铝及铝合金

铝及铝合金材料工程系金工教研室课前复习题1、金属材料通常可分为几类？答:通常将金属材料分为有色金属和黑色金属两大类。黑色金属是指铁、锰、铬及其合金；除此之外的所有金属都称为有色金属。2、与黑色金属相比，有色金属有何特点？答：比密度小、比强度高，在空间技术、原子能、计算机等新型工业部门应用广泛。本课内容1、工业纯铝的特性、用途及分类；2、铝合金的分类；3、铝合金的时效强化；4、变形铝合金；5、铸造铝合金。工业纯铝的特性密度较小，约为2.7g/cm3；面心立方晶格（FCC）；无同素异晶转变；导电、导热性好，仅次于银、金、铜。极强的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面生成致密的氧化膜，保护了内部金属不被腐蚀——钝化现象。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀；非磁性、无火花材料；强度低，塑性好，比强度高；可通过冷变动强化提高强度、硬度；工业纯铝应用实例工业纯铝的分类及牌号分类：工业纯铝分纯铝(99%﹤wAL﹤99.85)和高纯铝(wAL﹥99.85%)两类。纯铝又分为铸造纯铝和变形铝两种。牌号：铸造纯铝的牌号由“Z”和铝的化学元素符号及表明铝含量的数字组成，如ZAl99.5表示wAl=99.5%的铸造纯铝；变成铝的牌号用四位字符体系的方法命名，即用1×××表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量×100后小数点后两位数字，第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如为A，表示原始纯铝，若为其它字母，则表示为原始纯铝的改型。如变形铝1A30表示wAl=99.30%的原始纯铝。铝合金的分类用于制作铝合金的合金元素大致分为主加元素（硅、铜、镁、锌、锰等）和辅加元素（铬、钛、锆等）。铝与主加元素的二元相图一般都具有右图所示形式，根据该相图上最大溶解度D点，把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。①变形铝合金：成分在D点以左的合金，加热到固溶线以上时，可得到单相固溶体，塑性好，宜于进行压力加工，称为变形铝合金。铝合金的分类变形铝合金又分为两类：成分在F点以左的合金，固溶体成分不随温度而变，属热处理不可强化合金；成分在D～F点之间的合金，固溶体成分随温度而变，属热处理可强化铝合金。铸造铝合金成分在D点以右的合金，由于有共晶组织存在，适于铸造，称为铸造铝合金。铸造铝合金中有成分随温度变化的固溶体，也能用热处理强化。但距D点越远，强化效果愈不明显。铝合金的时效强化固溶处理：将成分位于D～F点之间的合金，加热到α相区，经保温获得单相α固溶体后迅速水冷，可在室温下获得过饱和的α固溶体，这种处理方式称为固溶处理。时效强化：固溶处理后得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效强化。在室温下进行的称自然时效；在加热条件下进行的称人工时效。时效条件：合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。时效硬化规律(1)时效温度越高,强度峰值越低,强化效果越小;(2)时效温度越高,时效速度越快,强度峰值出现所需时间越短;(3)低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性,抑制时效的进行。含4%Cu的Al-Cu合金的自然时效曲线硬度时间4%Cu的Al-Cu合金，加热到550℃并保温一段时间后,在水中快冷时,θ相(CuAl2)来不及析出,合金获得过饱和的α固溶体组织,其强度为σb＝250MPa。若在室温下放置,随着时间的延续,强度将逐渐提高,经4～5天后,σb可达400MPa。回归自然时效后的铝合金,在230～250℃短时间(几秒至几分钟)加热后,快速水冷至室温时,可以重新变软。如再在室温下放置,则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。变形铝合金变形铝合金包括：防锈铝合金硬铝合金硬铝合金锻铝合金防锈铝合金防锈铝合金中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，同时降低比重。防锈铝合金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，但可冷变形，利用加工硬化提高强度。LF21(Al-Mn合金)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。防锈铝的应用硬铝合金硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金,另含有少量锰。它们可以进行时效强化，属于可热处理强化的铝合金。硬铝①低合金硬铝LY1、LY10等,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。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。②标准硬铝LY11等，合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。退火后变强化的铝合金，亦可进行形变强化。合金中的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,因其析出倾向小,不参与时效过程;少量钛或硼可细化晶粒,提高合金强度③高合金硬铝LY12、LY6等，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。硬铝的应用超硬铝合金超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金,含有少量的铬和锰。牌号有LC4、LC6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)，合金经固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，是强度最高的一类铝合金。但这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。超硬铝超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。锻铝合金锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。