第8章有色金屬及其合金

第9章有色金屬及其合金有色金屬：除Fe、Cr、Mn之外的其它所有金屬。共83種，可分為：①重金屬：相對(duì)密度大于3.5，如Cu、Ni、Co、Pb、Zn等；②輕金屬：相對(duì)密度小于3.5，如Al、Mg、Na、K等；③貴金屬:貴重或可制造貨幣用的金屬，如Au、Ag、Pt、Pd、Rh等；④半金屬:物理性質(zhì)介于金屬與非金屬之間，如Si、Te、Ge、B等：⑤稀有金屬:指相對(duì)較為稀缺或產(chǎn)量很少的金屬，分為：稀有輕金屬：如Ti、Be、Li等；稀有難熔金屬：如W、Mo、Nb、Zr、V等；稀有重金屬:如Ga、In、Tl等；稀土金屬:如Y、La等：稀有放射性金屬:如Ra、U、Th、Ac等.有色金屬有許多優(yōu)良特性，具有廣泛應(yīng)用。如飛機(jī)制造中用相對(duì)密度小的鋁、鎂、鈦等合金；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞常用鋁合金制造；銀、銅、鋁等是電氣、儀表工業(yè)不可缺少的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料；鎢、鉬，鉭，鈮及其合金是制造高溫零件及真空元件的理想材料；此外，在空間技術(shù)、原子能、計(jì)算機(jī)、電子等新型工業(yè)部門(mén)，有色金屬材料也占有極重要的地位。我國(guó)有色金屬資源豐富，鎢、錫、鉬、銻、汞，鉛、鋅和稀土金屬儲(chǔ)量居世界前列。本章主要介紹工業(yè)生產(chǎn)中常用的鋁及其合金、銅及其合金以及鈦及其合金，重點(diǎn)討論它們的合金化原理、組織、性能和用途。第1節(jié)鋁及其合金工業(yè)生產(chǎn)用量?jī)H次于鋼鐵，居有色金屬首位。特點(diǎn)：質(zhì)輕，比強(qiáng)度和比剛度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，耐腐蝕。應(yīng)用：宇航、航空等工業(yè)的主要原材料，建筑、運(yùn)輸、電力等各個(gè)領(lǐng)域。1.純鋁純鋁的特性:

●純鋁呈銀白色，密度2.7g·cm-3，熔點(diǎn)660℃，面心立方，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；

●導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；

●化學(xué)性質(zhì)活潑，大氣中生成致密氧化膜，防止繼續(xù)氧化，大氣中耐蝕性好；

●

堿、鹽和大多數(shù)酸性溶液(如硫酸、鹽酸等)中，易被腐蝕。

●易于加工制成各種制品。

●鋁中常含許多雜質(zhì)（主要是鐵、硅，還有銅、鋅、鎂、錳、鎳和鈦等），隨雜質(zhì)含量↑，純鋁強(qiáng)度↑，導(dǎo)電性、耐蝕性和塑性↓。純鋁的牌號(hào)及用途:

牌號(hào):

純鋁不能熱處理強(qiáng)化，唯一手段是冷加工硬化，強(qiáng)度低。

高純Al：原LG5－1，LG5純度最高，新1A99~1A85工業(yè)純Al：L1－6，L6純度最低，新如1070、1030等

用途:主要用作導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料，制備鋁合金和用于化學(xué)工業(yè)。2.鋁的合金化純鋁強(qiáng)度、硬度都很低，難以用作工程結(jié)構(gòu)材料。鋁中適量加入某些合金元素，再經(jīng)冷變形或熱處理，可大幅度↑其力學(xué)性能（主要是強(qiáng)度、硬度）。固態(tài)鋁無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能像鋼一樣借助于熱處理相變強(qiáng)化。合金元素的強(qiáng)化作用主要為固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、過(guò)剩相強(qiáng)化和細(xì)化組織強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化

:合金元素加入純Al中，形成鋁基固溶體，使晶格發(fā)生畸變，↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，↑強(qiáng)度。合金元素的固溶強(qiáng)化能力與其本身性質(zhì)及固溶度有關(guān)，總體講固溶強(qiáng)化效果不高，因此鋁的強(qiáng)化不能只依靠固溶強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化:主要強(qiáng)化手段，基體中造成較強(qiáng)烈應(yīng)變場(chǎng)，↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力。通過(guò)熱處理（固溶時(shí)效）析出沉淀相實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，也稱(chēng)時(shí)效強(qiáng)化。條件：①合金元素在鋁中有較高的極限溶解度和明顯的溫度關(guān)系；

