金属材料学.ppt

,金 属 材 料 学,授课时间：50 学时,主讲教师：金 永 中,课程特点：综合性、应用性、经验性。 课程要求：结合相图知识，掌握合金化基本理论，了解材料成分设计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工艺。,课程特点和要求,课程要点及思路,材料学主线示意图,第二篇 有色金属材料,铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀，为航空结构件之优选材料。铜和铜合金有很好导电和导热性，为电气和仪表元器件之优选。,金属分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、铬、锰；工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属以外的所有金属则为有色金属（非铁金属材料）。相对于黑色金属，有色金属有许多优良的特性，在工业领域尤其是高科技领域具有极为重要的地位。,例如：铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的铀、镭、铍；用 于石油化工领域的钛、铜、镍等。,本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特点，合金化及热处理以及材料一般用途等。,第一节 铝合金中的合金元素 第二节 变形铝合金 第三节 铸造铝合金,第八章 铝 合 金,1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）； 2、密度低（ 2.632.85g/cm3 ），比强度高； 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au 而位居第四位，约为纯铜导电率的60）； 4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。,第一节 铝合金中的合金元素,概述,工业纯铝,工业纯铝有银白色光泽，密度小（2.72g/cm3），熔点低（660），为非磁性材料。 固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在0253之间塑性韧性不降低。,物理性能,分 类,纯铝按其纯度分为高纯、工业高纯和工业纯，纯度依 次降低。,为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。,铝的合金化和强化方式,铝合金的分类及强化,目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许多Al合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金的综合性能。,无论加入哪种合金元素，各类Al合金的相图一般都具有如下图的形式，相图靠Al端都具有共晶相图特点。,以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度D为界线将各种Al合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。,变形铝合金： 是指成分小于D点的合金可以得到单相固溶体组织，塑性变形能力好，适合于冷热加工。 变形铝合金又可分为热处理强化和不可热处理强化铝合金两种：成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而变化，故不能用热处理强化； 反之则可以通过时效处理而沉淀强化。,铸造铝合金： 是指成分比D点高的合金属铸造铝合金。这类合金有良好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高，可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至薄壁的零件或毛坯。,相图分析：,单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶（淬火）处理+时效热处理。,2、时效（沉淀）强化：,1）定义： 当合金元素加入量超过其极限溶解度时，合金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体，这部分第二相称作过剩相。,3、过剩相强化：,2）过剩相对合金性能的影响 ： 过剩相一般为强硬脆的金属间化合物，当其数量一定且分布均匀，对铝合金有较好的强化作用，但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会脆化合金，其强度也会下降。