工程材料學(xué)-有色金屬及其合金

工程材料學(xué)南京航空航天大學(xué)梁文萍第九章有色金屬及其合金

§9.1概述§9.2鋁及鋁合金§9.3銅及銅合金§9.4鈦及鈦合金§9.5軸承合金在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬(FerrousMetals)，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬(NonferrousMetals)。

§9.1概述有色金屬的產(chǎn)量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性,如特殊的電、磁、熱性能，耐蝕性能及高的比強度(強度與密度之比)等,成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的工程金屬材料。材料占汽車凈重比AlFe塑料其它橡膠磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纖維各種材料在先進汽車中占的重量百分比§9.1概述鑄造有色金屬及其合金牌號表示方法：

①鑄造純有色金屬（A）:

ZA□

□：純度，%或ZA-□

□：序號如ZAl99.5、ZTi-1。

變形有色金屬及其合金的牌號表示方法還不統(tǒng)一。鋁錠§9.1概述②鑄造有色合金的牌號

ZAB□C□…

A：基體元素符號

B：主要合金元素符號

C：其他合金元素符號

□：其前面合金元素百分含量。如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等?；旌舷⊥猎胤栍肦E表示。優(yōu)質(zhì)合金在牌號后標(biāo)注字母“A”。§9.1概述9.2.1鋁及鋁合金性能特點

純鋁具有銀白色金屬光澤，密度小(2.72g/cm3)，熔點低(660.4℃),導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形。具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。鋁合金制造的機翼§9.2鋁及鋁合金鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件§9.2鋁及鋁合金可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類.鋁合金分類示意圖9.2.2鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖?！?.2鋁及鋁合金9.2.3鋁合金的熱處理

并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強化相的熱處理。

熱處理方法：固溶處理+時效固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫加熱固溶淬火過飽和時效析出§9.2鋁及鋁合金在室溫溫下進進行的的時效效稱自然時效；在加熱條條件下進行行的時效稱稱人工時效。時效強化效效果與加熱熱溫度和保保溫時間有有關(guān)。溫度一定時時，隨時效效時間延長長，時效曲曲線上出現(xiàn)現(xiàn)峰值，超過峰峰值時間，，析出相聚聚集長大，，強度下降降,為過時效。隨時效溫度度提高,峰峰值強度度下降，出出現(xiàn)峰值的的時間提前前。含4%Cu鋁合金的時效曲線

時效時間/d§9.2鋁鋁及鋁合合金時效時間屈服強度時效峰過時效亞時效鋁合金的熱處理9.2.4鋁合金金的牌號、、性能及用用途1、變形鋁鋁合金⑴變形鋁鋁及鋁合金金牌號表示示方法國際：四位數(shù)字字體系牌號號；國標(biāo)：四位字符符牌號。全世界鋁的用量百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量§9.2鋁鋁及鋁合合金GB3190-82的表示示方法為:防銹鋁合金金：LF+序號硬鋁合金：：LY+序號超硬鋁合金金：LC+序號鍛鋁合金：：LD+序號鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬§9.2鋁鋁及鋁合合金⑵常用變變形鋁合金金①防銹鋁鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是是衛(wèi)星天線（LF2）提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。防銹鋁合金金鍛造退火火后組織為為單相固溶溶體，抗蝕蝕性、焊接接性能好，，易于變形形加工，但但切削性能能差。不能進行熱熱處理強化化，常利用用加工硬化化提高其強強度。§9.2鋁鋁及鋁合合金汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其其抗蝕性和和強度高于于純鋁，用用于制造油油罐、油箱箱、管道、、鉚釘?shù)刃栊枰獜澢?、沖壓加工工的零件。。常用的Al-Mg系合金有LF5（（5A05），，其密度比比純鋁小，比Al-Mn合合金強度高，在航空工工業(yè)中得到到廣泛應(yīng)用用，如制造造管道、容容器、鉚釘釘及承受中中等載荷的的零件。§9.2鋁鋁及鋁合合金②硬鋁合合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并并含少量Mn?？蛇M行時效效強化，也也可進行變變形強化。。強度、硬度度高，加工工性能好，，耐蝕性低低于防銹鋁鋁。常用硬鋁合合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，，用于制造造沖壓件、、模鍛件和和鉚接件，，如螺旋槳槳、梁、鉚鉚釘?shù)取ｏw機翼梁(腹板為硬鋁合金)§9.2鋁鋁及鋁合合金③超硬鋁鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并并含有少量量Cr和Mn。時效強化效效果超過硬硬鋁合金.熱態(tài)塑性好好，但耐蝕蝕性差。常常用合金有有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主主要用于工工作溫度較較低、受力力較大的結(jié)結(jié)構(gòu)件,如如飛機大大梁、起落落架等。飛機主起落架§9.2鋁鋁及及鋁合合金④鍛鍛鋁合合金Al-C壓氣機葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱熱鍛鋁鋁合金金常常用牌牌號有有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。。用用于制制造150~225℃℃下工工作的的零件件，如如壓氣氣機葉葉片、、超音音速飛飛機蒙蒙皮等等。§9.2鋁鋁及及鋁合合金美F-117隱身戰(zhàn)斗機

