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1、金属材料,xxx,,安徽工业大学材料科学与工程学院,概述,铜是人类最早使用的金属 早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远 铜存在于地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为0.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到35 自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿,第九章 铜及铜合金,工业纯铜的牌号,纯铜,纯铜含铜 99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达 99.9
2、9%99.9999% ，又称为4N、5N、6N铜。 工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。 无氧铜用 “T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。 用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。,用途：各种导线、电缆、导电牌、电器开关等导电器材和各种冷凝管、散热管、热交换器、真空电弧炉的结晶器等。导电器材用量占铜材总量一半以上。,纯铜的性能,导电导热性,高的导电、导热性，仅次于银而居第二位。,所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。 固溶于铜的元素(除Ag、Cd外)对铜的导电、导热性降低较多，而呈第二相析出
3、的元素则对铜的导电、导热性降低较少。 Ti、P、Si、Fe、Co、As，Be、Mn、Al强烈降低Cu导电性。 冷变形对铜的导电性能影响不大，与其它强化方法(如固溶强化)相比冷加工后导电性的降低要小得多 A1203弥散强化可提高铜的强度而又不使其导电率明显下降。,铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，铜在许多介质中化学稳定性好 铜在大气中耐蚀性良好，暴露在大气中的铜能在表面生成难溶于水、并与基底紧密结合的碱性硫酸铜(即铜绿，CuS043Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3Cu(OH)2)薄膜，对铜有保护作用，可防止铜继续腐蚀。 铜在海水中的腐蚀速度不大，约为0
4、.05mma；加入0.150.3As能显著提高铜对海水的抗蚀性。,耐蚀性,铜在非氧化性的酸(如盐酸)、碱、多种有机酸(如醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸)中有良好的耐蚀性。 铜在氧化剂和氧化性的酸(如硝酸)中不耐蚀。氨、氯化铵，氰化物，汞盐的水溶液和湿润的卤素族元素等，均引起铜强烈的腐蚀。 铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。,磁性,为逆磁性物质，磁化率为-0.08510-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器 铁磁性杂质(Fe、Co、Ni)在铜中呈不溶状态
5、时，即显铁磁性 用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01以下,软态铜：b=200240MPa， 3545HB，50，达75 硬态铜：b350400MPa， 110130 HB，延伸率=6 铜为面心立方晶格，易变形，退火态铜不经中间退火可压缩8595而不产生裂纹。 纯铜在500600呈现“中温脆性” ，热加工需在高于脆性区温度下进行。,铜的机械性能,纯铜中的杂质分为三类： 固溶于铜的杂质及微量元素； 很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素； 几乎不固溶于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质及微量元素。,杂质及微量元素对铜加工性能的影响,杂质元