②沉淀過(guò)程中形成性能好、均勻、彌散的共格或半共格過(guò)渡強(qiáng)化相。Cu、Mg、Zn、Si、Li等主加元素在鋁中均有較高溶解度，并隨溫度↓而急劇↓，但除銅外，與鋁形成的沉淀相或因共格界面錯(cuò)配度低使應(yīng)變場(chǎng)較弱，或因預(yù)沉淀階段短，很快與基體喪失共格關(guān)系而形成非共格平衡相，難以充分滿足上述沉淀強(qiáng)化條件。因此通常在二元鋁合金中加入第三或第四組元，如Al-Cu-Mg、A1-Mg-Si、A1-Zn-Mg、Al-Li-Cu、A1-Cu-Mg-Zn、A1-Cu-Mg-Si、A1-Li-Cu-Mg等，形成好的沉淀強(qiáng)化相。過(guò)剩相強(qiáng)化:過(guò)剩相：鋁中合金元素含量超過(guò)其極限溶解度時(shí)，淬火加熱時(shí)一部分不能溶入固溶體而形成的第二相。過(guò)剩相多為硬而脆的金屬間化合物，起阻礙位錯(cuò)滑移和運(yùn)動(dòng)的作用，合金強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓。過(guò)剩相在一定限度內(nèi)，數(shù)量越多強(qiáng)化效果越好，但超過(guò)該限度時(shí)，合金由于過(guò)脆反而使強(qiáng)度急劇↓。過(guò)剩相強(qiáng)化是二元鋁硅合金的主要強(qiáng)化手段，過(guò)剩相為硅晶體。隨硅含量↑，硅晶體數(shù)量↑，合金強(qiáng)度、硬度相應(yīng)↑；當(dāng)硅含量超過(guò)共晶成分時(shí)，由于過(guò)剩相數(shù)量的過(guò)多以及多角形的板塊初晶的出現(xiàn)，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和塑性急劇↓，因此二元鋁硅合金中的含硅量一般不宜超過(guò)其共晶成分太多。細(xì)化組織強(qiáng)化:包括細(xì)化基體(包括細(xì)化晶粒、亞結(jié)構(gòu)及增加位錯(cuò)密度)和細(xì)化過(guò)剩相。沉淀效果不大的鋁合金，常采用加入微量合金元素進(jìn)行變質(zhì)處理細(xì)化組織。如鋁硅合金中加微量鈉、鈉鹽或銻細(xì)化組織，可使塑性、強(qiáng)度顯著↑。可沉淀強(qiáng)化鋁合金，加微量鈦、鋯、鈹或稀土形成難熔化合物，作為非自發(fā)晶核細(xì)化基體晶粒；同時(shí)微量元素在沉淀強(qiáng)化處理時(shí)，溶入基體強(qiáng)烈↑鋁合金再結(jié)晶溫度，并呈彌散第二相析出，有效阻止再結(jié)晶過(guò)程及晶粒的長(zhǎng)大。此外，還可采用快速冷卻的方法，增加合金的過(guò)冷度，來(lái)細(xì)化晶粒。變形強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化相結(jié)合，即↑強(qiáng)度，又↑塑韌性，這種方法非常適合于沉淀強(qiáng)化相的析出強(qiáng)烈依賴于位錯(cuò)等晶體缺陷的鋁合金。形變熱處理:Al合金中常用合金元素:Cu：通過(guò)固溶、沉淀強(qiáng)化強(qiáng)烈↑合金的室溫強(qiáng)度；↑耐熱性。高強(qiáng)度鋁合金及耐熱鋁合金的主要合金元素。Mg：固溶強(qiáng)化效果較好，↓密度，具有良好的抗蝕性；沉淀強(qiáng)化效果小，須與其它元素配合加入。Mn：固溶度較低。產(chǎn)生的MnAl6相與Al電位相近，抗蝕性好，防銹鋁合金中常加Mn。Si：固溶度較低，且沉淀強(qiáng)化效果不大，主要借助于過(guò)剩相強(qiáng)化。二元Al-Si系合金共晶點(diǎn)較低，易于鑄造，是鑄造鋁合金基礎(chǔ)成分。Si和Mg可形成強(qiáng)化效果好的Mg2Si沉淀相。Zn：鋁中溶解度很大，固溶強(qiáng)化能力強(qiáng)，少量鋅即能↑鋁合金強(qiáng)度及抗蝕性。

多元鋁合金中鋅易形成沉淀強(qiáng)化相，顯著↑合金的沉淀強(qiáng)化效果。Li：近年來(lái)引起普遍關(guān)注的重要鋁合金添加元素?！X合金密度，顯著↑彈性模量。固溶強(qiáng)化能力有限，但時(shí)效甚至淬火中迅速形成的A13Li有序沉淀相，強(qiáng)化能力很強(qiáng)。此外：鋁合金中還常加入鈦、鋯、鉻、釩等微量元素，以改善合金綜合性能，

