第六章有色金属及其合金

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1、 第六章第六章有色金属及其合金有色金属及其合金黑色金属：指铁、铬、锰金属黑色金属：指铁、铬、锰金属 有色金属：指除铁、铬、锰之外的其它金属有色金属：指除铁、铬、锰之外的其它金属 1. 1. 轻金属轻金属：比重：比重3.5g/cm3.5g/cm 的有色金属的有色金属 如铝、如铝、 镁、铍等镁、铍等2 2. . 重金属：重金属：比重比重3.5g/cm3.5g/cm 的有色金属的有色金属 如铜、镍、钴、铅、锌等如铜、镍、钴、铅、锌等3. 3. 贵金属贵金属：指比较贵重或可制造货币的有色：指比较贵重或可制造货币的有色 金属。如金、银、铂等金属。如金、银、铂等4. 4. 稀有金属：稀有金属：指相对稀缺或

2、产量较少的有色指相对稀缺或产量较少的有色 金属。如钛、钨、钼等金属。如钛、钨、钼等5.5. 放射性金属：放射性金属：指具有天然放射性的金属指具有天然放射性的金属 如铀、镭等如铀、镭等第一节第一节 铝及其合金铝及其合金一、工业纯铝的特点用途一、工业纯铝的特点用途1. 1. 具有面心立方晶体结构，无同素异构转变具有面心立方晶体结构，无同素异构转变2. 2. 强度很低，不能作为结构材料使用强度很低，不能作为结构材料使用3. 3. 熔点为熔点为6606604. 4. 具有优良的导电性和导热性具有优良的导电性和导热性 5. 5. 在大气中具有优良的耐蚀性在大气中具有优良的耐蚀性 用途：配制铝合金，代替铜

3、制作导线、用途：配制铝合金，代替铜制作导线、电缆和电容器等电缆和电容器等二、铝合金二、铝合金铝合金经适当方法强化后铝合金经适当方法强化后 ： s sb b ：500MPa500MPa 以上以上比强度：指抗拉强度与比重之比（比强度：指抗拉强度与比重之比（ s sb b / d / d ）钢的比重为钢的比重为7.8g/cm7.8g/cm铝合金的比重为铝合金的比重为2.5 2.5 2.88g/cm2.88g/cm 在相同强度水平下，铝合金具有更高的比强度在相同强度水平下，铝合金具有更高的比强度单位重量的铝合金比单位重量的钢具有更高的单位重量的铝合金比单位重量的钢具有更高的承载能力承载能力 （一）（一

4、）铝合金的分类铝合金的分类 （二）（二）铝合金的强化途径铝合金的强化途径1. 1. 时效强化时效强化AlCu合金经合金经固溶处理后固溶处理后s sb b ：200MPa200MPa 250MPa 250MPa经固溶处理后在经固溶处理后在室温放置室温放置4 45 5天：天：s sb b 400MPa 400MPa 铝合金的时效强化：铝合金的时效强化：指铝合金经固溶处理后，在室温下放置指铝合金经固溶处理后，在室温下放置或在较低温度下加热时，随着时间的延或在较低温度下加热时，随着时间的延长而出现的强度、硬度升高现象长而出现的强度、硬度升高现象 过饱和的过饱和的 固溶体固溶体 GP I GP I 区区

5、 GPGP 区区相相 相相 时效过程中能够产生晶格畸变，是导致铝合时效过程中能够产生晶格畸变，是导致铝合 金能够产生时效强化的根本原因金能够产生时效强化的根本原因 自然时效自然时效 ：不会出现过时效：不会出现过时效 人工时效人工时效 ：强化效果取决于加热温度和加热强化效果取决于加热温度和加热 时间时间 铝合金时效强化过程的实质铝合金时效强化过程的实质: :是过饱和是过饱和固溶体的脱溶分解过程固溶体的脱溶分解过程 2. 2. 细晶强化细晶强化铸造铝合金：在铝液中加入一定量的铸造铝合金：在铝液中加入一定量的 NaFNaF和和NaClNaCl变形铝合金：在铝液中加入一定量的变形铝合金：在铝液中加入一

6、定量的 TiTi、B B元素元素变质剂可分别起着增大过冷度来增加形核数变质剂可分别起着增大过冷度来增加形核数量，在晶粒上吸附来阻止晶粒长大，作为人量，在晶粒上吸附来阻止晶粒长大，作为人工晶核来增加形核数量的作用工晶核来增加形核数量的作用变质处理主要用于铸造铝合金变质处理主要用于铸造铝合金（三）（三）铝合金的种类及用途铝合金的种类及用途1. 1. 变形铝合金变形铝合金 防锈铝防锈铝 主要为主要为 AlAlMn Mn 和和 AlAlMg Mg 合金合金具有优良的耐蚀性能和良好的塑性、焊接具有优良的耐蚀性能和良好的塑性、焊接性能性能 缺点：不能进行时效强化，强度较低缺点：不能进行时效强化，强度较低若

