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1、第六章 有色金属及 其合金,NON-FERROUS METALS AND ALLOYS,铝及铝合金,滑动轴承合金,金属材料,虽然有色金属的年消耗量仅占金属材料消耗量的5，但因其具有不同于钢铁材料的优越性能，故也非常重要,非铁金属及其合金 Al Cu Ti Mg 滑动轴承合金,铁及其合金,第一节 铝及铝合金,ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS,一、工业纯铝 Commercially pure aluminum,工业纯铝中wAl99.00%，含有一些杂质(Fe 、Cu 、Si等), 杂质量越多,导电性、抗蚀性及塑性降低愈多,组织,（Al）,Fe+Al+Si 三元共晶,1. 工
2、业纯铝的特性,优良的导电、导热性,良好的塑性： ，FCC,良好的低温韧性：253不降低,低强度：,纯度：,2. 编号,新牌号,国标：用4位数字加字符表示,数字 杂质极限含量的要求情况 0：无特殊要求; 19：对1种或几种杂质的极限含量有特殊要求,小数点后面的两位数字,3. 应用,主要是用来配制铝合金 在电气工业中用铝代替铜作导线、电容器等 还可以制作轻质、导热、耐大气腐蚀的器具及包覆材料等,二、铝合金 Aluminum alloys,纯铝的强度、硬度低，不宜作受力的工程零构件。向铝中加入适量的合金元素可改变其组织结构，提高性能 主加元素：Cu、Mg、Si、Zn、Mn等 辅加元素：Ti、Zr、C
3、r、B等 通过细晶强化、固溶强化、第二相强化及形变强化可使强度高达5001000MPa，同时，由于其比强度大，广泛用作飞机的主要结构材料,1. 铝合金的分类及强化机制,1) 铝合金的分类,铝合金相图的一般形式,铝合金一般均为共晶型合金,2) 强化机制,(1) 固溶强化,铝合金中的 相是固溶体，它是合金元素在 Al 中的固溶体， 相的强度和硬度明显高于 Al 的强度和硬度,(2) 形变强化,变形铝合金具有较好的塑性和韧性，可通过塑性变形来提高合金的强度和硬度塑性加工成型的同时，强度、硬度也提高,(3) 细晶强化（变质处理）,铸造铝合金铸造性能良好，适于铸造形成零构件毛坯铸造时向熔液中加入形核剂（
4、变质剂），可细化结晶组织，使合金的强度、硬度、塑性、韧性同时提高,wSi=1113%的铝硅合金（简称硅铝明）铸造后得到几乎全部是共晶组织（+Si），其铸造性能非常好，但铸件的致密度低,组织：粗大的针状硅晶体+ 固溶体,针状Si晶体,固溶体,砂型铸造时 b140MPa 3 不宜作为工业合金使用,变质处理：23 （2/3NaF+1/3NaCl） 活性Na能促进硅形核，阻碍晶粒长大； 相图向右下方移动 wSi=1113%的合金成为亚共晶合金。,组织：初晶+细小共晶体,共晶体,初生相,砂型铸造时 b180MPa 8,(4) 时效强化（第二相强化）,讲一个故事：一个偷懒的实验员,Al-Cu 合金相图的
5、Al 端部分,Al无同素异构转变 wCu=4%的Al-Cu合金，在548时Cu在相中的最大溶解度为5.65%，而T200 时，溶解度0.5%。 相为CuAl2 金属间化合物。,固溶（淬火） 时效处理 将合金加热到单相 固溶体状态后快冷，得到过饱和 固溶体，此过程称为固溶处理将所得到的过饱和 固溶体在室温长时间放置（自然时效）或在低于饱和固溶度线的温度保温（人工时效），此过程称为时效处理。,过时效在时效过程中，过饱和 固溶体中会析出细小的弥散分布的第二相微粒，使合金的强度不断提高，这种强化称为时效强化如果时效时间过长，则随着第二相颗粒不断聚集长大，合金强度会逐渐降低，称为过时效,铝合 金自然时效
6、曲线,的铝合金在不同温度下的时效曲线,自然时效比人工时效强化效果好 T强化效果，时间短，即时效速度 室温以下时效，T ，强化效果。当T-50时，强度几乎不变，即低温可抑制时效。,2. 形变铝合金,1) 分类及牌号,如： 2A01 5A05 5B05 7075 7475,（1）铝铜合金（又称硬铝和锻铝）牌号：2,成分：ALCuMg(Mn)或（SiFeNi),热处理工艺特点：固溶+时效强化（自然时效）,性能特点：强度较高，塑性好，可时效强化。,元素作用： Cu,Mg:形成强化相（CuAL2,CuMgAL2）, 时效强化； Mn提高抗腐蚀性能；固溶强化；,淬火温度范围窄（淬温度范围5C）。,缺点,抗