(所用材料大部分是鋁合金)高比強鋁合金機翼2、鑄造造鋁合金金包括Al-Si系（代號號ZL1）、、Al-Cu系（代號號ZL2）、Al-Mg系（代號號ZL3）、Al-Zn系（代號號ZL4）。牌號：代代號+兩位數(shù)數(shù)字順序序號⑴Al-Si系鑄造造鋁合金金又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含含12%Si的的鋁硅二二元合金金，稱為為簡單硅鋁鋁明.577℃12.7%§9.2鋁及及鋁合金金在普通鑄鑄造條件件下，ZL102組織幾乎乎全為共共晶體，，由粗針針狀的硅硅晶體和和固溶體組組成，強強度和塑塑性都較較差。生生產(chǎn)上通通常用鈉鈉鹽進行行變質(zhì)處理理，得到細(xì)細(xì)小均勻勻的共晶晶體加一一次固溶體組組織，以以提高性性能。未變質(zhì)處理

經(jīng)變質(zhì)處理

ZL102的鑄態(tài)組織§9.2鋁及及鋁合金金加入其他他合金元元素的鋁鋁硅鑄造造合金稱稱復(fù)雜(特特殊)硅硅鋁明。Al-Si系鑄鑄造鋁合合金的鑄鑄造性能能好，具具有優(yōu)良良的耐蝕蝕性、耐耐熱性和和焊接性性能?；钊?裙部為鋁硅合金)用于制造造飛機、、儀表、、電動機機殼體、、汽缸體體、風(fēng)機機葉片、、發(fā)動機機活塞等等?！?.2鋁及及鋁合金金⑵Al-Cu系鑄造造鋁合金金這類合金金的耐熱熱性好，，強度較較高；但但密度大大，鑄造造性能、、耐蝕性性能差，，強度低低于Al-Si系合金金。汽缸頭常用牌號號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。。主要用用于制造造在較高高溫度下下工作的的高強零零件，如如內(nèi)燃機機汽缸頭頭、汽車車活塞等等?！?.2鋁及及鋁合金金⑶Al-Mg系鑄造造鋁合金金這類合金金的耐蝕蝕性好，，強度高高，密度度小；但但鑄造性性能差,耐熱性性低。常用牌號號為ZL301(ZAlMg10)、、ZL303(ZAlMg5Si1)等.主要用于于制造外外形簡單單、承受受沖擊載載荷、在在腐蝕性性介質(zhì)下下工作的的零件，，如艦船船配件、、氨用泵泵體等。。鼓風(fēng)機密封件等(ZL102、301)§9.2鋁及及鋁合金金⑷Al-Zn系鑄造造鋁合金金這類合金金的鑄造造性能好好，強度度較高，，可自然然時效強強化；但但密度大大，耐蝕蝕性較差差。大型空壓機活塞(ZL401)常用代號號為ZL401(ZAlZn11Si7)、、ZL402(ZAlZn6Mg)等。用于制造造形狀復(fù)復(fù)雜受力力較小的的汽車、、飛機、、儀器零零件?！?.2鋁及及鋁合金金9.3.1銅銅及銅合合金性能能特點純銅呈紫紫紅色，，故又稱稱紫銅，具有面面心立方方晶格，，無同素素異構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，無無磁性。。純銅具有有優(yōu)良的的導(dǎo)電性性和導(dǎo)熱熱性，在在大氣、、淡水和和冷凝水水中有良良好的耐耐蝕性。。塑性好好。熱軋銅合金§9.3銅及及銅合金金銅合金常常加元素素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既既提高了了強度，，又保持持了純銅銅特性.銅合金分分為黃銅、青銅、白銅三大類。。銅管銅與黃銅帶§9.3銅及及銅合金金9.3.2黃黃銅以鋅為主主要合金金元素的的銅合金金稱為黃銅。黃銅按化化學(xué)成分分可分為為普通黃銅銅和特殊黃銅銅。按工藝可可分為加加工黃銅銅和鑄造造黃銅。。黃銅鑄件黃銅棒§9.3銅及及銅合金金1、普通通黃銅銅與鋅的的二元合合金稱為為普通黃黃銅。加工工普普通通黃黃銅銅：：H□□□□□□：平平均均Cu%如H62、、H68。。從銅銅鋅鋅合合金金相相圖圖可可以以看看出出黃黃銅銅有有和+’兩兩種種組組織織,分分別別稱稱單相相黃黃銅銅和兩相相黃黃銅銅?！?.3銅銅及及銅銅合合金金普通通黃黃銅銅的的顯顯微微組組織織單相黃銅