,3）变质处理 ：以铝硅合金为例（如图所示），共晶组织中的硅晶体呈初针状或片状，此时共晶的强度和塑性很低，,若使共晶硅细化成颗粒，可以显著改善组织的塑性。通常采用变质处理，加入钠盐变质剂，使共晶合金变成固溶体和细小的共晶组成的亚共晶组织，共晶中硅呈细粒状。,通过向合金中加入微量合金元素，或改变加工工艺及热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。,4、细晶强化：,如：变形铝合金的形变再结晶退火，铸造铝合金通过改变铸造工艺（如变质处理）及加入微量元素（如0.10.3%Ti）的方法（分析铝钛相图）都可以达到细化组织的目的。,对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。,5、形变强化：,2）淬火及时效的作用： 铝合金重要的综合热处理方式，提高铝合金强度的重要手段。,通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高，其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度和塑性通常都有所提高。,固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡的其他相）强化之间的差异造成的。 （注：淬火加热时，第二相会出现溶解）,4）淬火后性能出现差异的原因：,若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效果，则淬火后合金的强度；,若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效果，则淬火后合金的强度。,大多数铝合金，淬火后强度有所提高，但幅度不大；要想大大提高合金的强度，必须在淬火后进行时效处理。,5）淬火后进行时效处理的必要性：,在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。,6）淬火及时效处理的优越性：,2）脱溶时的能量变化： 若脱溶过程能够进行，则必有G0（其中G表示 新相和母相的自由能差）。 GVGVSVGe,式中：V为新相体积；S为新、旧相的界面积；GV和Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；表示新、旧相界单位面积的界面能。（液态形核只有前两项）,脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。,表82 界面状态、界面能（或应变能）和新相形状的关系,注：1）共格界面不可能完全共格，只有在产生高的弹性应变的前提下，才形成共格界面。 2）非共格界面两侧原子无法一一匹配，界面能大，晶格不发生弹性变形。,凡是有固溶度变化的相图，从单相区进行两相区时都会发生脱溶沉淀。,3、脱溶的一般序列：,G.P区的发现： 1938年，A.Guinier和G.D.Prestor用X射线结构分析方法各自独立发现，AlCu合金单晶体自然时效时在基体的100面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜的碟状薄片（约含铜90），其厚度为0.30.6nm，直径为0.40.8nm。,1）G.P区：,为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为G.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.P区。,G.P区的形状与尺寸 ： 在电子显微镜下观察呈圆盘状，直径约为8nm，厚度约为0.30.6nm。,G.P区形成的原因：G.P区的形核是均匀分布的，其形核率与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。凡是能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成。例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。,G.P区的晶体结构与界面：Wcu为0.90时，是溶质原子富集区，它在母相的100晶面上形成，点阵与基体相相同（fcc）并与相完全共格。,过渡相的形状与尺寸： Al-Cu合金中有和两种过渡相。呈圆片状或碟形，直径为30nm，厚度为2nm。而是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片状或碟形，尺寸为100nm数量级。,2）过渡相 ：,过渡相的晶体结构与界面： 过渡相往往与基体共格或部分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。