6、素对铜塑性的影响，取决于铜与元素的相互作用 当杂质元素固溶于铜时，影响不大 若杂质元素与铜形成低熔点共晶时，则会产生“热脆” 若杂质元素与铜形成脆性化合物分布于晶界时，则产生“冷脆”,固溶于铜的杂质磷熔点44，700时磷在铜中的溶解度为1.75，而200时则只溶解0.4，温度下降磷在铜中的溶解度也下降 磷显著降低铜的导电、导热性，但对铜的机械性能特别是对焊接性能有益 磷常作为铜的脱氧剂使用，并提高铜液的流动性 过量的磷会生成Cu3P脆性化合物，造成“冷脆”，所以过量的磷有害,磷,熔点613，在固态铜中可溶解7.5 少量As对机械性能没明显影响，但显著降低铜的导电、导热性 砷可提高铜的再结晶温度
7、，提高铜的耐热性 砷显著提高铜的耐蚀性，作冷凝管用的铜管中均加入少量的砷 可改善含氧铜的加工性能。,砷：,熔点630，共晶温度（645）下锑在铜中的固溶度11 随温度降低，锑在铜中的溶解度急剧降低，并形成脆性Cu3Sb，分布在晶界上而造成“冷脆” 锑同时造成铜的导电性和导热性的严重降低，导电用铜的含锑量不允许超过0.002。,锑：,熔点327，基本上不溶解于铜 微量的铅与铜形成低熔点共晶组织(CuPb)，共晶温度为326，共晶体最后结晶并集中在晶界上 铅呈黑色颗粒状分布在晶界上，热加工时，铅先熔化，使金属晶粒之间的结合力受到破坏，造成“热脆” 铅限制在0.0050.05。,铅：,熔点为271，
8、不溶于Cu中，在270与Cu生成低熔点共晶(Cu+Bi) Bi在低熔点共晶中呈薄膜状分布在铜的晶界上，热加工时，薄膜熔化而造成“热脆” Bi本身也是脆性相，使铜在冷态下也会变脆，所以Bi不但造成“热脆”，也造成“冷脆”，对铜危害严重 铋的极限含量不大于0.002。 根据氧含量和生产方法，纯铜可分无氧铜、脱氧铜和纯铜三类，其中只有无氧铜才能在高温还原性气氛中加工使用。,铋：,不固溶于铜，与铜形成高熔点脆性化合物Cu2O 含氧铜冷凝时，氧呈共晶体(Cu+Cu2O)析出，分布在晶界上。共晶温度很高(1066)，对热变形性能不产生影响，但Cu2O硬而脆，使冷变形产生困难，致使金属发生“冷脆” 含氧铜在
9、氢或还原性气氛中退火时，会出现“氢病”，即氢或还原性气氛渗入铜中与CuO的氧化合而形成水蒸气或CO2 含氧量达0.005的铜，即出现“氢病”。 根据氧含量和生产方法，纯铜可分无氧铜、脱氧铜和纯铜三类，其中只有无氧铜才能在高温还原性气氛中加工使用。,氧：,硫：形成共晶系相图，共晶温度较高，对铜热变形影响不明显，共晶体(+Cu2S)集中在晶界上，Cu2S硬而脆，致使金属发生“冷脆” 硫的最大允许含量为0.0050.01 硒，碲：在固态铜中的溶解度极小，生成Cu2Se、Cu2Te脆性化合物，凝固时沿晶界析出，造成“冷脆” 铜中含0.003硒和0.0050.003碲即可使其焊接性能恶化,铜合金铜合金分
10、类及编号,黄铜：简单黄铜和复杂黄铜 简单黄铜：为CuZn二元合金，以“H”表示，H后面的数字表示合金的平均含铜量如H70表示含铜量为70，其余为锌 复杂黄铜：在Cu-Zn会金中加入少量铅、锡、铝、锰等，组成多元合金。第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如HSn70-1表示含70Cu、1Sn、余为锌的锡黄铜 多元合金则以第三种含量最多的元素相称，如：HMn57-31：57Cu、3Mn、1Al、余为锌的锰黄铜HAl66-632：66Cu、6Al、3Fe、2Mn、余Zn的铝黄铜,铜合金：黄铜、白铜，青铜,白铜：铜为基、镍为主要合金元素的铜合金。以B表示如：BlO为10Ni、余为铜；B30为30%
11、Ni、余Cu的铜镍合金,青铜：除黄铜、白铜之外的铜合金。 按主加元素(如Sn、Al，Be等)命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜，并以Q主添元素化学符号及百分含量表示QSn6.5-0.1 6.5Sn、0.1P、余为铜的锡磷青铜QA15 5A1、余为铜的铝青铜QBe2 2%Be、余下为铜的铍青铜,二元黄铜的密度随锌含量的增加而下降，而线膨胀系数则随锌含量的增加而上升 WZn30时，随锌含量的增加，b和同时增大，对固溶强化的合金来说，这种情况是极少有的 锌含量在3032%范围时，达最大值，之后塑性急剧下降。而b则一直增长到锌含量45附近 锌含量超过45，b急剧下降。 当锌含量为30时，塑性最好，适于深冲压
