《工程材料学第7章-有色金属及其合金剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料学第7章-有色金属及其合金剖析（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章 有色金属及其合金有色金属及其合金 有色金属及其合金具有色金属及其合金具 有钢铁材料所没有的许有钢铁材料所没有的许 多特殊的力学、物理和多特殊的力学、物理和 化学性能，为现代工业化学性能，为现代工业 中不可缺少的金属材料中不可缺少的金属材料 。它们的种类很多，本。它们的种类很多，本 章仅就机械、仪器、飞章仅就机械、仪器、飞 机制造等工业中广泛使机制造等工业中广泛使 用的铝、铜作一些基本用的铝、铜作一些基本 的介绍。的介绍。 第七章第七章 有色金属及其合金有色金属及其合金 铝合金扳状抛物面天线 1. 比重小、比强度高 纯铝的比重只有 2.7，仅为铁的1/3。合金的比重也很小，采用各种
2、强化 手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比 一般高强钢高得多。 2. 优良的物理、化学性能 铝的导电性好。仅次于银、铜和金。在室温时的导电率约为铜的64。 铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力。其磁 化率极低，接近于非铁磁性材料。 第一节第一节 铝及铝合金铝及铝合金 一一. .特性特性 3. 加工性能良好 铝及铝合金（退火状态）的塑性很 好，可以冷成形。切削性能也很好。 超高强铝合金成形后经热处理，可达 到很高的强度。铸造铝合金的铸造性 能极好。 铝及铝合金在电器工程、航空及宇 航工收、一般机械和轻工业中都有广 泛的用途。 工业铝合金型材 纯铝中含
3、有铁、硅、铜、锌等杂质元素，使性能略微降低。纯 铝材料按纯度可分为三类: 1.工业纯铝 纯度为98.099.0%，牌号有L1, L2 . L3. L4. L5等 ，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制 合金。 2.工业高纯铝 纯度为98.8599.9%，牌号有LG1,LG2等，用于 制作铝箔、冶炼铝合金的原料。 3.高纯铝 纯度为99.9399.99%，牌号有LG3,LG4,LG5等，编 号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。 纯铝的强度很低,不能作为结构材料使用 二二. . 纯铝纯铝 铝中加入合金元素后，可获得较高的强度、并保 持良好的加工性能。许多铝合
4、金不仅可通过冷变 形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性 能，因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机械 零件构件 1铝合金的时效 1）固溶处理 将成分位于相图图中 D-F之间的合金加热到相区 ，经保温获得单相固溶体后迅速水冷，可在室 温得到过饱和的固溶体，这种处理方式称固溶 处理。这种组织是不稳定的有分解出强化相过度 到稳定状态的倾向。硬化曲线如图如图 三三. . 铝合金铝合金 2）时效硬化 在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高.这种现象为时效或时效硬化 .在室温下进行的称自然时效；在加热条件下进行的称人工时效. 例如:含4%Cu的Al-Cu合金(图图)，加热到500并保温一段时间
5、后，在水中快冷时 来不及析出.合金获得过饱和的固溶体组织、其强度为 250MPa. 若在室温下放置 ，随着时间的延续,强度逐渐提高，经15天后,可400MPa.图图示出该合金的自然时 效曲线 3）时效发生的条件 能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶 体中溶质的溶解度必须随温度的降低而 显著降低 4）时效规律 图图为其在不同温度下的时效曲线.可以看 出： (1)时效温度越高,强度峰值越低,强化效果 越小; (2)时效温度越高,时效速度越快,强度峰值 出现所需时间越短; (3)低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保 持相对的稳定性,抑制时效的进行. 5）回归现象 自然时效后的铝合金,在230250短时间
6、(几秒至几分钟)加热后 ，快速水冷至室温时，可以重新变软,如再在室温下放置，则又 能发生正常的自然时效.这种现象称为回归。一切能时效硬化的 合金都有回归现象.自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时 效时强度有所降低. 回归现象在实际生产中意义: 时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.例 如：利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等. 两类： 变形铝合金：成分低于D的合金， 加热时能形成固溶体组织，塑性较好 .适于变形加工，称为变形铝合金.变 形铝合金中成分低于F的合金，因不 能进行热处理强化，称为不可热处理 强化的铝合金;成分位于F-D之间的合 金，可进行固溶时效强化，称为可
7、热 处理强化的铝合金. 铸造铝合金：成分高于D的合金， 由于冷却时有共晶反应发生，流动性 较好，适于铸造生产，称为铸造铝合 金. 2 铝合金的分类 变形铝合金:防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合 金.主要的牌号、化学成分与机械性能见表表. 1.防锈铝合金 防锈铝合金主要是Al-Mn-Mg 锰的主要作用是提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。 镁 亦有固溶强化作用，同时降低比重。 防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能高，塑性 好。这类合金不能进行时效硬化，属于不可热处理强化的铝 合金，但可冷变形，利用加工硬化提高强度。 四四. .变形铝合金变形铝合金 LF21(Al-Mn合金)： 抗蚀性和
8、强度均比纯铝高，并有良好的塑性和焊接性能，但因太 软而切削加工性能不良.主要用于焊接件、容器、管道，或需用深 延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等. LF5、LF11(Al-Mg合金)： 比重比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，具有高的抗蚀性和塑性， 焊接性能良好，但切削加工性能差.主要用于焊接容器、管道，以 及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉. 2.硬铝合金 见表见表 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金，另含有少量 锰.它们可以进行时效强化.属于可热处理强 化的铝合金.亦可进行形变强化.合金中的Cu 、Mg可形成强化相；Mn主要提高抗蚀性， 并起一定固溶强化作用.因其析出倾向小