兩相黃銅

§9.3銅銅及及銅銅合合金金單相相黃黃銅銅塑塑性性好好。。常用用牌牌號號有有H80、、H70、、H68.適于于制制造造冷冷變變形形零零件件，，如如彈彈殼殼、、冷冷凝凝器器管管等等。。兩相相黃黃銅銅熱熱塑塑性性好好,強強度度高高.常用用牌牌號號有有H59、、H62。。適于于制制造造受受力力件件，，如如墊墊圈圈、、彈彈簧簧、、導(dǎo)導(dǎo)管管、、散散熱熱器器等等。。冷凝器管汽車機油泵襯套§9.3銅銅及及銅銅合合金金2、、特特殊殊黃黃銅銅在普普通通黃黃銅銅的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上加加入入Al、、Fe、、Si、、Mn、、Pb、、Sn、、Ni等等元元素素。。HX□□□-□X：：主加加元元素素符符號號(Zn除除外外)□□□：：銅平平均均百百分分含含量量□：：主加加元元素素平平均均百百分分含含量量如HPb59-1.特殊殊黃黃銅銅強強度度、、耐耐蝕蝕性性比比普普通通黃黃銅銅好好，，鑄鑄造造性性能能改改善善。。黃銅制品黃銅棒§9.3銅銅及及銅銅合合金金常用用牌牌號號有有HPb63-3、、HAl60-1-1、、HSn62-1、、HFe59-1-1、、ZCuZn38Mn2Pb2、、ZCuZn16Si4等等。。主要要用用于于船船舶舶及及化化工工零零件件，，如如冷冷凝凝管管、、齒齒輪輪、、螺螺旋旋槳槳、、軸軸承承、、襯襯套套及及閥閥體體等等。。§9.3銅銅及及銅銅合合金金9.3.3青青銅銅除黃黃銅銅和和白白銅銅外外的的其其他他銅銅合合金金統(tǒng)統(tǒng)稱稱為為青銅銅。加加工工青青銅銅的的牌牌號號為為：：QX□□□-□X:主加加元元素素符符號號□□□:主加加元元素素平平均均百百分分含含量量□:其他他元元素素平平均均百百分分含含量量如QSn4-3(含含4%Sn、、3%Zn).常用用青青銅銅有有錫錫青青銅銅、、鋁鋁青青銅銅、、鈹鈹青青銅銅、、硅硅青青銅銅、、鉛鉛青青銅銅等等。。青銅制品§9.3銅銅及及銅合合金1、錫錫青銅銅以錫為為主加加元素素的銅銅合金金，錫錫含量量一般般為3~14%。鑄造流流動性性差，，鑄件件密度度低，，易滲滲漏，，但體體積收收縮率率在有有色金金屬中中最小小。。耐蝕性性良好好，在在大氣氣、海海水及及無機機鹽溶溶液中中的耐耐蝕性性比純純銅和和黃銅銅好，，但在在硫酸酸、鹽鹽酸和和氨水水中的的耐蝕蝕性較較差。。錫青銅錠Cu-Sn相圖§9.3銅銅及及銅合合金常用牌牌號有有QSn4-3、QSn6.5-0.4、、ZCuSn10Pb1等。主要用用于耐耐蝕承承載件件,如如彈簧簧、軸軸承、、齒輪輪軸、、蝸輪輪、墊墊圈等等。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)§9.3銅銅及及銅合合金2、鋁鋁青銅銅主加元元素為為鋁的的銅合合金,鋁鋁含量量為5~11%.強度、、硬度度、耐耐磨大型水力發(fā)電設(shè)備的抗磨環(huán)性、耐耐熱性性及耐耐蝕性性高于于黃銅銅和錫錫青銅銅，鑄鑄造性性能好好，但但焊接接性能能差。。常用牌牌號有有QAl5、QAl7、、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。。