10.3 有色金属及其合金.ppt

1、材料科学基础,主讲教师：王亚男,10.3 有色金属及其合金,除钢铁以外的所有其他金属，称为有色金属。10.3.1 铝及铝合金10.3.2 铜及铜合金10.3.3 滑动轴承合金 10.3.4 钛及钛合金小结思考题,10.3.1 铝及铝合金,1. 纯铝 具有三大优点：质量轻，比强度高；良好的导电、导热性；耐腐蚀性好。 铝具有FCC晶格，无同素异构转变，表现出极好的塑性，适于冷、热加工成型。 牌号：高纯铝：1A991A93；工业高纯铝： 1A901A85 ；用于科学研究、化工工业等；工业纯铝： 10701200，数字越大，纯度越低，用于制作铝箔、导线、电缆及日用器皿。 纯铝的新旧牌号对照及杂质含量见

2、表10-21。,2. 铝合金,向铝中加入合元Cu、Mn、Si、Mg、Zn等制成铝合金，改变组织，提高性能。用于制造承受大载荷机械零件或构件。 （1）铝合金的分类 按成分、用途及生产工艺特点可分为： 变形铝合金：合金熔化后浇成铸锭，再经压力加工（锻造、轧制、挤压等）制成板材、带材、棒材、管材、线材等各种型材。 铸造铝合金：将熔融的合金液直接浇入铸型中获得成型铸件。,可用二元相图来表示铝合金的分类：,大于D点的合金，有共晶组织存在，流动性好，高温时强度高，可防热裂，适于铸造。 小于D点的合金，加热到固溶线以上，得单相固溶体，塑性好，适于变形加工。 小于F点的合金，不能热处理强化，因为得不到过饱和固

3、溶体。 F与D之间的合金，可得到过饱和的固溶体，可热处理强化。,1) 固溶处理 向Al中加入合金元素，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，提高了铝合金的强度。 2) 时效强化 成分位于FD的铝合金经固溶处理后在室温或较高的温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象，称为时效强化。一般把合金在室温放置过程中发生的时效称为自然时效。把合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。,（2）铝合金的强化方法,如Al-Cu合金，见图10-22，P260。含4wCu的合金，室温时的平衡组织为+ CuAl2 （为平衡相），加热得到区，使CuAl2完全溶入中，快冷得过饱和固

4、溶体。过饱和固溶体不稳定，有自发分解的倾向。当给予一定条件时，便发生分解，即时效。其组织转变过程为：合金淬火过饱和固溶体 形成铜原子富集区（GP区），强度、硬度提高铜原子富集区有序化（GP），进一步强化形成过渡相，硬度开始下降析出稳定相（CuAl2），强度、硬度进一步降低，即“过时效”。见图10-24，时效温度和时间对硬度的影响。,3) 第二相（过剩相）强化 当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，将有一部分不能溶入固溶体而以第二相（过剩相）存在，第二相多为硬而脆的金属间化合物，在铝中阻碍位错滑移和运动，使合金强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。 4) 细晶强化 通过在铝中加入微量合金元素来

5、细化组织提高力学性能。,对铸造铝合金常加入微量元素（变质剂）进行变质处理来细化组织，提高强度，改善塑性、韧性，如铝硅合金中加入微量钠、钠盐。 对变形铝合金常加入微量钛、锆、铍及稀土等元素，形成难熔化合物，起细化晶粒作用，提高强度和塑性。 5) 冷变形强化 对不能热处理强化的铝合金，进行冷变形，增加其内部位错密度，阻碍位错运动，提高合金强度。,（3）铝合金的热处理,1）退火 再结晶退火：将已变形的工件加热到再结晶温度以上，保温一定时间后空冷。用于变形铝合金，目的消除加工硬化，改善塑性。 低温退火：在再结晶温度以下保温后空冷。用于不可热处理强化的铝合金，目的消除内应力，适当增加塑性，同时保留一定的

