽油機(jī)活塞11-16m/s、柴油機(jī)活塞6-8.5m/s?；钊Ｒ娖茐挠袕?qiáng)制振動(dòng)、穴蝕、敲缸等?，F(xiàn)在有四大系列，Al-Cu-Si系列（Lautal）；Al-Cu-Ni-Mg（Y合金）；Al-Si-Ni-Mg（Lo-Ex合金）；過共晶Al-Si系（高硅合金）高鐵鋁硅合金鑄造組織鋁硅活塞合金鑄造組織高硅活塞合金鑄造（熱處理前）高硅活塞合金鑄造（熱處理后）鋁鎂合金鑄造組織鋁銅合金鑄造組織8.2銅及其合金

銅及合金是應(yīng)用廣泛的有色金屬之一，它具有以下特點(diǎn)：（1）優(yōu)異的物理、化學(xué)性能（2）良好的加工性（3）某些特殊機(jī)械性能（4）色澤美觀

8.2.1純銅（紫銅）純銅呈紫紅色，f.c.c，熔點(diǎn)1083℃，無同素異晶轉(zhuǎn)變，比重8.98g/cm3常用于制造導(dǎo)電體及配制合金。純銅的強(qiáng)度不高（抗拉強(qiáng)度200-250Mpa）硬度低（40-50HBS）；塑性好（延伸率45-55%）不宜作結(jié)構(gòu)材料。純銅退火組織導(dǎo)電紫銅帶厚壁紫銅管薄壁紫銅管紫銅管接頭表面淬火感應(yīng)線圈紫銅鎮(zhèn)尺紫銅香爐（大明宣德年制款）

8.2.2銅合金

1黃銅（Cu-Zn合金）壓力加工黃銅和鑄造黃銅

壓力加工黃銅：H68、H70、H80等即七三黃銅（Cu70%,Zn30%左右），為單相黃銅（Zn<39%），塑性好（Zn32%時(shí)延伸率最高），深沖性能好，適于冷沖、冷拉板材、線材等，有彈殼黃銅之稱，也可熱加工；H62、H59等即六四黃銅，強(qiáng)度較好（Zn39-45時(shí)抗拉強(qiáng)度最高），塑性差，在456℃，塑性好，只適合熱加工，常用作鉚釘、螺帽、墊圈等。黃銅為銅和鋅的合金，金屬光澤由隨鋅含量增加由橙紅色轉(zhuǎn)為黃色。黃銅退火組織1980年莫斯科奧運(yùn)會(huì)火炬2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)火炬

2、青銅（Cu-Sn合金）

鑄造、退火條件下，Sn<5％，α單相錫青銅，f.c.c，塑性好，因銅原子析出困難，α相呈樹枝狀。Sn>5％，（α＋δ）共析體錫青銅，有一定強(qiáng)度、硬度、塑性，疲勞強(qiáng)度較高，耐磨、耐蝕性較好。錫青銅機(jī)械性能隨Sn含量變化，Sn量增加，其強(qiáng)度增加。

Sn>7％，出現(xiàn)δ相，塑性下降。青銅加入鉛、鋁等還可構(gòu)成鉛青銅、鋁青銅等多種青銅。Sn>20％后，塑性、強(qiáng)度明顯下降，失去應(yīng)用價(jià)值。錫青銅在大氣和海水中耐蝕性較好。工業(yè)用錫青銅Sn3－14％。Sn5－7％為壓力加工青銅，強(qiáng)度較高，塑性較好HB180，用作彈簧、軸承襯、軸瓦等。Sn10－14％為鑄造錫青銅，強(qiáng)度、塑性較低，HB90，用作這速中載軸承等耐磨件。

3、白銅（Cu-Ni合金）

中間白色銅鎳合金CU-Zn-Ni合金

8.3鈦合金

鈦及其鈦合金具有密度小，比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕以及良好低溫韌性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)資源豐富，應(yīng)用廣泛。但是目前鈦及鈦合金加工條件復(fù)雜，成本較昂貴。

鈦屬于難熔稀有金屬，熔點(diǎn)1672℃。1790年發(fā)現(xiàn)鈦元素，20世紀(jì)40年代末才建立鈦生產(chǎn)工業(yè)。工業(yè)上采用鎂或鈉從金紅石和鈦鐵礦中還原四氯化鈦。這樣的金屬鈦呈疏松多孔的海綿狀，稱為海綿鈦。再經(jīng)自耗熔煉變成金屬鈦后再加工或鑄造。金紅石鈦鐵礦攀枝花鈦礦

