机械工程材料9

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1、第九章 有色金属及其合金,引 言 第一节 铝及其合金 第二节 铜及其合金 第三节 钛及其合金 第四节 镁及其合金 第五节 锌及其合金 第六节 轴承合金,引言,除黑色金属 ( 钢、铁 ) 以外的所有金属，称为 有色金属（又称非铁合金）。可分为：,轻金属(密度4.5g/cm3): Cu、Ni、Zn、Sn、Pb、Co等。 贵金属：Au、Ag、Pt 等。 稀有金属：W、Ti、Mo、V、Nb 等。 放射性金属：Ra、Th、U等 半金属：Si、Ge、B 等。,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具,有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中

2、不可缺少的金属材料.,一、 工业纯铝,1.纯铝的特性 铝：原子序数为13，原子量为26.98，面心立方结构，熔点660，密度2.702 ，晶格常数4.05，原子直径2.86 ，标准电极电位1.67V 高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为50100 ，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。 纯铝除在氧化性的浓硝酸(8098)中有极高的稳定性外(优于NiCr系不锈钢)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。,第一节 铝及其合金,良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。 高

3、的导电性：位于银、铜、金之后。 高的导热性：热交换器。 无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。 低强度、高塑性：强度为 80MPa-130MPa， 延伸率30-50 % ，铝箔。,2.铝中杂质 主要杂质为Fe和Si，其次有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。 Fe、Si含量及相对比例(铁硅比)对纯铝性能有很大影响。 铝中存在很少的铁或硅时就出现FeAl3或(Si)，它们性质硬脆，使纯铝塑性变差，尤其针状的FeAl3影响更甚。 硅含量控制要求更严格，铝中铁硅比不当时，会引起纯铝铸锭产生裂纹。 FeAl3、相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性

4、，因而降低了纯铝的耐蚀性，同时也降低了纯铝的导电性。,3.纯铝的牌号,旧标准,新标准,LG1、LG2、LG3、LG4、LG5 L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-1,8A06： Al ：余量、Si 0.55、Cu 0.10、 Mg0.10、 Zn0.10、 Mn0.10、 Fe： 0.000 0.500、 Fe Si： 0.000 1.500 注：单个:0.05;合计:0.15,1A85、1A90、1A93、1A97、1A99、1060、1050A、1035、8A06、 1A30、1100 LG1、LG2、 LG3、 LG4、 LG5、 L2、 L3、 L4、 L6、 L4-1、L5-1,

5、4. 纯铝的应用,高纯铝主要用于科研、化学工业、电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。,1A50 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1A60 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1070 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1A45 包装及绝热铝箔，热交换器 1A99 电解电容器箔，光学反光沉积膜,二、

6、铝合金,美F-117隐身战斗机 (所用材料大部分是铝合金),高比强铝合金机翼,二、铝合金,纯铝的强度和硬度很低，不宜做工程结构材料，向铝中加入适量 Si、Cu、Mg、Zn等元素（主加元素）和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素（辅 加元素），组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。,（一）分类 （二）热处理 （三）变形铝合金 （四）铸造铝合金,二、铝合金,铝合金,变形铝合金,（一）分类,铸造铝合金,不可热处理强化铝合金,可热处理强化铝合金,（二）热处理,二、铝合金,1. 退火 1）再结晶退火 2）低温退火 3）均匀化退火, 8.1 铝及其合金,形变铝合金的退火 *消除应力,硬度不变(低温退火)。

7、*消除加工硬化,降低硬度,便于冷塑性加工(再结晶退火)。,铸造铝合金的退火 *消除应力;均匀成分(均匀化退火)。,2. 淬火（固溶处理） 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 3. 时效 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,（三）变形铝合金,1. 防锈铝合金 2. 硬铝合金 3. 超硬铝合金 4. 锻铝合金,二、铝合金,二、铝合金,防锈铝合金 ( LF ) Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。 例: LF21。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻

