有色金属及其合金

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:00:53

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第八章有色金属及其合金

(Non-ferrous metal and alloy)

教学目的：掌握铝合金、铜合金的强化机理及组织、性能特点；熟悉铝合金、铜
合金的表示方法；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、性能特点
1 ]' @% z K* l# d
2、铜合金的强化机理及组织、性能特点
本章难点：铝合金、铜合金的强化机理
参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005
2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001
3、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997
专业词汇：non-ferrous metal; non-ferrous alloy; aluminum alloy; copper alloy;
deformation aluminum alloy; wrought copper alloy; wrought magnesium
alloy; cast aluminum alloy; cast copper alloy; cast magnesium alloy;
aging;

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：
/ ?+ K5 G) R) ]
$ l% c Q7 z6 R3 M" oa、轻金属：密度<3.5, Al 2.72, Mg 1.74, Be, Li。
b、重金属：Pb，Cu，Ni，Hg。
c、贵金属：Au，Ag，Pt，Pd。
e、稀有金属：W，Mo，V，Ti，Nb，Zr，Ta。
f、放射性金属：Ra，U。
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。
故有色金属及其合金的应用越来越多，在国民经济中占重要地位。如飞机制造业中，轻金属占总重量的95%，钢铁及其它材料占5%。近年来，汽车制造业中铝合金、镁合金的使用量越来越多，而镁合金在家电、信息产业的应用近年来急剧增长（年递增20%）。镁合金是最轻的工程金属材料，具有高强度、导热性好、减震性好、电磁屏蔽能力强、加工性好（压铸表面质量高），易回收利用，属绿色环保材料。我国是镁资源大国，储量和原镁产量居首位，约占世界总量的三分之一以上，主要分布在西部地区，但长期以来，由于技术水平落后，镁只能作为初级产品低价出口，精加工产品却大量进口（以吨为单位出口，以克为单位进口）。钛及其合金不论在化学介质中，还是在海水或淡水中都有良好的抗腐蚀性。

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:01:33

第一节    铝及其合金
一、工业纯铝
  1、铝的性质
① 具有面心立方晶格，无同素异构转变。
② 密度2.72，约为铁的三分之一，铝合金密度一般为2.5~2.88之间。
③ 具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金。
④ 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）。
⑤ 具有高塑性、较低的强度  L04  99.996% δ=45% σb=50MN/m2
  2、纯铝的表示方法
L04 L03    L02       L0          L00             L1
4#高纯铝  3#高纯铝  2#高纯铝  1#工业高纯铝  2#工业高纯铝 1#工业纯铝
99.996%  99.99% 99.96%    99.90%       99.85%       99.7%
L2  …  …    L7
2#工业纯铝    7#工业纯铝
98%
二、铝合金的成分、组织和性能特点
1、成分：纯铝的机械性能不高，为了提高铝的机械性能，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（α）外，还有第二相（金属间化合物）出现。CuAl2 θ相; Mg2Si β相;Al2CuMg S相，二元铝合金状态图的基本形式为有限固溶体类性。
3、性能特点：
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
相对比强度极限    1.0    1.6    2.5    0.60    1.8
相对比屈服极限    1.0    1.7    4.2    0.70 2.9～4.3
相对比刚度       1.0    1.0    1.0    0.51    8.5

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，铝合金分为：加工变形铝合金、铸造铝合金两大类。

A          L                      1 —变形铝合金
                                    2—铸造铝合金
  α  β α+L C                3—不能热处理强化的铝合金
1    2                         4—能热处理强化的铝合金
3 4       α+β

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:02:33

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8~25%
  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，其固溶强化作用，使其强度提高。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
由于铝没有同素异构转变，故其热处理相变与钢不同。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，使铝合金强度、硬度提高，但塑、韧性下降，过剩相过多时，合金便脆，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西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（2/3NaF+1/3NaCl）进行变质处理。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）-Gp[I]区，随着Gp[I]区的形成，将引起固溶体α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Gp[I]区扩散富集，并有序化而形成Gp[II]区。Gp[II]的化学成分接近于CuAl2，具有正方晶格（以θ”表示），随着Gp[II]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θ”相逐渐达到CuAl2的成分，并部分地与母相α固溶体的晶格脱离，形成一种过渡相θ’，随着θ’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θ相- CuAl2形成，并与母相α固溶体完全脱离联系，使α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。