鈦的珍貴性在于比重小，強(qiáng)度高。鈦比鐵強(qiáng)韌的多，比重卻僅為鐵的一半多點(diǎn)，而且不會(huì)生銹；鈦比鋁的比重大不足2倍，但是強(qiáng)度是鋁的3倍，而且耐熱性遠(yuǎn)高于鋁。鈦合金的性能更加優(yōu)良，鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍。比強(qiáng)度是目前工業(yè)金屬中最高的。鈦合金在540℃的比強(qiáng)度高于鋼，這種優(yōu)點(diǎn)首先應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。鈦合金又能抗住200℃低溫而不破壞。鈦合金是現(xiàn)代超音速飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)等可缺少的材料。

美國(guó)F14A和F15A飛機(jī)用鈦及其它材料的比重：鈦合金25％；鋁合金35％37.5％；鋼17％5.5％；復(fù)合材料1.2％；其它30.2%。鈦合金作為耐熱和耐蝕材料，在許多情況下可以替代鎂合金和鋁合金，也可代替不銹鋼。應(yīng)用于化工、石油、發(fā)電、冶金等部門。

工業(yè)純鈦室溫拉伸強(qiáng)度在35－70kg/mm2（Mpa）具有很高的工藝塑性（延伸率30％），適合冷態(tài)下加工成型為各種板材結(jié)構(gòu)件和沖壓件（飛機(jī)上受力不大的部件）。焊接性能好。典型牌號(hào)是TC1。

工業(yè)上使用的鈦合金大多數(shù)是（α＋β）雙相的。它們兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的塑性、容易鍛造、壓延和沖壓，并可以淬火時(shí)效強(qiáng)化。最常用的是TC4（Ti－6Al－4V）等。

鈦在含氧環(huán)境中生成薄而堅(jiān)固的氧化物薄膜，氧化膜與基體結(jié)合牢固，破壞后能夠自愈，耐氧化溶液和氯化物溶液的腐蝕，最突出的是耐工業(yè)腐蝕氣氛及海水腐蝕。在海洋環(huán)境中腐蝕速率9.03×10-5mm/年；鈦合金具有良好的耐應(yīng)力腐蝕的能力，還具有耐淡水和海水的腐蝕疲勞性能。在靜止海水中數(shù)年仍非常光亮。鈦合金在海水中的腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。

鈦及合金在工業(yè)生產(chǎn)和飛機(jī)業(yè)中應(yīng)用有30多年歷史，目前飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造部門仍是使用大戶。逐漸民用化，尤其是在海洋工程中的應(yīng)用。影響鈦合金使用的主要問題是價(jià)格昂貴，這是目前研究和開發(fā)的關(guān)鍵。鈦合金鍛造模擬鈦合金板、棒、線材鈦合金生產(chǎn)各種鈦合金零件鈦合金與我們的生活8.4軸承合金

常用軸承：滾動(dòng)軸承，承載能力較低，一般機(jī)械采用滑動(dòng)軸承。軸承合金是制造滑動(dòng)軸承的軸瓦及內(nèi)襯的材料。軸承支撐著軸，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦和軸發(fā)生摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷8.4.1滑動(dòng)軸承合金的性能要求與組織滑動(dòng)軸承性能要求：在常溫和工作溫度下，有一定的承載能力和疲勞強(qiáng)度，有足夠的塑、韌性，使軸與軸瓦之間配合良好，低的摩擦系數(shù)，良好的導(dǎo)熱性，低的膨脹系數(shù)，良好的耐蝕性，以防止溫升和軸咬合。與軸配合基本原則：保軸不保瓦。組織要求：軟基體＋硬質(zhì)點(diǎn)或硬基體＋軟質(zhì)點(diǎn)；軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)，其體積約占15－30％，軸工作時(shí)，軟基體凹陷貯存潤(rùn)滑油，提高耐磨性，而硬質(zhì)點(diǎn)為凸出部分起支撐軸，承載的作用灰口鑄鐵：硬基體（珠光體等）＋軟質(zhì)點(diǎn)（石墨）；

低速軸承鋁基黃銅軸瓦鉛黃銅軸瓦

8.4.2錫基軸承合金（巴氏合金）錫基：ZCHSnSb11Cu6

銻11％銅6％軟基體為α相（Sb在Sn中的固溶體）HB30，硬質(zhì)點(diǎn)為β`相（SnSb化合物）HB110，加入銅是形成Sb6Cu5化合物，防止因β`輕上浮而引起的成分偏析。性能：摩擦系數(shù)小、膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、抗蝕性好、工業(yè)性好。主要軸承，大型機(jī)器中的高速軸承，如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等。錫基軸承合金組織剖分式軸瓦

8.4.3鉛基軸承合金（巴氏合金）鉛基：ZCHPbSb16Sn16Cu216％銻16％錫2％銅，軟基體為（α＋β）共晶體HB6-8，硬質(zhì)點(diǎn)為SNSb化合物，HB30，加入銅的作用同上。性能：沒有Sn基巴氏合金好