稀土在鋁合金中的應(yīng)用正逐漸擴(kuò)大，其作用為↑成分過(guò)冷度，細(xì)化晶粒，球化雜質(zhì)相，降低熔體表面張力，增加流動(dòng)性，改善工藝性能等。不可熱處理強(qiáng)化可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金鑄造鋁合金3.鋁合金的分類(lèi)據(jù)合金元素不同變形鋁合金分為如下系列，采用4位字符表示牌號(hào)：4.鋁合金的熱處理退火:再結(jié)晶退火

經(jīng)變形的工件加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫后空冷，消除加工硬化，改善合金塑性，以便繼續(xù)成形加工。低溫退火

再結(jié)晶溫度以下保溫后空冷，目的是消除內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)↑塑性，利于隨后進(jìn)行小變形量成形加工，同時(shí)保留一定的加工硬化效果。是不可熱處理強(qiáng)化鋁合金通常采用的熱處理方法。低溫退火的溫度一般在180—300℃。均勻化退火即擴(kuò)散退火，消除鋁合金鑄件成分偏析及內(nèi)應(yīng)力，↑塑性，↓加工及使用過(guò)程中變形開(kāi)裂傾向，通常在高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后爐冷或空冷。要進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理的鑄件，均勻化退火可與固溶處理合并進(jìn)行，因淬火加熱時(shí)即可實(shí)現(xiàn)均勻成分和消除應(yīng)力的目的。固溶處理:

加熱到固溶線以上保溫后快冷，得溶質(zhì)和空位雙重過(guò)飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效作準(zhǔn)備。固溶后，塑性、耐蝕性顯著↑，強(qiáng)度↑不大。固溶應(yīng)注意：1)溫度范圍很窄，加熱溫度必需超過(guò)固溶線，但過(guò)高又會(huì)引起過(guò)熱或過(guò)燒。2)加熱一般用鹽爐或爐氣循環(huán)電爐以精確控制爐溫。冷卻介質(zhì)最常用的是水。3)注意加熱溫度和保溫時(shí)間，防止晶粒長(zhǎng)大。時(shí)效處理:時(shí)效：淬火后的鋁合金過(guò)飽和固溶體在一定溫度下隨時(shí)間增長(zhǎng)而分解，沉淀強(qiáng)化相從過(guò)飽和固溶體中的析出和長(zhǎng)大，合金強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象。室溫下合金自發(fā)時(shí)效稱(chēng)為自然時(shí)效，人工溫度下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)人工時(shí)效。最大時(shí)效強(qiáng)化效果對(duì)應(yīng)于過(guò)飽和固溶體分解出共格或半共格亞穩(wěn)平衡過(guò)渡相，亞穩(wěn)相的數(shù)量越多，彌散度越大，強(qiáng)化效果就越大。欠時(shí)效：合金強(qiáng)度不發(fā)生變化或變化很小，為過(guò)飽和溶質(zhì)原子偏聚或亞穩(wěn)相孕育析出時(shí)期；峰時(shí)效：合金獲得增強(qiáng)效果最大的階段，組織中強(qiáng)化相多為亞穩(wěn)平衡相；

過(guò)時(shí)效：亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀?，與基體脫離共格關(guān)系，應(yīng)力場(chǎng)顯著↓，合金明顯軟化。時(shí)效沉淀序列：過(guò)飽和固溶體→過(guò)飽和原子富集區(qū)→過(guò)渡沉淀相(亞穩(wěn)平衡相)→平衡沉淀相時(shí)效強(qiáng)化影響因素:化學(xué)成分：

鐵、鎳基本不溶于鋁；硅、錳在鋁中溶解度很?。绘V、鋅雖然溶解度較大，但與鋁形成的化合物強(qiáng)化效果弱。因此，A1-Fe、A1-Ni、Al-Si、Al-Mn、A1-Mg、A1-Zn等一般不進(jìn)行時(shí)效處理。若合金元素可在時(shí)效過(guò)程中形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的GP區(qū)，并引起基體畸變，進(jìn)而形成穩(wěn)定的強(qiáng)化相，如CuAl2等，就可起到較大的強(qiáng)化效果。熱處理工藝一般在不發(fā)生過(guò)熱、過(guò)燒的條件下，可↑淬火加熱溫度、保溫時(shí)間，以獲得較大過(guò)飽和度的均勻固溶體。其次，淬火冷卻時(shí)要避免析出第二相。時(shí)效溫度過(guò)低，溶質(zhì)原子擴(kuò)散困難，GP區(qū)不易形成；溫度過(guò)高，析出相晶核尺寸大，數(shù)量少。Ts=(0.5—0.6)Tr，Ts為最佳時(shí)效溫度，Tr為合金的熔點(diǎn)。時(shí)效方式單級(jí)時(shí)效：最簡(jiǎn)單、普遍采用，但組織均勻性差，難于獲得良好綜合性能。包括自然時(shí)效和人工時(shí)效。鋁合金自然時(shí)效以GP區(qū)強(qiáng)化為主，塑性較高，強(qiáng)度較低；人工時(shí)效以過(guò)渡沉淀相強(qiáng)化為主，強(qiáng)度較高，塑性較差。分級(jí)時(shí)效：不同溫度下進(jìn)行兩次時(shí)效或多次時(shí)效處理，分為預(yù)時(shí)效和最終時(shí)效。預(yù)時(shí)效溫度一般較低，目的是形成高密度的GP區(qū)；最終時(shí)效通過(guò)調(diào)整沉淀相的結(jié)構(gòu)和彌散度達(dá)到預(yù)期性能要求。因此分級(jí)時(shí)效可獲得好的綜合性能。鋁合金的回歸現(xiàn)象:

