第八章有色金属及其合金教学文案

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1、第八章 有色金属及其合金,non-ferrous metal and alloy,1、掌握铝合金、铜合金的强化机理及组 织、性能特点,本章教学目的：,2、熟悉铝合金、铜合金的表示方法,3、了解滑动轴承合金的组织、性能特点,本章重点：1、铝合金的强化机理及组织、性能 2、铜合金的强化机理及组织、性能,本章难点：铝合金、铜合金的强化机理,参考文献：,1、崔忠圻等，金属学与热处理原理， 哈尔滨工业大学 出版社，1998 2、王 忠，机械工程材料 ，清华大学出版 社，2005,有色金属：除钢铁以外的所有金属统称为有 色金属。,有色金属及其合金与钢铁相比，具有许 多特性：, Al，Mg，Ti及其合金密度

2、小 Au，Cu，Ag及其合金导电性好 Ni，Mo，Nb，Co及其合金耐高温 Cr，Ni，Ti及合金具有优良的耐蚀性, 有色金属及其合金的应用越来越多，在国 民经济中占越来越重要地位。,飞机制造业：轻金属占总重量的95%， 钢铁及其它材料占5%。, 镁合金在“3C”产品的应用近年来急剧增 长（年递增20%）。,C：COMPUTER C：COMMUNICATION C：CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS,钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用 越来越多。,第一节 铝及其合金,一、工业纯铝,1、铝的性质, 具有面心立方晶格，无同素异构转变。 密度2.72，约为铁的三分之一，铝

3、合金 密度一般为2.52.88之间。,具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金。 在大气中具有优良的抗腐蚀性（与氧亲和力大， 能形成一层致密的氧化膜）。 具有高塑性、较低的强度 ： L04 99.996% =45%；b=50MN/m2,2、纯铝的牌号,L04 L03 L02 4#高纯铝 3#高纯铝 2#高纯铝 99.996% 99.99% 99.96%,L0 L00 L1 1#工业高纯铝 2#工业高纯铝 1#工业纯铝 99.90% 99.85% 99.7%,L2 L7 2#工业纯铝 7#工业纯铝 99.5% 98%,二、铝合金的成分、组织和性能特点,1、成分特点,纯铝的机械性能不高，为了提高铝

4、的机 械性能，在铝中加入Cu、Zn、Mg、Si、Mn、 RE等元素制成铝合金。 铝合金仍保持纯铝密度小，抗蚀好等特 点，但机械性能比纯铝高的多。,2、组织特点,合金元素在铝中的溶解度一般都是有 限的，因此铝合金组织中除了形成铝基固 溶体（）外，还有第二相（金属间化合 物）出现。,CuAl2 相；Mg2Si 相；Al2CuMg S相。,二元铝合金状态图的基本型式为 有限固溶体型。,3、性能特点,与钢铁相比，铝合金具有较高的比强 度、比刚度，较低的密度。,机械性能对比 低碳钢 低合金钢 高合金钢 铸铁 铝合金 相对密度 1.0 1.0 1.0 0.92 0.35 相对比 1.0 1.6 2.5 0

5、.60 1.8 强度极限 相对比 1.0 1.7 4.2 0.70 2.94.3 屈服极限 相对比 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5 刚度,三、铝合金的分类 根据合金元素的含量和加工工艺性能 特点，把铝合金分为： 加工变形铝合金 铸造铝合金,2,1,3,4,Al,D,A,B,C,1变形铝合金 2铸造铝合金 3不能热处理强化的铝合金 4能热处理强化的铝合金,1、铸造铝合金,一般而言，具有共晶成分的合金具有优 良的铸造性能。铸造铝合金为了保证足够的 机械性能，并不完全都是共晶成分，只是合 金元素含量较高，在825% 。,2、变形铝合金,这类铝合金要经冷、热加工成各种型材， 因此要求具有良好

