第十一章 有色金属及其合金教学目的及其要求通过本章学习，使学生了解常用有色金属的牌号、化学成分、性能特点和用途主要内容1．铝及铝合金2．铜及铜合金3．钛及钛合金4．轴承合金学时安排：讲课2学时教学重点1．铝及铝合金2．铜及铜合金教学难点铝合金的强化机理教学过程概述：黑色金属：钢铁材料的总称；有色金属：非铁金属材料1．有色金属性能及特点 力学性能：高的比强度（强度/密度）； 物理性能：导电性、导热性、无磁性、形状记忆特性 化学性能：耐腐蚀2．有色金属及合金的应用航空及宇航业（飞机等）；表面工程业（表面镀Zn等）；电气工程业（电缆铜芯等）；机械及轻工业（如机械加工中线切割Mo丝）等等，应用广泛第一节 铝及其合金铝：蕴量丰富约占全部金属元素的 1/3 一、 纯铝1． 性质、代号和用途 性质：银白色，熔点为 675C ，面心立方晶格，工业上使用的纯度为 99.7~98% 性能特点：密度小，为 2.72g/cm3 ，仅为铁的 1/3 ；导电、导热性较高，居四位；抗大气腐蚀性好，生成三氧化二铝，与大气隔绝，但不耐酸、碱和盐 塑性好，可压力加工成各种型材 无铁磁性 ，即磁化率极低主要用途：替代贵金属制电线，配制各铝合金及制要求质轻 导热或耐大气腐蚀但抗拉强度要求不变的四种。
2．纯铝分类工业纯铝和高纯铝高纯铝：代号LG1、LG2、LG3、LG4、LG5，由1到5，Al 的含量由 99.85 到 99.99%工业纯铝：分为冶炼产品（铝锭）和压力加工产品（铝材）冶炼产品牌号有 Al997、Al996、Al995、Al990、Al980 五种 压力加工产品代号有 L1、L2、L3、L4、L5、 L6 ，其中“ L ”为铝汉音首，后为序号，序号越大，杂质量越大，由6 到1，Al的含量由 98.8 到 99.7%.二、 铝合金的分类 在纯铝中加入适当量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素即可制成铝合金铝合金保持了纯铝的基本物化性能如相对密度小、导电、导热、耐蚀性好等，且强度有了大幅度上升 铝合金按其成分和生产工艺特点的不同，可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类 1．形变铝合金 成分位于D点左边的合金，加热时均能形成单相 a 固溶体，使塑性上升适压力加工，故称形变铝合金形变铝合金又可分两类：不能 HT 强化的铝合金和能 HT 强化的铝合金不能热处理强化铝合金：成分在 F 点以左，其中 a 固溶体的成分和相结构不随温度而改变，故称为不能热处理强化的铝合金，主要有防锈铝合金能热处理强化的铝合金：成分在 F 点和 D 点之间的铝合金，其中 a 固溶体的成分随温度的改变而改变，属于能热处理强化的铝合金，主要有硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。
2．铸造铝合金成分在 D 点以右的铝合金，都具有共晶组织，熔点低，流动性好，适宜铸造 ，称为铸造铝合金，主要有Al-Si合金、Al-Cu合金、Al- Mg合金和Al- Zn合金等三、铝合金的强化 铝合金强化的主要方式有：1．变形强化（加工硬化）：对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷压力加工，产生加工硬化而强化 2． 变质处理（细晶强化）：适合铸造铝合金 3． 固溶强化：铝合金都有，如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形成有限固溶体 4．时效强化： 可热处理强化铝合金（重点）铝合金淬火后在室温或者较低温度下加热保温一段时间，随时间延长其强度硬度显著增加的现象，称为时效强化 铝合金热处理加热到 a 相区保温后快冷，其抗拉强度、硬度并不高，而塑性上升，这种过程也称为淬火或固溶处理由于淬火后获得的过饱和固溶体是不稳定的，有析出第二相（强化相）的趋势，在室温长时间放置或加热至100-200℃一定时间保温后，逐渐向稳定转变，第二相析出并偏聚，阻碍位错运动，使合金抗拉强度和硬度明显上升而塑性显著下降我们把这种固溶处理（淬火）后的合金随时间而发生的强度硬度提高的现象，称为时效硬化或时效强化。
