材料概论大学授课PPT有色金属材料及其合金PPT.ppt
有色金属及其合金,在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。,有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具,有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.,铸造有色金属及其合金牌号表示方法统一如下: 铸造有色纯金属的牌号为 Z +该金属元素符号+ 纯度百分含量数字(或用一短横加顺序号)。 如ZAl99.5和ZTi-1。,变形有色金属及其合金的牌号表示方法还不统一。,铝锭, 铸造有色合金的牌号为 Z+基体元素符号+主要合金元素符号及其名义百分含量数字+其他合金元素符号及其百分含量数字。 如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等。 混合稀土元素符号用RE表示。 优质合金在牌号后标注字母“A”。,有色金属种类很多，本章仅对机械、仪表等工业中广泛使用的铝、铜、钛及轴承合金作简要介绍。,第一节 铝及铝合金,一、铝及铝合金性能特点 纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低(660.4)。 导电、导热性能优良，广泛用于电气工业和热传导机械中。 耐大气腐蚀。 强度低，塑性好，易于加工成形 。,铝合金制造的机翼,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。 铝合金常加入的元素主要有Cu、 Mg、 Mn、 Zn 、 Si等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。,可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。 形变铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.,铝合金分类示意图,二、铝合金的分类 铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。,形变铝合金,三、铝合金的热处理,并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 时效是指将过饱和的固溶体在固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,可热处理强化形变铝合金的热处理方法：固溶处理 + 时效。 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。 时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰,值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,1、铸造铝合金 包括： Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号 Al-Si系铸造铝合金,又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明.,四、铝合金的牌号、性能及用途,在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称特殊 (或复杂)硅铝明。 Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 铸件致密度较小，强度不够高,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等形状复杂但对强度要求不高的铸件。, Al-Cu系铸造铝合金 这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,汽缸头,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。, Al-Mg系铸造铝合金 这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等. 主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301), Al-Zn系铸造铝合金 这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7) 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,2、形变铝合金 形变铝及铝合金牌号表示方法 根据国标规定 ，形变铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF +序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号, 常用变形铝合金 防锈铝合金 主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 Mn主要作用是提高抗蚀能力和，并起固溶强化作用.,卫星天线（LF2）,Mg起固溶强化作用，并降低合金比重。 防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。 不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,汽化器(热交换管为LF21),常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。 常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯,铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。, 硬铝合金 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 可进行时效强化，也可进行变形强化。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等., 超硬铝合金 属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 时效强化效果超过硬铝合金. 热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.,飞机主起落架, 锻铝合金 Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,美F-117隐身战斗机 (所用材料大部分是铝合金),高比强铝合金机翼,第二节 铜及铜合金,一、铜及铜合金性能特点 纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。,热轧铜合金,铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、 Ni、 Mn、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性. 铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。,二、黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 黄铜按化学成分可分为简单（普通）黄铜和复杂（特殊）黄铜。 按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。,1、简单黄铜 铜与锌的二元合金称为简单黄铜。 加工简单黄铜的牌号为：H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68。,从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织,分别称单相黄铜和两相黄铜。,普通黄铜的显微组织,单相黄铜塑性好。 常用牌号有H80、H70、 H 68。 适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。 两相黄铜热塑性好, 强度高. 常用牌号有H59、H62。 适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。,2、复杂黄铜 在简单黄铜的基础上加入Pb、 Sn、 Al、 Mn、 Fe、Co、Ni等元素形成复杂黄铜。 加工特殊黄铜的牌号为： H(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量, 如HPb59-1. 复杂黄铜强度、耐蚀性比简单黄铜好，铸造性能改善。,常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。 主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,三、青铜 除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量 如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn). 常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。,青铜制品,1、锡青铜 是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。 锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,2、铝青铜 以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。 强度、硬度、耐,大型水力发电设备中的抗磨环,磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。 主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。,3、铍青铜 以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。 具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.,铍青铜制品,常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。 用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.,普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。 常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等.,白铜件,四、白铜 以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。,特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。 其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。 常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。 用于制造精密机械、仪表零件及 医疗器械等。,第三节 钛及钛合金,一、工业纯钛 纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti, 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti. 纯钛比强度高，塑性、低温韧性好 耐蚀性和耐热性优良。,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,纯钛主要用于 350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,二、钛合金 纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.,按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中TA1TA3为工业纯钛。,钛合金泵,1、型钛合金 主加元素为铝，还有锡、硼等。 不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体. 强度低于另两类钛合金，但高温强度、抗蠕变性能及耐蚀性优越.,常用牌号有TA5、TA7等 主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,-Ti合金组织,2、型钛合金 加入的合金元素有钒、锡、铝等。 经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。 这类合金强度高，冲压性能好，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。,型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。 主要用于350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。,3、+型钛合金 加入的合金元素有铝、铁、锰、铬、铜、钨、硅、镍等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为+时效析出的针状。,+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.,第四节 轴承合金,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑,作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。 与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。,一、组织性能要求 当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。 对轴承合金的性能要求： 足够的强度和硬度，以承受轴颈施加的加大的单位压力，并要耐磨。 (2)足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并能抵抗冲击和振动。 (3)较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。 (4)良好的耐蚀性和导热性，较小的热膨胀系数，以防止轴与轴瓦之间咬合。,为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点。 当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油,而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用. 软基体 (或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用, 以避免擦伤轴颈。,1、锡基轴承合金 是以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。,二、常用轴承合金 工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。,典型牌号为ZChSnSb11-6。 (其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn),ZChSnSb11-6合金的显微组织,锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过 150 ，价格高。,巴氏合金轴瓦,广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。,2、铅基轴承合金 是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。 典型牌号为ZChPbSb16Sn16Cu2。,ZChPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织 (+)共晶基体+方块状SnSb+针状Cu3Sn,铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。,常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。,