6、的冷热加工工艺性能，组 织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形 铝合金中合金元素的含量比较低，一般不超 过B点成分。合金元素总量5%。, 变形铝合金按其成分和性能特点，又可 分为不能热处理强化的铝合金和可热处 理强化的铝合金。, 不能热处理强化的铝合金，合金含量少 于状态图中D点的成分，其中包括一些 热处理强化效果不明显的合金。这类合 金具有良好的抗蚀性，故称防锈铝合金。, 可热处理强化的铝合金，合金元素含量 位于B、D之间，可通过热处理显著提 高机械性能。 包括硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。,四、铝合金的强化机理,1、固溶强化,合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体， 起固溶强化作用，使其强度

7、提高。铝的合金 化一般都形成有限固溶体，且都具有较大的 极限溶解度。,2、时效强化,铝合金的热处理强化，主要是由于合金元 素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减 小，故铝合金经加热到一定温度淬火后，可以 得到过饱和的铝基固溶体，这种过饱和的铝基 固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强 度、硬度随时间的延长而提高，塑性、韧性则 降低，这一过程称为时效（时效强化）。,淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。,3、过剩相强化,当铝中加入的合金元素超过其极限溶解 度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶 体的第二相出现，成为过剩相。,这类过剩相多为硬而脆的金属间化合物，起 阻碍滑移和位错运动的作用，使

8、铝合金强度、硬 度提高，但塑、韧性下降，过剩相过多时，合金 变脆，强度急剧下降。 对于铸造铝合金，过剩相强化是主要手段。,4、细化晶粒强化,在铝合金中添加微量合金元素细化组织 是提高机械性能的另一种重要手段。细化组 织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。,铸造铝合金常加入微量变质剂，进行变 质处理。 常用变质剂：2/3 NaF +1/3 NaCl,变形铝合金中添加微量的钛、锆、铍及 稀土元素，它们能形成难溶化合物，在合金 结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用， 以提高强度及塑性。,五、铝合金时效强化的机理（以Al-Cu合金为例）,铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的 过程，包括四个阶段：,第一

9、阶段：形成溶质原子Cu的富集区（Cu原子 在固溶体100晶面上偏聚）- GpI 区，随着GpI区的形成，将引起固 溶体严重畸变，使位错运动受到阻 碍。,第二阶段： 随着时间的延续，溶质原子继续向GpI区 扩散富集，并有序化而形成GpI I区。 GpI I的化学成分接近于CuAl2，具有正方 晶格（以”表示），随着GpI I区形成， 将引起固溶体更严重的畸变，使位错运动 受到更大阻碍。,第三阶段： 溶质原子Cu继续富集，第二阶段形成的 ”相逐渐达到CuAl2的成分，并部分地 与母相固溶体的晶格脱离，形成一种 过渡相，随着 的形成，固溶体的 晶格畸变程度减轻，合金趋于软化。,第四阶段： 稳定的相-

10、 CuAl2形成，并与母相固溶体 完全脱离联系，使固溶体的晶格畸变大为 减轻，时效产生的强化效果显著减弱，合金 软化，这种现象称为“过时效”。,一般自然时效只出现第一、第二阶段， 后两阶段由于原子扩散能力不足不出现。温 度较高的人工时效，则主要是第三、第四阶 段，因为温度较高，原子扩散能力很大，第 一、二阶段来不及出现即进入后二阶段。,六、铝合金的表示方法,1、铸造铝合金,ZL * * 表示合金顺序号 表示合金系列 1-Si 2-Cu 3-Mg 4-Zn 铸造铝合金,如： ZL102 表示第2号铝硅铸造合金 ZL405 表示第5号铝锌铸造合金,2、变形铝合金的牌号,防锈铝 LF+顺序号 “LF

11、5” 硬铝 LY+顺序号 “LY12” 超硬铝 LC+顺序号 “LC4” 锻铝 LD+顺序号 “LD5”,七、常用铸造铝合金,1、 Al-Si 系铸造铝合金（硅铝明）,a、简单硅铝明 含1113% Si，铸造后几乎全部得到 共晶组织，因而流动性很好，铸造发生热 裂的倾向小，但铸件致密度不高。可采用 压铸，增加致密度。,b、特殊硅铝明 为了增加铝合金强度，向合金加入能 形成强化相 CuAl2（相），Mg2Si（相）， Al2CuMg（S相）的合金元素 Cu、Mg。,2、Al-Cu系铸造铝合金 合金中含有少量共晶组织，故铸造性 能不好，抗蚀性及强度也低于硅铝明，应 用较少。 如：ZL203 ZL2