在室温下发生的时效称为自然时效，而在加热的条件下进行的时效称人工时效，“淬火＋时效”处理是铝合金强化的主要途径 四、常用铝合金及应用（一）形变铝合金 此类合金的组织大部分或全部为单相 a 固溶体，因而塑性好，制成各种型材，如棒料、板、管、线材、铝箔等其合金元素加入量一般小于 5 ％ 1．防锈铝 （铝锰合金） 成分：AL—Mn（主）－Mg；Mn、Mg的作用： 提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化性能：抗蚀性高，塑性和焊接性好，不能热处理强化，可冷变形强化应用：主用于制作耐蚀性要求高的容器、管道、蒙皮及受力不大的结构件，如油箱、导管、铆钉（3A21）及生活器皿等2．硬铝 （铝铜合金）成分：AL—Cu—Mg—(Mn)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；固溶强化性能：强度较高，塑性好，可时效强化（“淬火＋时效”后抗拉强度可达 420Mpa）；耐蚀性差，常在硬铝材表面包覆一层纯铝，以增强耐蚀性应用：在仪器、仪表及航空工业中广泛应用如飞机构件（飞机蒙皮(2A12)、挤压成螺旋桨、叶片(2A11)等重要零件）3．超硬铝合金 （铝锌合金）是在硬铝基础上再加入锌，加入锌后，经淬火＋人工时效后，获得抗拉强度为680MPa， 硬度为190HBS ，比硬铝更高，故称超硬铝。
成分：Al－Zn－Cu－Mg特点：强度很高（可达680MPa)，耐热性、抗蚀性差应用：主用于高强度构件，多用于制造飞机中的受力件，如大梁、起落架（7A04）等锻铝合金（铝镁合金）锻铝是铝－铜－镁－硅系和铝－铜－镍－铁系合金，其机性与硬铝接近，但耐蚀性上升，具有良好的铸造性能和锻造性能，更适于锻造，故名锻铝，代号用“ LD” 顺序号表示，用于制造形状复杂的大型锻件或模锻件 （二）铸造铝合金 铸造铝合金分为铝硅系铝合金、铝铜系铝合金、铝镁系铝合金、铝锌系铝合金，是用来制作铸件的铝合金其中铝硅系铸造铝合金应用最广，又称硅铝明铸造铝合金代号：用“ ZL＋3位数字”表示：第一位数字表示合金类别（ 1 －铝硅系、 2 －铝铜系、 3 －铝镁系 4 －铅锌系），后两位为顺序号顺序号不同，成分不同，如“ZL102”表示2号铸造铝硅合金 新牌号：由表示铸造铝合金的汉字“ZAL”加主要合金元素的化学符号，以及表示其名义百分含量的数字组成，若合金元素的名义百分含量小于 1 ，则不标数字 ZALSiMg 中镁元素符号，含量小于1 下面以铝硅铸造铝合金为例：特点：力学性能不如变形铝合金，铸造性能好，一般用制作质轻、耐蚀、形状复杂及要求有一定机性的零件，如发动机的活塞、气缸体、仪表外壳等。
例如：Al-Si系铸造铝合金（铸造性能和力学性能配合最佳）（1）简单硅铝明：ZL102（ZALSi12） 组织：a +Si 共晶体 性能：铸造性能好，强度低 用途：形状复杂、受力不大的零件，如仪表外壳等2）复杂(特殊）硅铝明：在AL—Si基础上加入其它合金元素（Cu、Mn、Ni、Mg等）→ 强化方式（时效强化，并变质处理（加入2～3 ％的变质剂2/3NaF+1/3NaCl）） 性能：铸造性能好，较高的强度和耐磨性、耐热性 应用：用于制造形状复杂中等强度的零件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片、液压泵壳体等（代号ZL109)第二节 铜及铜合金一、纯铜 性质：呈紫红色，故又称紫铜，熔点为10830C ，面心立方晶格结构性能特点：（1）良好的导电、导热性，仅次于银居第二位； （2）塑性好，铸造性能好，可冷热压力加工；（3）较高的抗蚀性，如大气、水中不受腐蚀； （4）具有抗磁性； （3）减摩性耐磨性好； （4）色泽美观工业纯铜分类：冶炼产品（铜锭）：按杂质分为 Cu-1 至 Cu-4压力加工产品（铜材）：代号 T1、T2、T3、T4， 数字大、杂质高。
