《金屬材料工程概論（第2版）》10有色金屬及合金課件

10有色金屬及合金除鐵、鉻、錳及其合金之外的其他金屬均屬有色金屬。特點(diǎn)及應(yīng)用：

（1）具有相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高

飛機(jī)制造、汽車制造、船舶制造

（2）導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性優(yōu)良

電氣工業(yè)和儀表工業(yè)制造

（3）耐高溫性

在1300℃以上使用的高溫零件及電真空元件本章主要內(nèi)容10.1有色金屬及生產(chǎn)110.2銅及銅合金210.4鎂及鎂合金410.3鋁及鋁合金3有色金屬的分類輕有色金屬：相對(duì)密度在4.5以下。

鋁、鎂、鈦、鈉、鈣、鉀等。熔鹽電解及金屬熱還原法提取。重有色金屬：相對(duì)密度在4.5以上。

銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、汞、鎘等?；鸱ㄒ睙捄蜐穹ㄒ睙?。

10.1有色金屬及生產(chǎn)稀有金屬：在地殼中分布不廣，而且又很分散，難于冶煉，工業(yè)上應(yīng)用較晚。鋯、釩，鋰、鈹、鉛、鋅、錫、汞等。按其物理化學(xué)性質(zhì)、提取的方法及在地殼中存在的特征又可分為以下五類。(1)稀有輕金屬：鋰、銣、銫、鈹?shù)?。特點(diǎn)是比重輕，如鋰比重為0.53，是最輕的金屬。(2)稀有高熔點(diǎn)金屬：鎢、鉬、鉭、鈮、鋯、鉿、釩、錸等。其特點(diǎn)是硬度高，抗蝕性強(qiáng)，熔點(diǎn)高。

10.1有色金屬及生產(chǎn)10.1有色金屬及生產(chǎn)(3)稀有分散金屬：鎵、銦、鉈、鍺、硒、碲等。特點(diǎn)是在地殼中很分散，大多數(shù)沒有形成單獨(dú)的礦物和礦床。(4)稀土金屬：鈧、釔，鑭及鑭系元素。特點(diǎn)是各種稀土金屬一起伴生于礦物中。(5)稀有放射性金屬：錒及錒系元素(釷、鏷、鈾等)，是原子能工業(yè)的主要原料。

貴金屬：金、銀及鉑族金屬(鉑、鈀、釘、銠、銥、娥)。金和銀一直是當(dāng)作貨幣儲(chǔ)備的。10.1有色金屬及生產(chǎn)生產(chǎn)比較復(fù)雜1)采礦和選礦

有色金屬在礦石中的含量低，需要原礦石多2)冶煉

火法冶金、濕法冶金和電冶金。3）加工

軋制、擠壓、拉伸、鍛造、等靜壓加工、擴(kuò)散焊接、超塑成型等方法4）綜合利用回收有色金屬許多稀有金屬?zèng)]有單純礦床，主要是從鋼鐵、有色金屬及化工廠的廢料、廢氣中綜合回收。10.2銅及銅合金

銅及銅合金概述：銅是人類最早使用的金屬，即從銅器時(shí)代人類就應(yīng)用銅。

銅的強(qiáng)度低，硬度低，限制了工程應(yīng)用

高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱率，易于成型，良好的耐蝕性。工業(yè)純銅純度99．70％～99.95％

玫瑰紅色的金屬，表面形成氧化亞銅(Cu2O)膜后呈紫色，故又稱紫銅。

密度為8.96g／cm3，熔點(diǎn)為1083℃，

具有面心立方晶格，無(wú)同素異晶轉(zhuǎn)變。

優(yōu)點(diǎn)是具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及良好的耐蝕性(抗大氣及海水腐蝕)。銅還具有抗磁性。10.2銅及銅合金強(qiáng)度不高(σb＝230～240MPa)，硬度低，塑性高。冷塑性變形后，可以使銅的強(qiáng)度提高到400～500MPa，但延伸率急劇下降到2％左右。分類：冶煉產(chǎn)品(銅錠、電解銅)和壓力加工產(chǎn)品(銅材)兩種。應(yīng)用：制作導(dǎo)體和抗磁性干擾的儀器、儀表零件以及配制銅合金等。10.2銅及銅合金黃銅以鋅為主加元素的銅合金稱為黃銅，其相圖如圖10-1所示。圖10-1Cu-Zn相圖圖10-2Cu-Zn合金的顯微組織，OM黃銅分類：普通黃銅和特殊黃銅。1)普通黃銅不含其它合金元素的黃銅稱為普通黃銅。α黃銅具有優(yōu)良的塑性、焊接性和鍛造性，適宜于冷加工。β相是以電子化合物CuZn為基的固溶體，具有體心立方晶格，其塑性良好，β相在453℃～468℃時(shí)，將發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變，即銅鋅原子由雜亂無(wú)序分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉謩e占據(jù)頂角和體心位置有序分布的固溶體。圖為H62普通黃。銅棒材2）特殊黃銅在銅鋅二元合金的基礎(chǔ)上再加入其它合金元素，就形成特殊黃銅。加入其它合金元素是為了改善黃銅的力學(xué)性能、抗蝕性能以及鑄造性能。鋁黃銅