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:03:09

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

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       “LF5”
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）
不含其它合金元素的称为简单硅铝明，除硅外尚有其它合金元素的称为特殊硅铝明。
a、简单硅铝明
含11～13%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（θ相），Mg2Si（β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  ZL201
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系，随着Mg含量的增多，合金的强度、塑性也相应提高。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，1.0~1.6%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、14、16、17
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量高则强度高、塑性低。
硬铝合金淬火+人工时效，有晶格腐蚀倾向，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500～700MN/m2，主合金元素是Zn、Mg、Cu，同
时加入少量的Mn、Cr、Ti。热处理特点：淬火+人工时效。因为自然时效
时间太长50～60天，且自然时效有较大的应力腐蚀倾向。
4、铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10
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。

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:04:17

第二节铜及合金
一、铜的性质
1、具有面心晶格，无同素异构转变。
2、密度8.94，熔点1083℃，无磁性。
3、导电、导热性好，仅次于银（Ag、Cu、AuA、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，而在氧化性介质中易被腐蚀（HNO3、H2SO4）。
  5、优良的成型加工性、可焊性、塑性，强度较低。
HB=3.5，σb=200～240 MN/m2，σs=60～70MN/m2，δ=50%
5、冷变形加工可显著提高纯龙的强度和硬度，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℃），且晶界分布，热加工时（820~860℃），晶格熔化
→热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含量。Pb（0.005%~0.03%） Bi
(0.002%~0.003%)。
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属于脆性化合物，冷加工时易产生脆性开裂。因此应严格控制S、O
含量(S≤0.0015%；O：0.0015%~0.05%）。
3、氢病
   含有氧的纯铜在含有氢气或一氧化碳等还原性气氛中加热时，氢气及一氧
化碳气体会渗入Cu中，与氧发生反应，形成不溶于Cu的水蒸汽和二氧化碳。
2H+O2→2H2O；2CO+O2→2CO2 在局部产生很大的应力，造成微裂纹，使
Cu在随后的加工或使用过程中发生断裂，这种现象称为氢病。故含氧、铜
应在氧化性气氛中进行退火、热加工。
三、工业纯铜的表示方法
T+顺序号          TU+顺序号          TU+P
工业纯铜          无氧铜          脱氧铜  脱氧剂P
T1~T4             TU1、TU2          TUP  磷脱氧铜
                                 TUMn 锰脱氧铜
四、铜的合金化
纯铜的强度不高（σb=200-240 σs=60-70 δ=50%），虽然冷加工硬化可以适当提高强度，但是Cu的塑性、导电率下降，因此常加入合金元素提高铜的强度。
  1、固溶强化
加入Zn、Sn、Al、Ni等合金元素，形成铜的固溶体产生固溶强化，使铜的
强度升高。
  2、时效强化
Be、Siz在Cu中的溶解度随温度的降低而降低，使合金具有时效强化的功
能。
  3、过剩相强化
   合金元素的加入量超过铜的最大溶解度时，便产生过剩相，使合金强度提
高。但过剩相数量太多时，合金脆化，强度下降。
  4、细化晶粒强化
   Cu中加入少量Fe、Ni等合金元素，能细化晶粒，提高机械强度。

