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1、第十一章 有色金属及其合金教学目的及其要求通过本章学习，使学生了解常用有色金属的牌号、化学成分、性能特点和用途。主要内容1铝及铝合金2铜及铜合金3钛及钛合金4轴承合金学时安排：讲课 2 学时。教学重点1铝及铝合金2铜及铜合金教学难点铝合金的强化机理。教学过程概述：黑色金属：钢铁材料的总称；有色金属：非铁金属材料。1有色金属性能及特点力学性能：高的比强度（强度/密度）；物理性能：导电性、导热性、无磁性、形状记忆特性化学性能：耐腐蚀2有色金属及合金的应用航空及宇航业（飞机等）；表面工程业（表面镀 Zn 等）；电气工程业（电缆铜芯等）；机械及轻工业（如机械加工中线切割 Mo 丝）等等，应用广泛。第一
2、节 铝及其合金铝：蕴量丰富。约占全部金属元素的 1/3 。 一、 纯铝1 性质、代号和用途 性质：银白色，熔点为 675C ，面心立方晶格，工业上使用的纯度为 99.798% 。性能特点：密度小，为 2.72g/cm3 ，仅为铁的 1/3 ；导电、导热性较高，居四位；抗大气腐蚀性好，生成三氧化二铝，与大气隔绝，但不耐酸、碱和盐。 塑性好，可压力加工成各种型材 无铁磁性 ，即磁化率极低。主要用途：替代贵金属制电线，配制各铝合金及制要求质轻 导热或耐大气腐蚀但抗拉强度要求不变的四种。 2纯铝分类。工业纯铝和高纯铝高纯铝：代号 LG1、LG2、LG3、LG4 、LG5，由 1 到 5，Al 的含量由
3、 99.85 到 99.99%。工业纯铝：分为冶炼产品（铝锭）和压力加工产品（铝材）。冶炼产品牌号有 Al997、Al996、Al995、Al990、Al980 五种。 压力加工产品代号有 L1、L2、L3、L4、L5、 L6 ，其中“ L ”为铝汉音首，后为序号，序号越大，杂质量越大，由 6 到 1，Al 的含量由 98.8 到 99.7%.。二、 铝合金的分类 在纯铝中加入适当量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素即可制成铝合金。铝合金保持了纯铝的基本物化性能。如相对密度小、导电、导热、耐蚀性好等，且强度有了大幅度上升。 铝合金按其成分和生产工艺特点的不同，可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。
4、1形变铝合金 成分位于 D 点左边的合金，加热时均能形成单相 a 固溶体，使塑性上升。适压力加工，故称形变铝合金形变铝合金又可分两类：不能 HT 强化的铝合金和能 HT 强化的铝合金。不能热处理强化铝合金：成分在 F 点以左，其中 a 固溶体的成分和相结构不随温度而改变，故称为不能热处理强化的铝合金，主要有防锈铝合金。能热处理强化的铝合金：成分在 F 点和 D 点之间的铝合金，其中 a 固溶体的成分随温度的改变而改变，属于能热处理强化的铝合金，主要有硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。 2铸造铝合金成分在 D 点以右的铝合金，都具有共晶组织，熔点低，流动性好，适宜铸造 ，称为铸造铝合金，主要有 A
5、l-Si 合金、 Al-Cu 合金、Al- Mg 合金和 Al- Zn 合金等。三、铝合金的强化铝合金强化的主要方式有：1变形强化（加工硬化）：对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷压力加工，产生加工硬化而强化。2 变质处理（细晶强化）：适合铸造铝合金3 固溶强化：铝合金都有，如加入 Cu、Mg、Zn、Si 、Mn 等可形成有限固溶体。4时效强化： 可热处理强化铝合金（重点）铝合金淬火后在室温或者较低温度下加热保温一段时间，随时间延长其强度硬度显著增加的现象，称为时效强化。 铝合金热处理加热到 a 相区保温后快冷，其抗拉强度、硬度并不高，而塑性上升，这种过程也称为淬火或固溶处理。由于淬火后获得的过