自然時(shí)效后的鋁合金，在200～250℃作短時(shí)間加熱后快冷至室溫，性能恢復(fù)到淬火狀態(tài)，并能進(jìn)行自然時(shí)效的現(xiàn)象稱(chēng)為回歸。

回歸原因：當(dāng)加熱到稍高于GP區(qū)固溶線的溫度時(shí)，通過(guò)時(shí)效而形成的小尺寸GP區(qū)不穩(wěn)定而迅速溶解，但由于保溫時(shí)間短，過(guò)渡相與穩(wěn)定相來(lái)不及形成，此時(shí)將合金快冷到室溫，則又恢復(fù)到新淬火狀態(tài)?；貧w現(xiàn)象在生產(chǎn)中具有重要意義，如時(shí)效后的鋁合金工件，可在回歸后的塑性狀態(tài)進(jìn)行各種冷變形操作。一切能時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，大都有回歸現(xiàn)象，且同一合金可進(jìn)行多次回歸，但每次回歸后強(qiáng)度有所下降，抗蝕性↓。鋁合金的晶界無(wú)沉淀帶現(xiàn)象:

人工時(shí)效后在晶界附近存在沒(méi)有沉淀相的區(qū)域，稱(chēng)無(wú)沉淀帶或無(wú)析出帶。沿晶界兩側(cè)形成無(wú)沉淀帶，析出粗大的第二相質(zhì)點(diǎn)，在合金基體上生成極細(xì)的GP區(qū)或過(guò)渡相，無(wú)沉淀帶的寬度隨合金成分和熱處理工藝不同而變化。原因：①淬火加熱使空位濃度↑，快冷后溶質(zhì)原子和空位過(guò)飽和。晶界是空位的理想陷阱，過(guò)飽和固溶體在放置及加熱中空位進(jìn)入晶界，使晶界兩側(cè)出現(xiàn)空位貧乏帶，此處溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度小，時(shí)效時(shí)不能形成GP區(qū)或沉淀相。②淬火速度較慢時(shí)，晶界兩側(cè)的溶質(zhì)原子擴(kuò)散至晶界，直接在晶界形成過(guò)渡相，使晶界附近出現(xiàn)溶質(zhì)貧乏帶，時(shí)效時(shí)帶內(nèi)不再發(fā)生沉淀，形成溶質(zhì)貧乏無(wú)沉淀帶。無(wú)沉淀帶對(duì)合金性能的影響，至今尚未取得完全一致的意見(jiàn)。消除無(wú)沉淀帶現(xiàn)象措施：

①添加微量元素，如Cr0.2％-0.3％；②

利用分級(jí)時(shí)效，改善脫溶沉淀的分布；③進(jìn)行形變熱處理，改善亞穩(wěn)相析出時(shí)的均勻性和彌散度。5.變形鋁合金防銹鋁:耐蝕性好，強(qiáng)度低（130－280MPa）Al-Mn系：常用來(lái)制造需要彎曲、冷拉或沖壓零件。A1-Mg系：隨Mg含量↑，強(qiáng)度↑，當(dāng)Mg>5％時(shí)，其抗應(yīng)力腐蝕能力下降，多用來(lái)制造管道、容器鉚釘及承受中等載荷零件。固溶強(qiáng)化，無(wú)沉淀強(qiáng)化，故含少量Mn形成的MnAl6相與Al電位相近，抗蝕性好硬鋁:A1-Cu-Mg系

2.2-7.0%Cu，0.2-2.4%Mg，0.3-1.0%Mn

通過(guò)固溶、沉淀強(qiáng)化強(qiáng)烈↑合金強(qiáng)度，Cu還↑耐熱性。強(qiáng)度（300-520MPa）、硬度高，塑韌性和耐蝕性差。分為低(LYl、LYl0)、中(LYll)、高強(qiáng)度硬鋁(LYl2、LY6)、耐熱硬鋁(LY2)。強(qiáng)化相：CuAl2、Mg5Al8、CuMgAl2、A16Mg4Cu。注意嚴(yán)格控制淬火加熱溫度。溫度過(guò)高零件易過(guò)燒、熔化；溫度過(guò)低固溶體過(guò)飽和程度不足。應(yīng)用：航空工業(yè)和儀表制造業(yè)，如常用來(lái)制造飛機(jī)蒙皮、框架、螺旋漿等。超硬鋁:A1-Zn-Mg-Cu系LC2、LC2合金元素：鋅(5-8.6%)、鎂(1-3%)、銅(1-3%)及少量錳、鉻、鈦等。強(qiáng)化：固溶、沉淀強(qiáng)化顯著。強(qiáng)化相：CuAl2、CuMgAl2、MgZn2和A12Mg3Zn3性能特點(diǎn)：●變形鋁合金中強(qiáng)度最高(600-700MPa)、熱塑性好、易加工成形?！駪?yīng)力腐蝕敏感性大：

