第八章有色金属及合金

1. 第八章有色金属及合金 通常把铁及其合金（钢、铸铁）称为黑色金属材料，而把非铁金属及其合金称为有色金属材料。 与黑色金属相比，有色金属具有许多优良特性，例如铝、镁、钛及其合金具有密度小，比强度高的特点，在飞机，汽车制造等工业中应用十分广泛；又如银、铜、铝及其合金的导电性导热性好，是电器，仪表工业不可缺少的材料。虽然有色金属 使用量少，在机械制造业中仅占4.5%左右，但它是现代工业中不可缺少的材料。

2. 第一节 铝及其合金 一、工业纯铝 特性： 1、熔点低，比重小。熔点为660.4 ℃ 密度 2.72 2、导电性和导热性好，仅次于银、铜、金居第四位。 3、面心立方晶格，强度低（σb=80-100MPa），塑性好（ψ=80%），可以通过压力加工成各种型材，与其面心立方晶体有关。 4、抗大气腐蚀好，其表面有一层致密的氧化膜。 牌号：工业纯铝牌号有 L1 L2 …….. L7 数字大纯度低 高纯铝 L01 L02 ……L04 数字大纯度高。 主要用途：电线、电缆

3. 二、铝合金及 强化方法 （一）概述 1、合金化 在纯铝中加入Si 、Cu、Mg、Zn、Mn等元素，经热处理可使强度比纯铝提高3－4倍。 2、铝合金状态图（一般式） 共同特点是：基本相都是铝基  固溶体和  ＋  共晶体。其中  为固溶体或化合物。 3、铝合金的分类及特性 根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类。 即，变形铝合金和 铸造铝合金。 变形铝合金：具有良好的塑性，可进行锻造、轧制、挤压等压力加工。 铸造铝合金：流动性好，宜铸造，不宜压力加工。

4. 温度 L +L  D 变形铝合金 铸造铝合金  +  热处理不能强化 热处理能强化 F D/ Al 合金含量（Si Mg Cu 等） 铝合金一般相图

5. （二）铝合金强化方法 1、热处理强化 强化方法：固溶处理－时效强化。 固溶处理：将合金加热到溶解度曲线以上某一温度，得到单一的固溶体组织，然后在水中迅速冷却，使第二相来不及析出，形成过饱和固溶体。这种处理的方法称固溶处理。 时效强化：固溶处理的合金在较低温度下随时间的延长发生进一步强化的现象(强度和硬度上升）称时效硬化或时效强化。

6. 强化机理： 在铝的 过饱和  固溶体晶格内形成溶质原子富集区及铝化物且与  固溶体保持共格关系， 使得晶格严重畸变，使位错运动受到阻碍，提高了合金的强度。 自然失效：在室温下进行的时效称自然时效（强度可以达到400 MN/m2）， 人工失效：在加热条件下进行的时效称人工时效（100－200ºC）。 人工时效的效果不如自然时效效果好，但时间短。 例：含4％Cu的铝合金，固溶强化后强度为250MPa自然失效后（4－5天）达到400MPa。

7. 2、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。2、对变形铝合金通过冷变形加工硬化，使强度提高。 3、固溶强化 合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶体，使合金强度提高。如硅铜镁锰等。

8. 4、加入变质剂，进行变质处理—细晶强化。 例：Al－Si铸造合金，浇铸前加入2－3％钠盐混合物（2/3NaF + 1/3NaCl-变质剂），结晶时产生大量晶核，获得细晶粒，合金的强度和塑性都得以提高。 铝硅合金变质处理后 铝硅合金变质处理前

9. 三、常用铝合金 铝合金分为两大类：变形铝合金、铸造铝合金 （一）变形铝合金 变形铝合金按其性能和用途分为：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。 1、防锈 铝 主要合金元素：Mn ， Mg 常用牌号：LF5、LF11、LF21等 L－铝 F－防锈数字－顺序号 特点：合金元素少，热处理强化不起作用，只能用加工硬化的方法强化。 用途：制造油箱、油管等。

10. 2 、硬铝合金 主要合金元素：Cu － Mg 常用牌号：LY1、 LY11等。 L－铝 Y－硬 数字－顺序号 特点：可用热处理时效强化，也可冷变形加工硬化。 用途：制造铆钉、螺旋桨叶片等。 3、超硬铝合金 主要合金元素：Zn－ Mg－ Cu 常用牌号: LC4 LC6 L－铝 C－超硬 数字－顺序号 特点：这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最高的一种铝合金。

11. 用途：制造飞机大梁、蒙皮等。 4. 锻铝合金 主要合金元素：Mg－Si－Cu, Cu－Mg－Ni 常用牌号：LD5 LD7 L－铝 D－锻造 数字－顺序号 特点：具有良好的锻造成型性，可固溶处理+人工时效强化。 用途：制造直升飞机的叶片、航空发动机活塞。

12. 四、铸造铝合金 合金系：Al－Si Al－Cu Al－Mg Al－Zn 牌号表示方法：字母“ZL”＋三位数字 ZL－铸铝; 第一位数字表示合金类别 1－表示铝硅系， 2－表示铝铜系 3－表示铝镁系， 4－表示铝锌系 第 二、三位数字表示顺序号。 例如：ZL102、 ZL202、LZ302等。 特点：铸造性能好（Al-Cu合金差） 用途：铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的铝合金零件，例如汽车、拖拉机发动机的活塞等。

