第3章金属材料-4.ppt
3.4 有色金属及其合金 3.4.1 铝及铝合金 特点： (1) 密度小、比强度高 纯铝密度为 2.7g/cm3，为铁的1/3。铝合金密度小，强度与低合金高强钢强度相近，比强度比一般高强钢高得多。,(2) 有优良的物理、化学性能 铝的导电性好，仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64%。 铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，磁化率极低，接近于非铁磁性材料。,(3) 加工性能良好 铝及铝合金(退火状态)的塑性很好，可以冷成形。 切削性能也很好。 超高强铝合金成形后可通过热处理获得很高的强度。 铸铝合金的铸造性能极好。,由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。,一、纯铝 1. 高纯铝 纯度 99.9399.99% ， 牌号 L01、L02、L03、L04，编号越大，纯度越高。 用于科学研究及制作电容器等。 2. 工业高纯铝 纯度 98.8599.9%，牌号 L0、L00 。 用于制作铝箔、包铝、冶炼铝合金的原料。 3. 工业纯铝 纯度 98.099.0% ，牌号 L1、L2、L3、L4、L5，编号越大，纯度越低。 用于制作电线、电缆、器皿及配制合金。,二、铝合金 铝合金有较高的强度，良好的加工性能。制造承受较大载荷的机器零件和构件。 铝合金分变形铝合金和铸造铝合金两类,铝合金分类示意图,（1）变形铝合金 成分低于D 的合金，加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于变形加工，称为变形铝合金。,不可热处理强化的铝合金 成分低于F 的合金，不能进行热处理强化。 可热处理强化的铝合金 成分位于F -D 之间的合金，可进行固溶时效强化。,（2）铸造铝合金 成分高于D 的合金，由于冷却时有共晶反应发生，流动性较好，适于铸造生产，称为铸造铝合金。,1. 铝合金的时效 老师提示：重点内容,铝合金的固溶处理,(1) 固溶处理 将成分位于DF 之间的合金加热到相区, 保温获得单相固溶体，迅速水冷，在室温得到过饱和的固溶体, 这种处理方式称固溶处理。,(2) 时效 固溶处理的过饱和固溶体不稳定，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。室温或低温加热时，强度和硬度会明显升高。称为时效或时效硬化。,自然时效 室温下进行。 人工时效 加热时进行。,含4%Cu的Al-Cu合金，加热到550 保温后, 在水中快冷, 相(CuAl2)来不及析出, 合金获得过饱和的固溶体组织, 强度为 b= 310 MPa 在室温放置, 随着时间强度逐渐提高, 经4天5天后 b可达420 MPa。,Al-Cu合金相图,举例：,合金发生时效的条件 合金在高温形成均匀的固溶体。 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,时效规律：,时效温度高，强化效果小; 时效温度高，时效速度越快; 低温抑制时效的进行。,Al-Cu合金时效,(5) 回归 自然时效后的铝合金，在230 250 短时间加热后, 快速水冷至室温，重新变软。 在室温下又能发生自然时效。称为回归。,老师提示 时效后的铝合金回归处理,软化状态进行冷变形。可用铝合金铆钉随时进行飞机的铆接和修理等。,2. 变形铝合金 (1) 防锈铝合金 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，同时降低密度。 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。 可冷变形，利用加工硬化提高强度。,3A21(LF21) Al-Mn合金 w(Mn)1.4% 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。,5A05(LF5) Al-Mg合金 w(Mg)5% 密度比纯铝小, 强度比Al-Mn合金高, 具有高的抗蚀性和塑性, 焊接性能良好, 但切削加工性能差。 用于焊接容器、管道，以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。,(2) 硬铝合金 Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。 可进行时效强化，可热处理强化的铝合金，也可进行形变强化。 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; 少量Ti、B细化晶粒, 提高合金强度。,低合金硬铝 2A01(LY1) w(Cu)2.6%、w(Mg)0.4% 。 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。,标准硬铝2A11(LY11) w(Cu)4.4%、w(Mg)0.6% 、w(Mn)0.6%。 合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。 退火后变形加工性能良好，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等重要零件。,高合金硬铝 2A12(LY12) w(Cu)4.4%、w(Mg)1.5% 、w(Mn)0.6%。 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。,铝合金型材 飞机用座椅轨道及航空零件,铝合金散热器 铝合金汽车车身,铝合金应用举例：,(3) 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。 7A04(LC4)、7A09(LC9)等。锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)。