6、加工硬化效果。 均匀化退火：在高温下长时间保温后空冷。目的消除成分偏析及内应力，提高塑性。,2）时效强化处理 淬火+时效。淬火的目的是为了得到最大浓度的过饱和固溶体，以便通过时效获得高的强度和硬度。 时效参数 加热温度：T时效（0.50.6）T熔（K） 保温时间：根据合金种类、时效温度、工件尺寸等具体情况而定。,3）回归处理 自然时效的铝合金在200250短时间（几秒至几分钟）加热，然后迅速冷却，使合金性能回到接近淬火状态的水平，这种现象称为回归处理。 但放一段时间，强度、硬度又重新升高，即又产生了自然时效。 人工时效后的铝合金没有回归现象。,牌号旧牌号：汉语拼音字母+顺序号新牌号：四位字符体

7、系（数字XXX） 1-纯铝；2-铜；3-锰；4-硅；5-镁；6-镁、硅；7-锌；8-其他元素。 常用变形铝合金的新旧牌号对照及杂质成分见表10-22，P263。 按性能特点分为四类：,（4）变形铝合金,牌号：2A+数字（LY+数字），主要是Al-Cu-Mg系，Cu与Mg除固溶强化外，主要形成强化相（CuAl2）和S（CuMgAl2），引起晶格畸变，提高合金强度和硬度。 合金中Cu、Mg含量低，强化相少，强度低而塑性高； Cu、Mg含量高，强化相多，强度高而塑性低。 合金中Cu、Mg比值不同，形成强化相不同，强化效果不同。 Cu/Mg比值高，主要形成相； Cu/Mg比值低，主要形成S相。合金中同

8、时存在相和S相时，时效强化效果最大。,1）硬铝,常用硬铝：2A01（LY1）含Cu、Mg量较低，是低合金硬铝，强化效果小，主要用作铆钉。 2A11 （LY11）是中合金硬铝，强度较高，塑性也较好，主要用作中等强度的结构件，如整流罩、螺旋桨等。 2A12（ LY12）是高合金硬铝，具有高的强度和硬度，但塑性较差，主要用作较高强度的结构件，如飞机翼梁、翼肋等。 硬铝耐蚀性低，进行阳极化处理，使其表面包覆一层纯铝，称为包铝。,牌号：7A+数字（LC+数字），主要是Al-Zn-Mg-Cu系，由 于含Zn，强化相中除了相和S相外，还形成复杂强化相，如相（MgZn2）、T相（Al2Mg3Zn3）等，有强烈

9、的时效强化效果。 强度最高，但耐蚀性低，也需要包铝保护。用含Zn量1%的Al-Zn合金作包铝层。 7A04（LC4）具有较高的综合力学性能，主要用作受力大的重要结构件和承受高载荷的零件，如飞机大梁、冀肋、加强框等。,2）超硬铝,牌号：数字A+数字（LD+数字），由于每种元素含量较少，具有良好的热塑性，故称为锻铝。 锻铝主要是Al-Mg-Si-Cu系，加入Mg和Si形成强化相Mg2Si，具有明显的时效强化效应，加入Cu后，出现W相（Cu4Mg5Si4Al）、相（CuAl2）和S相（Al2CuMg），均可起时效强化作用。 常用牌号：6A02（LD2）、2A50（LD5），主要用作形状复杂、受力较大

10、的锻件，如航空发动机活塞、直升机的桨叶等。,3）锻铝,4） 防锈铝,牌号：数字A+数字（LF+数字），主要是Al-Mn系和Al-Mg系合金。 不可热处理强化，但可通过加工硬化来提高强度和硬度。 性能特点：具有良好的抗蚀性、塑性、焊接性。 用于制造深冲、焊接和在腐蚀介质中工作的零、部件。如：3A21（LF21）是Al-Mn系防锈铝，耐蚀性好，Mn固溶强化。5A05（LF5）是Al-Mg系防锈铝，强度大于Al-Mn系防锈铝。,牌号 新牌号：ZAl+主加元素+含量+辅加元素+含量 代号：ZL+三位数字， Z-铸，L-铝，第一位数表示合金系列，分为四类： 1 - Al-Si系， 2 - Al-Cu系，

