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1、授人以鱼不如授人以渔,金属材料与热处理 -7,主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员,授人以鱼不如授人以渔,模块八 有色金属,金属元素除了铁、锰和铬之外，统称有色金属。有色金属种类繁多，本模块仅介绍铜及铜合金、铝及铝合金、轴承合金的分类、编号方法、性能特点及用途。,授人以鱼不如授人以渔,第三套人民币硬币 1元硬币： 铜镍合金 5角硬币：铜锌合金 2角硬币： 铜锌合金 1角硬币： 铜锌合金 第四套人民币硬币 1元硬币： 钢芯镀镍 5角硬币： 铜锌合金 1角硬币： 铝镁合金 第五套人民币硬币 1元硬币： 钢芯镀镍 5角硬币： 钢芯镀铜合金 1角硬币： 铝合金,
2、授人以鱼不如授人以渔,新型合金之一储氢合金： Ti- Fe 、La-Ni储氢合金可用于以H2为燃料的汽车钛合金：亲生物金属人造骨头,授人以鱼不如授人以渔,新型合金之二形状记忆合金： 钛镍合金合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。形状记忆效应可用下图所示的简单实验演示，原本弯弯曲曲的形状记忆合金丝（a）经拉直后（b），只要放入盛有热水的烧杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一摸一样的弯弯曲曲的形状（c）。,(a) 原始形状 (b) 拉 直 (c) 加热后恢复,授人以鱼不如授人以渔,形状记忆合金不仅单次“记忆”
3、能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、坚贞不屈的精神和气节。 形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍和2倍。,（a）记忆合金（b）马 达 （c）蚂 蚁 （d） 人,授人以鱼不如授人以渔,实例：用钛-镍形状记忆合金制造的人造卫星天线 科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成了如图a所示的抛物线形天线。在宇宙飞船发射之前，首先将抛物面天线折
4、叠成一个小球，如图b所示，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温如图c所示，折叠成球形的天线因具有形状 “ 记忆 ” 功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图d 所示 。,授人以鱼不如授人以渔,1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“ 对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步 ”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。,授人以鱼不如授人以渔,实例：用钛-镍形状
5、记忆合金制造的医用腔内支架的应用原理示意,（a）预压缩 （b）受热扩张后 （c）植入腔道内效果,授人以鱼不如授人以渔,实例：用钛-镍形状记忆合金在其它领域的应用 作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正不断被开发。记忆合金还可以制成任意变形的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。,授人以鱼不如授人以渔,任务一：选择材料制造汽车发动机散热器,汽车发动机散热器的材料可选用导热性好的银、铜、金、铝等，不过金和银的价格较高，而铝的延展性不如铜，
6、所以在生产中广泛使用铜合金。见下面的对比： 热传导系数的定义为：每单位长度、每度K（绝对温度），可以传送多少瓦数的能量，单位为：“w/mK”，该数值越大说明导热性能越好。 1.纯银导热系数为429。 2.纯铜导热系数为401； 黄铜导热系数为108.9/； 铍铜导热系数为195。 3.纯金导热系数为317。 4.纯铝导热系数为240。,授人以鱼不如授人以渔,战国初期的曾侯乙编钟（青铜器）,授人以鱼不如授人以渔,司母戊鼎是中国商代后期（约公元前16世纪至公元前11世纪）王室祭祀用的青铜方鼎，1939年3月19日在河南省安阳市武官村一家的农地中出土，因其腹部著有“司母戊”三字而得名，现藏中国国家博
7、物馆。 司母戊鼎器型高大厚重，又称司母戊大方鼎，高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克，鼎腹长方形，上竖两只直耳（发现时仅剩一耳，另一耳是后来据另一耳复制补上），下有四根圆柱形鼎足，是中国目前已发现的最重的青铜器。该鼎是商王祖庚或祖甲为祭祀其母所铸。,授人以鱼不如授人以渔,鼎为中国古代炊食器。中国鼎文化的起源可以一直追溯到原始社会新石器时代，早在7000多年前就出现了陶制的鼎。而其真正的发展最高峰则出现在商朝和西周时期，尤其是商代以鼎为代表的祭祀用容器的制作，盛行于商周时期，延续到汉代。 在奴隶制鼎盛时代，被用作“别上下，明贵贱”，是一种标明身份等级的重要礼器。文献记载
8、：“天子九鼎，诸侯七鼎，大夫五鼎，元士三鼎或一鼎”，又载“铸九鼎，像九州”。又有成语一言九鼎、问鼎中原、三足鼎立等。青铜鼎的前身是原始社会的陶鼎，本来是日用的饮食容器，后来发展成祭祀天帝和祖先的“神器”，并被笼罩上一层神秘而威严的色彩。在古代,鼎是贵族身份的代表。典籍载有天子九鼎、诸侯七鼎、大夫五鼎、元士三鼎或一鼎的用鼎制度。此外，鼎也是国家政权的象征，左传有载：“桀有昏德，鼎迁于商；商纣暴虐，鼎迁于周”。鼎大多为三足圆形，但也有四足的方鼎。(司母戊鼎便是最负盛名的四足大方鼎),授人以鱼不如授人以渔,司母戊鼎是商后期(约公元前十四世纪至公元前十一世纪)铸品,原器1939年3月出土于河南安阳侯家
9、庄武官村。此鼎形制雄伟，重达 832.84公斤，高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米，是迄今为止出土的最大最重的青铜器。司母戊鼎初为乡人私自挖掘,出土后因过大过重不易搬迁,私掘者又将其重新掩埋。司母戊鼎在1946年6月重新出土。新中国成立后,于1959年入藏中国历史博物馆。 此鼎器形庞大浑厚,其腹部铸有“司母戊”3字;是商王祖庚或祖甲为祭祀其母所铸。司母戊鼎的鼎身和鼎足为整体铸成,鼎耳是在鼎身铸好后再装范浇铸的。铸造这样高大的铜器，所需金属料当在1000千克以上，且必须有较大的熔炉。经测定,司母戊鼎含铜84.77%,锡11.64%,铅2.79%，其他0.8%。与古文献记载制鼎的铜锡比例基