原因：人工時(shí)效后出現(xiàn)無(wú)沉淀帶，并沿晶界析出較粗大MgZn2相，在腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生腐蝕坑。

防止措施：加與空位結(jié)合能大的鉻、鋯等↓空位向晶界逸出，↓無(wú)沉淀帶；淬火后塑性變形↑晶界層位錯(cuò)密度；分級(jí)時(shí)效、包覆純鋁、噴鍍、陽(yáng)極氧化。應(yīng)用：航空、宇航業(yè)中受力較大、較復(fù)雜而要求密度小的結(jié)構(gòu)件如蒙皮、大梁、桁架、加強(qiáng)框、起落架部件等。鍛鋁:LD××合金含量低，熱塑性好，強(qiáng)度中等300-400MPa，適于生產(chǎn)鍛件。A1-Mg-Si系普通鍛鋁：

目前唯一對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的鋁合金，強(qiáng)化相是Mg2Si。應(yīng)用最廣的是LD31主要用于建筑型材等方面。Al-Mg-Si-Cu系普通鍛鋁LD2、LD5、LD6、LDl0：

強(qiáng)化相Mg2Si、A12CuMg、CuAl2等。銅↓耐蝕性、工藝性能，故加少量錳、鉻↑耐蝕性。制造葉輪、框架、支桿等中等強(qiáng)度、較高塑性及抗蝕性零件。A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁LD7、LD8、LD9主要耐熱相為FeNiAl9。主要制作壓氣機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的渦輪葉片等耐熱零件。6.鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能、抗腐蝕性能和切削加工性能，可制成形狀復(fù)雜的零件，并可通過(guò)熱處理改善鑄件力學(xué)性能，成本較低。鋁－硅系ZL101-1011Si4.5-13%，含少量Cu、Mg、Mn俗稱(chēng)“硅鋁明”，工業(yè)應(yīng)用最廣。鑄造性能優(yōu)良、氣密性高、耐蝕性良好，中等強(qiáng)度，密度低，線收縮率較小，適于鑄造常溫下工作形狀復(fù)雜的零件。組織：鋁基固溶體＋粗大針狀硅共晶＋少量板塊狀初晶硅改善性能：●變質(zhì)處理：細(xì)化組織?！裉砑鱼~、鎂、錳形成時(shí)效強(qiáng)化相。鋁－銅系ZL201-203Cu4.5-11%最大特點(diǎn)是耐熱性高；同時(shí)強(qiáng)度較高。缺點(diǎn)是鑄造性能、耐蝕性較差。多用來(lái)制造200-300℃工作的要求較高強(qiáng)度的零件。

鋁-鎂系ZL301、302,Mg4.5-11.5%，ZL302還含少量Mn又稱(chēng)耐蝕鑄造鋁合金。優(yōu)點(diǎn)：密度小，強(qiáng)度高，耐蝕性好，切削性能良好；缺點(diǎn)：鑄造性能和耐熱性能差。多用于制造腐蝕介質(zhì)條件下承受較大載荷的零件。鋁-鋅系

ZL401（Zn9-13%,Si6-8%)、402(Zn5-7%)優(yōu)點(diǎn)：鑄造性能良好、時(shí)效強(qiáng)化能力強(qiáng)，強(qiáng)度高；鑄態(tài)下即具較高強(qiáng)度，可在不經(jīng)熱處理的鑄態(tài)下直接使用，多用于制造壓力鑄造零件。缺點(diǎn)：耐蝕性差。

7.鋁合金的發(fā)展方向（1）快速凝固新技術(shù)的應(yīng)用

自80年代中期，已用此技術(shù)生產(chǎn)出高強(qiáng)和高溫鋁合金，用于航空、航天業(yè)。機(jī)理：①↑合金元素在基體中的溶解度，并使時(shí)效過(guò)程中析出尺寸均勻彌散、細(xì)小的亞穩(wěn)過(guò)渡相，且體積分?jǐn)?shù)↑↑，合金強(qiáng)度、耐蝕性↑。②