6、饱和固溶体是不稳定的，有析出第二相（强化相）的趋势，在室温长时间放置或加热至 100-200一定时间保温后，逐渐向稳定转变，第二相析出并偏聚，阻碍位错运动，使合金抗拉强度和硬度明显上升而塑性显著下降。我们把这种固溶处理（淬火）后的合金随时间而发生的强度硬度提高的现象，称为时效硬化或时效强化。在室温下发生的时效称为自然时效，而在加热的条件下进行的时效称人工时效，“淬火时效”处理是铝合金强化的主要途径。 四、常用铝合金及应用（一）形变铝合金 此类合金的组织大部分或全部为单相 a 固溶体，因而塑性好，制成各种型材，如棒料、板、管、线材、铝箔等。其合金元素加入量一般小于 5 。1防锈铝 （铝锰合金）成
7、分：ALMn（主）Mg；Mn、Mg 的作用： 提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化。性能：抗蚀性高，塑性和焊接性好，不能热处理强化，可冷变形强化。应用：主用于制作耐蚀性要求高的容器、管道、蒙皮及受力不大的结构件，如油箱、导管、铆钉（3A21）及生活器皿等。2硬铝 （铝铜合金）成分：ALCuMg(Mn)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。性能：强度较高，塑性好，可时效强化（“淬火时效”后抗拉强度可达 420Mpa）；耐蚀性差，常在硬铝材表面包覆一层纯铝，以增强耐蚀性。应用：在仪器、仪表及航空工业中广泛应用。如飞机构件（飞机蒙皮(2
8、A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件）。3超硬铝合金 （铝锌合金）是在硬铝基础上再加入锌，加入锌后，经淬火人工时效后，获得抗拉强度为680MPa， 硬度为 190HBS ，比硬铝更高，故称超硬铝。成分：AlZnCuMg特点：强度很高（可达 680MPa)，耐热性、抗蚀性差。应用：主用于高强度构件，多用于制造飞机中的受力件，如大梁、起落架（7A04）等。4 。锻铝合金（铝镁合金）锻铝是铝铜镁硅系和铝铜镍铁系合金，其机性与硬铝接近，但耐蚀性上升，具有良好的铸造性能和锻造性能，更适于锻造，故名锻铝，代号用“ LD” 顺序号表示，用于制造形状复杂的大型锻件或模锻件。 （二）铸造铝合金 铸
9、造铝合金分为铝硅系铝合金、铝铜系铝合金、铝镁系铝合金、铝锌系铝合金，是用来制作铸件的铝合金。其中铝硅系铸造铝合金应用最广，又称硅铝明。铸造铝合金代号：用“ ZL 3 位数字” 表示：第一位数字表示合金类别（ 1 铝硅系、2 铝铜系、 3 铝镁系 4 铅锌系），后两位为顺序号。顺序号不同，成分不同，如“ZL102”表示 2 号铸造铝硅合金。 新牌号：由表示铸造铝合金的汉字“ZAL”加主要合金元素的化学符号，以及表示其名义百分含量的数字组成，若合金元素的名义百分含量小于 1 ，则不标数字。 ZALSiMg 中镁元素符号，含量小于 1 。下面以铝硅铸造铝合金为例：特点：力学性能不如变形铝合金，铸造性
10、能好，一般用制作质轻、耐蚀、形状复杂及要求有一定机性的零件，如发动机的活塞、气缸体、仪表外壳等。例如：Al-Si 系铸造铝合金（铸造性能和力学性能配合最佳）（1）简单硅铝明：ZL102（ZALSi12）组织：a +Si 共晶体性能：铸造性能好，强度低。用途：形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等。（2）复杂(特殊）硅铝明：在 ALSi 基础上加入其它合金元素（Cu、Mn、Ni、Mg等） 强化方式（时效强化，并变质处理（加入 23 的变质剂 2/3NaF+1/3NaCl）。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
11、体等（代号 ZL109)。第二节 铜及铜合金一、纯铜 性质：呈紫红色，故又称紫铜，熔点为 10830C ，面心立方晶格结构性能特点：（1）良好的导电、导热性，仅次于银居第二位； （2）塑性好，铸造性能好，可冷热压力加工；（3）较高的抗蚀性，如大气、水中不受腐蚀； （4）具有抗磁性；（3）减摩性耐磨性好；（4）色泽美观。工业纯铜分类：冶炼产品（铜锭）：按杂质分为 Cu-1 至 Cu-4压力加工产品（铜材）：代号 T1、T2、T3、T4， 数字大、杂质高。 二、铜合金 铜合金分类：白铜（铜镍合金）、黄铜（铜锌合金）、青铜（铜锡合金），应用最广的为青铜和黄铜。 1黄铜 黄铜为铜锌合金。按化学成分分为
