工程材料第八章有色金属及其合金

有色金属及其选用8.1钛及钛合金8.2铝及铝合金8.3铜及铜合金8.4镍和镍合金8.5轴承合金引言工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铝、铜、镍、锌、钛等金属及合金称为有色金属。有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。本章重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。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：COMPUTERC：COMMUNICATIONC：CONSUMERELECTRONICSPRODUCTS▲钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用越来越多。钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料，它具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好等。尤其是抗腐蚀性能非常好，即使把它们放在海水中数年，取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远优于不锈钢，因此被广泛用于火箭、导弹、航天飞机船舶、化工和通讯设备等钛金属腕表钛合金与人体有很好的“相容性”，因此可用来制造人造骨钛合金眼镜具有记忆功能的眼镜框架钛合金外壳的电脑8.1钛及钛合金一、概述钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了它们的应用。钛的化学活性极高，高温下能同许多元素发生强烈反应而受污染，故不能用常规方法熔铸，只能用真空电弧炉熔铸。钛的焊接和部分热处理皆应在真空或惰性气体中进行。钛及钛合金的性能特点（1）密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，纯钛是纯白色轻金属，密度为4.507g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668℃，高于铁，在882.5℃发生同素异构转变，882.5℃以上为β-Ti（体心立方晶格），882.5℃以下为α-Ti（密排六方晶格），钛合金的密度也较小，也有同素异构转变。钛及钛合金的性能特点（2）加工性能好，比强度高，低温韧性好。纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，σb最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械性能。（3）抗腐蚀性能好钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。•钛及钛合金具有许多优点。•首先是其比强度高于其它合金；•其次是具有较高的抗蚀性，特别是在海水和含氨介质中，抗蚀性尤其突出。•另外，钛及钛合金的耐热性也比铝合金和镁合金高，目前实际应用的热强钛合金工作温度可达400～500℃。•从20世纪50年代开始，在较短的时间内，钛工业获得了迅速发展。尤其在航空航天工业中，应用范围及数量日益增长，并正在迅速取代某些铝合金、镁合金及钢等制造各种构件。此外，钛及钛合金在机械工程、生物医学、海洋工程、化工、冶金、建材及一般民用工业中的应用也有逐年增长之势。••钛在地壳中的储量仅次于铝、铁、镁而居第四位。在我国，钛的资源十分丰富，虽然开展钛及钛合金的研究与应用工作起步较晚，但已取得了可观的进步。预计到2010年，供国内工业生产用的海绵钛产量可居世界前列。•我国在航空工业中应用钛合金始于20世纪60年代初期。目前钛及钛合金已广泛应用或准备应用于制造飞机上的隔热罩、整流罩、导风罩、蒙皮、框类、支臂构件及发动机中的压气机盘、叶片及机匣等。•钛的化学性十分活泼，熔点高，冶炼制取工艺复杂且价格昂贵，这使得钛及钛合金的发展与应用受到了一定限制。随着科学技术的不断进步，这些问题正在不断被解决，钛及钛合金由于其所具有的优异特性，必将发展成为能够得到普遍应用的重要结构材料。•钛在地壳中的储量仅次于铝、铁、镁而居第四位。在我国，钛的资源十分丰富，虽然开展钛及钛合金的研究与应用工作起步较晚，但已取得了可观的进步。预计到2010年，供国内工业生产用的海绵钛产量可居世界前列。•我国在航空工业中应用钛合金始于20世纪60年代初期。目前钛及钛合金已广泛应用或准备应用于制造飞机上的隔热罩、整流罩、导风罩、蒙皮、框类、支臂构件及发动机中的压气机盘、叶片及机匣等。•钛的化学性十分活泼，熔点高，冶炼制取工艺复杂且价格昂贵，这使得钛及钛合金的发展与应用受到了一定限制。随着科学技术的不断进步，这些问题正在不断被解决，钛及钛合金由于其所具有的优异特性，必将发展成为能够得到普遍应用的重要结构材料。一、纯钛1、纯钛的特性钛的原子序数为22，主要物理性能见表。钛的主要特点是熔点高，导热性差，与铁、镍相比，密度较低，线胀系数较小，弹性模量也较低。固态钛在882.5℃具有α~β同素异构转变：在882.5℃以下为α钛，具有密排六方晶格；自882.5℃直到熔点温度为β钛，具有体心立方晶格。钛的化学活性极高，高温下能同许多元素发生强烈反应而受污染，故不能用常规方法熔铸，只能用真空电弧炉熔铸。•纯钛在较多的介质中有很强的耐蚀性：在中性及氧化性介质中的耐蚀性很强；钛在海水中的抗蚀性优于不锈钢及铜合金；在碱溶液及大多数有机酸中也很耐蚀；纯钛一般只发生均匀腐蚀，不发生局部和晶界腐蚀现象，其抗腐蚀疲劳性能也较好。钛极易吸氢而产生氢脆，但可利用这一特点，制成以钛为主要成分的储氢材料。钛在550℃以下空气中能形成致密的氧化膜，并具有较高的稳定性。但温度高于550℃后，空气中的氧能迅速穿过氧化膜向内扩散使基体氧化，这是目前钛及钛合金不能在更高温度下使用的主要原因之一。钛的导热性差，摩擦因数大，切削加工时易粘刀，刀具温升快。因而切削加工性能较差，应使用特定刀具切削。