13. 第二节 铜及合金 1、工业纯铜 （又称紫铜） 物理性能：密度为8.93g/cm3 ，熔点为1083 ℃，呈面心立方晶格，表现出优异的冷、热压力加工性能，导电、导热性能好 。强度低，不能作为结构材料使用。 应用：电线、电缆 2、黄铜： 化学成分：主要元素是铜和锌。含锌量0－50％。呈淡黄色。 性能特点：强度高（比铝合金高）；耐磨性和耐海水腐蚀性好，都优于铝合金和碳钢。

14. 分类、牌号及应用： 普通黄铜 Cu－Zn合金， H59、H62 、H70等 H－黄铜 数字－Cu% 应用：水管、油管、散热器等。 黄铜 特殊黄铜 普通黄铜基础上加入Al Mn Pb Si 进一步提高强度、硬度、耐磨性和 耐蚀性。 牌号：HPb59-1 表示含铅黄铜， Cu%=59 Pb%=1 应用：制造船舶、化工中的高强耐 蚀零件钟表、机械的轴瓦耐 磨零 件等

15. 3、青铜 主要成分： Cu-Sn合金，应用最早合金。近代又发展了含Al、Si、Be、Mn、Pb的铜合金，习惯上也都称为青铜。 特性：具有极高的耐磨性并耐蚀性好。 牌号：Q+元素符号＋含量 QSn4-3 QAl5 ZQSn10-5 等 （3％Zn） （5％Pb） 应用：耐磨件如齿轮、轴套、蜗轮，仪器上的弹 簧，耐磨和抗磁零件

16. 第三节 滑动轴承合金 用于制造滑动轴承及其内衬的合金 一、性能要求 1、要求轴承合金必须具有足够的抗压强度和疲劳强度。 2、足够的塑性和韧性。 3、低的摩擦系数 4、良好的导热性和小的膨胀系数。 理想的轴承合金的组织应是软基体上均匀分布着硬质点。软的基体被磨损下凹，可贮存润滑油并形成连续的油膜；硬质点则凸起来支撑轴颈，使轴承和轴颈的实际接触面积小，减小摩擦。如图示：

17. 二、分类及主要成分 锡基轴承合金Sn+锑（Sb）和铜 铅基轴承合金Pb+Sb+Sn+Cu 还有铜基轴承合金、铝基、等

18. 三、牌号表示方法：ZCh+基本元素符号＋主加元素符号＋含量＋辅加元素平均含量三、牌号表示方法：ZCh+基本元素符号＋主加元素符号＋含量＋辅加元素平均含量 例：ZChSnSb11-6 ZCh－铸造轴承 Sn－基本元素是锡 Sb11－锑含量为11％ 6－铜含量6％ 四、工业中常用的轴承合金 工业上称巴氏合金（巴比特合金）（锡基和铅基轴承合金） 锡锑合金ZchSnSb11-6 铅锑合金ZChPbSb16-16-2 (16%Sb, 16%Sn, 2%Cu)

19. 软基体是Sb溶于Sn形成的固溶体呈暗黑色； 硬质点是SnSb,β相呈白方块 用途：浇注大型机器的轴瓦，如气轮机发动机等高速轴瓦。巴氏合金熔点和强度均较低，承受不了大的压力，生产上常用离心浇注法将它们镶铸在08F钢轴瓦上，制成所谓“双金属”轴承。

20. 以铝铜合金为例 例如4%Cu的铝合金加热到α相区 中某一温度，经过一段时间保温，使获得单一的α固溶体组织，然后投入水中快速淬火，使次生相CuAl2来不及从α中析出 ，获得过饱和的α固溶体。其强度可以达到250MN/m2。 时效强化：固溶处理的合金随时间的延续而发生进一步强化的现象称时效硬化或时效强化。例如：固溶处理的合金，如果在室温放置4-5

21. 第八章 结 束

22. 时效过程：分四个阶段： 第一阶段，形成GP[1]区，溶质原子的富集，引起晶格畸变，位错受阻，强度提高。 第二阶段，形成GP[11]，Gp区有序化,随着原子的进一步富集，原子有序的排列起来，成分结构接近CuAl2，称θ“，与母相共格，引起晶格进一步畸变，位错进一步受阻，强度进一步提高。 第三阶段，形成过渡相θ′，溶质原子继续富集，化学成分逐渐达到CuAl2的化学成分，部分与母相脱离共格联系，晶格畸变减轻，对位错阻碍减少，合金趋向软化。 第四阶段，θ相形成与长大，形成稳定的CuAl2。与母相完全脱离共格联系，晶格畸变大为减轻，强化效果显著减弱，合金发生软化，这种现象称“过时效“。 实际上，时效过程不一定全部包括以上四个阶段，自然时效只有一二阶段，人工时效只能观察到三、四阶段。

23. 二、钛及其合金 纯钛是灰白色轻金属，密度为4.507g/cm3, 熔点为1668 ℃ 钛在固态下有两种晶体结构，882.5 ℃以上为β –Ti呈体心立方晶格， 882.5 ℃以下为α-Ti呈密排六方晶格。这种转变对钛合金的强化具有重要的意义。 钛合金具有重量轻、比强度高，耐蚀性好，耐高低温性能好等优点，在航空、宇航、造船机械化工等方面都有广阔发展前景。例如制造人造卫星外壳、火箭发动机壳体、宇宙飞船船舱等。