,(4) 锻铝合金 锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。 2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10) 合金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。 用于承受重载荷的锻件和模锻件。 要进行固溶处理和人工时效。,3. 铸造铝合金 (1) Al-Si 铸造铝合金(硅铝明),Al-Si合金相图, 简单硅铝明ZL102 w(Si)10%13% 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)。,变质处理： 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质量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 显著提高合金的强度及塑性。 这种处理方法即是变质处理。,(a) 未变质处理 (b) 变质处理 (+Si) 初生 +(+Si)+Si,变质处理后的组织： 细小均匀的共晶体(+Si)+ 初生+ Si。 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合金的铸态组织,ZL102的性能及应用： 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。 经变质处理后, b最高不超过180 MPa。,应用：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, 特殊硅铝明 为了提高强度，加入能形成强化相CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg的Cu、Mg等元素，能进行时效硬化，也可进行变质处理,ZL101 w(Si)6.5%7.5%、 w(Mg)0.35% ZL104 w(Si)8.0%10.5%、w(Mg)0.24% w(Mn)0.35% 含有少量镁，能生成Mg2Si相。,ZL104的热处理工艺: 530 540 加热，保温5 h, 在热水中淬火，然后在170 180 时效6 h7 h。 强度b可达200 MPa230 MPa。 应用：制造低强度、形状复杂的铸件。如电动机壳体、气缸体及承受低载荷的零件等。, ZL107 w(Si)7%、w(Cu)4% ZL109 w(Si)12%、w(Cu)0.5%1.5% w(Mg)0.8%1.3% 含有少量铜、镁，能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg多种强化相。强度、硬度高。密度小, 抗蚀性好, 线膨胀系数较小, 强度、硬度较高，耐磨性、耐热性以及铸造性能都比较好。 是常用的铸造铝活塞材料。,铝合金发动机缸体和缸盖,活塞,(2) Al-Cu铸造铝合金 Al-Cu合金的强度较高, 耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松倾向，耐蚀性较差。,ZL201 w(Cu)4.5%5.3%、 w(Mn)0.6%1.0% 、w(Ti)0.8%1.3% 室温强度、塑性比较好，可制作在300 以下工作的零件，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件。 ZL203 w(Cu)4%5% 经淬火时效后，强度较高，可作结构材料，铸造承受中等载荷和形状较简单的零件。,(3) Al-Mg铸造铝合金 ZL301 w(Mg)9.5%11% ZL302 w(Si)0.8%1.3%、w(Mg)5% w(Mn)0.1%0.4% 强度高, 密度小(2.55g/cm3), 有良好的耐蚀性, 但铸造性能不好, 耐热性低。可进行自然时效。,应用：制造承受冲击载荷、在腐蚀性介质中工作的、外形不太复杂的零件，例如舰船配件、氨用泵体。,(4) Al-Zn铸造铝合金 ZL401 w(Si)6%8%、w(Mg)0.1%0.3、 w(Zn)9%13% ZL402 w(Mg)0.5%6.5 %、w(Cr)0.5% w(Zn)5%6.5%、w(Ti)0.2% 价格便宜, 铸造性能优良，变质处理和时效处理后强度较高。但抗蚀性差，热裂倾向大。 应用：制造汽车、拖拉机发动机零件及形状复杂的仪器元件，日用品。,铸造铝合金发动机 进气排气管,铸造铝合金应用举例：,铸造铝合金 电动机壳体,3.4.2 铜及铜合金 铜及铜合金具有下列特殊性能： (1) 优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。 铜是抗磁性物质。 对大气和水的抗蚀能力很高。,(2) 良好的加工性能 塑性很好，容易冷、热成形； 铸造铜合金有很好的铸造性能。,(3) 具有某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性(青铜及部分黄铜)， 高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)。,(4) 色泽美观,一、纯铜(紫铜) 纯铜呈紫红色，常称紫铜. 工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。 用于制作电导体及配制合金。 强度低, 不宜作结构材料。,纯铜管,二、铜合金 1.黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。分普通黄铜和复杂黄铜两类。,(1) 普通黄铜 铜锌二元合金 单相黄铜： 退火组织单相 双相黄铜： 退火组织+ ,Cu-Zn合金相图,单相黄铜：H80、H70、H68 塑性很好，制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。散热器、导电零件。 