主要用用于制制造船船舶、、飛機機及儀儀器中中的高高強、、耐磨磨、耐耐蝕件件，如如齒輪輪、軸軸承、、蝸輪輪、軸軸套、、螺旋旋槳等等?！?.3銅銅及及銅合合金3、鈹鈹青銅銅以鈹為為主加加元素素的銅銅合金金，鈹鈹含量量為1.7~2.5%。。具有高高的強強度、、彈性性極限限、耐耐磨性性、耐耐蝕性性，良良好的的導(dǎo)電電性、、導(dǎo)熱熱性、、冷熱熱加工工及鑄鑄造性性能，，但價價格較較貴.鈹青銅制品常用牌牌號有有QBe2、QBe1.7、、QBe1.9等。。用于重重要的的彈性性件、、耐磨磨件，，如精精密彈彈簧、、膜片片，高高速、、高壓壓軸承承及防防爆工工具、、航海海羅盤盤等重重要機機件.§9.3銅銅及及銅合合金普通白白銅是Cu-Ni二二元合合金，，具有有較高高的耐耐蝕性性和抗抗腐蝕蝕疲勞勞性能能及優(yōu)優(yōu)良的的冷熱熱加工工性能能。普通白白銅牌牌號：：B+鎳的的平均均百分分含量量，如如B5。常用牌牌號有有B5、B19等。。用用于在在蒸汽汽和海海水環(huán)環(huán)境下下工作作的精精密機機械,儀表表零件件及冷冷凝器器,蒸蒸餾器器,熱熱交換換器等等.白銅件9.3.4白白銅以鎳為為主要要合金金元素素的銅銅合金金稱白白銅。。分普普通白白銅和和特殊殊白銅銅。§9.3銅銅及及銅合合金特殊白白銅是在普普通白白銅基基礎(chǔ)上上添加加Zn、Mn、、Al等元元素形形成的的，分分別稱稱鋅白銅銅、錳白銅銅、鋁白銅銅等。其耐蝕蝕性、、強度度和塑塑性高高，成成本低低。常用牌牌號如如BMn40-1.5(康銅銅)、、BMn43-0.5(考銅銅)。。用于制制造精精密機機械、、儀表表零件件及醫(yī)療器器械等等。康銅熱偶白銅型材§9.3銅銅及及銅合合金9.4.1工工業(yè)純純鈦密度小小，比比強度度高。。塑性、、低溫溫韌性性和耐耐蝕性性好。熔點高高。882.5℃發(fā)發(fā)生同同素異異構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變:-Ti(b.b.c)?-Ti(h.c.p)美F-22戰(zhàn)機約36%重量的零件用鈦合金制造§9.4鈦鈦及及鈦合合金純鈦主主要用用于350℃℃以下下工作作、強強度要要求不不高的的零件件，如如石油油化工工用熱熱交換換器、、反應(yīng)應(yīng)器，，海水水凈化化裝置置及艦艦船零零部件件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔§9.4鈦鈦及及鈦合合金9.4.2鈦鈦合金金幾乎都都含有有鋁。鋁能能提高高鈦合合金的的強度度、比比強度度和再再結(jié)晶晶溫度度。按退火組組織，可可分為：：①型鈦合金金（牌號號TA））②型鈦合金金（牌號號TB））③+型鈦合金金（牌號號TC））如TA5、TB2、TC4等等。其中中TA0~TA3為工業(yè)業(yè)純鈦。鈦合金泵§9.4鈦及及鈦合金金1、型鈦合金金主加元素素為鋁，，還有錫錫、硼等等。不能熱處處理強化化，通常在在退火狀狀態(tài)下使使用，組組織為單單相固溶體。。