8、 )。 例: LF2、LF6等。,卫星天线（LF2）,汽化器(热交换管为LF21),汽车零部件材料选用举例,防锈铝合金在汽车上的应用 油箱、导管、线材、轻载荷骨架等,防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。 不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,2. 硬铝合金 ( LY ) 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 可进行时效强化，也可进行变形强化。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。 例如：LY1、LY11、LY12等。用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.,飞机翼梁(腹板为硬铝合金),3. 超硬铝合金 (

9、 LC ) 属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 时效强化效果超过硬铝合金。 热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.,飞机主起落架,4. 锻铝合金( LD ) Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.如 LD5、LD6、LD10 。,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的

10、零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,（四）铸造铝合金 铸造铝合金常用来制作铸件，要求具有良好的铸造性能。 因此，铸造铝合金的成分应接近共晶点，必须具有一定量的共晶组织，其合金元素的含量也较形变铝合金多些。铸造铝合金的塑性差，常采用变质处理和热处理的办法提高其力学性能。 包括： Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Cu系： 代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系： 代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号,1. 铸造铝 硅合金 ( ZL101ZL111 ),活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金的铸态组织（变质前）,ZL102合金的铸态

11、组织（变质后）,Al-Si系铸造铝合金又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。 这种合金流动性好，熔点低，热裂倾向小，但粗大针状的硅晶体的存在会严重降低合金的力学性能。因此，在生产中常采用“变质处理”提高合金的力学性能。,AI-Si合金相图,2. 铸造铝 铜合金 Al-Cu 这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,汽缸头,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,3. 铸造铝 镁合金 Al-M

12、g 这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等. 主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301),4. 铸造铝 锌合金 Al-Zn 这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等. 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,第二节 铜及其合金,一、工业纯铜 二、铜合金,纯铜：面心

13、立方晶格，原子量 63.54，密度8.9，熔点1083,延伸率40% 工业纯铜的牌号及应用 纯铜含铜 99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达 99.99%99.9999% ，又称为4N、5N、6N铜。 工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。 无氧铜用 “T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。 用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。,一、 纯铜,纯铜的性能 导电导热性：高的导电、导热性，仅次于银而居第二位。 20时 铜的

14、电阻率为1.613cm，热导率为402WmK； 银为1.590cm， 银为419WmK。 用途：各种导线、电缆、导电牌、电器开关等导电器材和各种冷凝管、散热管、热交换器、真空电弧炉的结晶器等。导电器材用量占铜材总量一半以上。 所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。,耐蚀性：铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，铜在许多介质中化学稳定性好。 铜在大气中耐蚀性良好，暴露在大气中的铜能在表面生成难溶于水、并与基底紧密结合的碱性硫酸铜(即铜绿，CuS043Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3Cu(OH)2)薄膜，对铜有保护作用，可防止铜继续腐蚀。铜在淡

15、水及蒸汽中抗蚀性能也很好。所以野外架设的大量导线、水管、冷凝管等，均可不另加保护。 铜在海水中的腐蚀速度不大。铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。,磁性：为逆磁性物质，磁化率为-0.08510-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器。 铁磁性杂质(Fe、Co、Ni)在铜中呈不溶状态时，即显铁磁性。 用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01以下。,铜的机械性能 软态铜：b=200240MPa， 35 45HB，50，达7

16、5。硬态铜：b350400MPa， 110 130 HB，延伸率=6 。 铜为面心立方晶格，滑移系多，变形易，退火态铜不经中间退火可压缩8595而不产生裂纹。纯铜在500600呈现“中温脆性” ，热加工需在高于脆性区温度下进行。 中温脆性是低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，因在中温区它以液体状态存在于晶界，造成热脆，而在较高温度时，由于Pb、Bi在Cu中的固溶度增大，微量Pb、Bi又固溶于铜的晶粒内，不造成危害，从而使塑性又升高。,二、铜合金,按化学成分可分为： （一）黄铜 Cu-Zn （二）青铜 除黄铜和白铜外的几乎所有的铜合金 （三）白铜 Cu-Ni （四）新型铜合金,纯铜中加入Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr等 合金元素制成铜合金。铜合金既保持了纯铜优良的性能，又有 较高的强度。,二、铜合金,(一)黄铜 以锌为主要