钛的耐磨性能也较差；钛具有较高的表面缺口敏感性。2、杂质对纯钛的影响高纯钛的塑性很好，强度不高，其等轴a组织的σb=216～255MPa，σ0.2=118～167MPa，δ=50％～60％，ψ=70％～80％，αk=2.45MJ／m2。当纯钛中存在杂质元素时，随其纯度下降，强度显著升高，塑性却大大降低。钛中的杂质(尤其是间隙式杂质)，不但使塑性及韧性降低，而且对疲劳性能、蠕变抗力、热稳定性及缺口敏感性等也有很大危害。•按在晶格中存在形式区分，杂质元素与钛可形成间隙式或置换式两种固溶体，杂质含量较多时，也会形成脆性化合物。•形成间隙固溶体的杂质主要有氧、氮、氢及碳等，这些杂质可造成严重的晶格畸变，强烈阻碍位错运动，提高硬度。另外，氢的扩散能力较强，应变时效现象比较明显，而且容易以TiH化合物形式析出，引起氢脆，严重损害钛的韧性。因此，间隙式杂质对钛的塑性危害很大。3、工业纯钛简介高纯钛仅在科学研究中应用。工业中应用的纯钛均含一定量的杂质，称为工业纯钛。杂质对钛的力学性能影响很大，有时可将钛中的杂质近似地看作合金的强化元素。工业纯钛实际上是钛与杂质元素形成的合金。纯钛的牌号为TAD、TA1、TA2及TA3。TAD为高纯钛，其余三种为工业纯钛。牌号不同，杂质含量亦不同。除杂质元素造成的固溶强化外，工业纯钛还可采用冷变形强化。当冷变形度为30％～40％时，其如可达800MPa以上，d仍能保持在10％～15％，这已超过超硬铝合金的性能水平。工业纯钛只进行退火热处理，需要保持冷变形强化效果时，采用去应力退火，需要恢复塑性时可采用再结晶退火。工业纯钛具有较高的强度、良好的塑性及焊接性，可制成板、棒、管、线、带材等半成品，用于制造结构件及在350℃以下工作的飞机蒙皮、隔热板等。二、钛合金根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金；β钛合金；(a+β)钛合金。牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。纯钛加入合金元素形成钛合金。根据合金元素对钛同素异构转变的影响，可将其分为三类。第一类是a相稳定元素，这类元素能使钛的同素异构转变温度升高，扩大a相区，形成稳定的a固溶体，如铝、碳、氮、氧等，其中作为合金元素使用的主要是铝；第二类是β相稳定元素，能使钛的同素异构转变温度降低，扩大β相区，形成稳定的β固溶体，如铁、钴、镍、钼、铬、锰、钒、铌、钽等；第三类是中性元素，对同素异构转变温度无显著影响，如锡、锆、铪等。几乎所有钛合金中都含有铝，因为铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。钛合金的牌号、成分和性能见下表。1．a钛合金钛中加入铝、硼等a稳定化元素获得a钛合金。a钛合金的室温强度低于β钛合金和(a+β)钛合金，但高温(500～600℃)强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。缺点是强度低，压力加工性能差。a钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火(变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火)。2.β钛合金钛中加入钼、铬、钒等β稳定化元素获得到β钛合金。β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β相和弥散分布的细小a相粒子。β钛合金的典型牌号为TBl，一般在350℃以下使用。•其合金化特点主要是加入了较多的β稳定元素，通过水冷或空冷得到几乎全部的等轴亚稳β相组织(稳定β合金则得到全部稳定β相)。•亚稳β相通过时效处理，可分解为弥散分布的a、稳定β或其它第二相，使合金强度有大幅度提高。在所有类型的钛合金中，这类合金的室温强度最高。3．(a+β)钛合金钛中通常加入β稳定化元素，大多数还加入a稳定化元素而获，(a+β)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％。TC4是典型的(a+β)钛合金，经淬火及时效处理后，显微组织为块状a+β+针状a。其中针状a是时效过程中从β相中析出的。适于制造在400℃以下长期工作的零件。(a+β)钛合金可通过淬火加时效热处理来提高强度和硬度。三、钛及钛合金的热处理为获得所需要的性能，除合金化外，还要对钛合金进行适当的热处理。常用的热处理方式有退火和淬火加时效。(1)退火退火是为了消除应力、提高塑性和稳定组织。退火方式有去应力退火、再结晶退火、双重退火、等温退火和真空除氢退火等。1)去应力退火目的是消除零件在冷变形、铸造和焊接后产生的内应力。退火温度一般为450～650℃，保温时间依工件厚度和内应力大小而定。2)再结晶退火目的是消除加工硬化、稳定组织和提高塑性。纯钛的再结晶退火温度为540～700℃，钛合金为650～800℃，保温后空冷。3)真空退火目的是降低钛合金中的氢的质量分数。钛合金很容易吸氢而产生氢脆，需通过真空退火消除。退火温度一般为600～900℃，保温1—6h。(2)淬火加时效目的是提高钛合金的强度和硬度，又称强化热处理。含有单一a相稳定元素和中性元素的钛合金加热到β相区淬火后，得不到介稳定相。因此，这类合金不能热处理强化，只在退火后使用。含β相稳定元素较少的a型钛合金和a+β型钛合金，加热到β相区淬火时，发生无扩散型的马氏体转变β—a’，a’是合金元素在a—Ti中的过饱和固溶体，具有密排六方晶格，硬度比平衡a相略高，塑性好。这种转变与钢中的马氏体转变类似，称为钛合金的马氏体相变。a’是亚稳相，在时效加热时，将分解成细小的a+8两相混合物，使合金强化。含β相稳定元素较多的β型钛合金和(a+β)型钛合金，在淬火时β相转变为介稳定的β相，经时效加热发生分解，使合金的强度和硬度提高。常用钛合金一般都采用两相区加热淬火，淬火温度为760～950℃。淬火温度过高，将因β相晶粒粗化而导致合金变脆。(a+β)型钛合金的时效温度一般为500～600℃，时间为4～12h；可热处理强化的β型钛合金的时效