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1、第七章 有色金属及其合金,第七章 有色金属及其合金,有色金属及合金由于具有黑色金属不具备的性质，在现代工业中是不可缺少的材料。了解和掌握有色金属合金和各种合金的组织特性及强化的方法，各类合金的牌号、性能、用途等方面的内容，对工程技术人员是至关重要的。,第七章 有色金属及其合金,第七章 有色金属及其合金,第一节 铝及铝合金,一、工业纯铝 1. 结构与性能 纯铝是银白色的轻金属，纯铝有着许多独特的性质和优良的综合性能，主要为： (1)密度小。铝的密度为2.72g/cm3，约为钢的密度的三分之一。 (2)可强化。纯铝的抗拉强度虽然不高但可以通过固溶强化、沉淀强化、应变强化等手段，使铝合金的强度提高到
2、适合的预定目标。 (3)工艺性好。纯铝可铸造；其塑性好可进行成型加工；也可以进行机械加工。 (4)耐腐蚀。铝是最活泼的金属，在常温下铝及其合金的表面极易形成一薄层致密保护膜，这层保护膜使铝在具有一定腐蚀性的环境介质中不被腐蚀，属耐腐蚀性能良好的金属材料。 (5)导电、电热性好。铝是良好的电导体和热导体。 (6)无磁性，冲击不产生火花。,第一节 铝及铝合金,一、工业纯铝 2. 纯铝的牌号及用途 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。也可以按是否压力加工分为变形铝和铸造纯铝两大类。 铸造纯铝的牌号用Z+Al+铝的最低百分含量(GB/T 80631994),例如ZAl99.6表示99.6
3、%的铸造纯铝。 变形铝的牌号按GB/T 164741996规定，含铝量大于99%为纯铝，其牌号采用四位字符体系即1表示，第二位的字母是铝的改型说明，A是纯铝，其他为纯铝改型而来，组成成分可能产生微量变化；第三、四位为纯铝含量小数点后的两位数字。 工业纯铝因其具有柔软、导电性好、导热性好和加工性好等特点，主要用来制作导线、电缆、散热器、工业用的线材、强度要求不高的部件、管材和配制铝合金的原料。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 1.铝合金的分类 铝合金按组织成分分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。但应指出，有些铝合金如耐热铝合金成分虽在D点右侧，既可以铸造，又可以压力加工。所以，D点只是一个理论分界
4、线，不是区分合金类型的绝对标志。 形变铝合金又可分为两类：F点左侧的合金其固溶体成分不随温度而变化，不能用热处理的方法进行强化，称为不能热处理强化铝；F到D点其固溶体的溶解度随温度的变化，称为能用热处理强化的铝合金。,图7-1 铝合金分类示意图,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 2.铝合金的热处理 铝合金的热处理强化原理与钢不同。钢经淬火后，得到马氏体组织，强度、硬度提高，韧性急剧降低。回火时，马氏体发生分解，强度、硬度降低，而塑性和韧性提高。 铝合金则不然，淬火后的晶相组织是过饱和固溶体，强度、硬度度并不高，塑性和韧性较好，随后时效时，强度、硬度才会明显升高。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金
5、2.铝合金的热处理 将能热处理强化的变形铝合金加热到某一温度，保温获得均匀一致的固溶体后，在介质中急冷下来，使固溶体来不及发生脱溶反应。这样的热处理工艺称为铝合金的固溶处理。经过固溶处理的铝合金，在常温下其固溶体处于不稳定的过饱和状态，具有析出第二相，过渡到稳定的非过饱和状态的趋向。由于不稳定固溶体在析出第二相得过程中会导致晶格畸变，从而使合金的强度和硬度得到显著提高，而塑性则明显下降。这种力学性能在固溶处理后随时间而发生显著变化的现象称为“时效强化”或“时效”。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 2.铝合金的热处理 铝合金的热处理强化原理与钢不同。钢经淬火后，得到马氏体组织，强度、硬度提高，韧
6、性急剧降低。回火时，马氏体发生分解，强度、硬度降低，而塑性和韧性提高。 铝合金则不然，淬火后的晶相组织是过饱和固溶体，强度、硬度度并不高，塑性和韧性较好，随后时效时，强度、硬度才会明显升高。 在室温下进行的时效称“自然时效”，在加热条件下(100200)进行的时效称“人工时效”。时效温度越高，则时效的过程越快，但强化的效果越差。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 2.铝合金的热处理 自然时效后变硬的铝合金，在230250短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。若再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。回归现象在实际生产中具有非常重要的指导意义，一般利用时
7、效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 3.形变铝合金 根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类： (1)防锈铝合金 (2)硬铝合金 (3)超硬铝合金 (4)锻铝合金 各种变形铝的分类、化学成分、力学性能和应用见表7-1。,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 3.形变铝合金,表7-1部分变形铝合金的代号、成分、力学性能和应用,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 4.铸铝合金 铸铝合金除了要有优良的铸造性能外，还要有足够的机械性能及耐蚀性。共晶合金的铸造性能最好，但由于存在大量脆性相，使脆性增加，一般用于成型铸
8、造。 (1)铝硅系(AlSi)合金。也叫“硅铝明”或“矽铝明”。有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金。 (2)铝铜(AlCu)合金。 (3)铝镁(A1Mg)合金。 (4)铝锌(A1Zn)系合金。 部分铸造铝合金的代号、牌号和应用见表7-2,第一节 铝及铝合金,二、铝合金 4.铸铝合金,表7-2部分铸造合金铝的代号、牌号和应用,第二节 铜及铜合金,铜及铜合金因纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高；铜是抗磁性物质；铜及其某些合金塑性很好；容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能；加工性能好，色泽美观。在电气