7、蚀性差，容易产生晶间腐蚀（海水中尤甚）。,应用,2A01、2A10,2A11、2A12,主要用于飞机构件，如飞机蒙皮(2A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件；压气机叶轮、叶片，超音速飞机蒙皮。,Cu、Mg含量低，强度低、塑性韧性好，适合制造铆钉,Cu、Mg含量高，强度高（400-470MPa）、塑性韧性好，飞机构件如蒙皮、叶片等,（2）铝锰合金（防锈铝合金） 3,组织与性能：单相固溶体。 抗蚀性高（高于纯铝），塑性好，不能热处理强化，可加工硬化。,应用：用于制造需要弯曲、冲压加工的零件。例如油箱、 油管（罐）、铆钉（3A21）等。,成分：ALMn（主）Mg/Si/Fe（少） Mn
8、,Mg的作用： 提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化 Si、Fe：固溶强化的作用,（3）铝锌合金（超硬铝） 7,成分：AlZn（主）CuMg-Cr/Mn（少）,特点：热塑性好，热加工后热处理，强度很高（可达680MPa)。缺点是耐热性、抗蚀性差（需要纯铝包覆）。,应用：主要用于要求重量轻、工作温度不超过130度的受力较大的零件，如飞机蒙皮接头、大梁、壁架、起落架部件等,强化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3， 时效产生强烈的强化效果。,时效后强度最高的铝合金,7A04：飞机大梁、加强框、蒙皮接头、起落架等主要受力构件,（4）铝锂合金（牌号 8XXX）,一种新型变形铝合金,成分：Al-Cu-Li Al
9、-Mg-Li Al-Cu-Mg-Li,锂（li）的含量：0.9-2.8%,固溶处理+时效强化,热处理：,性能特点：密度低，比强度、比刚度高（高于传统铝合金和钛合金），具有良好的疲劳强度和耐蚀、耐热性,应用： 民用飞机、战斗机、运输机和火箭等航天器的壳体、燃料箱等。,“天宫一号”的资源仓采用铝锂合金制造，可减轻自重10以上 。,2) 性能特点,较高强度、硬度,较高塑性、韧性,较好抗腐蚀性能,适合于塑性加工成形,3) 应用,如飞机的：蒙皮，铆钉，大梁，框架，螺钉,3. 铸造铝合金,30,用于制造铸件的铝合金为铸造铝合金。其力学性能不如变形铝合金，但铸造性能好，可进行各种复杂零件的铸造,成分特点,有
10、一定的共晶体，wMe825% 分Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等四种,例：ZAlSi12 含Si量12%的铸造铝合金,牌号,GB/T11731995,ZAl,（1) 分类及牌号,ZL,代号,表6-3列出了常用铸造铝合金的代号、牌号、成分、力学性能及用途。,代号 ZL,如：ZL102 ZL203 ZL302 ZL401,Al-Si系是铸造性能和力学性能配合最好的铸造铝合金,(1）简单铝硅铸造铝合金 ZL102（ZALSi12）,典型铸造铝合金介绍（Al-Si系）,组织：（a +Si） 共晶体,用途：形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等,性能：铸造性能好，强度低。 变质细晶化处理
11、提高强度（低于180MPa）,在AlSi基础上加入其它合金元素（Cu,Mn,Ni,Mg等）,(2）复杂铝硅铸造合金（Al-Si-Cu/Mg/Mn/Ni）,强化方式：时效强化，变质处理。,性能：铸造性能好，较高的强度和耐磨性、耐热性。,应用：用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等（代号ZL109)。,2) 性能特点,良好的铸造性能,力学性能不如变形铝合金,成本较低,适合于形状复杂的零构件、箱体、壳体等,3) 应用,如：内燃机活塞，汽缸体，壳体,第二节 铜及铜合金,38,一、工业纯铜,纯铜呈玫瑰红色，表面氧化后生成的氧化铜呈紫红色，故称紫铜 密度为8.91g/