12、：普通黄铜和特殊黄铜；按生产方法分为：压力加工黄铜和铸造黄铜。 （1）普通黄铜： 它是由铜和锌组成的合金。当含锌量小于 39%时，锌能溶于铜内形成单相 固溶体，称为单相黄铜，塑性好，适于冷热加压加工。当含锌量大于 39%时，除 相外，合金中还出现以铜锌为基的 固溶体，称为双相黄铜。 相的出现使合金的强度升高，塑性下降，只适于热变形加工。工业黄铜代号用“ H 数字”表示， H 表示黄铜，数字表示铜的质量分数。如H68， 表示含铜量为 68%、含锌量为 32%的黄铜，铸造黄铜则在代号前“Z” 字。如ZH62， ZCuZn38 表示含锌量为 38% ，余量为铜的铸造黄铜。 H90、H80 属于单相黄
13、铜，金黄色，故有金色铜之称，常作镀层、装饰品、奖章等。 H68、H59 属于双相黄铜，广泛用于电器上的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧等。一般情况下，冷变形加工用单相黄铜，热变形加工用双相黄铜。 （2）特殊黄铜 ：在普通黄铜中加入其它合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜。常加入的元素有铅、锡、铝等，相应地可称为铅黄铜 、锡黄铜、铝黄铜。加合金元素的目的主要是提高抗拉强度和耐蚀性，改善工艺性能。代号为“H 主加元素符号（除锌外）铜含量主加元素含量其它元素含量”表示。如：HPb59-1 表示铜的含量为 59%、含主加元素铅的量为 1% 、余量为锌的铅黄铜。 2青铜 除黄铜、白铜外，其余的铜的合金统
14、称青铜，青铜又可分为锡青铜和特殊青铜（即无锡青铜）两类。代号表示方法为“Q + 主加元素符号及含量 + 其它元素含量”所组成。铸造产品则在代号前加“Z”字，如：QA l5 表示含铝为 5% ，其余为铜的铝青铜， ZQsn10-1 表示含锡量为 10%、其它合金元素含量为 1%、余量为铜的的铸造锡青铜。（1） 锡青铜：是由锡为主加元素的铜锡合金，也称为锡青铜。 当含锡量小于 56%时，锡溶于铜中形成 固溶体，塑性升高；当含锡量大于 56% 时，由于出现了 Cu31Sb8 相为基的固溶体，强度下降，所以常用的锡青铜含锡量大多在 314% 之间。当含锡量小于 5% ，适用于冷变形加工；当含锡量为 5
15、7% 时的适用于热变形加工。当含锡量大于 10% 时，适于铸造。因为锡青铜结晶温度范围较宽，流动性差，不易形成集中缩孔，而易形成枝晶偏析和分散缩孔，铸造收缩率小，有利于得尺寸极接近于铸型的铸件，所以适于铸造形状复杂、壁厚较大的铸件，能铸造出造型细致的工艺品，不适宜铸造要求致密度高和密封性好的铸件。锡青铜有良好的减摩性，抗磁性及低温韧性，耐蚀性比紫铜和黄铜都好。 锡青铜按生产方法可分为压力加工锡青铜与铸造锡青铜两大类。 A压力加工锡青铜 ：含锡量一般小于 8% ，宜冷热压力加工成板、带、棒、管等型材供应，经加工硬化后，其抗拉强度、硬度上升、而塑性下降。再退火后，可在保持较高抗拉强度下改善塑性，尤
16、其是获得高的弹性极限。 适于制造仪表上要求耐蚀及耐磨件，弹性件，抗磁件及机器中滑动轴承，轴套等。常用的有 QSn4-3 、QSn6.50.1。 B铸造锡青铜 ：以铸锭供应，由铸造车间铸成铸件使用，适宜铸造形状复杂但致密度要求不高的铸件，如滑动轴承、齿轮等。常用的有 ZQSn10-1 ZQSn6-6-3 。 （2） 特殊青铜 加入其它元素以取代锡，或称为无锡青铜，多数特殊青铜都比锡青铜具有更高的机性，耐磨性与耐蚀性，常用的有铝青铜（QAL7、QAL5 ）、铅青铜（ ZQPb30）等。 第三节 轴承合金轴承可分为滚动轴承和滑动轴承。滑动轴承承压面积大，工作平稳，应用广泛。在滑动轴承中，制造轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。一、轴承合金性能的要求 1） 适当的硬度 2）足够的塑性、韧性，高的抗拉强度和疲劳强度3）低的摩擦系数、耐磨性好4）良好的导热性、较小的膨胀系数，防