12、和冷拉，大量用于制造炮弹壳，所以H70黄铜有“炮弹黄铜”之称,黄铜的性能及应用,普通黄铜性能变化与锌含量的关系,黄铜在大气、淡水或蒸汽中有很好的耐蚀性，脱锌和应力腐蚀破坏(季裂)是黄铜最常见的两种腐蚀形式。 脱锌：锌电极电位远低于铜，在中性盐水溶液中首先被溶解，铜则呈多孔薄膜残留在表面，并与表面下的黄铜组成微电池，使黄铜成为阳极而被加速腐蚀。加0.020.06As可防止脱锌。 应力腐蚀：即“季裂”或“自裂”，指黄铜产品存放期间产生自动破裂的现象。这种现象是产品内的残余应力与腐蚀介质氨、SO2及潮湿空气的联合作用产生的。黄铜含Zn量越高，越容易自裂。 为避免黄铜自裂，所有黄铜冷加工制品或半制品，
13、均需进行低温(260300)退火来消除制品在冷加工时产生的残留内应力。此外，在黄铜中加人0.020.06As或1.01.5Si也能明显降低其自裂倾向。,H96、H90和H85：良好的电导率、热导率和耐蚀性，有足够的强度和良好的冷、热加工性能，被大量采用来制作冷凝管、散热管、散热片、冷却设备及导电零件等。 H70、H68：高的塑性和较高的强度，冷成型性能特别好，适于用冷冲压或深拉法制造各种形状复杂的零件。 H62：高的强度，在热态下塑性良好；冷态下塑性也比较好，切削加工性好，耐蚀，易焊接，以板材，棒材、管材、线材等供工业大量使用，应用广，有“商业黄铜”之称。 H59：强度高；含锌量高，能承受热态
14、压力加工，有一般的耐蚀性，多以棒材和型材应用于机械制造业。,普通黄铜的性能和用途,复杂黄铜, 铅的作用及铅黄铜,提高黄铜的切削性能，使零件获得高的光洁度，同时提高合金的耐磨性 为了改善热脆性，在HPb59-1中加入0.005稀土，可细化晶粒，使Pb分布均匀，或加入0.1Al，均可显著改善热脆性，提高热轧温度上限，使铅黄铜可在720750进行热轧。 铅黄铜有极好的切削性能，耐磨、高强、耐蚀、导电性好，它以棒材，扁材、带材等广泛供应汽车、拖拉机、钟表、电器等工业，用以制作各种螺丝、螺母、电器插座、钟表零件等。,锡抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性。锡黄铜在淡水及海水中均耐蚀，故称“海军黄铜”，加入0.
15、020.05As可进一步提高耐蚀性 提高合金的强度和硬度，常用锡黄铜含1Sn，含锡量过多会降低合金的塑性。 能较好地承受热、冷压力加工。但HSn70-1在热压力加工时易裂，需要严格控制杂质含量，铜取上限(71)，锡取下限(1.0l.2) 锡黄铜主要用于海轮，热电厂作高强，耐蚀冷凝管、热交换器，船舶零件等。, 锡的作用及锡黄铜,加入少量铝能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶液、高速海水的耐蚀性； 铝的强化效果高，能显著提高合金的强度和硬度。但含量过高会剧烈降低塑性，使合金的晶粒粗化，铝含量应低于4 含2Al、20Zn的铝黄铜，其热塑性最高 加入0.05As及0.01Be或0.4Sb及
16、.0.01Be可进一步提高铝黄铜的抗脱锌腐蚀能力 铝黄铜以HAl7-2用量最大，主要是制成高强、耐蚀的管材，广泛用做海船和发电站的冷凝器等。 铝黄铜的颜色随成分而变化，通过调整成分，可获得金黄色的铝黄铜，作为金粉涂料的代用品。, 铝的作用及铝黄铜,锰起固溶强化作用，少量的锰可提高黄铜的强度、硬度 锰黄铜能较好地承受热、冷压力加工 锰能显著升高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性 锰黄铜、特别是同时加有铝、锡或铁的锰黄铜广泛用于造船及军工等部门 Cu-Zn-Mn系合金的颜色与含锰量有关，随Mn量的增加，其颜色逐渐由红变黄，由黄变白 含63.5Cu，24.5Zn，12Mn的黄铜，具有良好的机械性能、工艺性能和耐蚀性，已部分地代含镍白铜应用于工业上。,