促使雜質(zhì)元素固溶于基體，形成細(xì)小、彌散、均勻分布的質(zhì)點(diǎn)，即可消除雜質(zhì)元素的有害作用，又可產(chǎn)生一定的強(qiáng)化效果。③減小沉淀相的長(zhǎng)大速率，形成穩(wěn)定的彌散強(qiáng)化相，↑高溫力學(xué)性能。普通硬鋁合金工作溫度大于200℃時(shí)，亞穩(wěn)定沉淀相迅速粗化，性能↓★快速凝固高溫合金適于制造高速飛機(jī)的某些結(jié)構(gòu)件及火箭和宇宙飛船上的構(gòu)件，其成本只是鈦合金的30％-50％，飛機(jī)自重↓15％左右。（2）新一代鋁合金——A1-Li系合金新型超輕結(jié)構(gòu)材料A1-Li合金強(qiáng)韌化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制：析出相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒強(qiáng)化，有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，屬可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。時(shí)效析出的彌散亞穩(wěn)球形相A13Li與基體完全共格，強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是主要強(qiáng)化相。A1-Li系合金性能特點(diǎn)：密度小，比強(qiáng)度、比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好。但塑韌性差，缺口敏感性大，加工及產(chǎn)品生產(chǎn)困難。價(jià)格是硬鋁的2-3倍，若海水中萃Li技術(shù)獲成功則可得價(jià)格便宜的Li材料。已開(kāi)發(fā)三個(gè)系列：A1-Cu-Li系、A1-Mg-Li系和AI-Li-Cu-Mg-Zr系。

Li極活潑且很輕(0.533g·cm-3)，儲(chǔ)量豐富。鋁合金中加Li可↓密度，↑性能。如加2％-3％Li，密度↓10％，比剛度↑20％-30％，強(qiáng)度可與LY12媲美。Li含量大于3％時(shí)，韌性明顯↓。因此，其合金中Li含量?jī)H為2％—3％。用A1-Li合金制作飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，可使飛機(jī)減重10％-20％，是在航空、航天領(lǐng)域中很有競(jìng)爭(zhēng)力的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。A1-Li合金塑韌性低，主要與以下因素有關(guān)：1)強(qiáng)化相的析出導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界或夾雜物處塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨Li量↑，合金強(qiáng)度↑，塑韌性↓。2)晶界附近常形成強(qiáng)度比晶內(nèi)強(qiáng)度低的無(wú)析出帶，受力時(shí)首先在無(wú)析出帶內(nèi)屈服，發(fā)生局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生沿晶斷裂。3)加入Mg能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化并強(qiáng)化無(wú)析出帶；同時(shí)加入Cu、Mg并經(jīng)形變熱處理，可析出大量Al2CuMg，使位錯(cuò)分散滑移，↑韌性。4)0.1-0.2％Zr可在晶界或亞晶界處析出A13Zr彌散質(zhì)點(diǎn)，對(duì)晶界有釘扎作用，能抑制合金發(fā)生再結(jié)晶和細(xì)化晶粒，↑韌性。5)鐵、硅、錳等雜質(zhì)存在易形成粗大脆性雜質(zhì)相，↓塑韌性。還要嚴(yán)格控制合金中鈉、鉀、氫等雜質(zhì)元素的含量，防止氫脆的產(chǎn)生。為擴(kuò)大A1-Li合金的應(yīng)用范圍，應(yīng)解決下列問(wèn)題：1)改善現(xiàn)有A1-Li合金的力學(xué)性能，特別是脆性大及各向異性；2)發(fā)展高強(qiáng)韌性的A1-Li合金；3)降低成本；4）發(fā)展精密成形方法，減少切削；5)多組元合金化，在Al-Li基礎(chǔ)上加入銦、鍺、硼和稀土等元素。第2節(jié)鈦及其合金一、概述Ti：稀有金屬，原子序數(shù)22，d＝4.5g/cm3，熔點(diǎn)1668℃。性能特點(diǎn)：

與鋼比，輕、比強(qiáng)度高得多、耐蝕；與鋁比，比強(qiáng)度、比剛度高，耐熱性能好；還具有超導(dǎo)、記憶、儲(chǔ)氫等特殊性能。①輕、強(qiáng)度高（合金化后可達(dá)1400MPa），比強(qiáng)度，比剛度高；②耐蝕（潮濕大氣、海水、Cl－水溶液及酸中耐蝕性超過(guò)不銹鋼）；③固態(tài)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（在882.5℃以上體心立方β-Ti，以下密排六方α-Ti?？赏ㄟ^(guò)熱處理得α、β或(α+β)顯微組織；④導(dǎo)電導(dǎo)熱性較低，無(wú)磁性；⑤氮?dú)庵屑訜峒窗l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸的危險(xiǎn)；⑥能經(jīng)受更大的冷變形，但變形抗力大，加工困難；⑦對(duì)熱鹽應(yīng)力腐蝕具有不同程度的敏感性；⑧高溫下能溶解其氧化物；接近熔點(diǎn)時(shí)在高速氣流中發(fā)生快速氧化。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)發(fā)生葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁摩擦著火，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀壓氣機(jī)。應(yīng)用：