鋁能提高黃銅的耐蝕性，也能提高其強(qiáng)度、硬度，但降低塑性。鋁黃銅主要用來(lái)制造船舶上要求具有高強(qiáng)度、高耐蝕性零件。

硅黃銅

硅可降低黃銅的裂紋敏感性，并能顯著提高黃銅的強(qiáng)度、耐磨性、鑄造性能和焊接性能。硅黃銅主要用來(lái)制造船舶及化工機(jī)械零件。鉛黃銅

鉛對(duì)黃銅的強(qiáng)度影響不大，但能提高其耐磨性，并可改善黃銅的切削加工性。鉛黃銅主要用來(lái)制造要求耐磨性和切削加工性能較好的零件，如軸承等。錳黃銅

錳可提高黃銅的強(qiáng)度和彈性極限，并且不降低塑性。錳還可提高黃銅在海水中和過(guò)熱蒸汽中的抗蝕性能。錳黃銅主要用來(lái)制作耐蝕零件等。錫黃銅

錫可提高黃銅在海水中和海洋大氣中的抗蝕性能。并能改善黃銅的切削加工性能。錫黃銅主要用來(lái)制造船舶零件。圖為HSn62-1特殊黃銅棒材鐵黃銅·鐵可提高黃銅的力學(xué)性能和耐磨性。如果再加入少量的錳，可提高黃銅的耐蝕性。鐵黃銅一般用來(lái)制作要求耐磨、耐大氣和海水腐蝕的零件。鎳黃銅

鎳可提高黃銅的力學(xué)性能、熱強(qiáng)性和耐蝕性。也可改善其壓力加工性能，并能降低黃銅的裂紋敏感性。鎳黃銅主要用來(lái)制作電機(jī)及船舶零件。特殊黃銅的牌號(hào)表示方法是“H”加上主加元素符號(hào)(除鋅以外)加上銅含量再加上主加元素含量。如HSi80-3表示含銅為80％、含硅為3％(余量為鋅)的硅黃銅。如是鑄造產(chǎn)品，則在其前加上字母“Z”即可。黃銅的主要熱處理：低溫退火和再結(jié)晶退火。

低溫退火

低溫退火的主要目的是消除內(nèi)應(yīng)力，防止黃銅應(yīng)力腐蝕破裂及切削加工過(guò)程中的變形。退火加熱溫度為200℃～300℃。

再結(jié)晶退火

黃銅的再結(jié)晶退火目的是消除加工硬化和恢復(fù)塑性。黃銅的再結(jié)晶溫度約為300℃～400℃，因此常用的再結(jié)晶退火溫度為500℃～700℃。青銅早期，人們把以錫為主加元素的銅錫合金稱為青銅。近年來(lái)，工業(yè)上應(yīng)用了大量的含鋁、硅、鈹、錳、鉛等的銅基合金，習(xí)慣上統(tǒng)稱為青銅。為了區(qū)別起見，分別稱為鋁青銅、硅青銅、鈹青銅等。圖為QSn-3普通青銅棒材青銅的牌號(hào)：用“青”字的漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母“Q”加上主加元素的化學(xué)符號(hào)和其百分含量再加上其它元素的百分含量來(lái)表示。如是鑄造產(chǎn)品，則在牌號(hào)前加“Z”字。如QAl5表示含鋁量為5％的鋁青銅；ZQSnl0—l表示含錫為10％，其它合金元素的含量為1％的鑄造錫青銅。白銅定義：以鎳為主要添加元素的銅基合金，稱鎳白銅，呈銀白色，有金屬光澤，故名白銅。（鎳含量一般為25%）性能及應(yīng)用：

（1）耐蝕性優(yōu)異，且易于塑型、加工和焊接，廣泛用于造船、石油、化工、建筑、電力、精密儀表、醫(yī)療器械、樂器制作等部門作耐蝕的結(jié)構(gòu)件。（2）某些白銅還有特殊的電學(xué)性能，可制作電阻元件、熱電偶材料和補(bǔ)償導(dǎo)線。非工業(yè)用白銅主要用來(lái)制作裝飾工藝品。

10.3鋁及鋁合金工業(yè)純鋁的主要特性銀白色金屬光澤的金屬，地殼中儲(chǔ)量最多的一種元素，約占地殼總重量的8.2％，工業(yè)上冶煉鋁應(yīng)用電解制鋁，其純度為99.7％～98％。