9、工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。,第二节 铜及铜合金,一、纯铜 纯铜呈玫瑰红色，表面可以形成氧化铜膜，外观呈紫红色，故称为紫铜。因纯铜是通过电解制得的，故又称纯铜为电解铜。 纯铜的熔点为1083，密度为8.93gcm3。纯铜呈面心立方晶格，有较好的塑性和韧性及加工性能，但强度(b=200250MPa)、硬度低；纯铜具有好的导电性、导热性和耐腐蚀性。 纯铜的按照加工过程中处理的工艺不同，牌号也有区别，一般牌号分为以下三种： (1) 韧铜（工业纯铜）。含0.020.10%的氧元素，用T（铜）表示，T1T4，顺序号越大，纯度越低； (2) 无氧铜。含氧0.003%，用T
10、U（无氧铜）表示，TU1、TU2； (3) 脱氧铜。含氧0.01%，用TU+脱氧剂化学符号表示，TUP、TUMn（磷脱氧铜和锰脱氧铜）。,第二节 铜及铜合金,表7-3工业纯铜的牌号、成分及用途,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 纯铜强度较低，加工硬化较为显著，但塑性大为降低，提高硬度和强度，合金化是有效途径。在强化时根据组成相和组成的成分，强化分为三种强化相： 固溶强化。优先选择与铜固溶度大的合金元素，如Zn、Al、Sn、Mn、Ni等。Cu与这些元素有一定的互溶能力，可形成二元合金，产生固溶强化效应的合金元素，可将铜的强度由240 MPa提高到650 MPa。 时效强化
11、。选择固溶度随温度变化大的合金元素，如Be、Si、Al、Ni等元素在Cu中的固溶度随温度下降会急剧减小，它们形成的铜合金可进行淬火时效强化。 过剩相强化。Cu中的合金元素超过极限溶解度以后，会析出过剩相，使合金的强度提高。过剩相多为脆性化合物，数量较少时，对塑性影响不太大；数量较多时，会使强度和塑性同时急剧降低。 根据加入合金元素的不同，铜合金分为黄铜、青铜和白铜。,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 1.黄铜 黄铜是铜与锌的合金。最简单的黄铜是铜锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。 黄铜按化学成分可分为普通黄铜及特殊黄铜（或复杂黄铜）；按生产方式可分为压力加工黄铜及铸造
12、黄铜。改变合金中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。为了改善黄铜的某种性能，在一元黄铜的基础上加入其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜。常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性，塑性稍降低；在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力；黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大；锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗蚀性；在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得到表面光洁的铸件。,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 1.黄铜 (1) 普通黄铜 普
13、通黄铜是铜锌二元合金，因所含元素的量的不同，黄铜的性能有较大的差异。锌溶入铜中形成的相固溶体，锌的溶解度随温度变化而变化，在456达到最大。相是以电子化合物CuZn3为基的固溶体，具有体心立方晶格，当温度降至456468以下时，发生有序化转变，相转化为有序固溶体相，硬且脆，难以进行冷加工变形。相是以电子化合物CuZn3为基的固溶体，具有六方晶格，更脆，强度和塑性极差。工业上使用的黄铜中Zn的含量一般不超过47，否则因性能太差而无使用价值。,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 1.黄铜 (1) 普通黄铜,表7-4部分普通黄铜的牌号、成分和应用（摘自GB/T5232-1985
14、）,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 1.黄铜 (2)特殊黄铜 在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni等元素就成为特殊黄铜。根据加入元素的不同，特殊黄铜分为铝黄铜、锰黄铜、铅黄铜、硅黄铜及镍黄铜等。特殊黄铜包括黄铜和铸黄铜两种类型。在生产方式上黄铜可以进行机械加工或压力加工，铸黄铜可以铸造和机械加工。 特殊黄铜的牌号用“H”+主加元素符号+铜含量+主加元素含量来表示。铸造黄铜在牌号前“Z”(“铸”汉语拼音字头)表示。黄钢(HAl6932，是H59加入3Al和2Ni，其余为Zn。)，加铝能提高黄铜的强度、硬度和抗蚀性。在加热下有良好的变形能力。在船舶、电
15、机及化工工业小制造高强度、高耐蚀性的零件。 部分特殊黄铜的的牌号、成分和应用见表7-5，部分铸黄铜的牌号、成分和应用见7-6。,表7-5 部分特殊黄铜的的牌号、成分和应用（GB/T5232-1985）,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 1.黄铜 (2)特殊黄铜,表7-6部分铸造黄铜牌号及用途,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 2.青铜 青铜原指铜锡合金，而工业上对含有铝、硅、铅、饺等元素的铜基合金也称为青铜，铜锡合金称为锡青铜或普通青铜，若不含锡，而含有铝、硅、铁等元素的铜基合金，称为无锡青铜或特殊青铜。青铜也分为压力加工青铜和铸造青铜两类。按主
16、加合金元素的不同可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。 压力加工青铜牌号以“青”字汉语拼音字首“Q”开头，后面是主加元素符号及含量，其后是其它元素的含量，数字间以“-”隔开，如QAl10Fe3Mn1.5表示主加元素为Al且含Fe为3，含Mn 1.5，余量为Cu的铝青铜。 铸造青铜表示方法是“ZCu +第一主加元素符号+含量+合金元素+含量+”,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 2.青铜,表7-7 常见部分青铜的代号、成分、力学性能和应用,第二节 铜及铜合金,二. 铜的合金化和铜合金的分类及牌号 2.青铜 (1) 锡青铜 以Sn为主加元素的铜基合金称锡青铜。锡青铜的主要特点是耐蚀、耐磨、强度高、弹性好等。 Sn在铜中可形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据Sn的含量不同，锡青铜的组织和性能也不同。 当含Sn56时，合金的组织为单相固溶体，合金的塑性最高，强度也增