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:04:51

五、黄铜
1、黄铜的成分与组织
  ①成分
   黄铜是Cu-Zn合金，包括 a：简单黄铜（普通黄铜） Zn<5%
                  b：复杂黄铜（特殊黄铜） Cu-Zn+其它合金元素
②组织
   工业黄铜（Zn<5%），室温组织是α相、β相。
   α相：Zn溶入Cu形成的有限固溶体（具有面心立方晶格），塑性好，具
有优良的成型加工性。
   β相：以电子化合物CuZn为基的固溶体，电子浓度3/2（β相），具有体心立方晶格，高温下的β相中的Zn、Cu原子分布没有规律，处于无序状态，具有良好的塑性，可进行热加工变形。缓冷至456~468℃时，β相发生有序化转变→β’，塑性显著降低，含有β’的黄铜不适于冷加工变形。加热到有序温度以上β’→β，塑性恢复。
   工业黄铜按组织分 a：单项黄铜α，Cu=100~62.4%
               b：两相黄铜α+β，Cu=56~62.4%
2、 Zn含量对黄铜性能的影响
Zn含量对黄铜的物理、机械与工艺性能有很大影响。
①随着Zn含量增加，黄铜的导电性、导热性降低。
②随着Zn含量增加，当组织为单α相时，黄铜的强度、塑性都增大；Zn含量30~32%，塑性δ达到最大；继续增加Zn含量，由于β’出现，塑性下降，而强度σb继续提高，至45～46%Zn；合金进入单相β’区，σb急剧降低。
③随着Zn含量增加，黄铜“自裂”倾向增大。
  “自裂”：Zn>20%的黄铜，经冷变形后，在潮湿的大气或海水中，尤其有氨存在时，会发生自动破裂（应力腐蚀破裂）。
  防止自裂的措施：a、低温去应力退火 260～300℃，1～2小时
               b、往黄铜中加入Sn、Si、Al、Ni等元素
               c、表面镀Sn或Zn
④黄铜的铸造性能良好，Zn<10%或Zn>38%时，由于结晶温度间隙较小，流动性好。
3、黄铜的表示方法
H  80                      HPb  59 —1
      含Cu80%                               Pb 1%
普通黄铜                         Cu 59%
                                 表示含Pb1%特殊黄铜
ZHAl 67-2.5 ：表示含Al 2.5%，Cu67%的铸造黄铜。
HSn 70-1：表示含Sn 1%、Cu70%的特殊黄铜（海洋黄铜，防脱锌）

六、青铜
青铜使人类历史上应用最早的一种合金，我国公元前2000多年的夏商时期就开始使用青铜铸造钟、鼎、武器、镜等。
经对出土汉镜分析，成分如下：Cu（65~70%），Sn（24~26%），Pb（1~9%），Zn（0~5%）。金相组织几乎完全是Cu31Sn8（δ相），颜色呈青灰色—故称青铜。
青铜最早是指Cu-Sn合金，后来把Cu-Al、Cu-Si、Cu-Be、Cu-Mn、Cu-Pb合金都称为青铜。为了区别，分别称为铝青铜、硅青铜、… …铅青铜等。
1、锡青铜
a、组织
Cu-Sn合金相图非常复杂，由几个包晶转变和共析转变组成，转变产物有：α、β、γ、δ、ε等相。
α相：Sn在Cu中的置换固溶体，具有面心立方晶格，塑性良好，适于冷热变形加工。
β相：以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，电子浓度3/2，体心立方晶格。586℃以上稳定存在，塑性良好，适于热加工；586℃发生共析反应，形成α+β相，塑性急剧降低
γ相：以电子化合物为基的固溶体，晶格结构尚未确定，只能在520℃以上稳定存在，520℃发生共析反应，分解为α+δ相。
δ相：以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格，硬而脆。δ相很稳定，在350℃发生共析转变，形成α+ε相。但转变速度极其缓慢，一般很难进行。只有经70～80%的变形，数千小时退火，才能完成转变，故称δ相是青铜的基本室温组织。
ε相：以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体，密排六方晶格，即硬而脆，在青铜中无使用价值。
b、Sn含量对青铜性能的影响
Sn含量较低时，Sn↑→σb↑，塑性δ变化不大。
Sn>7%时，由于组织中出现δ相，塑性急剧降低。
Sn>20%时，不仅塑性降低，强度也急剧下降。
故工业上锡青铜Sn含量在3~14%范围。
压力加工锡青铜：6~7%Sn，  铸造锡青铜：10~14%Sn
c、锡青铜的铸造性
Sn：3~14%范围内，青铜的结晶温度间隔很大，流动性差，易产生偏析，铸造性能差。但铸造收缩率很小，使有色合金中收缩率最小的合金，可用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件。
d、其它合金元素（磷、镁、铅等）
P—脱氧，0.02~0.035% 改善铸造性能，提高强度。（传说）
Zn—节约部分锡，缩小合金结晶温度间隔，改善铸造性能，提高铸件气密性。
Pb—提高耐磨性。
e、青铜的其它性能
良好的抗蚀性（除酸外），优于纯铜和黄铜；无磁性，冲击不产生火花，无冷脆现象，耐磨性高（δ相）。
2、铝青铜
a、组织
常用铝青铜 Al<12%，组织为α、β、γ2
      α相：Al在Cu中的固溶体，面心立方晶格，塑性好。
      β相：以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，电子浓度3/2，体心立方晶
格，565℃以上稳定存在，565℃发生共析反应，形成α+γ2相。但必须充分缓冷，快冷（>5~6/min） β→α+γ2被抑制，而发生类似钢的马氏体转变，形成密排六方晶格的介稳态β’相，β’适量且分布均匀时，强度高，数量太多，则合金变脆。
      γ2相：以电子化合物Cu9Al4为基的固溶体，复杂立方晶格，硬而脆。
b、Al含量对铝青铜性能的影响
Al↑→强度、塑性提高，  Al>4~5%时，塑性降低。
Al>7~8%，塑性急剧降低，Al>10~11%，强度降低。
故压力加工铝青铜：Al 5~7%；铸造铝青铜：Al>7~12%。
c、其它元素
   Fe—细化晶粒；Mn—提高强度、耐蚀性，不降低塑性；Ni—提高耐蚀性、
耐磨性、热强度。
3、青铜的表示方法
Q+主加元素符号+主加元素含量

