机械工程材料-5章有色金属材料

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1、5.1 铝及铝合金 5.2 铜及铜合金 5.3 镁合金、钛合金和轴承合金 5.4 粉末冶金材料,第5章 有色金属材料,机械工程材料（赵亚忠） 西安电子科技大学出版社,力学性能：高的比强度 物理性能：导电性、导热性、 无磁性 化学性能：耐腐蚀,在工业生产中,把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。,重金属：5X103kg/m3 Cu、Cr 轻金属：5X103kg/m3 Mg、Al、Ti 贵金属：Au（金）、Ag（银）、Pt（铂） 稀有金属：Be（铍）、W,密度小、熔点低 可配置铝合金 抗大气腐蚀 包覆材料（蒙皮） 导电导热性好 导线 加工性能好 塑性好，可采用压力加工 抗磁

2、性好 制造仪器仪表外壳 强度低 不能承受较大载荷 无同素异构转变 不能通过热处理改变性能。,5.1.1 工业纯铝,5.1 铝及铝合金,通用类型的铝合金相图,5.1.2 铝的合金化及铝合金的分类,在纯铝中加入合金元素提高力学性能，才能满足结构材料的应用需要。 铝合金在保持纯铝的优点外，还可以实现热处理强化，使铝合金的强度可达400600MPa。 铝合金密度小，相对比强度甚至超过了合金钢，而其比刚度则大大超过钢铁材料。 常加的合金元素： 主加：Cu、Mg、Si、Zn、Mn等； 微加：Ti、Zr、Cr、B等元素。,5.1.3 铝合金的热处理,现以含WCu=4%的AlCu合金为例讨论铝合金热处理原理。

3、,铜在固溶体中的溶解度：在室温时最大为WCu=0.5%，在548时，极限溶解度为WCu= 5.65%。 WCu=4% 的AlCu合金成分位于FD之间，是可热处理强化的铝合金，合金室温组织为+相。,1 固溶处理 将含WCu=4%的铝合金加热到相区后（DF线之上温度），得到单相固溶体，迅速水冷，使CuAl2来不及析出，从而得到室温下的过饱和固溶体。 通过在高温下保温先将合金元素固溶到基体中，然后再快速冷却使合金相来不及析出，从而获得过饱和固溶体的热处理过程，称为固溶处理，也称为淬火。 经过固溶处理，合金的强度较低，塑性较好。合金经固溶处理后具有良好的塑性，便于进行压力加工。,AlCu相图,2 时效

4、处理 1）时效的影响 过饱和的固溶体不稳定，有转化为稳定状态的倾向。 固溶处理后的零件，在室温下停放或重新加热到一定温度后保温，过饱和固溶体发生脱溶分解，析出合金化合物，使合金强度、硬度升高的过程，称为时效处理。 该过程在室温进行时，称为自然时效；在加热条件下进行时，称为人工时效。,含4%Cu的AlCu合金的时效曲线,时效时过饱和固溶体分解，强度、硬度会明显提高，塑性降低，强度可提高到430MPa。 固溶后时效时，在最初的几小时内强度不发生明显变化，这一时期称为孕育期，此时合金塑性最好，适于对零件进行塑性加工。 提高时效温度可以加快时效硬化速度，但使时效最高强度降低。时效温度过高或时效时间过长

5、，会使合金软化，称为过时效。,2）时效过程 过饱和的固溶体组织不稳定，有转化为稳定状态的倾向。 固溶处理后的零件，在室温下停放或重新加热到一定温度后保温，过饱和固溶体发生脱溶分解，析出合金化合物，使合金强度、硬度升高的过程，称为时效处理。 该过程在室温进行时，称为自然时效；在加热条件下进行时，称为人工时效。,时效实质：第二相从过饱和、不稳定的单一固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。,5.1.4 铸造铝合金,代号中“XX”为两位数字的顺序号；,常用铸造铝合金及其代号,铸造铝合金适于制造形状复杂零件、大尺寸零件和批量小的零件。对于铸造铝合金，除了要求

6、必要的力学性能和耐腐蚀性能外，还应具有良好的铸造性能。 常用铸造铝合金有A1Si系、A1Cu系、AlMg系和AlZn系四类，其代号用 ZL 加三位数字表示。,1 Al-Si铸造铝合金（铝硅明）,Al-Si合金相图,主要合金元素：WSi10%13%，接近共晶成分。 力学性能不如变形铝合金，铸造性能好，用于生产形状复杂的零件。,硅含量对铝硅合金流动性的影响,铝硅合金固溶体上分布着粗细不均匀的针状硅晶体，它对材料损害很大，使合金的强度降低、塑性和韧性变差。 生产时采用变质处理，即在浇注前向铝合金液中加入23%的变质剂（常用钠盐混合物）。变质剂能够抑制先共晶硅的形成，细化共晶硅，并使针状共晶硅变为球粒