二、铜合金 铜合金分类：白铜（铜镍合金）、黄铜（铜锌合金）、青铜（铜锡合金），应用最广的为青铜和黄铜 1．黄铜 黄铜为铜锌合金按化学成分分为：普通黄铜和特殊黄铜；按生产方法分为：压力加工黄铜和铸造黄铜 （1）普通黄铜： 它是由铜和锌组成的合金当含锌量小于39%时，锌能溶于铜内形成单相α固溶体，称为单相黄铜，塑性好，适于冷热加压加工当含锌量大于39%时，除α相外，合金中还出现以铜锌为基的β固溶体，称为双相黄铜β相的出现使合金的强度升高，塑性下降，只适于热变形加工工业黄铜代号用“ H ＋ 数字”表示， H 表示黄铜，数字表示铜的质量分数如H68， 表示含铜量为 68%、含锌量为 32%的黄铜，铸造黄铜则在代号前“Z”字如ZH62，ZCuZn38 表示含锌量为 38% ，余量为铜的铸造黄铜 H90、H80属于单相黄铜，金黄色，故有金色铜之称，常作镀层、装饰品、奖章等 H68、H59属于双相黄铜，广泛用于电器上的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧等 一般情况下，冷变形加工用单相黄铜，热变形加工用双相黄铜 （2）特殊黄铜 ：在普通黄铜中加入其它合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜常加入的元素有铅、锡、铝等，相应地可称为铅黄铜 、锡黄铜、铝黄铜。
加合金元素的目的主要是提高抗拉强度和耐蚀性，改善工艺性能代号为“H ＋主加元素符号（除锌外）＋铜含量＋主加元素含量＋其它元素含量”表示如：HPb59-1 表示铜的含量为 59%、含主加元素铅的量为 1% 、余量为锌的铅黄铜 2．青铜 除黄铜、白铜外，其余的铜的合金统称青铜，青铜又可分为锡青铜和特殊青铜（即无锡青铜）两类代号表示方法为“Q + 主加元素符号及含量 + 其它元素含量”所组成铸造产品则在代号前加“Z”字，如：QA l5 表示含铝为 5% ，其余为铜的铝青铜， ZQsn10-1 表示含锡量为10%、其它合金元素含量为1%、余量为铜的的铸造锡青铜1） 锡青铜：是由锡为主加元素的铜锡合金，也称为锡青铜 当含锡量小于5~6%时，锡溶于铜中形成α固溶体，塑性升高；当含锡量大于 5~6% 时，由于出现了Cu31Sb8 相为基的固溶体，强度下降，所以常用的锡青铜含锡量大多在 3~14% 之间当含锡量小于 5% ，适用于冷变形加工；当含锡量为 5~7% 时的适用于热变形加工当含锡量大于10% 时，适于铸造因为锡青铜结晶温度范围较宽，流动性差，不易形成集中缩孔，而易形成枝晶偏析和分散缩孔，铸造收缩率小，有利于得尺寸极接近于铸型的铸件，所以适于铸造形状复杂、壁厚较大的铸件，能铸造出造型细致的工艺品，不适宜铸造要求致密度高和密封性好的铸件。
锡青铜有良好的减摩性，抗磁性及低温韧性，耐蚀性比紫铜和黄铜都好 锡青铜按生产方法可分为压力加工锡青铜与铸造锡青铜两大类 A．压力加工锡青铜 ：含锡量一般小于8% ，宜冷热压力加工成板、带、棒、管等型材供应，经加工硬化后，其抗拉强度、硬度上升、而塑性下降再退火后，可在保持较高抗拉强度下改善塑性，尤其是获得高的弹性极限 适于制造仪表上要求耐蚀及耐磨件，弹性件，抗磁件及机器中滑动轴承，轴套等常用的有QSn4-3 、QSn6.5~0.1 B．铸造锡青铜 ：以铸锭供应，由铸造车间铸成铸件使用，适宜铸造形状复杂但致密度要求不高的铸件，如滑动轴承、齿轮等常用的有 ZQSn10-1 ZQSn6-6-3 。