sgmu · 发表于 2008-9-23 14:05:34

第二节滑动轴承合金
滑动轴承具有承压面积大，承载能力强，工作平稳，无噪音，装拆方便等优点，大轴承一般采用滑动轴承。
滑动轴承的结构由轴承体（轴承座）和轴瓦构成；轴瓦与轴直接接触。为了提高轴瓦的耐磨性，一般在轴瓦内侧浇铸一层耐磨合金-轴承合金。
一、对滑动轴承合金的要求
1、工作温度下有足够的承压能力、冲击韧性、疲劳强度。
2、摩擦系数小，导热性好，熔点高。
3、热膨胀系数小，以免与轴咬死（抱轴）。
4、与轴颈有良好的耐磨性，能根据轴的变形而产生相应变形。
5、不能产生加工硬化现象。
6、良好的抗蚀性、抗震性。
7、良好的加工性。
二、组织特点
软的基体上均匀分布硬相质点（磨合性好），硬的基体上均匀分布软相质点（磨合性差）。
三、常用滑动轴承合金
1、铅、锡基轴承合计（巴氏合金-巴比特合金）
a、锡基轴承合金
  Sn-Sb-Cu，属于软基体上均匀分布硬质点型。
  优点：热膨胀系数小，摩擦系数低，导热性、耐蚀性、韧性良好。
  缺点：疲劳强度低，工作温度<150℃（耐热性差）。
  主要用于汽车、汽轮机、往复式压缩机等高速轴承。
b、铅基轴承合金
  Pb-Sb，属于软基体上均匀分布硬质点型。性能比锡基差，但价格低，主要用于低速、低负荷滑动轴承。
2、铝基轴承合金
Ab - Sb – Mg，    Al – Sn
软基体+硬质点    硬基体+软质点
优点：价格低，导热性好，耐蚀性好，疲劳强度高。
缺点：线膨胀系数大，易于轴颈咬合（抱轴）。
四、轴瓦结构
将滑动轴承合金离心浇铸或轧制在钢轴瓦内侧，双金属复合材料既提高轴瓦强度，有保证滑动轴承的性能。

作业：
1、铝合金的强化机制有哪些？
2、何谓硅铝明？其铸造性能良好的原因是什么？
3、黄铜属于什么合金？其自裂的原因是什么？
4、什么是铜的氢病？如何避免？

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