牌号有LD5、LD7、LD10等。合金的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。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件，通常要进行固溶处理和人工时效。铸造铝合金铸造铝合金主要有：铝—硅系、铝—铜系、铝—镁系及铝—锌系四种，以铝硅系应用最广泛。代号用“ZL”加三位数字表示，第一位数表示合金类别（1为铝—硅系，2为铝—铜系，3为铝—镁系，4为铝—锌系），第二、三位数字为合金序号。例如ZL102表示2号铝—硅系铸造铝合金。牌号由Z和铝的化学元素符号、主要合金元素符号及合金元素名义百分含量的100倍的数字组成。铝—硅系合金变质处理仅含硅元素的铝硅合金（如ZL102）通常称硅铝明。铸造后几乎全部得到共晶体组织(α+Si),具有优良的铸造性能(熔点低、流动性好、收缩小)。在一般情况下，ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和α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重量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。经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体加初生α固溶体,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的铸态显微组织变质前显微组织变质后显微组织硅铝明的性能与应用硅铝明的主要缺点是铸件致密程度低，强度较低，且不能热处理强化。为了提高铝硅合金的强度可加入镁、铜以形成强化相Mg2Si、CuAl2、CuMgAl2等。这样的合金在变质处理后进行淬火时效，以提高强度，如ZL105、ZL108等合金。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,σb最高不超过180MPa。该合金仅适于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。加入镁、铜的铝—硅系合金还有较好的耐热性与耐磨性，是制造内燃机活塞的合适材料。铜及铜合金材料工程系金工教研室课前复习题1、什么叫时效强化？答：淬火后，铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象叫时效强化，亦称沉淀硬化。2、纯铝的主要用处是什么？答：代替贵重的铜合金，制作导线；配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。本课内容1、铜及铜合金的特性2、铜及铜合金的分类及牌号3、黄铜4、白铜5、青铜铜及铜合金的特性(1)优异的物理、化学性能纯铜的密度为8.96g/cm3，熔点为1083℃，面心立方晶格,有抗磁性，无同素异晶转变。纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。(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)某些特殊机械性能例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)。(4)色泽美观纯铜分类、用途及牌号1、工业纯铜分类①分类纯铜呈紫红色，常称紫铜。分末加工产品（铜锭、电解铜）和加工产品（铜材）两种。分末加工产品的代号有Cu-1、Cu-2两种；加工产品代号有T1、T2、T3三种。代号中数字越大，表示杂质含量越多，导电性越差。②用途主要用于制作各种导电材料、导热材料及配制各种铜合金。铜的应用铜合金分类按化学成分，铜合金可分为黄铜（铜锌合金）、青铜、白铜（铜镍合金）三大类。青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜等。黄铜黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。（1）普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金，其退火组织可以是单相α或双相α+β’,并分别称为α黄铜(或单相黄铜)和双相黄铜。α相是锌溶于铜中的固溶体，塑性好，适宜冷、热加工。β’相是以电子化合物CuZu为基的固溶体，在室温下较硬脆，但加热到456℃以上时，却有良好的塑性，故含有β’相的黄铜适宜热压力加工。黄铜显微组织单相黄铜显微组织双相黄铜显微组织单相黄铜wZn＜39%时，室温组织为单相α固溶体，塑性很好，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。H90（H80）有优良的耐蚀性、导热性和冷变形能力，并呈金黄色，有金色黄铜之称。常用于镀层、艺术装饰品、奖章、散热器等。H70（H68）俗称三七黄铜，有优良的冷热塑性变形能力，适宜用冷冲压制造形状复杂而要求耐蚀的管、套类零件，如弹壳、波纹管等，故又有弹壳黄铜之称。双相黄铜H62、H59俗称四六黄铜。当wZn=39～45%时，室温下的组织为α+β’。在实际生产条件下，当wZn＞32%时，即出现α+β’组织。强度较高，有一定的耐蚀性，广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧及机器中的轴套等，有商业黄铜之称。（2）特殊黄铜①铅黄铜HPb63-3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。②锡黄铜HSn62-1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。③铝黄铜HAl60-1-1铝提高黄铜的强度和硬度(但使塑性降低)，改善在大气中的抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，还可得到高强度、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。④硅黄铜HSi65-1.5-3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，主要用于制造船舶及化工机械零件。白铜以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。在固态下，铜与镍无限固溶，因此工业白铜的组织为单相α固溶体。它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。