工程材料8有色金属及其合金

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1、第8章 有色金属及其合金 l在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。 l一、铝及铝合金的性能特点 l纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3 ），熔点低（660.4），导电、导热性能优良。l抗大气腐蚀性能好，易于加工成形 。l具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。8.1 铝及铝合金工业纯铝的牌号有L1、L2、L7等。1 7序号越大，纯度越低。用于制作铝箔、导线及配制合金。 l铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。l铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr、稀土等辅加元素。 铝合金 型材铝铸件

2、铝合金丝l二、铝合金的分类l铝合金一般具有有限固溶型共晶相图可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类铝合金分类示意图铸造铝合金，则是将熔融的合金液直接浇入铸型中 获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能， 如流动性好、收缩小、抗热裂性高。变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭，再经压 力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带材、 棒材、管材、线材以及其它各种型材，要求具有较 高的塑性和良好的工艺成型性能。三、铝合金的热处理 l可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理 + 时效。l固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单

3、相固溶体组织的处理。l时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。 固溶热处理 (solution treatment)淬火 (quench)時效处理(aging treatment)在室温下进行的时效称自然时效（natural aging）；在加热条件下进行的时效称人工时效（artificial aging ）时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 l温度一定时,随时效时间延长, 时效曲线上出现峰值,超过峰值时间,析出相聚集长大, 强度下降,为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。含4%Cu铝合 金的时效曲线 铝合金的时效强化与其在时效过

4、程中所产生的组织有 关。以Al4%Cu合金为例。该合金在室温时的平衡组 织为+CuAl2（CuAl2即为平衡相），加热到固相线 以上，第二相CuAl2完全溶入固溶体中，淬火后获得 在铝中的过饱和固溶体，有自发分解的倾向。当给予 一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四个 阶段： 1）时效初期 铜原子偏聚于固溶体的 100晶面上，形成铜原子富集区，称为GP 区。 2）随着时间的延长或温度的提高，在 GP1区的基础上铜原子进一步偏聚，称为 GP。GP区可视为中间过渡相，常用 表示，使合金得到进一步强化。 3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在 GP 区继续偏聚，形成过渡相，晶格 畸变减轻，合金

5、的硬度开始下降。 4）时效后期，过渡相完全从母相中脱 溶，形成平衡相，使合金的强度、硬度进一步 降低，即所谓“过时效”。 Al4%Cu合金时效的基本过程可以概括为：合金淬火过饱和固溶体形成铜原子富集区（ GP区）铜原子富集区有序化（GP区）形成过渡相析出平衡相（CuAl2）+平衡的 固溶体。 时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低，时效后的强化效果越明显。 四、铝合金的牌号、性能及用途 l1、变形铝合金l 变形铝及铝合金牌号表示方法 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号铝合金波纹 管铝

6、合金制品l 常用变形铝合金l 防锈铝合金l主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。lMn和Mg的主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。l防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。l不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 卫星天线 （LF2）汽化器（热交换管为LF21 ）l常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。l常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、

7、铆钉及承受中等载荷的零件。l 硬铝合金l主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。l可进行时效强化，也可进行变形强化。l强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。l常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。 飞机翼梁(腹板 为硬铝合金)l 超硬铝合金l属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。l时效强化效果超过硬铝合金 。l强度最高；耐热性、耐蚀性差。 飞机主起落架l常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机的大梁、起落架等。l 锻铝合

8、金lAl-Mg-Cu-Si系合金 l可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。lAl-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7（ 2A70 ）、LD8 （ 2A80 ）、LD9 （ 2A90 ）等 。用于制造150225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。压气机叶片叶导轮美F-117隐身战斗机 （所用材料大部分是铝合金）l2、铸造铝合金 lAl-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号lAl-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号lAl-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号lAl-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号l Al-Si系

9、铸造铝合金 l又称硅铝明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。 在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织l加入其他合金元素(Cu、Mg)的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。lAl-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 l用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。 活塞(裙部为铝硅合金)l Al-Cu系铸造铝合金l

10、这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。l常用代号有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽缸头l Al-Mg系铸造铝合金l这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。l常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。 鼓风机用密封件(ZL102)及抗 空架件(ZL301)l Al-Zn系铸造铝合金l这类合金的铸造性能好，强度较

11、高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。大型空压机活塞(ZL401)l常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。l主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。l一、工业纯钛 l纯钛密度小，熔点高（1667），l在882.5发生同素异构转变-Ti -Ti。l-Ti 882.5-1667具有体心立方晶格；l-Ti 882.5以下具有密排六方晶格。l纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。l工业纯钛的纯度为99.5%-99.0%，其性能很大程度上取决于氧的含量。工业纯钛可分为TA1，TA2，TA3等三个牌号，编号越大，杂质越多。工业纯钛长期工作温度可达

12、300。8.2 钛及钛合金钛及钛合金l纯钛主要用于350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。 钛钢复合反应釜钛管换热器钛制蒸馏塔二、钛的合金化纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金具有同素异构转 变，转变的温度随加入的合金元素的性质和含量而定。加入的合金元素通常按其对钛的同素异构转变温度的影 响分成三类。扩大相区，使转变的温度升高的元素称为 相稳定元素，如Al、O、N、C、B等；扩大相区，使转变的温度降低的元素称为 相稳定元素，如Mo、V、Cr、Nb、Ta及稀土；对相变温度影响不大的元素称为中性元素，如Zr、Sn 等。三、钛及钛合金的热处理其主要热

13、处理方式：退火、淬火、时效，并分别用 M、C、S表示。（2）淬火、时效处理： 20% 型钛合金不能进行热处理强化；钛合金通过淬火得相（亚稳定相），再经 400 600时效，可析出弥散20% 相，从而使提 高，但塑性下降。(1)退火： 650850退火，可去加工硬化； 450650退火可去内应力.（许多钛合金以退 火状态供货。）按退火组织，钛合金可分为：l型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类l它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。l如TA5、TB2、TC4等。钛合金泵三、钛合金l1、型钛合金l主加元素为铝，还有锡、硼等。 l不能热处理强化，通常在退火状态下使用，组织为单相固溶体。 l强度

14、低于其他两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。 钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体l常用牌号有TA5、TA7等 l主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。 钛合金卫星框架钛合金液下泵l2、型钛合金l加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。l经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。l这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，应用受到限制。钛合金管钛合金管应用l型钛合金有TB1、TB2两个牌号。实际获得应用的仅有TB2一种。l主要用于350以下工作的结构件和紧固件，如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。钛合金棒钛合金眼镜架l3

15、、+型钛合金l加入的合金元素有铝、钒、 钼 铬等。l可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。钛合金列管式换热器l+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为+时效析出的针状。+钛合金组织+钛合金组织（电镜）l+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。 飞机发动机叶片、盘涡喷13A发动机l一、铜及铜合金的性能特点l纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 l纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑

16、性好。 铜离心铸件离心铸造铜蜗轮8.3 铜及铜合金铜及铜合金l铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。l铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜管铜冷却器l二、黄铜l以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。l黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。l按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。 法兰阀闸阀l1、普通黄铜l铜与锌的二元合金称为普通黄铜。l加工普通黄铜的牌号为：H（黄）+ 表示铜平均百分含量的数字，如H68。从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。 普通黄铜的显微组织 单相黄铜 两相黄铜 l单相黄铜塑性好。l常用牌号有H80、H70、H68。l适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。