7、想进一步提高其强度，只能进行冷变形若想进一步提高其强度，只能进行冷变形强化强化 常用合金：常用合金：LF21LF21、LF11 LF11 用途用途: : 航空工业中的油箱，管道、容器以及航空工业中的油箱，管道、容器以及承受中等载荷的零件承受中等载荷的零件 硬铝合金硬铝合金 主要为主要为AlAlCuCuMgMg合金合金加入铜、镁的目的：形成加入铜、镁的目的：形成CuAl2CuAl2（）及及CuMgAl2 ( S ) CuMgAl2 ( S ) 强化相强化相 时效处理后，时效处理后，s sb b最高达最高达470MPa 470MPa 常用合金常用合金: LY11: LY11、LY12LY12 用途

8、：飞机构件、飞机外壳的蒙皮等用途：飞机构件、飞机外壳的蒙皮等 超硬铝合金超硬铝合金 主要为主要为AlAlZnZnMgMgCuCu合金合金 时效强化后，抗拉强度可达时效强化后，抗拉强度可达 600600700MPa700MPa常用合金：常用合金：LC4LC4、LC6 LC6 用途：飞机大梁、起落架等用途：飞机大梁、起落架等 锻铝合金锻铝合金常用合金：常用合金：LD5LD5、LD6LD6 具有良好的工艺性能，可分别进行锻造、挤具有良好的工艺性能，可分别进行锻造、挤压、轧制和冲压成型压、轧制和冲压成型 用途：要求中等强度、较高塑性和耐蚀性要用途：要求中等强度、较高塑性和耐蚀性要求较好的锻件（在时效强

9、化后使用）求较好的锻件（在时效强化后使用） 2. 2. 铸造铝合金铸造铝合金铸造铝合金可分为：铸造铝合金可分为：AlAlSiSi、AlAlCuCu、AlAlMnMn、和、和AlAlZnZn系系AlAlSiSi系铸造铝合金（俗称硅铝明），是铸造系铸造铝合金（俗称硅铝明），是铸造性能与力学性能配合最好的一种铝合金性能与力学性能配合最好的一种铝合金 ZL102ZL102：101013%Si13%Si，具有优良的铸造性能，具有优良的铸造性能 室温组织几乎全由（室温组织几乎全由（ + Si+ Si）共晶体所组成）共晶体所组成 s sb b : 140 Mpa: 140 Mpa : : 3 %3 % Si

10、用钠盐变质处理后能获得（用钠盐变质处理后能获得（ + Si+ Si）+ + 初初生生 的的细小组织细小组织， s sb b ：180MPa 180MPa 含有含有CuCu、MnMn、MgMg元素的元素的AlAlSiSi合金（复合金（复杂硅铝明杂硅铝明 ），可同时进行细晶强化和时效强），可同时进行细晶强化和时效强化，具有足够的机械强度和较高的耐蚀性化，具有足够的机械强度和较高的耐蚀性能，在工业中获得广泛应用能，在工业中获得广泛应用如如ZL103ZL103、ZL104ZL104、ZL105ZL105可用于制造发可用于制造发动机活塞、气缸体、风机叶片等机件动机活塞、气缸体、风机叶片等机件 第二节第二

11、节 滑动轴承合金滑动轴承合金轴承合金：制作轴瓦内衬或直接用来制作轴轴承合金：制作轴瓦内衬或直接用来制作轴瓦的耐磨合金瓦的耐磨合金 一、轴承合金的性能要求一、轴承合金的性能要求1. 1. 自身要耐磨，有较低的磨擦系数，以能自身要耐磨，有较低的磨擦系数，以能 减小轴的磨损减小轴的磨损 2. 2. 要有较高的抗压强度和疲劳强度，以能要有较高的抗压强度和疲劳强度，以能 抵抗由轴施加的静载荷和动载荷抵抗由轴施加的静载荷和动载荷 3.3. 要有足够的韧性，以能抵抗轴的冲击要有足够的韧性，以能抵抗轴的冲击4. 4. 具有较小的膨胀系数和良好的散热性具有较小的膨胀系数和良好的散热性5. 5. 要具有良好的耐蚀

12、性，能抵抗油的腐蚀要具有良好的耐蚀性，能抵抗油的腐蚀二、轴承合金的组织要求二、轴承合金的组织要求1. 1. 显微组织应为多相结构，即软基体上镶嵌显微组织应为多相结构，即软基体上镶嵌 有硬颗粒或硬基体上镶嵌有软颗粒有硬颗粒或硬基体上镶嵌有软颗粒2. 2. 基体与钢的互溶性要小，以能降低与钢发基体与钢的互溶性要小，以能降低与钢发 生粘着磨损的倾向生粘着磨损的倾向 三、典型轴承合金三、典型轴承合金锡基和铅基轴承合金也被称为巴氏合金锡基和铅基轴承合金也被称为巴氏合金 1. 1. 锡基轴承合金锡基轴承合金 成分：成分：808090%Sn, 490%Sn, 416%Sb16%Sb，1.51.510%Cu1