7、状共晶硅，从而改善铸件性能。,变质使共晶硅尺寸变小，变为球粒状形态。变质剂使AlSi合金共晶点右移，使合金成分由共晶变成为亚共晶。 变质处理使AlSi合金的抗拉强度和延伸率明显提高。,变质处理后,变质处理前,变质对抗拉强度和延伸率的影响,Al-Si铸造铝合金的性能及应用 ZL102：即硅铝明（ZAlSi12），它铸造性能好，强度低，用于形状复杂、受力不大零件，如仪表外壳等。 ZL105、ZL108、ZL111等合金中含有Cu与Mg，能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg等多种强化相，淬火时效后获得很高的强度和硬度；用于制造形状复杂，性能要求较高、在较高温度下工作的零件，如摩托车发动机箱体

8、。,2 Al-Cu铸造铝合金,优点：Cu的加入提高了室温和高温强度，强度较高，耐热性好，改善了切削加工性能。 缺点：铸造性能和耐蚀性差。 应用：适于制造强度要求高、在高温下工作的形状简单、承 受重载的零件，在航空上使用较多。,Al-Cu合金相图,主要合金元素：Cu WCu=411% 代号：ZL201 ZL209,3 Al-Mg铸造铝合金,主要合金元素：Mg 代号：ZL301 ZL305 优点：强度高，比重小，有良好的耐蚀性； 缺点：铸造性能差，易氧化和产生裂纹； 应用：用于制作受冲击载荷、耐海水腐蚀的零件，如舰船配件、发动机机匣等。,4. Al-Zn铸造铝合金,主要合金元素：Zn 代号：ZL4

9、01ZL404 优点：价格便宜，铸造性能良好，变质和时效处理后强度较高； 缺点：抗蚀性差，热裂倾向大,密度大； 应用：用来制造汽车、医疗器械、结构复杂的仪器元件。,5.1.5 变形铝合金,代号中“XX”为一位或两位数字的顺序号。,常用变形铝合金及其代号,变形铝合金适合通过压力加工方式生产。要求合金的塑性较好，零件形状不能太复杂。 变形铝合金组织细密，性能较好。,合金系：AL-Mn系或AL-Mg系 Mn、Mg作用：提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化。 性能：抗蚀性高，塑性好，不能热处理强化，可冷变形强化。 应用：油箱、 油管（罐）、防锈封皮、铆钉，需冷加工并在腐蚀环境下工作的零件。,防锈铝合金,卫星

10、天线 （LF2）,合金系：AL-Cu-Mg-(Mn) Cu,Mg：形成强化相CuAL2, CuMgAL2。时效强化；Mn固溶强化提高抗腐蚀性。 性能：强度较高，耐腐蚀性较好，可热处理强化，性能差异大。 应用：差异大，承力结构、螺旋桨叶片、销、轴、承力锻件等。,硬铝合金,超硬铝合金,成分：AlZnCuMg 性能：固溶处理+时效产生强烈的强化效果，强度很高可达680MPa；但耐热性、抗蚀性差。 应用：飞机大梁、起落架等受力构件。,组成：Al-Mg-Si-Cu系合金。 性能：塑性好、易于变形加工，抗腐蚀性能好、焊接性能好。可热处理强化（固溶处理+人工时效）。 应用：航空工业中的飞机浆叶、飞机操纵系统

11、中的摇臂、支架等形状复杂零件等。,锻铝合金,纯铜呈紫红色，铜的密度为8.9103 kg/m3，熔点为1083。 纯铜的导电、导热性优良，在电气工业及动力机械工业中获得广泛的应用。 铜具有抗磁性，用于制造防磁性干扰的仪器、仪表零件，比如罗盘、航空仪器和瞄准器等。 纯铜的电极电位比氢高，在大气、淡水、冷凝水和非氧化性酸溶液中，均具有良好的耐腐蚀性能。 纯铜为面心立方晶格，具有良好的塑性，可以进行冷、热加工。,5.2.1 纯铜（紫铜）,5.2 铜及铜合金,纯铜的强度稍低，退火态强度为：Rm250270MPa， 硬度为4050HB， A3545%。 经强烈加工硬化后： Rm392441MPa， A13

