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1、第八章 有色金属及其合金,non-ferrous metal and alloy,1、掌握铝合金、铜合金的强化机理及组 织、性能特点,本章教学目的:,2、熟悉铝合金、铜合金的表示方法,3、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 2、铜合金的强化机理及组织、性能,本章难点:铝合金、铜合金的强化机理,参考文献:,1、崔忠圻等,金属学与热处理原理, 哈尔滨工业大学 出版社,1998 2、王 忠,机械工程材料 ,清华大学出版 社,2005,有色金属:除钢铁以外的所有金属统称为有 色金属。,有色金属及其合金与钢铁相比,具有许 多特性:, Al,Mg,Ti及其合金密度
2、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, 有色金属及其合金的应用越来越多,在国 民经济中占越来越重要地位。,飞机制造业:轻金属占总重量的95%, 钢铁及其它材料占5%。, 汽车制造业中铝合金、镁合金的使用量越 来越多。, 镁合金在“3C”产品的应用近年来急剧增 长(年递增20%)。,C:COMPUTER C:COMMUNICATION C:CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS,钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用 越来越多。,第一节 铝及其合金,一、工业纯铝,1、铝的性质, 具有面心立方晶格,无
3、同素异构转变。 密度2.72,约为铁的三分之一,铝合金 密度一般为2.52.88之间。, 具有良好的导电、导热性,仅次于银、铜、金。 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)。 具有高塑性、较低的强度 : L04 99.996% =45%;b=50MN/m2,2、纯铝的牌号,L04 L03 L02 4#高纯铝 3#高纯铝 2#高纯铝 99.996% 99.99% 99.96%,L0 L00 L1 1#工业高纯铝 2#工业高纯铝 1#工业纯铝 99.90% 99.85% 99.7%,L2 L7 2#工业纯铝 7#工业纯铝 99.5% 98%,二、铝合金的成分、组织和性
4、能特点,1、成分特点,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,但机械性能比纯铝高的多。,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()外,还有第二相(金属间化合 物)出现。,CuAl2 相;Mg2Si 相;Al2CuMg S相。,二元铝合金状态图的基本型式为 有限固溶体型。,3、性能特点,与钢铁相比,铝合金具有较高的比强 度、比刚度,较低的密度。,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
5、.92 0.35 相对比 1.0 1.6 2.5 0.60 1.8 强度极限 相对比 1.0 1.7 4.2 0.70 2.94.3 屈服极限 相对比 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5 刚度,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,把铝合金分为: 加工变形铝合金 铸造铝合金,2,1,3,4,Al,D,A,B,C,1变形铝合金 2铸造铝合金 3不能热处理强化的铝合金 4能热处理强化的铝合金,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825% 。,2、变形铝合金,这
6、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
7、入纯铝中,形成铝基固溶体, 起固溶强化作用,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,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一温度时,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
8、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 变脆,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细化组织 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,进行变 质处理。 常用变质剂:2/3 NaF +1/3 NaCl,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
9、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)- GpI 区,随着GpI区的形成,将引起固 溶体严重畸变,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GpI区 扩散富集,并有序化而形成GpI I区。 GpI I的化学成分接近于CuAl2,具有正方 晶格(以”表示),随着GpI I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 ”相逐渐达到CuAl2的成分,并部分地 与母相固溶体的晶格脱离,形成一种 过渡相,随着 的形成,固溶体的 晶格
10、畸变程度减轻,合金趋于软化。,第四阶段: 稳定的相- CuAl2形成,并与母相固溶体 完全脱离联系,使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。,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,如: ZL102 表示第2号铝硅铸造合金 ZL405 表示第5号铝锌铸造合金
11、,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),a、简单硅铝明 含1113% 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(相),Mg2Si(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
12、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
13、Mn、 Ti,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,1.01.6%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、,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
14、、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,有晶间腐蚀倾 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500700MN/m2,主合金元素是Zn、 Mn、 Cu,同时加入少量的Mg、Cr、Ti。,热处理特点:淬火+人工时效 因为自然时效时间太长5060天,且自然 时效有较大的应力腐蚀倾向。,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。,4、锻铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10,第二节 铜