航空、化工、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，作為尖端科學(xué)技術(shù)材料。如F-15戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料鈦合金用量達(dá)7000kg，約占結(jié)構(gòu)重量的34％。

遵義鈦廠、寶雞稀有金屬加工廠。二、工業(yè)純鈦：主要雜質(zhì)：

氧、氮、碳：↑強(qiáng)度↓塑性，一般分別控制在0.15％、0.05％和0.1％以下；

氫：強(qiáng)烈↓鈦沖擊韌性，↑缺口敏感性；

鐵、硅：對(duì)性能影響不強(qiáng)烈，一般分別控制在0.3％和0.15％以下。牌號(hào)：TAD、TA1、TA2、TA3用途：加工成各種規(guī)格的板、管、棒、線及帶材等，用于制造飛機(jī)骨架、船舶出管道及化工冷卻器等重要耐蝕結(jié)構(gòu)零件。雜質(zhì)含量高，強(qiáng)度↑塑性↓不能熱處理強(qiáng)化，只能冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)度較低，350～700MPa（相當(dāng)于鋼）。三、鈦合金：1.常用合金元素及其作用鋁、鋯、釩、鉬、錫、錳、鐵、鉻、銅、硅等?！裥纬晒倘芎蛷浬?qiáng)化，使鈦的抗拉強(qiáng)度從450MPa提高到1200-1500MPa；●影響α→β轉(zhuǎn)變，得到不同組織得鈦合金。Al,Sn：↑強(qiáng)度，不明顯↓塑性。Al還↑熱強(qiáng)性和彈性模量，是鈦合金中應(yīng)用最廣的元素，但超過(guò)7％后會(huì)出現(xiàn)脆性化合物而↓性能。V：

常用的穩(wěn)定β相元素，高溫長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，組織穩(wěn)定。Mn,Fe,Cr：固溶強(qiáng)化效果好，穩(wěn)定β能力強(qiáng)，但高溫組織不穩(wěn)定，抗蠕變差。Cu,Si：↑熱強(qiáng)性。Cu超過(guò)極限溶解度時(shí)有時(shí)效強(qiáng)化作用；Si超過(guò)0.2％時(shí)形成Ti5Si3相，強(qiáng)度↑，但熱穩(wěn)定性↓。RE：形成細(xì)小穩(wěn)定的RE氧化物，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化,↑耐熱性和熱穩(wěn)定性。另外:在添加β穩(wěn)定元素和Al的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)熱處理可↑時(shí)效組織彌散度，產(chǎn)生較好的彌散強(qiáng)化效果。2.鈦合金的分類(lèi)3.鈦合金的熱處理退火

目的是穩(wěn)定組織，消除應(yīng)力，降低硬度和提高塑性。淬火與時(shí)效(1)淬火加熱溫度：α+β型選擇在α+β兩相區(qū)的上部溫度范圍；β型選擇在臨界溫度附近，溫度過(guò)低β相固溶合金元素不充分，原始α相多，時(shí)效后強(qiáng)度低；溫度過(guò)高，則晶粒粗大。(2)時(shí)效規(guī)范：時(shí)效溫度根據(jù)合金成分及零件性能要求調(diào)整（425—550℃）。

形變熱處理和化學(xué)熱處理(1)形變熱處理：將鈦合金加熱到再結(jié)晶溫度以上變形40％-85％后迅速淬火，再進(jìn)行常規(guī)時(shí)效處理。

(2)化學(xué)熱處理：為改善鈦合金耐磨性和耐蝕性。鈦合金滲氮后表層為氮化物和含氮固溶體，其硬度比未滲氮工件↑2—4倍，耐磨性和耐蝕性得到改善。滲氧可提高合金耐蝕性7-9倍，但塑性和疲勞性能降低。4.常用鈦合金α型鈦合金－－TA1,2,3,6,7,8主加Al、Sn、Zr

單相組織，性能穩(wěn)定；強(qiáng)度高（1200-1500MPa）、韌性好；高溫下對(duì)氧有較強(qiáng)抵抗力；焊接性好；但成形性較差。再結(jié)晶溫度和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度↑，在300-500℃具有較好熱強(qiáng)性，發(fā)展高溫鈦合金的基礎(chǔ)。典型牌號(hào)：TA7(Ti-5AI-2.5Sn)，多用于制造飛機(jī)蒙皮和各種模鍛件以及特種高壓低溫容器等，是應(yīng)用最多的α型鈦合金。α+β型鈦合金－－TC1,2,3,4,6,8,9,10主加Al、V

