铝及铝合金钢.ppt
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1、铝及铝合金钢,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、金属材料通常可分为几类? 答:通常将金属材料分为有色金属和黑色金属两大类。黑色金属是指铁、锰、铬及其合金;除此之外的所有金属都称为有色金属。 2、与黑色金属相比,有色金属有何特点? 答:比密度小、比强度高,在空间技术、原子能、计算机等新型工业部门应用广泛。,本课内容,1、工业纯铝的特性、用途及分类; 2、铝合金的分类; 3、铝合金的时效强化; 4、变形铝合金; 5、铸造铝合金。,工业纯铝的特性,密度较小,约为2.7g/cm3 ;面心立方晶格(FCC);无同素异晶转变; 导电、导热性好,仅次于银、金、铜。 极强的抗大气腐蚀能力,在空气中铝的表面
2、生成致密的氧化膜,保护了内部金属不被腐蚀钝化现象。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀; 非磁性、无火花材料; 强度低,塑性好,比强度高;可通过冷变动强化提高强度、硬度;,工业纯铝的分类及牌号,分类:工业纯铝分纯铝(99%wAL99.85)和高纯铝(wAL99.85%)两类。纯铝又分为铸造纯铝和变形铝两种。 牌号:铸造纯铝的牌号由“Z”和铝的化学元素符号及表明铝含量的数字组成,如ZAl99.5表示wAl=99.5%的铸造纯铝;变成铝的牌号用四位字符体系的方法命名,即用1表示,牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量100后小数点后两位数字,第二位的字母表示原始纯铝的改型情况,如为A,表示原始纯铝,若为其它字
3、母,则表示为原始纯铝的改型。如变形铝1A30表示wAl=99.30%的原始纯铝。,铝合金的分类,用于制作铝合金的合金元素大致分为主加元素(硅、铜、镁、锌、锰等)和辅加元素(铬、钛、锆等)。铝与主加元素的二元相图一般都具有右图所示形式,根据该相图上最大溶解度D点,把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。 变形铝合金:成分在D点以左的合金,加热到固溶线以上时,可得到单相固溶体,塑性好,宜于进行压力加工,称为变形铝合金。,铝合金的分类,变形铝合金又分为两类:成分在F点以左的合金,固溶体成分不随温度而变,属热处理不可强化合金;成分在DF点之间的合金,固溶体成分随温度而变,属热处理可强化铝合金。,铸造铝合金
4、,成分在D点以右的合金,由于有共晶组织存在,适于铸造,称为铸造铝合金。铸造铝合金中有成分随温度变化的固溶体,也能用热处理强化。但距D点越远,强化效果愈不明显。,铝合金的时效强化,固溶处理:将成分位于DF点之间的合金,加热到 相区,经保温获得单相 固溶体后迅速水冷,可在室温下获得过饱和的 固溶体,这种处理方式称为固溶处理。 时效强化:固溶处理后得到的组织是不稳定的,有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时,强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效强化。在室温下进行的称自然时效;在加热条件下进行的称人工时效。 时效条件: 合金能在高温形成均匀的固溶体,并且固溶体中溶质的溶解度必须
5、随温度的降低而显著降低。,时效硬化规律,(1) 时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小; (2) 时效温度越高, 时效速度越快, 强度峰值出现所需时间越短; (3) 低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性, 抑制时效的进行。 时效实例,含4%Cu的Al-Cu合金的自然时效曲线,硬度,时间,4%Cu的Al-Cu合金,加热到550并保温一段时间后, 在水中快冷时, 相(CuAl2)来不及析出, 合金获得过饱和的 固溶体组织, 其强度为b250MPa。 若在室温下放置, 随着时间的延续, 强度将逐渐提高, 经45天后, b可达400MPa。,回 归,自然时效后的铝合金, 在23025
6、0短时间(几秒至几分钟)加热后, 快速水冷至室温时, 可以重新变软。如再在室温下放置, 则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。利用这种现象,可随时进行飞机的铆接和修理等。,变形铝合金,变形铝合金包括: 防锈铝合金 硬铝合金 硬铝合金 锻铝合金,防锈铝合金,防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰提高抗蚀能力,并起固溶强化作用。镁固溶强化,同时降低比重。 防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体,抗蚀性能高,塑性好。不能进行时效硬化,属于不可热处理强化的铝合金
7、,但可冷变形,利用加工硬化提高强度。 LF21(Al-Mn合金) 抗蚀性和强度比纯铝高, 有良好的塑性和焊接性能, 但因太软而切削加工性能不良。 用于焊接件、容器、管道,或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。,硬铝合金,硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。它们可以进行时效强化,属于可热处理强化的铝合金 。,硬 铝, 低合金硬铝 LY1、LY10等, Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。采用固溶处理和自然时效提高强度和硬度,时效速度较慢。主要用于制作铆钉,常称铆钉硬铝。形加工性能良好,时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉
8、等重要零件。 标准硬铝 LY11等,合金元素含量中等,强度和塑性属中等水平。退火后变强化的铝合金,亦可进行形变强化。合金中的Cu、Mg可形成强化相及s相; Mn主要提高抗蚀性, 并起一定固溶强化作用, 因其析出倾向小, 不参与时效过程; 少量钛或硼可细化晶粒, 提高合金强度 高合金硬铝 LY12、LY6等,合金元素含量较多,强度和硬度较高,塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。,硬铝的应用,超硬铝合金,超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金, 含有少量的铬和锰。牌号有LC4、LC6等。锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlM
9、gZnCu等),合金经固溶处理和人工时效后,可获得很高的强度和硬度,是强度最高的一类铝合金。但这类合金的抗蚀性较差,高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。,超硬铝,超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件,例如飞机大梁、起落架等。,锻铝合金,锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。牌号有LD5、LD7、LD10等。合金的元素种类多但用量少,有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能,并有较高的机械性能。 这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件,通常要进行固溶处理和人工时效。,铸造铝合金,铸造铝合金主要有: 铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系四种,以铝硅系应用最广泛。 代号用“ZL
10、”加三位数字表示,第一位数表示合金类别(1为铝硅系,2为铝铜系,3为铝镁系,4为铝锌系),第二、三位数字为合金序号。例如ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。 牌号由Z和铝的化学元素符号、主要合金元素符号及合金元素名义百分含量的100倍的数字组成。,铝硅系合金,变质处理,仅含硅元素的铝硅合金(如ZL102)通常称硅铝明。铸造后几乎全部得到共晶体组织(+Si), 具有优良的铸造性能(熔点低、流动性好、收缩小)。 在一般情况下,ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和 固溶体构成, 强度和塑性都较差。 浇铸前向合金液中加入占合金重量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合
11、金组织, 显著提高合金的强度及塑性。这种处理方法即是变质处理。 经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体加初生 固溶体,获得亚共晶组织是由于加入钠盐后,铸造冷却较快时共晶点右移的缘故。,ZL102的铸态显微组织,变质前显微组织,变质后显微组织,硅铝明的性能与应用,硅铝明的主要缺点是铸件致密程度低,强度较低,且不能热处理强化。为了提高铝硅合金的强度可加入镁、铜以形成强化相Mg2Si、CuAl2、CuMgAl2等。这样的合金在变质处理后进行淬火时效,以提高强度,如ZL105、ZL108等合金。 ZL102铸造性能很好,焊接性能也好,密度小,并有相当好的抗蚀性和耐热性,但不能时效强化,强度较低,经变质处
12、理后, b最高不超过180 MPa。该合金仅适于制造形状复杂但强度要求不高的铸件,例如仪表、水泵壳体以及一些承受低载荷的零件。加入镁、铜的铝硅系合 金还有较好的耐热性与耐磨性,是制造内燃机活塞的合适材料。,铜及铜合金,材料工程系金工教研室,课前复习题,1、什么叫时效强化? 答:淬火后,铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象叫时效强化,亦称沉淀硬化。 2、纯铝的主要用处是什么? 答:代替贵重的铜合金,制作导线;配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。,本课内容,1、铜及铜合金的特性 2、铜及铜合金的分类及牌号 3、黄铜 4、白铜 5、青铜,纯铜的特性,纯铜为紫
13、红色,常称紫铜。密度为8.96g/cm3,熔点为1083,面心立方晶格,无同素异晶转变。 纯铜导电性、导热性极佳,铜合金的导电、导热性也很好。 铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。 铜是抗磁性物质。,纯铜分类、用途及牌号,分末加工产品(铜锭、电解铜)和加工产品(铜材)两种。 末加工产品的代号有Cu-1、Cu-2两种;加工产品代号有T1、T2、T3三种。代号中数字越大,表示杂质含量越多,导电性越差。 主要用于制作各种导电材料、导热材料及配制各种铜合金。,铜合金分类,按化学成分,铜合金可分为黄铜(铜锌合金)、青铜、白铜(铜镍合金)三大类。 青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。按
14、其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜等。,黄 铜,黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 按照化学成分,黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。,黄铜的牌号,普通黄铜:H90、H80、H70、H68、H62、H59;其中数字是铜的含量; 特殊黄铜:HSn62-1、HPb59-1、HMn55-1;前面的数字是铜的含量,后面的数是第三种元素的含量,余量是锌;,普通黄铜,普通黄铜是铜锌二元合金,其退火组织可以是单相 或双相 + , 并分别称为 黄铜(或单相黄铜)和双相黄铜。,单相黄铜,wZn39%时,室温组织为单相固溶体, 相是锌溶于铜中的固溶体,塑性好,适宜冷、热加工。适于制作冷轧
15、板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。,双相黄铜,当 wZn=3945%时,室温下的组织为+ 。在实际生产条件下,当wZn32%时,即出现+ 组织。相是以电子化合物CuZu为基的固溶体,在室温下较硬脆,但加热到456以上时,却有良好的塑性,故含有相的黄铜适宜热压力加工。广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件,如螺栓、螺母、垫圈、弹簧及机器中的轴套等,有商业黄铜之称。,双相黄铜显微组织,普通黄铜的应用,H90 ( H80)有优良的耐蚀性、导热性和冷变形能力,并呈金黄色,有金色黄铜之称。常用于镀层、艺术装饰品、奖章、散热器等。 H70(H68)俗称三七黄铜,有优良的冷热塑性变形能力
16、,适宜用冷冲压制造形状复杂而要求耐蚀的管、套类零件,如弹壳、波纹管等,故又有弹壳黄铜之称。 双相黄铜 H62、H59 可进行热变形,通常热轧成棒材、板材。可铸造。,特殊黄铜,全部是双相组织,第三种的元素的加入目的是改善黄铜的某些性能,如Sn能提高耐蚀性,Pb能提高切削加工性、Mn能提高强度、Si能提高铸造性能等。,特殊黄铜,锡黄铜 HSn62-1 锡显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性,并使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。 铅黄铜 HPb63-3 铅改善切削加工性能,提高耐磨性,对强度影响不大,略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如钟表零件等),铸造铅黄铜可
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