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1、第五章 非铁金属材料与粉末冶金材料非铁金属材料是指除钢铁材料以外的其它金属及合金的总称（俗称有色金属）。非铁金属材料种类繁多，应用较广的是Al、Cu、Ti及其合金以及滑动轴承合金。5-1 铝及铝合金一、工业纯铝（阅读，回答问题）1铝合金为什么不能进行热处理强化？可通过什么手段提高其强度？2为什么纯铝在大气中有良好的耐蚀性？3纯铝有哪些优点和缺点？主要应用？二、铝合金 铝合金是向铝中加人适量的Si、Cu、Mg、Mn等合金元素，进行固溶强化和第二相强化而得到的。合金化可提高纯铝的强度并保持纯铝的特性。一些铝合金还可经冷变形强化或热处理，进一步提高强度。1铝合金的分类 二元铝合金一般形成固态下局部互
2、溶的共晶相图，如图5-所示。根据铝合金的成分和工艺特点可把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。（1）变形铝合金 由图5-可知，凡成分在D点以左的合金（加热时能形成单相固溶体组织，具有良好的塑性，适于压力加工），均称变形铝合金。变形铝合金又可分为两类：不能热处理强化的铝合金成分在点以左的合金；能热处理强化的铝合金成分在点与D点之间的铝合金。图5-1 二元铝合金相图（2）铸造铝合金 成分在D点以右的铝合金，具有共晶组织，塑性较差，但熔点低，流动性好，适于铸造，故称铸造铝合金。上述分类并不是绝对的。2、铝合金的时效强化 （1）概念1） 固溶处理将铝合金加热到单相区某一温度，经保温，使第二相溶入中，形成
3、均匀的单相固溶体，随后迅速水冷，使第二相来不及从固溶体中析出，在室温下得到过饱和的固溶体，这种处理方法称为固溶热处理或固溶（俗称淬火）。2）固溶处理的性能特点硬度、强度无明显升高，而塑性、韧性得到改善；组织不稳定，有向稳定组织状态过渡的倾向。3）时效强化固溶处理后的铝合金，随时间延长或温度升高而发生硬化的现象，称为时效（即时效强化）。4）合金时效强化的前提条件合金在高温能形成均匀的固溶体，同时在冷却中，固溶体溶解度随之下降，并能析出强化相粒子。5）合金时效各阶段的性能特点孕育期即在自然时效初始阶段，铝合金的强度不高，塑性好，此时可进行各种冷变形加工（如铆接、弯曲等）。超过孕育期后，强度、硬度迅
4、速增高。如图5-2所示。（2） 时效规律 铝合金时效强化效果与加热温度有关，如图5-3所示：时效温度越高，强度峰值越低，强化效果越小。时效温度越高，时效速度越快，强度峰值出现所需时间越短； 温度过高或时间过长，合金反而变软，这种现象称为“过时效”。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。（生产中有实用意义）（3）回归处理 将已时效强化的铝合金重新加热，经短时保温后在水中急冷，使合金恢复到固溶后的状态的处理方法。（之后还可时效）一切能时效强化的合金都有回归现象。（4）退火的目的 铸造铝合金是消除内应力及成分偏析，稳定组织。变形铝合金是消除变形加工中出现的加工硬化现象，改