12、01,3、Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302 优点：耐蚀性好，强度高，密度小（2.55 比纯铝还轻）。 缺点：铸造性能差。,4、Al-Zn系铸造铝合金 ZL401 优点：铸造性能好，强度高（铸造冷却时 自行淬火），经时效后就有较高的 强度，价格低。 缺点：抗蚀性差，热裂倾向大。,八、常用变形铝合金,1、防锈铝合金 包括铝镁系、铝锰系、工业纯铝，这 类合金不能进行热处理强化，机械性能比 较低，为了提高其强度，可采用冷加工方 法使其强化（加工硬化）。,a、 铝镁系防锈铝 LF2、LF3、LF5、LF6,主合金元素是Mg，此外还加入少量Mn、 Ti，随着 Mg 含量的增多，合金的强度、塑

13、性 也相应提高。当Mg含量超过5%时，合金的抗 应力腐蚀性能降低。当Mg含量超过7%时，塑 性降低。,加入少量的Mn，不仅能改善合金的抗腐 蚀性，还能提高合金的强度，少量的钛、钒 起细化组织的作用。,组织：单相固溶体,b、 铝锰系LF21 Mn 是该合金的主要元素，1.01.6%含量 具有较高的强度、塑性、抗蚀性；合金中加入 少量的钛，0.4%Fe细化组织。,2、硬铝合金,LY1、LY2、LY3、4、6、8、10、11、12、,Al-Cu-Mg系，它有强烈的时效强化作 用，经时效处理后具有很高的硬度、强度， 同时具有优良的加工工艺性能。含Cu、Mg 量低的硬铝合金，强度低而塑性高，Cu、 Mg

14、量高则强度高、塑性低。,硬铝合金淬火+人工时效，有晶间腐蚀倾 向，故多采用淬火+自然时效。,3、超硬铝合金 LC3、LC4、LC5、LC6、LC9,Al-Zn-Mn-Cu系： 强度达500700MN/m2，主合金元素是Zn、 Mn、 Cu，同时加入少量的Mg、Cr、Ti。,热处理特点：淬火+人工时效 因为自然时效时间太长5060天，且自然 时效有较大的应力腐蚀倾向。,Al-Mn-Si-Cu系合金具有优良的锻造工艺性能。 热处理特点：自然时效很难达到最大的强化 效果，必须采用人工时效。,4、锻铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10,第二节 铜及合金,一、铜的性质,1、具有面心晶格，无同素异构转

15、变。 2、密度8.94，熔点1083，无磁性。 3、导电、导热性好，仅次于银。,金属导电性排序： Ag、Cu、Au、Mg、Zn、Ni、Cd、Co、Fe、 Pt、Sn、Pb,4、具有较高的化学稳定性 在大气、淡水中均有优良的抗蚀性；在温 水中抗蚀性较差。在大多非氧性介质中（HF、 HCl）抗蚀性较好，而在氧化性介质中（HNO3、 H2SO4）易 被腐蚀。,5、优良的成型加工性、可焊性、塑性，强度较低。 HB=3.5， b=200240 MN/m2 =50%， s=6070MN/m2,6、冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度， 但塑性、导电率降低，经退火后可消除加工 硬化现象。,二、杂质对铜性能的影响,工业纯铜常见杂质：氧、硫、铅、铋、 砷、磷等。这些杂质的存在，均使铜的导 电率降低。,1、热脆现象,产生原因：铅、铋杂质存在。,铅、铋与铜能形成熔点很低的共晶体 （Cu+Bi ，270），（Cu+Pb ，326）， 且沿晶界分布，热加工时（820860）， 晶界熔化热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含 量。Pb（0.005%0.03%）， Bi (0.002%0.003%),机理：,2、冷脆现象,产生原因：硫、氧杂质存在,硫、氧与铜形成共晶体，Cu+Cu2S，（1067） Cu+Cu2O，（1065），且沿晶界分布，熔点 较高，不会引起热脆。但Cu2S、Cu2O属