9、， 不参与时效过程；少量钛或硼可细化晶粒， 提高合金强度. a. a. 低合金硬铝低合金硬铝 例如LY1，LY10等，Mg，Cu含量较低，塑性好， 强度低。采用固溶处理和自然时效提高强度和硬度，时效速度较 慢.主要用于制作铆铆钉，常称铆钉硬铝. b. 标准硬铝 例如LY11等，合金元素含量中等，强度和塑性属中等 水平.退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好.主要 用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件. c.高合金硬铝 例如LY12、LY6等，合金元素含量较多，强度和硬度 较高，塑性及加工性能较差.用于制作航空模锻件和重要的销、轴 等零件. 硬铝合金的不足： 1）抗蚀
10、性差： 特别是在海水等环境中.因为合金中含有较高的铜，而含铜固溶体和 化合物的电极电位比晶粒边界高，会促进晶间的腐蚀，所以需要防护 的硬铝材料的外部，都要包一层高纯度铝，作成包铝硬铝材料.但包 铝硬铝材料热处理后强度比未包铝者低. 2）固溶处理的加热温度范围很窄： 例如LY11的固溶化温度为505510，L12为495503低于以上范围 时，固溶体过饱和度不足，不能获得最大的时效效果，超过以上范围 时，容易发生晶界熔化.所以温度必须严格控制. 3.超硬铝合金 超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少 量的铬和锰.牌号有LC4、LC6等.锌、铜、镁与铝形 成固溶体和第二相(例如AlMg
11、ZnCu2）等，合金经 固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度 ，所以它们是强度最高的一类铝合金.但这类合金的 抗蚀性较差，高温下软化快.用包铝法可提高抗蚀性. 超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞 机大梁、起落架等. 4.锻铝合金 锻铝合金为A1-Mg-Si-Cu或AL-Cu-Mg-Ni-Fe系合金.牌号 有LD5、LD7、LD10等.合金的元素种类多但用量少，有良 好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能. 这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件，通常要进 行固溶处理和人工时效. 各类铸造铝合金的牌号、成分、机械性能及用途见表表. (1) Al-Si 铸造铝合金(
12、硅铝明) Al-Si合金相图如图 简单硅铝明 ZL102(含10%13%Si) 铸造后几乎全部得到共晶体组织(+Si), 具有优良 的铸造性能(熔点低、流动性好、收缩小). 在一般情况下，ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和固溶体构成,强度和塑 性都较差. 浇铸前向合金液中加入占合金重量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 显著提高合金的强度及塑性,这种处理 方法即是变质处理. 五. 铸造铝合金 经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体(+Si)+初生固溶体（如图）, 获得亚共晶组织是由于加入钠盐后，铸造冷却较快时共晶点右移的缘故. ZL102铸造性能很
13、好，焊接性能也好，密度小，并有相当好的抗蚀性和耐 热性，但不能时效强化，强度较低，经变质处理后, b最高不超过 180MPa. 仅适于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，例如仪表、水泵壳体以及 一些承受低载荷的零件. 未变质处理 变质处理 特殊硅铝明 为了提高硅铝明的强度，在合金中加入一些能形成强化相CuAl2(相)、 Mg2Si(相)、Al2CuMg(s相)的Cu、Mg等元素，以获得能进行时效硬化 的特殊硅铝明.这样的合金也可进行变质处理. ZL101和ZL104 含有少量Mg，能生成Mg2Si相，除变质处理外，还可进行淬火及人工时 效处理. ZL104的热处理工艺为: 530540加热，保温
14、5h, 在热水中淬火，然后在 17080时效67h. 经热处理后，合金的强度b可达200230MPa. 制造低强度的、形状复杂的铸件，例如电动机壳体、气缸体以及一些承 受低载荷的零件等. (2)Al-Cu铸造铝合金 Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和 疏松倾向，耐蚀性较差. ZL201的室温强度、塑性比较好，可制 作在300以下工作的零件，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等 零件。ZL202塑性较低，多用于高温下不受冲击的零件，ZL203 经淬火时效后，强度较高，可作结构材料，铸造承受中等载荷 和形状较简单的零件. (3)Al-Mg(3)Al-Mg铸造铝合金铸造铝合金 A
15、l-Mg合金(ZL301、ZL302)强度高，比重小(为2.55)，有良好 的耐蚀性，但铸造性能不好。耐热性低。这类合金可进行时效 处理，通常采用自然时效，多用于制造承受冲击载荷、在腐蚀 性介质中工作的、外形不太复杂的零件，例如舰船配件等。 (4)Al-Zn铸造铝合金 Al-Zn合金(ZL401、ZL402)价格便宜，铸造件能优良，经变质处理和 时效处理后强度较高，但抗蚀性差，热裂倾向大，常用于制造拖拉机 的发动机零件及形状复杂的仪器元件，也可用于制造日用品. 铸造铝合金的铸件形状较复杂，组织较粗大，并有严重偏析.因此与变 形铝合金热处理相比，淬火温度应高些，保温时间要长些，以使粗大 析出物尽
16、量溶解，并使固溶体成分均匀化.淬火一般用水冷却，且多 采用人工时效. 一.特性 1.优异的物理、化学性能 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. 2.良好的加工性能 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. 第二节第二节 铜及铜合金铜及铜合金 3.某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），高 的弹性极限和 疲劳极限(如铁青铜等). 4.色泽美观 铜及铜合金在电气工业，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,但铜的储量较小，价格较贵，属于应节约 使用的材料，只有在特殊需要的情况下，例如要求特殊的磁性、 耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下才考虑使 用. 二二. .纯铜纯铜 纯铜呈紫红色，主要用于制作电导体及配制合金 . 根据杂质含量的不同，工业纯铜分为四种：T1 ，T2，T3，T4.编号越大，纯度越
