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1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 有色金属 黑色金属 非铁金属及其合金 Al Cu Ti Mg 滑动轴承合金 铁及其合金
2、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 组织 （Al ） Fe+Al+Si 三元共
3、晶 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1. 工业纯铝的特性 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： 良好的抗大气腐蚀性： 膜致密 Al2O3 比重小，2.72g/cm3 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 编号 1 纯铝 A: 原始纯铝 B: 原始纯铝的改型 09: 对极限含量有特 殊控制的杂质种类数 新牌号 国标：用4位
4、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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1A99 1B99 1B85 1070 1145 1235 wAl99.99%的原始纯铝 原始纯铝1A99的改型 原始纯铝1A85的改型 wAl99.70%对杂质无特殊控制要求的纯铝 wAl99.45%对1种杂质有特殊控制要求的纯铝 wAl99.35%对2种杂质有特殊控制要求的纯铝 SCHOOL OF MATERIALS
5、SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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、Cr、B等 通过
6、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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 铸造铝合金:D点以右 D点以左(F以右的 可热处理强化，F 以左的不可热处理 强化) 铝合金 共晶体点附近，不 宜压力加工 形变铝合金:D点以左 L+ L 温度 wB Al D DF 铸造铝合金 变形 铝合金 铝合金一般均为共 晶型合金 SCHOOL OF
7、 MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 变形铝合金 铸造铝合金 铝合金 不可热处理铝合金 可热处理铝合金 Al-Si Al-Cu Al-Zn Al-Mg SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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
8、金的强度和硬度塑性加工成型的同时 ，强度、硬度也提高 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY (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（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 ZAlSi12 的铸态组织（a）变质前 150（b）变质后 350 (a)(b) SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY w
9、Si =1113% AlSi wSi /% T/ L 11.7 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY wSi
10、=1113% AlSi wSi /% T/ L 11.7 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 共晶体 初生相 砂型铸造时 b180MPa 8 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY (4) 时效强化（第二相强化）
11、 讲一个故事：一个偷懒的实验员 Al-Cu 合金相图的 Al 端部分 5.6533.2 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。 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 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
12、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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 铝合 金自然时效曲线 的铝合 金在不同温度下的 时效曲线 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY t b 20 100 15
13、0 200 -5 -50 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。 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 形变铝合金 1) 分类及牌号 A: 原始合金 B: 原始合金的改型 0: 原始合金 19: 改型合金 2 3 4 5 6 7 8 9 铜 锰 硅 镁 镁硅 锌 其他 备用 阿拉伯数字 为合金编号 如： 2A01 5A05 5B05 7075 7475 SCHOOL O
14、F MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY （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 抗蚀性差，容易产生晶间腐蚀（海水中尤甚）。 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIA
15、N JIAOTONG UNIVERSITY 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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY （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,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 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY （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