5、善其加工工艺性。3变形铝合金（1）变形铝合金的分类、代号与牌号变形铝合金根据其性能特点和用途可分为防锈铝合金（LF）、硬铝合金（LY）、超硬铝合金（LC）及锻铝合金（LD），其代号后的数字为顺序号。如LF5、LY12、LC4、LD5等。牌号（见P143）（2）常用的变形铝合金（见P144表5-2） 不能热处理强化的铝合金 能热处理强化的铝合金 4铸造铝合金铸造铝合金铸造性能良好，可获得各种近乎最终使用形状和尺寸的毛坯铸件，但塑性较低，不能承受压力加工。（1）铸造铝合金的分类、代号及牌号按主加合金元素的不同，铸造铝合金可分为A1-Si系、A1-Cu系、A1-Mg系、A1-Zn系。代号由“ZL+三
6、位阿拉伯数字”组成。“ZL”是“铸铝”二字汉语拼音字首，其后第一位数字表示合金系列，如 1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金；第二、三位数字表示顺序号。例如：ZL102表示铝硅系02号铸造铝合金。若为优质合金在代号后加“A”，压铸合金在牌号前面冠以字母“YZ”。 牌号是由“Z+基体金属的化学元素符号+合金元素符号+数字”组成。其中，“Z”是“铸”字汉语拼音字首，合金元素符号后的数字是以名义百分数表示的该元素的质量分数。例如：ZA1Si12表示Wsi12%的铸造铝合金。（2）常用的铸造铝合金（见表5-3）（仅简介）铝硅合金（A1-Si系） 这类合金密度小，有优良的铸造性能（如流动
7、性好，收缩及热裂倾向小），一定的强度和良好的耐蚀性，但塑性较差。在生产中对它采用变质处理，可显著改善其塑性和强度。ZAlSi12（ZL102）是一种典型的铝硅合金，属于共晶成分，通常称为简单硅铝明。铸造后（组织是硅溶于铝中形成的固溶体和硅晶体组成的共晶体+Si，且硅本身脆性，又呈粗大针状分布在组织中。）合金力学性能很低，需采用变质处理（变质处理后，合金为亚共晶组织，硅晶体变为细小粒状，均布在铝基体上，并生成塑性好的初晶固溶体。），提高合金的力学性能（强度和塑性都有所提高）。 ZL102的致密性较差，且不能热处理强化。5-2 铜及铜合金铜在自然界中既可以以矿石的形式存在，又可以以纯金属的形式存在
8、，是我国历史上使用较早、用途较广的一种非铁金属材料。一、工业纯铜（阅读，回答）1铝合金为什么不能进行热处理强化？可通过什么手段提高其强度？2什么杂质使铜出现“热脆”？ 什么杂质使铜出现“冷脆”？3纯铜有哪些优点和缺点？主要应用？二、铜合金工业纯铜的强度低，尽管通过冷变形强化可使其强度提高，但塑性却急剧下降，因此不适合作结构材料。工业上，常对纯铜作合金化处理，加入一些如Zn、A1、Sn、Mn、Ni等合金元素，获得强度和韧性都满足要求的铜合金。1铜合金的分类按化学成分不同，铜合金分为黄铜、白铜和青铜；按生产方式不同，铜合金分为加工铜合金和铸造铜合金。黄铜是以Zn为主加元素的铜合金，白铜是Cu、Ni
9、合金，青铜是除黄铜和白铜以外的所有铜合金。工业上应用较多的是黄铜和青铜。2黄铜 （1）普通黄铜（铜锌二元合金） Zn的质量分数的影响 普通黄铜的代号及牌号 普通黄铜中的加工黄铜，其代号由“H+数字”组成。其中“H”是“黄”字汉语拼音字首，数字是以名义百分数表示的Cu的质量分数。普通黄铜中的铸造黄铜，其牌号表示方法有两种。（2）特殊黄铜 特殊黄铜是在铜锌的基础上加入Pb、A1、Sn、Mn、Si等元素后形成的铜合金，并相应称之为铅黄铜、铝黄铜、锡黄铜等。它们具有比普通黄铜更高的强度、硬度、耐蚀性和良好的铸造性能。 合金元素的影响 Pb可改善切削加工性和耐磨性；Si可改善铸造性能，也有利于提高强度和