双相黄铜：H62、H59 可进行热变形，常热轧成棒材、板材。可铸造。制造冲压件、螺母等。,(a)单相黄铜 (b) 双相黄铜 铜锌合金的显微组织,黄铜制品,(2) 复杂黄铜,铅黄铜 HPb63-3 w(Cu)63%、 w(Pb)3%、余Zn 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)，铸造铅黄铜可制作轴瓦和衬套。,锡黄铜 HSn62-1 w(Cu)62%、 w(Sn)3%、余Zn) 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。,铝黄铜 HAl60-1-1 w(Cu)60%、w(Al)1%、w(Fe)1%、余Zn 铝提高黄铜的强度和硬度，改善抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。 加入镍、锰、铁后，得到高强度、高耐蚀性的复杂黄铜。 制造大型蜗杆、海船螺旋浆等重要零件。,硅黄铜 HSi80-3 w(Cu)80%、 w(Si)3%、余Zn 硅显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工。 制造船舶及化工机械零件。,2. 青铜 青铜原指铜锡合金，但工业上称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金都为青铜。,（1）锡青铜 以锡为主要合金元素的铜基合金。 QSn6.5-0.1 w（Sn)6%7%、 w（Pb)0.1%0.25% 锡质量分数低于6%的锡青铜能获得单相组织。相是锡溶于铜中的固溶体, 具有面心立方晶格，塑性良好，容易冷、热变形。锡质量分数大于6%时, 组织中出现(+)共析体。相极硬和脆, 不能塑性变形。,锡青铜性能： 铸造收缩率很小，可铸造形状复杂的零件。但铸件易生成分散缩孔，使密度降低，在高压下容易渗漏。 在大气、海水、淡水以及蒸气中的抗蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸和氨水中的抗蚀性较差。,少量铅，提高耐磨性和切削加工性； 磷，提高弹性极限、疲劳极限及耐磨性； 锌，缩小结晶温度范围，改善铸造性能。,应用：在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件、抗蚀、抗磁零件等。,（2）铝青铜 以铝为主要合金元素的铜合金。 QAl10-3-1.5 w（Al)8.5%10%、 w（Fe)2%4%、 w（Mn)1%2% 性能：耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。耐磨性亦比黄铜和锡青铜好。,应用：制造齿轮、轴套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件，以及弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。,（3）铍青铜 以铍为基本合金元素的铜合金(铍质量分数为1.7%2.5%)，如 QBe2。,淬火状态下塑性好，可进行冷变形和切削加工； 制成零件经人工时效处理后，获得很高的强度和硬度：b达1200 MPa1500 MPa，硬度达350 HB400 HB, 超过其它铜合金。,弹性极限、疲劳极限都很高。 耐磨性和抗蚀性优异。 良好的导电性和导热性。 无磁性、耐寒、受冲击时不产生火花。 价格较贵。,铍青铜应用： 精密仪器的重要弹簧和其它弹性元件，钟表齿轮 高速高压下工作的轴承及衬套等耐磨零件 电焊机电极、防爆工具 航海罗盘,3. 白铜 以镍为主要合金元素的铜合金。 B30、B19、BMn3-12、BMn40-1.5 在固态下，铜与镍无限固溶。 组织为单相固溶体。,有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度； 抗蚀性很好； 电阻率较高。,应用：制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰白铜可制作热电偶丝。,3.4.3 钛及钛合金 钛及钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点。 资源丰富，有广泛应用前景。 但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵。,一、纯钛 1. 纯钛性能 密度小，熔点高，热膨胀系数小，导热性差。 纯钛塑性好、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。,钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。 钛在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠中都很稳定。,钛的耐蚀性,2. 晶体结构 钛在固态有两种结构。 -Ti 882.5 以上到熔点，体心立方晶格 -Ti 882.5以下，密排六方晶格 冷却时在882.5发生同素异构转变: -Ti -Ti,二、钛合金 合金元素溶入 -Ti 中形成固溶体, 溶入 -Ti 中形成固溶体。 稳定化元素铝、碳、氮、氧、硼等使同素异构转变温度升高。,稳定化元素的影响 稳定化元素的影响 合金元素对钛同素异构转变温度的影响,稳定化元素铁、钼、镁、铬、锰、钒等使同素异构转变温度下降。,1. 钛合金 钛中加入铝、硼等稳定化元素。 室温强度低于钛合金和（）钛合金，但高温(500 600 )强度比它们的高，组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。 不能淬火强化，主要依靠固溶强化。可进行消除应力退火或再结晶退火)。,2. 钛合金 钛中加入钼、铬、钒等稳定化元素。 钛合金有较高的强度、优良的冲压性能， 可通过淬火和时效进行强化。 在时效状态下，合金的组织为相和弥散分布的细小相粒子。