11、 3 - Al-Mg系， 4 - Al-Zn系。第二、三位数字表示合金顺序号。顺序号不同，化学成分不同。如ZL102，1指Al-Si系，02号铝合金。 常用铸造铝合金的牌号、代号、化学成分、处理状态、力学性能和用途见表10-24，P268。 分为四大类：Al-Si系，Al-Cu系，Al-Mg系，Al-Zn系。,（5）铸造铝合金,简单硅铝明：只含铝、硅两种元素的合金，如ZAlSi12（ZL102）。属于共晶型，见图10-26，Si在Al中的最大溶解度只有1.65w%，所以析出Si的数量很少，被认为是不可热处理强化的铝合金。 简单硅铝明铸造后的组织见图10-28（a），P270 组织为粗大针状的硅

12、+铝基固溶体+少量块状初晶硅，由于组织粗大，机械性能低，为细化组织，改善性能，加少量钠（0.0050.15%）或钠盐（2/3NaF+1/3NaCl）变质剂进行变质处理。,1）Al-Si系铸造铝合金（又称硅铝明）,变质处理后，由于共晶点移向右下方，合金处于亚共晶区，如图10-27，P269。,变质处理后的组织为细小条状或点状共晶组织+初晶固溶体，见图10-28（b），P270。由于组织变细小，性能大为提高。b由变质前的130-140MPa提高到170-180MPa，由1-2%提高到3-8%，但强度仍不够高。,只用于制造形状复杂但强度要求不高的件。如内燃机缸体、缸盖、仪表支架、壳体等。 复杂硅铝明

13、：加入其他元素（Cu、Mg、Mn）的Al-Si系铸造铝合金。组织中出现更多强化相，如CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg等，它可变质处理和时效强化，强度得到很大提高。用于制造汽缸体、风扇叶片等形状复杂的铸件。,2）其他铸造铝合金,Al-Cu系铸造铝合金：具有较高的强度和耐热性，但耐蚀性差。用于制造高温下工作的形状复杂、强度和塑性要求不太高的大型铸件。 Al-Mg系铸造铝合金：是密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，且抗冲击和切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐热性能较差。用于制造外形简单、承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀的零件。 Al-Zn系铸造铝合金：是最便宜的铸造铝合金，强

14、度较高，但抗蚀性较差。用于制造形状复杂、受力较小的零件。,1. 纯铜 纯Cu呈紫红色，又称紫Cu。其无同素异晶转变，无磁性。 特点：导电、导热性好，具有高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀性，但在海水中的抗蚀性较差。 纯Cu具有FCC，塑性高，强度低，适合各种冷热加工。 主要用于制作电工导体和配制各种铜合金。,10.3.2 Cu及Cu合金,工业纯铜中常含有0.10.5%的杂质（Pb、Bi、O、S、P等），不仅降低铜的电导、热导性，还会引起“热脆”和“冷脆”。Pb、Bi与Cu形成低熔点（400）的共晶体，分布在Cu的晶界上，当进行热加工时，共晶体溶化，造成脆性断裂，即产生了“热脆”。O、

15、S也会与Cu形成共晶体，且共晶体中的Cu2S、Cu2O均为脆性化合物，在冷加工时易产生破裂，即产生了“冷脆”。,分类：冶炼铜和加工铜 冶炼铜：代号（元素符号-顺序号）如Cu-1，用于电解铜；Cu-2，用于电工用铜线锭。顺序号，纯度。 加工铜：牌号、代号成分及用途见表10.25，P271。有纯铜（T1T3），数字越大，杂质含量越多。主要用于导电合金和一般铜材；无氧铜（TU1、TU2），用做电真空器件；磷脱氧铜（TP1、TP2），主要用于焊接铜材。 由于纯Cu贵，强度低，所以配成Cu合金，加入合金元素（固溶强化、第二相强化），以提高Cu的强度，同时保持Cu的特性，得到广泛的应用。,2. Cu合金,