因此，其形核速率将受材料中位错密度的影响。此外，过渡相还可能在G.P区中形核。,相为正方点阵：ab0.404nm，c0.768nm，相基本是均匀形核，分布均匀且与基体完全共格，它与基体的位向关系为100/100基体。与G.P区相比，在相周围会产生更大的共格应变，故其强化效果也比G.P区大。,相为正方点阵：ab0.404nm，c0.58nm，它与基体部分共格，与基体的位向关系为100/100基体。相的具体成分为Cu2Al3.6，很接近平衡相（CuAl2）。,也是正方点阵：ab0.606nm，c0.487nm，一般与基体不共格，但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面能高，形核功也高。为减小形核功，往往在晶界处形核，所以平衡相形核是不均匀的。,2）平衡相 ：,课堂提问：实验研究指出，不少合金时效时，往往先析出亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？ 提示：从能量与相的稳定性方面考虑。,解 答： 这是因为平衡相与基体相之间往往是非共格界面，而过渡相和基体相之间是共格或半共格。由于共格相界的界面能最低，且相变初期界面能是抑制相变的主要因素，所以形核功小，这就意味着时效过程中容易先析出过渡相，只有在一定的条件下才由亚稳定的过渡相转变为稳定的平衡相。另外，过渡相在成分上更接近于基体相，形核时所需的成分起伏小，这也是过渡相容易形成的原因之一。,4、合金成分和时效温度对脱溶过程的影响：,1）同一时效温度下不同成分合金的脱溶序列的差异：当时效温度为t1时，C3、C2和C1三种成分的合金分别处于G.P区稳定区、过渡相稳定区以及平衡相稳定区。也就是，,说，在t1温度下时效，C3合金可能析出G.P区、过渡相和平衡相；C2合金可能析出过渡相和平衡相；C1合金只能析出平衡相。,二 元 亚 稳 相 图,结论： 同一时效温度下，溶质浓度高的合金容易析出G.P区和过渡相。,2）同一成分的合金在不同时效温度下脱溶序列的差异：,二 元 亚 稳 相 图,时，t1温度下，三种结构的脱溶产物均可析出；t2温度下，只能析出过渡相和平衡相；t3温度下，只能析出平衡相。结论：同一成分的合金，时效温度越高，越容易析出平衡相。,如图所示，将C3合金分别在t1、t2和t3三种温度时效,5、脱溶产物的空间共存性和时间共存性问题：,同一成分的合金在一定的合金下时效时，由于多晶体各部位的晶体完善程度和能量水平不同，故在同一时期不同晶体部位可能出现不同的脱溶产物。例如，在晶内广泛出现G.P区和过渡相的同时，晶界等处可能出现平衡相。,长时间时效后，G.P.区溶解，/相形成使硬度有重新上升。当/相溶解而形成/相时，硬度开始下降，出现过时效。,铝铜合金130时效时的硬度与时间的关系,实例：两级时效在制备高强度合金中的应用： 首先低温时效获得弥散的G.P.区；然后高温时效，过渡相将以弥散的G.P.区内非均匀形核。这样，更容易得到弥散程度极佳的时效相组织分布。,2）时效温度过低：如当Al-Cu合金时效温度低于室温时， 原子扩散困难，时效过程极慢，效率低。 时效在室温下自然进行，称为自然时效； 时效加热至一定温度下进行，称人工时效。,2） -MgZn2 相,左图表示Al-MgZn2系合金G.P.区和相介稳溶解度曲线,3） 相（Mg2Si）,4） 相（AlLi）,在上述几种主要合金元素中，Cu的沉淀强化效果最好，其他元素比较一般。,因此，为了获得好的性能，一般二元铝合金常加入第三或第四合金组元，构成了三元以上的多元合金系列。 如Al2Mg3Zn3相的强化。,按照性能和使用特点不同，变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类。除防锈铝外，变形铝合金都是可热处理强化的铝合金。,第二节 变形铝合金,变形铝合金的分类：,根据国标GB3190-82，变形铝合金的牌号采用汉语拼音字母加顺序号表示，如防锈铝为LF，后跟顺序号（如LF2等）；而硬铝，超硬铝和锻铝则分列表示为LY、LC和LD，后跟顺序号，如LY12、LC4和LD5等。,防锈铝合金：,分类,该类合金主要是Al-Mg系和Al-Mn系两种，大多为单相合金，不可热处理强化。,Al-Mn系合金,Mn在Al中的最大溶解度仅为1.82，形成的MnAl6沉淀相的强化效果不大；但其弥散分布可细化晶粒。,1、Mn对合金力学性能的影响,Al-Mn合金典型的显微组织是含Mn的固溶体和弥散分布的MnAl6质点，有较高的强度和优良的塑性。,Al-Mg系合金,Mg在Al中的固溶强化显著，其强度高于Al-Mn合金。,1、Mg对合金力学性能的影响,3、其他元素对合金性能的影响,Si：改善合金的流动性，减少焊接裂纹倾向。 Mn：增加固溶强化，改善耐蚀性。 V或Ti：细化晶粒，提高强度和塑性。 