工程材料学-9有色金属及其合金

工程材料学南京航空航天大学梁文萍第九章有色金属及其合金§9.1概述§9.2铝及铝合金§9.3铜及铜合金§9.4钛及钛合金§9.5轴承合金在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属(FerrousMetals)，把其他非铁金属及其合金称为有色金属(NonferrousMetals)。§9.1概述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,成为现代工业中不可缺少的工程金属材料。材料AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比§9.1概述铸造有色金属及其合金牌号表示方法：①铸造纯有色金属（A）:ZA□□：纯度，%或ZA-□□：序号如ZAl99.5、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§9.1概述②铸造有色合金的牌号ZAB□C□…A：基体元素符号B：主要合金元素符号C：其他合金元素符号□：其前面合金元素百分含量。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”。§9.1概述9.2.1铝及铝合金性能特点纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72g/cm3)，熔点低(660.4℃),导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼§9.2铝及铝合金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、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。铝合金型材铝铸件§9.2铝及铝合金可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形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9.2.2铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。§9.2铝及铝合金9.2.3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加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。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，保温加热固溶淬火过饱和时效析出§9.2铝及铝合金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。含4%Cu铝合金的时效曲线时效时间/d§9.2铝及铝合金时效时间时效峰过时效亚时效铝合金的热处理9.2.4铝合金的牌号、性能及用途1、变形铝合金⑴变形铝及铝合金牌号表示方法国际：四位数字体系牌号；国标：四位字符牌号。全世界铝的用量一次生产量二次回收量总用量§9.2铝及铝合金GB3190-82的表示方法为: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+序号铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属§9.2铝及铝合金⑵常用变形铝合金①防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是卫星天线（LF2）提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。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。§9.2铝及铝合金汽化器(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，比Al-Mn合金强度高，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。§9.2铝及铝合金②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。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)§9.2铝及铝合金③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§9.2铝及铝合金④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。§9.2铝及铝合金美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2、铸造铝合金包括Al-Si系（代号ZL1）、Al-Cu系（代号ZL2）、Al-Mg系（代号ZL3）、Al-Zn系（代号ZL4）。牌号：代号+两位数字顺序号⑴Al-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.577℃12.7%§9.2铝及铝合金在普通铸造条件下，ZL102组织几乎全为共晶体，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。未变质处理经变质处理ZL102的铸态组织§9.2铝及铝合金加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(特殊)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。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。§9.2铝及铝合金⑵Al-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常用牌号有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。§9.2铝及铝合金⑶Al-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。常用牌号为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)§9.2铝及铝合金⑷Al-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)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。§9.2铝及铝合金9.3.1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§9.3铜及铜合金铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、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。铜管铜与黄铜带§9.3铜及铜合金9.3.2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普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。黄铜铸件黄铜棒§9.3铜及铜合金1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜：H□□□□：平均Cu%如H62、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。§9.3铜及铜合金普通黄铜的显微组织单相黄铜两相黄铜§9.3铜及铜合金单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H68.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。冷凝器管汽车机油泵衬套§9.3铜及铜合金2、特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素。HX□□-□X：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.特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。黄铜制品黄铜棒§9.3铜及铜合金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。§9.3铜及铜合金9.3.3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：QX□□-□X:主加元素符号□□:主加元素平均百分含量□: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§9.3铜及铜合金1、锡青铜以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3~14%。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。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。锡青铜锭Cu-Sn相图§9.3铜及铜合金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。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)§9.3铜及铜合金2、铝青铜主加元素为铝的铜合金,铝含量为5~11%.强度、硬度、耐磨大型水力发电设备的抗磨环性、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。§9.3铜及铜合金3、铍青铜以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.7~2.5%。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.§9.3铜及铜合金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9.3.4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。§9.3铜及铜合金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。康铜热偶白铜型材§9.3铜及铜合金9.4.1工业纯钛密度小，比强度高。塑性、低温韧性和耐蚀性好。熔点高。882.5℃发生同素异构转变:-Ti(b.b.c)⇌-Ti(h.c.p)美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造§9.4钛及钛合金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。钛钢复合反应釜钛管换热器钛制蒸馏塔§9.4钛及钛合金9.4.2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，可分为：①型钛合金（牌号TA）②型钛合金（牌号TB）③+型钛合金（牌号TC）如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3为工业纯钛。钛合金泵§9.4钛及