16、根据化学成分的特点，可将铜合金分为三大类：黄Cu、青Cu、白Cu。 (1) 黄Cu：以锌为主加合金元素的铜合金。 由Cu-Zn合金相图可知，相是Zn溶于Cu中的固溶体，呈FCC，具有好的塑性；相是以化合物为基的固溶体，呈BCC，高温时塑性较好，低温时发生有序转变，形成相，它是脆性相，冷加工困难。,见图10-30，从Zn对黄铜力学性能的影响曲线上可看出： 当含Zn 量 45%时，强度、塑性都很低，无实用价值。 所以黄铜中Zn含量一般不超过45%。,黄铜按工艺分为两类：,1）铸造黄铜 牌号：Z+Cu+元素符号+数字，如ZCuZn31Al2 常用铸造黄铜的牌号、成分、力学性能及用途见表10.26，P

17、273。 2）加工黄铜 按成分不同又可分为： 普通黄Cu：简单的Cu-Zn合金。 牌号：H+数字， H-黄，数字- Cu的质量分数。 常用加工黄铜的牌号、代号和成分见表10.27。,单相黄铜：H90、H80，中强、塑性好，用于散热器、装饰品等；H70、H68，高强、塑性好，用于导管、子弹壳等。组织见下图（a） 双相黄铜：H62、H59，高强、塑性差，用于销钉、螺帽等。组织见下图（b）,特殊黄Cu：在普通黄Cu中加入Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等元素会形成各种特殊黄铜，如铝黄铜、锡黄铜、铅黄铜、锰黄铜等。 代号：H+主加元素符号+ Cu的质量分数+主加元素的质量分数，如HPb59-1。 黄

18、铜中加入合金元素，除提高合金的强度外，其中Al、Sn、 Mn、Ni还可提高抗蚀性和耐磨性； Si可改善铸造性能； Pb可改善切削加工性能。,如黄铜中加Al，形成铝黄铜，HAl67-2.5，制作在海水中工作的高强度零件。 黄铜中加入Sn，形成锡黄铜，HSn70-1，称“海军黄铜”，制作海轮上用的管材等。 黄铜中加入Pb，形成铅黄铜，HPb59-1，称“快削黄铜”，适合热冲压、切削零件。 黄铜中加入Mn，形成锰黄铜，HMn58-2，用于制造电信器材等。,按成分可分为锡青铜和特殊青铜（铝青铜、铍青铜等）。 按工艺可分为铸造青铜和加工青铜。 常用铸造青铜的牌号、化学成分、力学性能及用途见表10.28，

19、P275。 牌号：ZCu+元素符号+数字，如：ZCuSn10P1，10%Sn，1%P，余量Cu 常用加工青铜牌号、代号、化学成分、力学性能及用途见表10.29，P276。 代号：Q+主加元素符号+其含量，如：QSn4-3，4%Sn，3%Zn，余量Cu,青Cu：除黄Cu和白Cu以外的其他Cu合 金统称为青Cu。,按主加元素不同介绍锡青铜、铝青铜和铍青铜。,1） 锡青铜 见图10.31，Cu-Sn二元相图。相是Sn溶于Cu中的固溶体，冷热变形好；相是以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，高温塑性好，室温硬脆；相与相都是以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，硬而脆，不能塑变；相是以电子化合物Cu3S

20、n为基的固溶体，也是硬脆相。 室温组织：+（+）共析体不是：+(+)共析体（+，抑制）,锡青铜的性能与成分和组织的关系见图10-32。含Sn量 7%时，出现硬而脆的相，强度升高，塑性下降；=25%左右时，含量过多，强度急剧下降，合金完全变脆。,一般，含Sn量 7%的锡青铜用于铸造，但不超过14%。 为改善锡青铜的工艺性能和力学性能工业用锡青铜需加入Zn、P、Pb、Ni等进行合金化。 锡青铜具有良好的抗蚀性、耐磨性。广泛用于制造蒸汽锅炉、海船等耐蚀零件，还用于制造轴承、轴套和齿轮等耐磨零件。,见图10-33，铜铝相图。 相是Al溶于Cu中的固溶体，相是以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，2相也是