稀土元素：减小偏析，改善流动性，减少疏松，显著提高 热塑性。 Fe、Cu和Zn等：对耐蚀性和工艺性能不利，需严格控制。,主要是指Al-Cu-Mg系合金，其可时效形成CuAl2及CuMgAl2强化相而 强化合金，比强 度与钢接近。 相： CuAl2 S相： CuMgAl2 T相：Al6CuMg4 相：Mg5Al6,硬铝合金：,强化效果： S相 相,硬铝中添加Mn的作用： 中和Fe的有害作用，改善耐蚀性。同时，起到固溶强化和抑制再结晶的效果。 但W（Mn）1，会产生粗大脆性相（Mn，Fe）Al6，降低合金塑性。,LY12是强度最高的硬铝，W(Cu)4.3， W(Mg)1.4， W(Mn)0.6， W(Fe，Si)0.5，主要用于制作飞机蒙皮、翼肋等。,LY12合金,LY11是中强硬铝，Cu含量于LY12相当，而Mg含量较低，W(Mg)0.6，塑性好，可生产锻件。 热处理采用自然时效。,LY11合金,超硬铝是在Al-Zn-Mg系合金基础上发展起来的。由于-MgZn2、T-Al2Mg3Zn3两种沉淀强化相在固溶体中有较大的溶解度，因此固溶强化效果十分显著。（其中-MgZn2、T-Al2Mg3Zn3相的形成见相图8-7、8-8） 当W(Zn+Mg)=9%时，强度最高；超过这一值后，因在晶界析出呈网状分布的脆性相而使合金脆化。,超硬铝合金：,主加元素Mg、Zn的作用：,改善应力腐蚀倾向，提高强度和塑性。 这是因为Cu除了加强固溶强化外，还出现S-CuMgAl2沉淀强化相。另外，Cu还提高沉淀相弥散度，消除晶界网状脆性相，改善晶界腐蚀倾向。,主加元素Cu的作用：,主要指Al-Mg-Si系合金，如LD5、LD8等。其强化相是Mg2Si相，当W(Mg)/W(Si)=1.73时，强度最高。,煅铝：,3、措施： 通过添加Cu、Mn等元素，产生多种沉淀强化相 减少停放效应。,快速凝固铝合金：,快速凝固技术（雾化烧结）：,快速凝固技术（熔融离心）：,熔融离心法制备金属箔或薄带示意图,快速凝固属于粉末冶金技术范畴，它将金属以超高速104K/s冷却速度冷却凝固，可使合金获得如下组织特性：,快速凝固铝合金的特点,1、 细化晶粒和第二相质点，减少偏析； 2、 扩大溶解度限； 3、 形成非平衡晶体或准晶中间相； 4、 形成金属玻璃。,烧结铝：,铝粉中Al2O3粒子的来源与分布：,1、原料铝粉中有Al2O3粒子残留含量； 2、球磨工艺使Al2O3粒子在铝粉中均匀分布； 3、可将超声波振动等工艺直接将Al2O3粒子加入熔融铝。,烧结铝的性能特点：,烧结铝的性能取决于Al2O3粒子的含量和组织分布。 Al2O3粒子的含量越高，则强度越大、塑性越小。 通过工艺控制，烧结铝中的Al2O3以细小弥散的颗粒存 在，它们能与位错和空位相互作用，阻止晶粒长大。,铸造铝合金一般含较多的合金元素（总量为825%），成分接近共晶点，具有较高的流动性，较小的收缩性、热裂、缩孔和疏松倾向小等良好的铸造性能。,第二节 铸造铝合金,常用的铸造铝合金有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝稀土系和铝锌系合金，其力学性能水平不如变形铝合金 ,但可通过热处理等方式改善其机械性能；且生产工艺和设备简单，成本低 。,又称硅铝明，具有极好的铸造性，线收缩性好，热裂倾向小，还有高气密性及优良耐蚀性，是应用最多的铸造铝合金系列。,铝硅及铝硅镁合金：,但铸造铝硅系合金在生产中必须进行变质处理即浇铸前向合金熔液中加入微量钠约(0.0050.15)%或钠盐(13)%，使铸造合金的由（Al+Si）共晶中的粗大片状Si单晶变为细小弥散分布的细粒状（枝状），使合金力学性能大为改善。,通常铝硅共晶结晶时，硅晶体形成易产生孪晶，使其 沿孪晶方向长成粗针或粗片状，在加入变质剂Na+盐 后， Na原子在结晶硅的表面有强烈的偏聚，降低硅的生 长速度并促使其发生分枝或 细化。 另外，加入变质剂可使 铝硅合金变成亚共晶组织。 即共晶温度降低，Si的共晶 成分增大。,变质机理：,二元Al-Si合金变质前抗拉强度147MPa、延伸率3%；变质后分别达166MPa和610%，它适宜制作形状复杂但强度不高的零件，如仪器仪表、抽水机壳等。 当再加入其他的合金元素形成复杂硅铝明时，由于可形成更多强化相，其强度进一步提高。如ZL101、ZL104加入Mg可形成Mg2Si强化相，且可进行时效强化，其抗拉强度可达260MPa，故可用于制造受载大的复杂件如气缸体、发动机压气匣等。,该类合金的主要强化相是CuAl2，热强性最好的，但其强度和铸造性能不如Al-Si系合金，耐蚀性也较差。一般只用作要求强度高且工作温度较高的零件，如活塞、内燃机缸头等。,铝铜铸造合金：,该类合金的突出优点是价格便宜，成本低，而且其铸造，焊接和尺寸稳定性较好，但耐热耐蚀性差。故其一般只用于制作工作温度低（200）但形状复杂受载小的压铸件及型板、支架等。,铝锌铸造合金：,