,3. （）钛合金 钛中加入稳定化元素、大多数还加入稳定化元素，得到（）钛合金。 塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50%100%。,（）钛合金强度高，塑性好，在400 时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力。 应用：制造在400 以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。,钛飞船,钛合金人工关节,3.4.4 轴承合金 滑动轴承是汽车、拖拉机、机床及其它机器中的重要部件。 轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。,滑动轴承的结构,轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。,一、轴承合金性能要求和组织特点 1. 性能要求 (1) 足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的压力。 (2) 足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，抵抗冲击和振动。,(3) 良好的磨合能力，与轴能较快地配合。 (4) 高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。 (5) 良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温发生咬合。,2. 组织特点 在软基体上分布硬质点， 或在硬基体上分布软质点。 若软基体上分布硬质点，软基体磨损凹陷，储存润滑油。硬质点凸出于基体上，使轴和轴瓦的接触面积减小，降低摩擦系数。 软基体能承受冲击和震动，使轴和轴瓦能很好的结合，嵌藏外来硬质点，保证轴颈不被划伤。,轴承合金的组织是硬基体上分布软质点时，也可达到同样目的。,二、常用轴承合金 1. 锡基轴承合金(锡基巴氏合金) 软基体硬质点轴承合金。 ZChSnSb11-6（11%Sb、6%Cu，余Sn）。 显微组织：'Cu6Sn5 。,ZChSnSb11-6 轴承合金的显微组织,相:黑色软基体。 锑在锡中的固溶体。,'相：白方块，硬质点。 以化合物SnSb为基的固溶体。,Cu6Sn5 :白针状或星状。树枝状Cu6Sn5先结晶, 阻止'上浮。硬度高, 作为硬质点, 提高强度和耐磨性。,锡基轴承合金性能特点： 摩擦系数和膨胀系数小。 塑性和导热性好。 但锡基轴承合金的疲劳强度较低。 许用温度也较低(不高于150 )。,2. 铅基轴承合金 软基体硬质点类型的轴承合金，铅锑系的铅基轴承合金应用很广。 典型牌号有ZChPbSb16-16-2，(16%Sb、16%Sn、2%Cu、其余为Pb),铸造性能和耐磨性较好(但比锡基轴承合金低)，价格较便宜。 用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,老师提示 锡基、铅基轴承合金强度低，必须镶铸在低碳钢上，形成一层薄而均匀的内衬，做成双金属轴承。,3. 铜基轴承合金 （1）铅青铜 ZQPb30 （30%Pb, 余Cu） 硬基体软质点类型的轴承合金。 铜和铅在固态时互不溶解。 室温显微组织为Cu+Pb。 Cu为硬基体, 粒状Pb为软质点。,与巴氏合金相比，具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性、导热性和低的摩擦系数，能在较高温度(250 )下正常工作。,应用：制造大载荷、高速度的重要轴承，例如航空发动机、高速柴油机的轴承等。,（2）锡青铜 ZQSn10-1 （10%Sn、1%P, 余Cu） 显微组织为Cu3P。固溶体为软基体，相和Cu3P为硬质点。 具有高的强度，适于制造高速度、高载荷的柴油机轴承。,老师提示 含锡的铅青铜和锡青铜，锡溶于铜中使合金强化，获得高的强度，可直接做成轴承或轴套使用。,本节小结 常用铝合金：LF5、LY11、LC4、ZL102 常用铜合金：H80、H62、QSn6.5-0.1、QAl9-4、QBe2 常用钛合金：TA7、TB1、TC4 常用轴承合金：ZChSnSb11-6,第章 小结 1. 碳钢 普通碳素结构钢 Q215、Q235 优质碳素结构钢 20、45、60 碳素工具钢 T8、T10、T12 不同牌号的钢材其应用领域不同。,2. 合金钢 低合金结构钢 Q345(16Mn)、Q420(15MnVN) 调质钢 40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi 渗碳钢 20Cr、20MnVB、20CrMnTi 18Cr2Ni4WA 弹簧钢 65Mn、50CrV、60Si2Mn 轴承钢 GCr9、GCr15、GCr15SiMn,低合金刃具钢 9SiCr、CrWMn 高速钢 W18Cr4V 热模具钢 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V 冷模具钢 Cr12MoV 不锈钢 1Cr13、3Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti 合金结构钢制造各种结构件、机械零件。 合金工具钢制造各种刃具、模具、量具。,3. 铸钢 ZG230-450、ZG270-500 ZG310-570 制造形状复杂、需要一定强度、塑性和韧性 的零件。 4. 铸铁：HT150、HT250、KT350-10、 KT450-5、QT420-10、QT800-2。 铸造性能好，制造形状复杂的零件。,5. 有色金属及其合金 具有特殊的机械性能和理化性能。 铝合金：5A05(LF5)、2A11(LY11) 7A04(LC4)、ZL102 铜合金：H80、H62、QSn6.5-0.1 QAl9-4、QBe2 钛合金：TA7、TB1、TC4 锡基轴承合金：ZChSnSb11-6,