21、以电子化合物Cu9Al4为基的固溶体，硬而脆。 铝含量为58%时为单相铝青铜，塑性高，宜于压力加工，如QAl5、QAl7等； 铝含量为911%时为双相铝青铜，强度高、耐磨，组织为+（+2），宜于铸造，如ZCuAl9Mn2、ZCuAl10Fe3等。 主要用来制造轮船上使用的螺旋桨、高压泵体、涡轮、齿轮、轴套等高强度、耐磨、耐蚀零件。,2）铝青铜,3）铍青铜 是典型的时效强化合金。 是铜合金中性能最好的一种，具有高的强度、弹性、耐磨、耐蚀及耐低温等性能，且具有好的导电、导热性，无磁性，受冲击时不产生火花。 用来制造高级弹簧、膜片等弹性元件，还可用于制造耐磨、耐蚀零件等。,组织：单相，不能热处理强化

22、，只能固溶强化和加工硬化。 白铜又可分为： 1）普通白铜：Cu-Ni二元合金。 牌号：B+Ni含量，如B5，5%Ni。 特点：在各种腐蚀介质如海水、有机酸和各种盐液中具有高的化学稳定性，优良的冷热加工性。 主要用于制造蒸汽和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、冷凝器和热交换器，常用牌号B5、B10、B30等。,(3) 白Cu：以镍为主要添加元素的Cu合金。,2）复杂白铜：在普通白铜的基础上添加合金元素（Mn、Fe、Zn、Al等）的铜镍合金。 牌号：B+元素符号+Ni的质量分数+元素的质量分数，如BMn40-1.5，40%Ni，1.5%Mn。 常用复杂白铜是锰白铜：具有电阻高、电阻温度系数小的特

23、点，用于制造低温热电偶、热电偶补偿导线及变阻器和加热器等。如称为康铜的锰白铜BMn40-1.5和称为考铜的锰白铜BMn43-0.5等。,10.3.3 滑动轴承合金,用来制造轴瓦及其内衬的合金，称为轴承合金。 性能要求：良好的磨合能力、高的耐磨性；高的疲劳强度、足够的强韧性；良好的导热性和耐蚀性。 组织要求：软基体（凹下，储油）+硬质点（凸出，减磨） 牌号：Z+基体元素+主加元素+主加元素的质量分数，如ZSnSb12Pb10Cu4。 常用铸造轴承合金的牌号、成分、硬度及用途见表10.30，P282。,(1) Sn基轴承合金 牌号：ZSnSb11Cu6，用于汽轮机，内燃机中高速轴瓦。组织见下图。,

24、牌号：ZPbSb16Sn16Cu2，用于低速轴承，如汽车、拖拉机曲轴轴承。组织见下图 。,(2) 铅基轴承合金,10.3.4 钛及钛合金,钛及钛合金具有比强度高、耐热性好、抗蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材料使用以来，发展极为迅速。目前在航空工业和化工工业中得到广泛应用。 1. 纯钛 银白色金属，密度小、熔点高，比强度和高温强度高，耐蚀性好，但导热性差。 具有同素异晶转变，-Ti（密排六方晶格）882.5-Ti（体心立方晶格）。 钛中常含有杂质（O、N、C、H、Fe、Si等）元素，使强度、硬度上升而塑性、韧性下降。,按杂质含量不同，工业纯钛分为三个牌号：见表10.31TA1、T

25、A2、TA3，数字越大，杂质含量越多，强度越高，塑性越低。工业纯钛的含钛量一般在99.5w%99.0w%之间。 不能热处理强化，主要采用冷变形方法强化。 热处理主要是再结晶退火和消除应力退火。 工业纯钛塑性高，焊接性和耐蚀性好，可制成板材、棒材、线材、带材、管材等，直接用于飞机、船舶、化工等行业，以及制造各种耐蚀并在300以下工作且强度要求不高的零件，如热交换器、制盐厂的管道、石油工业中的阀门等。,2. 钛的合金化,在钛中加入合金元素形成钛合金，钛合金也具有同素异晶转变，转变温度随加入元素的性质和含量而定。 加入元素对同素异晶转变温度的影响分为三类：扩大相区，使转变的温度升高的元素称为相稳定元