雙相組織；塑性好、室溫強(qiáng)度高，但熱強(qiáng)性較差?？蔁崽幚韽?qiáng)化。典型牌號(hào)：TC4（Ti-6AI-4V)，使用溫度范圍400-196℃，綜合性能好，可用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)和葉片、以及壓力容器等。β型鈦合金－－TB1,2主加大量β穩(wěn)定元素

加入大量β穩(wěn)定元素，空冷或水冷可在室溫得到全β相組織。主要特點(diǎn)是通過(guò)時(shí)效處理可大幅度↑強(qiáng)度，是發(fā)展高強(qiáng)鈦合金潛力最大的合金。鑄錠易偏析，性能波動(dòng)大，且β穩(wěn)定元素多為稀有金屬，價(jià)格昂貴。TB2合金是我國(guó)最早研制的亞穩(wěn)定β相鈦合金，在固溶狀態(tài)下有良好的冷成形性，時(shí)效后具有高的強(qiáng)度和較好的塑性，主要用于壓氣機(jī)葉片、輪盤(pán)等重載荷旋轉(zhuǎn)件和飛機(jī)構(gòu)件.四、鈦合金的發(fā)展（自學(xué)）第3節(jié)銅及其合金一、概述性能特點(diǎn)：

①導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好：僅次于銀而居于第二位；②耐蝕：純銅在常溫干燥空氣中幾乎不氧化，在含CO2的濕空氣中表面產(chǎn)生堿性碳酸鹽有保護(hù)作用，在氧化性的酸(如硝酸、濃硫酸)以及各種鹽類(lèi)(如氨鹽、氯化物、碳酸鹽等)溶液中不耐蝕；③較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性；④可焊接和冷熱壓力加工成形性。應(yīng)用：

電力、化工、航空、交通和礦山等領(lǐng)域不可缺少的貴重材料。二、純銅

微量雜質(zhì)（Pb、Bi、O、S、As、P等）對(duì)其力學(xué)（塑、韌、硬）與物理性能（導(dǎo)電、導(dǎo)熱）及工藝性能影響很大。如Pb、Bi與Cu形成低熔點(diǎn)共晶體，加熱時(shí)破壞晶界結(jié)合，造成熱脆；

O、S也能與Cu形成共晶體，引起冷脆；O量過(guò)高引起

“氫病”，即在H2等還原性氣氛中退火時(shí)H2等滲透到銅的內(nèi)部，與銅中氧作用形成水蒸氣或CO2變脆或開(kāi)裂。純銅分類(lèi)、牌號(hào)、成分、用途

三、銅合金

純銅強(qiáng)度（200～240MPa）、硬度低。冷作硬化強(qiáng)度可↑至400～500MPa，但δ急劇↓；合金化可↑銅的性能。Zn、Al、Sn、Ni等在銅中可起較大固溶強(qiáng)化效果，使銅強(qiáng)度明顯↑。Be、Ti、Zr、Cr等具有時(shí)效強(qiáng)化效果，最突出的Cu-Be合金，熱處理后最高強(qiáng)度可達(dá)1400MPa。過(guò)剩相強(qiáng)化在銅合金中應(yīng)用也很普遍。如黃銅和青銅中的CuZn、Cu31Sn3、Cu9Al4等均有較高的過(guò)剩相強(qiáng)化作用。分類(lèi)：據(jù)化學(xué)成分

據(jù)成形方法

除高錫、高鉛和高錳的專(zhuān)用鑄造銅合金外，大部分銅合金即可作變形合金，也可作鑄造合金。

銅合金可用軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓、旋壓等方法塑性加工。銅合金進(jìn)行退火處理溫度一般為400-700℃，成品去應(yīng)力退火溫度則為160-400℃，為防止氧化或變色，退火通常在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。1.黃銅：Cu-Zn合金，Zn固溶強(qiáng)化，并可形成過(guò)剩相CuZn普通黃銅：組織：α相：Zn在Cu中的固溶體，晶格類(lèi)型同純銅，抗蝕性、塑性與純銅相似。β相：以CuZn（電子化合物，體心立方）為基固溶體，低溫下β相為有序固溶體，又稱(chēng)β′相，硬而脆，冷加工困難；高溫下塑性極高。黃銅按組織可分為：

α單相黃銅：抗蝕性和室溫塑性好,但強(qiáng)度低,適宜進(jìn)行冷變形加工；α+β兩相黃銅和β′單相黃銅：室溫塑性較差，需加熱到高溫進(jìn)行熱加工。工業(yè)上應(yīng)用較多的為H62、H68和H80：H62被譽(yù)為“商業(yè)黃銅”，廣泛用于制作水管、油管、散熱器墊片及螺釘?shù)龋?/p>

H68強(qiáng)度較高，塑性好，適于經(jīng)冷沖壓或深冷拉伸制造各種復(fù)雜零件，曾大量用作彈殼，有“彈殼黃銅”之稱(chēng)；H80因色澤