12、%。,纯铜用于制造电线、电刷、铜管、铜棒以及作为配制铜合金的原料。根据纯度的大小，纯铜分四种，编号越大纯度越低。,5.2.2 铜合金,铜合金分类,1 黄铜,在温度降低时，相发生无序有序转变，由无序固溶体转变为有序固溶体相。 相具有体心立方晶格，其塑性差不适宜冷加工。 普通黄铜流动性较好，铸造性能良好。普通黄铜在高温下为塑性优良的单相组织。,锌在相中起到固溶强化的作用，随含锌量的增加，合金的强度和塑性不断提高。 当含锌量为30%时，塑性达到最高值，含锌量进一步增加合金中出现相而使合金塑性下降。 当含锌量增加到45%时，强度达到最大值； 当含锌量达到47%时，合金全部为相，强度开始下降并且塑性已相

13、当低，已无实用价值。,普通黄铜的组织只可能是单相组织或(+)两相组织。相应地，普通黄铜按退火后组织分为单相黄铜（黄铜）和双相黄铜（+黄铜）。,黄铜的力学性能与含锌量的关系,H90：金色黄铜，为单相黄铜，塑性、耐蚀性很好，制作奖章、纪念章； H68：为单相黄铜，塑性好，强度高，可进行压力加工，用于制造枪炮子弹的弹壳，有“弹壳黄铜”之称； H62、H59：双相黄铜，强度高，塑性差，切削加工性能好，价格便宜，广泛用于制作螺钉、垫片、汽车上的散热片。,普通黄铜,牌号：H + 两位数字（铜的百分含量）,为了获得更高的强度、耐腐蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素后形成的铜合金，

14、称为特殊黄铜。,特殊黄铜的性能及用途,青铜原来仅指CuSn合金，目前人们把主要添加元素不是镍也不是锌的铜合金统称为青铜，并分别命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。 青铜的编号方法是： Q主加元素符号主加元素含量其它元素含量。 如QSn43，表示含WSn=4%、WZn=3%的锡青铜；QBe2，表示含WBe=2%的铍青铜。对铸造青铜，则在前面加上“Z”表示。,2 青铜,工业用锡青铜的含锡量一般在3%14%范围内。 锡原子扩散困难，在铸造条件下，只有含锡量低于5%6%时才能获得单相组织，当锡含量大于5%6%时组织中出现共析体（）。 含锡量小于6%时，室温组织为固溶体。此类合金适宜进行压力加工，常以线材、

15、板材、带材等成形制品供应。 含锡量大于6%的锡青铜，组织中出现硬脆相，塑性急剧降低，只能铸造成形。 当含锡量超过20%时，塑性和强度均很低，只能用来铸钟。,铸造锡青铜的力学性能,锡青铜结晶温度区间大，流动性差，易产生偏析和形成分散缩孔，在高压下容易渗漏，适合用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件。 锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的耐腐蚀性比黄铜高，广泛用于蒸汽锅炉、海船的铸件。 锡青铜中共析体(+)均匀分布在塑性好的固溶体中，属于“坚硬质点相”分布在“软塑基体”上的耐磨组织，因而被广泛用来制造齿轮、轴承、蜗轮等耐磨零件。 锡青铜在机械、化工、造船、仪表等工业中应用，用来制造轴承、轴套等耐磨零

16、件和弹簧等弹性元件。,青铜的牌号、成分、性能和应用,铍青铜中WBe=1.7-2.5% 性能：弹性极限、疲劳极限很高，导电性、耐磨性、抗蚀性极好，无磁性，价格贵。 应用：精密仪器的重要弹簧和弹性元件，如蝶形垫圈。,铍青铜,铍青铜,锡青铜,只含铜和镍的二元合金,3 白铜（镍为主加元素的铜合金）,普通白铜：,编号：B镍平均含量，如B19：含19%Ni普通白铜。 性能：强度高、塑性好，能进行冷、热变形加工，冷变形加 工能提高强度和硬度；抗蚀性好，电阻率较高。 应用：主要用于制造医疗器械、化工机械的精密仪器零件、 热交换器等,5.3 镁合金、钛合金和轴承合金,1 镁合金,镁是地壳中含量丰富的金属元素，储量占地壳的2.5%，仅次于铝和铁。镁的原子序号为12，为密排六方晶体结构。 密度低比强度高 镁密度为铝的2/3，是常用结构材料中最轻的金属。可减轻电动机、发动机、仪表等各种零件的重量。