10、本相符。司母戊鼎充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。,授人以鱼不如授人以渔,一.铜及铜合金 铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使用 的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。 1.工业纯铜 纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫红色的氧化物，俗称紫铜、电解铜。其熔点为1083，密度为8.96g/cm3，为面心立方晶格。 纯铜的性能特点：具有很高的导电导热性，仅次于银；化学稳定性高，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强度低。 牌号：工业纯铜牌号为T+顺序号，共有T1,T2, T3,T4；序号越大，纯度越低（见下图）。,授人以鱼不如授人以渔,纯铜牌号,纯度,铋,授人以鱼不如授人以渔,2.黄铜
11、黄铜以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性，价格较低，是有色金属中应用最广的金属材料。可分为普通和特殊黄铜两类，按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜。,授人以鱼不如授人以渔,3.压力加工普通黄铜：也叫二元黄铜，是Cu-Zn二元合金。根据含锌量，可分为（小于39）单相（）黄铜和（3945）双相（）黄铜两种。 相是锌溶于铜中的固溶体，溶解度随温度的下降而增大，为面心立方晶格，塑性好，可冷热加工。 相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，室温下较脆，但加热到450以上时，塑性良好。其性能随锌含量增加，起初强度和塑性都提高，而后由于出现了相，强度继续升高，但塑性下
12、降，直至全部为相时，强度塑性急剧下降，如下页图所示。 其牌号为H+铜的名义质量分数，如H62。而H70、H68又称为三七黄铜，因强度高，塑性好常用来制作枪弹壳和炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。,授人以鱼不如授人以渔,黄铜的机械性能与含锌量的关系,伸长率,抗拉强度,授人以鱼不如授人以渔,单相黄铜的显微组织 双相黄铜的显微组织,授人以鱼不如授人以渔,4.压力加工特殊黄铜：在铜锌二元合金的基础上加入其它合金元素组成的多元合金。常加入锡、硅、铅、铝、锰等，称为锡黄铜、硅黄铜、铅黄铜，铝黄铜。 锡能显著提高耐蚀性，主要用于船舶及汽车的零件； 铅能改善切削加工性能，提高耐磨性，故铅黄铜用于钟表零件； 硅能显著
13、提高黄铜的机械性能、耐蚀性，具良好铸造性能，用于船舶及化工零件。 其牌号为H+主加元素符号+铜及各合金元素的名义质量分数，如HPb59-1。,授人以鱼不如授人以渔,5.铸造黄铜：采用铸造方法来生产的黄铜。其代号为ZCu+合金元素1的化学符号及其名义质量分数，如：ZCuZn38、ZCuZn40Pb2等。,授人以鱼不如授人以渔,6.青铜 除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。 工业上常用的有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性。分为 压力加工青铜，代号为Q+第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数-数字（其它合金元素的名义质量分数），如QSn4-3表示含锡
14、4，含锌3。 铸造青铜，代号为ZCu+合金元素1的化学符号及其名义质量分数+合金元素2及其名义质量分数+如ZCuSn10Zn2。,授人以鱼不如授人以渔,锡青铜：以锡为主要添加元素的铜基合金。耐蚀、耐磨、强度高、弹性好，常用牌号有QSn4-3等，用于弹簧、轴瓦、衬套等耐磨零件。 铝青铜：以铝为主要合金元素的铜基合金。它有良好的力学性能，耐蚀、耐磨，有良好的铸造性能，受冲击无火花。常用牌号有QAl9-4，QAl5等，用于轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等。 铍青铜：以铍为主要合金元素的铜基合金。有很高的强度、硬度疲劳极限和弹性极限，耐蚀、耐热、无磁性、导电导热性好，受冲击无火花，冷热加工，铸造性能均好。
15、常用牌号有QBe2，主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片。特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条，高速高温高压下的轴承、衬套。,授人以鱼不如授人以渔,授人以鱼不如授人以渔,7.本任务的结论（课本P129）： 根据对铜合金性能特点及主要用途的分析，依据发动机散热器使用性能要求，最好选用普通黄铜制造，例如H68。,授人以鱼不如授人以渔,任务二：选择铝合金制造内燃机活塞,发动机活塞是发动机上除了火花塞之外，工作环境最恶劣的了。要求在高温条件下，承受无限次的周期变速载荷，要求其质量轻，又要强度高，还要耐腐蚀，因此选择材料的范围很窄。 纯铝虽然导热性好，密度小，但强度很低，显然不是首选。但是，在
16、纯铝中加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，再经过冷变形和热处理之后，情况就改观了。下面先介绍纯铝。,授人以鱼不如授人以渔,1.工业纯铝 其熔点为660.37，密度为2.7g/cm3，为面心立方晶格，呈银白色。强度（80100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(80)很高，有良好的导热导电性。工业纯铝为L1-L7，其顺序数越大，纯度越低。,授人以鱼不如授人以渔,2.铝合金的分类及用途： 根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图所示，在D点以左的合金，在加热到DF线以上时，得到单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在F点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝合金；在D点以右为铸造铝合金。,铝合金状态图的一般类型,授人以鱼不如授人以渔,形变铝合金： 在加热时能形成单相的固溶体，塑性很好，适于冷热压力加工的铝合金。又可分为：热处理不能