13、0%Cu 组织：组织： 软基体软基体+硬质点硬质点+Cu+Cu3 3SnSn硬质点硬质点 优点：膨胀系数小，磨擦系数小，导热性、耐优点：膨胀系数小，磨擦系数小，导热性、耐磨性、耐蚀性好磨性、耐蚀性好缺点：工作温度低，价格高缺点：工作温度低，价格高用途：汽轮机、压缩机、内燃机等重型机用途：汽轮机、压缩机、内燃机等重型机械高速轴承的轴瓦材料械高速轴承的轴瓦材料 2. 2. 铅基轴承合金铅基轴承合金 具有软基体镶嵌硬质点的典型组织具有软基体镶嵌硬质点的典型组织主要用于制做低速、低负荷轴承，如汽车、主要用于制做低速、低负荷轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承等拖拉机的曲轴轴承等还有以铜为基、以锡铝为基的轴承

14、合金还有以铜为基、以锡铝为基的轴承合金 第三节第三节 钛及钛合金钛及钛合金设计年代设计年代 飞机类型飞机类型 钛合金用量钛合金用量铝合金用量铝合金用量 1976 1976年年 F16F16战斗机战斗机 3 %3 % 64 % 64 %19781978年年 F18F18战斗机战斗机 13 %13 % 49 % 49 %19881988年年 B-2B-2运输机运输机 26 %26 % 19 % 19 %19891989年年 F22F22战斗机战斗机 41 %41 % 20 % 20 %钛合金是制造战斗机、火箭发动机壳体，人造卫星钛合金是制造战斗机、火箭发动机壳体，人造卫星外壳、宇宙飞船船舱的重要结

15、构材料，也是制造化外壳、宇宙飞船船舱的重要结构材料，也是制造化工设备，船舶零件的优良材料工设备，船舶零件的优良材料 一、纯钛的基本特性一、纯钛的基本特性1. 1. 比重：比重：4.5g/cm4.5g/cm ， 熔点：熔点：16681668 2. 2. 具有同素异构转变具有同素异构转变 882882以上为体心立方晶格的以上为体心立方晶格的 相相 882882以下为密排六方晶格的以下为密排六方晶格的 相相3. 3. 纯化能力很强，耐蚀性很高，耐蚀性远纯化能力很强，耐蚀性很高，耐蚀性远 优于优于奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 4 4. . 强度不高，强度不高， s sb b ： 220220260 260

16、 MPaMPa 塑性很好，塑性很好， ： 505060 % 60 % 196196时时 ， A Ak k：9.1 J / cm9.1 J / cm 5. 5. 高温性能高温性能 550550以下具有很好的抗氧化能力，以下具有很好的抗氧化能力，550550以以上因氧化膜发生破裂无法使用上因氧化膜发生破裂无法使用二、钛合金二、钛合金（一）（一）合金元素在钛合金中的作用合金元素在钛合金中的作用1. 1. 中性元素中性元素 ZrZr、SnSn等等 ，对对 和和 相区的大相区的大 小没有明显影响小没有明显影响2 2、扩大扩大 相区元素相区元素 又称又称 稳定元素，如稳定元素，如AlAl、 O O、 NN

17、、C C等等 ，能提高能提高 相的稳定性相的稳定性3. 3. 扩大扩大 相区元素相区元素 又称又称 稳定元素，如稳定元素，如 Mn Mn、V V、FeFe、CrCr等，能提高等，能提高 相的稳定性相的稳定性（二）二）常用钛合金常用钛合金1 1. . 型钛合金型钛合金 不能通过热处理强化，只能不能通过热处理强化，只能在退火状态下使用（组织为在退火状态下使用（组织为 相）相）性能特点：组织稳定，抗氧化、焊接性能好性能特点：组织稳定，抗氧化、焊接性能好 s sb b：550 550 1000 MPa1000 MPa ： 10 10 15%15% A Ak k：20 20 50 J/cm50 J/cm

18、 常用牌号常用牌号: TA7: TA7，制造航空发动机叶片和管道，制造航空发动机叶片和管道2. 2. 型钛合金型钛合金 合金元素总含量合金元素总含量17%17% 退火组织退火组织: : 相相 + + 少量少量 相相 经固溶处理后，经固溶处理后， s sb b : : 850 850950MPa950MPa 经时效处理经时效处理 后，后，s sb b : : 1300MPa 1300MPa 常用牌号：常用牌号：TB1TB1，制造宇航工业中的结构件，制造宇航工业中的结构件和紧固件和紧固件3. 3. 型钛合金型钛合金 合金元素含量：合金元素含量：2 26%6%退火组织由退火组织由 相和相和 相组成相

19、组成 淬火组织：由大量淬火组织：由大量 相相 + + 少量少量 相组成相组成 经时效处理后经时效处理后，s sb b：1274MPa1274MPa常用牌号：常用牌号：TC4, TC4, 用于制做火箭发动机外壳、用于制做火箭发动机外壳、压力容器和化学用泵等部件压力容器和化学用泵等部件用于低温用途的钛合金有用于低温用途的钛合金有TA7TA7和和TC4TC4两种两种 在在253253下：下：TA7 TA7 s sb b = 1575MPa = 1575MPa， s ss = 1290MPas = 1290MPa ：19.5%19.5% TC4TC4 s sb b = 1820MPa = 1820MPa， s ss = 1750MPas = 1750MPa : : 5% 5%