10、耐蚀性；A1可提高强度、硬度和耐蚀性；Sn、Al、Si、Mn可以提高耐蚀性，减少应力腐蚀破裂的倾向。若特殊黄铜中加入的合金元素较少，塑性较高，则称为加工特殊黄铜；加入的合金元素较多，强度和铸造性能好，则称为铸造特殊黄铜。 特殊黄铜的代号及牌号加工特殊黄铜代号由“H+主添加合金元素符号（Zn除外）+数字-数字” 组成。铸造特殊黄铜的牌号表示方法有两种，（3）黄铜的热处理 去应力退火目的是消除应力，防止黄铜零部件发生应力腐蚀破裂及切削加工后的变形。既适用于加工黄铜，也适用于铸造黄铜。 再结晶退火目的是消除加工黄铜的加工硬化现象。（4）黄铜的用途（见表5-4、见表5-5）3青铜除黄铜和白铜（铜-镍合
11、金）以外的其它铜合金称为青铜，其中含锡元素的称为普通青铜（锡青铜），不含锡元素的称为特殊青铜（也叫无锡青铜）。按生产方式，还可分为加工青铜和铸造青铜。（1）青铜的代号、牌号及用途 加工青铜的代号由 “Q +第一个主加元素符号+数字-数字” 组成。其中“Q”是“青”字汉语拼音字首，第一组数字是以名义百分数表示的第一个主加元素的质量分数，第二组数字是以名义百分数表示的其它合金元素的质量分数。例如：QSn4-3表示平均WSn4%、WZn3%，其余为Cu的加工锡青铜。铸造青铜的牌号表示方法有两种。旧牌号表示法与加工锡青铜相似，只是在其代号前加“Z”，如ZQSn10-1；新牌号表示法是由“Z+Cu+合金
12、元素符号+数字” 组成。其中“Z”是“铸”字汉语拼音字首，合金元素符号后的数字是以名义百分数表示的该元素的质量分数。例如：ZQSn10-1还可以写成ZCuSn10Zn1，表示平均WSn10%、WZn1%，其余为Cu的铸造锡青铜。（2）普通青铜（锡青铜） Sn的质量分数的影响Sn在Cu中可形成固溶体，也可形成金属化合物。Sn的质量分数对青铜的组织和性能的影响如图5-5所示。 锡青铜的性能及用途 锡青铜在大气、海水、淡水以及蒸汽中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸和氨水中的耐蚀性较差；具有良好的减摩性，无磁性、无冷脆现象；锡青铜中加入少量Pb，可提高耐磨性和切削加工性能；加入P可提高弹性极限、
13、疲劳强度及耐磨性；加入Zn可缩小结晶温度范围，改善铸造性能。加工锡青铜适于制造仪表上要求耐磨、耐蚀的零件及弹性零件、滑动轴承、轴套及抗磁零件等。铸造锡青铜适宜制造形状复杂，外形尺寸要求严格，致密性要求不高的耐磨、耐蚀件，如轴瓦、轴套、齿轮、蜗轮、蒸汽管等。（3）特殊青铜（无锡青铜） 铝青铜 以Al为主要添加元素的铜合金称为铝青铜，应用最广泛。其耐蚀性、耐磨性高于锡青铜与黄铜，并有较高的耐热性、硬度、韧性和强度。加工铝青铜主要用来制造各种要求耐蚀的弹性元件及高强度零件。铸造铝青铜用于制造要求有较高强度和耐磨性的摩擦零件。 铍青铜 以Be为基本合金元素的铜合金(WBe1.7%2.5%)。在淬火状态下塑性好，可进行冷变形和切削加工，制成零件，经人工时效处理后，获得很高的强度和硬度。铍青铜的弹性极限、疲劳强度都很高，耐磨性和耐蚀性也很优异，具有良好的导电性和导热性，并且抗磁、耐寒、受冲击时不产生火花，但价格较贵。主要用来制作精密仪器的重要弹性元件、钟表齿轮、高速高压下工作的轴承及衬套以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。常用加工青铜的代号、成分、力学性能及用途见表5-6。