26、素，如Al、O、N、C等；扩大相区，使转变的温度降低的元素称为相稳定元素，又分为 同晶型元素（Mo、V、Nb、Ta及稀土等）和共析型元素（Cr、Fe、Mn、Cu、Si等）；对相变温度影响不大的元素称为中性元素，如Zr、Sn等。,合金元素对钛同素异晶转变温度的影响见图10-37。,3. 钛合金的分类,按退火状态下的相组成可分为三类：其牌号、成分、主要力学性能见表10-32，P286。 型钛合金（TA） 主加合元是Al，其次是中性元素Sn、Zr，主要起固溶强化作用。 室温组织：单相固溶体，不能热处理强化。热处理是为了消除应力或消除加工硬化。 牌号：TA4 TA8。 TA7组织稳定，热塑性和焊接性好

27、，热稳定性也好，长期使用温度可达500。在宇航工业中已成为标准型的压力容器材料。 TA5 具有适宜的强度，焊接性好，耐海水腐蚀性高，主要作为船板用材使用。TA8耐热性高，可制作在500长期工作的零件，如超音速飞机的涡轮壳等。 TA4主要用作钛合金的焊丝。,+型钛合金（TC） 合金中同时含有相稳定元素（如Mn、Cr、Mo、V、Fe、Si等）和相稳定元素（如Al）。 组织：相为主，相数量不超过30%。 强化：淬火+时效，强化效果随相稳定元素含量的增加而提高。 性能及用途：室温强度和塑性高于钛合金，但焊接性不如钛合金，组织也不够稳定。但其生产工艺简单，得到比较广泛的应用。应用最广、用量最多的是TC4

28、，可用于制造航空发动机压气机盘和叶片、火箭发动机的壳体、在400以下工作的零部件及化工用泵、船舶部件、蒸汽轮机等。,型钛合金（TB） 加入了大量的多组元相稳定元素，如Mo、V、 Mn、Cr、Fe等，同时还加入一定数量的相稳定元素Al。 室温组织与性能：单一相或亚稳相。塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时效处理，使强度得到大幅度提高。由于含有大量的相稳定元素，淬透性高，能使大截面零部件热处理后得到均匀的高强度组织。但化学成分偏析严重，实际获得应用的仅有TB2一种。,三类合金在相图中的位置见图10-38，P287。,4. 钛合金的热处理,退火 消除应力退火：目的消除压力加工、机械加工和焊接过程中

29、产生的应力。加热温度一般低于合金的再结晶温度。 再结晶退火：目的消除加工硬化效应，恢复合金塑性，获得稳定组织。加热温度一般高于合金的再结晶温度，但要低于+的相变温度。 双重退火：目的改善两相合金的塑性、断裂韧性和稳定组织。第一次加热温度高于或接近再结晶终了温度，使再结晶充分进行，但晶粒又不明显长大，而后空冷；第二次加热到稍低的温度，保温较长时间，使相充分分解聚集，保证使用中组织稳定。,淬火+时效淬火得到的、相均是不稳定的，在加热时发生分解，得平衡组织+，使合金弥散强化。 +（弥散析出） +（弥散析出）,或,+,+,+,分析可看出： +型钛合金的淬火加热温度在+区的高温部分，既可获得较多的亚稳相

30、，又防晶粒长大。 型钛合金的淬火加热温度既可选在+区的高温部分，也可在区的低温部分。 注意：钛合金中的马氏体（间隙式过饱和固溶体，强度、硬度低，塑性好）与钢中的马氏体（过饱和固溶体，强度、硬度高，塑性差）不同。,在同一成分的钛合金中，淬火加热温度决定了亚稳相的成分和数量，而时效温度及时间直接控制着析出相形貌、分布和析出速度，进而影响合金的强度和塑性。 钛合金的时效温度一般选在500左右，时效时间为2-20h不等。相稳定元素含量低的合金，时效时亚稳相分解速度快，2h可达稳定状态。相稳定元素含量高的合金，则需较长的时效时间才能达到稳定。,概念：变质处理、时效强化、硅铝明、黄铜、白铜、青铜 铝合金的分类及强化方法，ZL102变质前、后的组织。 黄Cu：H80、H59的热处理、用途。 锡基轴承合金：ZSnSb11Cu6的组织特征。,小 结,