12、cm3 ， 属于重金属。熔点1083，无磁性，FCC，无同素异构转变,1 性能特点：无磁性；优良的导热、导电体 优良的加工性能；耐腐蚀性能（大气、淡水河冷凝水中）,2 工业纯铜的代号：T1， T2，T3,数字越大，纯度越低,3 纯铜的应用：导电、导热和耐腐蚀器件；配置铜合金,40,工业纯铜的显微组织,二、铜合金,加入的合金元素：Zn,Sn,Al,Ni,Fe,Be,Ti,Si,Cr等,1 分类,按化学成分分类,黄铜,青铜,白铜,按照生产工艺分类,加工铜合金,铸造铜合金,三 铜合金的性能和应用（主要介绍加工铜合金）,1. 加工黄铜,Cu-Zn合金：以Zn为主要合金元素的加工铜合金。,（1）代号：H
13、+数字,铜的质量分数,（2）组织与性能：,单相黄铜（a）：H80,H70,H68，单相组织。塑性好，强度低。适合冷塑性加工成板材、线材和深冲压零件,两相黄铜（a+b)：双相组织。H62，H59。适合热加工，强度较高,仅含锌的黄铜称普通黄铜，在普通黄铜基础上再加入其它合金元素形成的铜合金称特殊黄铜,工业黄铜按退火态组织分为：单相黄铜（ ）和双相黄铜（ + ）两种。,单相黄铜,双相黄铜,（3）加工黄铜的应用,H68,H70,大量用于制造枪炮的弹壳，被称为“弹壳黄铜”。（三七黄铜）,H59,H62:主要用于制造水管、油管和散热器，称为“商业黄铜”。（四六黄铜）,为防止SCC，冷加工后的黄铜弹壳必须进
14、行去应力退火处理（2501h）,H70, H68 （弹壳黄铜 单相黄铜）,Cu-Ni合金，以Ni作为主要加入合金元素的铜合金,（1）代号：B+数字,Ni的质量分数,（2）组织：单相固溶体,（3）性能：冷热加工性能均好，耐蚀性高。,（4）应用：精密机械、仪表中的零件, 冷凝器、热交换器以及蒸馏器等。,B5,2. 白铜,除了黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。主要添加的元素：Sn，Al，Si，Be等,1）锡青铜：Cu-Sn合金，以Al作为主要加入的合金元素,（1）性能特点：具有优良的减磨性、抗磁性、低温韧性和耐磨性等。在海水、蒸汽和淡水中的抗蚀性优于纯铜和黄铜,（2）应用：用于制造弹性元件、轴承等耐
15、磨零件、抗磁和耐蚀零件。,3 .青铜,(2) 铝青铜的应用：,低铝青铜（Al%:7-9%)：主要用于制造耐蚀的弹簧和弹性元件。,高铝青铜（Al%:10-11%) ：主要制造船舶和飞机上的高强度、高耐磨的齿轮、轴承和轴套等零件。,2）铝青铜：Cu-Al合金，以Al作为主要加入的合金元素。,（1）性能特点：强度、硬度和耐磨性高于黄铜和锡青铜，铸造和焊接性能较差。,3)铍青铜,Cu-Be合金：以Be作为主要加入元素的铜合金。,（1）性能特点：高强度、高硬度、耐磨性好，抗腐蚀、导电、导热性好。低温韧性、抗磁性好。 受冲击不起火花。,（2）应用：主要用于制造弹性元件、耐磨零件和防暴工具,美国”中途”号航
16、母及其内部铜合金制造的零部件,第三节 钛及钛合金,TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS,51,国际市场钛材消费结构,民用飞机钛材使用量,一、工业纯钛 Commercially pure titanium,1. 工业纯钛的特性,2. 牌号,3. 应用,TA1 （0.20%O，0.03%N，0.10%C，0.25%Fe）,TA2 （0.25%O，0.05%N，0.10%C，0.30%Fe）,TA3 （0.30%O，0.05%N，0.10%C，0.40%Fe）,制作350以下工作、强度要求不高的零件及冲压件，如：石油化工用热交换器，海水净化装置，船舰零部件,1. 型钛合金（TA）,牌号：TA4（Ti-3Al） TA5（Ti-4Al-0.005B） TA6（Ti-5Al） TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,组织：室温或