15、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。,金属导电性排序: Ag、Cu、Au、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(HNO3、 H2SO4)易 被腐蚀。,5、优良的成型加工性、可焊性、塑性,强度较低。 HB=3.5, b=200240 MN/m2 =50%, s=6070MN/m2,6、冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度, 但塑性、导电率降低
16、,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), 且沿晶界分布,热加工时(820860), 晶界熔化热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含 量。 Pb(0.005%0.03%), Bi (0.002%0.003%),机理:,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
17、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。 (S0.0015%;O:0.0015%0.05%),3、铜的氢病,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+O22H2O; 2CO+O22CO2,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 称为铜的氢病。,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
18、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(b=200-240 、s=60-70 =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 成铜的固溶体固溶强化,使铜的强度 升高。,2、时效强化 Be、Si、Zn等在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F
19、e、Ni等合金元素,能细 化晶粒,提高机械强度。,五、黄 铜,1、黄铜的成分与组织, 成分:黄铜是Cu-Zn合金 简单黄铜(普通黄铜) Zn50% 复杂黄铜(特殊黄铜) Cu-Zn+其它合金元素, 组织: 工业黄铜(Zn50%), 室温组织是相、相。,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。,相:以电子化合物CuZn为基的固溶体,电子 浓度3/2(相),具有体心立方晶格, 高温下的相中的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456468时,相发生有序化转 变 , 塑性显著降低,含有的 黄铜不适于冷
20、加工变形。 再加热到有序温度以上,塑性恢复。,工业黄铜按组织分 a:单相黄铜, Cu=10062.4% b:两相黄铜+,Cu= 5662.4%,2、Zn含量对黄铜性能的影响, 随着Zn含量增加,黄铜的导电性、导热性 降低。, 随着Zn含量增加,当组织为单相时,黄 铜的强度、塑性都增大;Zn含量3032%, 塑性达到最大;继续增加Zn含量,由于 出现,塑性下降,而强度b继续提高, 至4546% Zn;合金进入单相区,b 急剧降低。, 随着Zn含量增加,黄铜“自裂”倾向增大。 “自裂”:Zn20%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
21、裂的措施: a、低温去应力退火 260300,12小时 b、往黄铜中加入Sn、Si、Al、Ni等元素 c、表面镀 Sn或Zn, 黄铜的铸造性能良好 Zn38%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 普通黄铜 含Cu80% Cu 59% Pb 1% 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。
22、经对出土汉镜进行分析,成分如下: Cu:6570% Sn:2426% Pb:19% Zn: 05% 金相组织几乎完全是Cu31Sn8(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:、 、等相。,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。,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
23、稳定存在,塑性良好,适于热加工; 586发生共析反应,形成+ 相, 塑性急剧降低。,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+相。,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。相很稳定,在350发生共析转变, 形成+相。但转变速度极其缓慢,一 般很难进行。只有经7080%的变形,数 千小时退火,才能完成转变,故称相是 青铜的基本室温组织。,相:以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体,密排 六方晶格,既硬又脆,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(7%
24、时,由于组织中出现相,塑性急剧降低。 Sn20%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314%范围: 压力加工锡青铜:67% Sn 铸造锡青铜: 1014% Sn,c、 锡青铜的铸造性 Sn:314%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,是有色合金中收 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、锌、铅等) P 脱氧,0.020.035%, 改善铸造性能, 提高强度 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
25、 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(相)。,2、铝青铜,a、组织 常用铝青铜 Al12%,组织为、2,相:Al在Cu中的固溶体,面心立方晶格, 塑性好。,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+2相, 但必须充分缓冷,快冷(56/min) +2 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相, 适量且分布均匀时,强度高,数量太多, 则合金变脆。,2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
26、,Al强度、塑性提高, Al45%时,塑性 降低。 Al78%,塑性急剧降低,Al1011%,强 度降低。 故压力加工铝青铜:Al 57% 铸造铝青铜: Al 712%,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,第三节 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
27、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、锡基轴承合金(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 Al - 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,又保 证滑动轴承的性能。,
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