性能特點(diǎn)：它的相對(duì)密度小(2.72)，熔點(diǎn)低(660.4℃)，沸點(diǎn)高(2477℃)。具有面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁耐大氣和淡水耐蝕性好，耐堿和鹽水腐蝕性差。純鋁具有良好的低溫性能。純鋁易于鑄造，易于切削，易通過(guò)壓力加工制成各種規(guī)格的半成品。鋁具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。不能熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金：固溶體成分不隨溫度而改變，不能熱處理強(qiáng)化，稱為不能熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金；可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金：其固溶體成分隨溫度變化而變化，可用熱處理強(qiáng)化，稱為可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金。鋁合金的分類鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化固溶處理：把鋁合金加熱到固相線溫度以下，保溫一定時(shí)間，然后將其迅速淬入水中冷卻，使之成為單相的過(guò)飽和固溶體。時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效：合金在室溫下放置或低溫加熱時(shí)，因第二相析出，使強(qiáng)度、硬度明顯提高。這種現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效。自然時(shí)效：室溫放置過(guò)程中使合金產(chǎn)生強(qiáng)化的效應(yīng)稱為自然時(shí)效；人工時(shí)效：重新加熱過(guò)程中使合金產(chǎn)生強(qiáng)化的效應(yīng)稱為人工時(shí)效。變形鋁合金按性能和用途可分為：

防銹鋁合金Al—Mg系或Al—Mn系合金；制作容器、管道、鉚釘?shù)葓D為防銹鋁帶硬鋁合金也稱杜拉鋁鋁-銅-鎂系合金。經(jīng)熱處理后，強(qiáng)度從200N/mm2可增加到400N/mm2，耐蝕性較防銹鋁差，使用時(shí)外包一層純鋁，可提高防蝕能力。

超硬鋁合金是鋁-銅-鎂-鋅系合金。經(jīng)熱處理強(qiáng)化后，強(qiáng)度超過(guò)硬鋁，達(dá)600N/mm2，耐蝕性差，使用時(shí)常外包純鋁圖為硬鋁棒材圖為超硬鋁帶鍛鋁合金鋁-銅-鎂-硅系合金。機(jī)械性能與硬鋁相近，熱塑性、耐蝕性較高，適宜鍛造。

鑄造鋁合金

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞、輪轂、轉(zhuǎn)向助力器殼體圖為某公司的客車鍛造鋁圈10.4鎂及鎂合金銀白色的輕質(zhì)堿土金屬，在實(shí)用金屬中是最輕的金屬性能：力學(xué)性能差。拉伸強(qiáng)度115MPa，延伸率8%，硬度HB36，冷加工態(tài)下，拉伸強(qiáng)度200MPa，延伸率11.5%，硬度HB36?；瘜W(xué)活性很強(qiáng)，電極電位很低，抗蝕性較差，用途：配制鎂合金；在化工中常用做還原劑，去置換鈦、鋯、鈾、鈹?shù)冉饘伲恢茻熁?、鎂鹽、照明彈、信號(hào)彈等；未成為大規(guī)模使用的結(jié)構(gòu)材料。按化學(xué)成分：Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn等二元鎂合金Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn等三元系

多組分系鎂合金。按成形工藝：

鑄造鎂合金

變形鎂合金如圖10-6所示為晶粒大小不同的組織形貌。鎂合金的分類(1)重量輕

現(xiàn)代社會(huì)的手提類產(chǎn)品（如3C用品）減輕重量，車輛減少能耗具有非常重要的意義。鎂合金的特點(diǎn)及其應(yīng)用(2)高的阻尼和吸震、減震性能

鎂合金具有極好的吸收能量的能力，可吸收震動(dòng)和噪音，保證設(shè)備能安靜工作。(3)良好的抗沖擊和抗壓縮能力

旋轉(zhuǎn)草坪切割機(jī)機(jī)蓋采用鎂合金壓鑄件的原因之一。(4)良好的鑄造性能

鎂合金鑄造制品的壁厚可以小于0.6mm(5)尺寸穩(wěn)定性

在100℃以下，鎂合金可以長(zhǎng)時(shí)間保持其尺寸的穩(wěn)定性(6)鑄模生產(chǎn)率高

鎂合金的單位熱含量低，可在模具內(nèi)快速凝固。(7)良好的機(jī)械加工性能

鎂合金的切削阻力小，其切削速度大大高于其它金屬，切削加工時(shí)間短，切削加工而且加工成本低。(8)良好的耐蝕性

在大氣中，鎂具有很好的耐蝕性，比鐵的耐蝕性好。鎂合金的特點(diǎn)及其應(yīng)用(9)高散熱性鎂合金具有高的