強度低于另兩類類鈦合金金，但高高溫強度度、低溫溫韌性及及耐蝕性性優(yōu)越。。鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體§9.4鈦及及鈦合金金常用牌號號有TA5、TA7等等主要用于于制造500℃℃以下工工作的零零件，如如飛機壓壓氣機葉葉片、導(dǎo)導(dǎo)彈的燃燃料罐、、超音速速飛機的的蝸輪機機匣及飛飛船上的的高壓低低溫容器器等。鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織§9.4鈦及及鈦合金金2、型鈦合金金加入的合合金元素素有鉬、、鉻、釩釩、鋁等等。經(jīng)淬火加加時效處處理后，，組織為為相基體上上分布著著細(xì)小的的相粒子。。強度高，，但冶煉煉工藝復(fù)復(fù)雜，難難于焊接接，應(yīng)用用受到限限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用§9.4鈦及及鈦合金金型鈦合金金主要有有TB2、TB3、TB4三三個牌號號。用于350℃以以下工作作的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和緊緊固件,如飛機機壓氣機機葉片、、軸、彈彈簧、輪輪盤等。。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵§9.4鈦鈦及鈦合合金3、+型鈦合金加入的合金金元素有鋁鋁、釩、鉬鉬鉻等等?？蛇M行熱處處理強化，，強度高，，塑性好，，具有良好好的熱強性性、耐蝕性性和低溫韌韌性。鈦合金列管式換熱器§9.4鈦鈦及鈦合合金+型鈦合金共共有9個牌牌號，其中中Ti6Al4V（TC4））應(yīng)用最廣廣、用量最最大，其經(jīng)經(jīng)過淬火加加時效處理理后，組織織為++時效析出出的針狀。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）§9.4鈦鈦及鈦合合金+型鈦合金主要用于制制造400℃以下工工作的飛機機壓氣機葉葉片、火箭箭發(fā)動機外外殼、火箭箭和導(dǎo)彈的的液氫燃料料箱部件及及艦船耐壓壓殼體等.生物醫(yī)用材料飛機壓氣機葉片§9.4鈦鈦及鈦合合金制造滑動軸軸承的軸瓦瓦及其內(nèi)襯襯的耐磨合合金稱為軸承合合金?；瑒觿虞S承是許許多機器設(shè)設(shè)備中對旋旋轉(zhuǎn)軸起支支撐作用的重要要部件，由由軸承體和和軸瓦兩部部分組成。。與滾動軸承承相比滑動動軸承具有有承載面積積大，工作作平穩(wěn)，無無噪音及拆拆裝方便等等優(yōu)點。§9.5軸軸承合金金9.5.1組織性性能要求工作條件：：當(dāng)軸高速速旋轉(zhuǎn)時，，軸瓦與軸軸頸發(fā)生強強烈摩擦，，承受軸頸頸施加的交變載荷和沖擊力。對軸承合金金的性能要要求：⑴足夠的的強韌性，，以承受軸軸頸施加的的交變沖擊擊載荷.⑵較小的的熱膨脹系系數(shù)，良好好的導(dǎo)熱性性和耐蝕性性，以防止止軸與軸瓦瓦之間咬合合。⑶較小的的摩擦系數(shù)數(shù)，良好的的耐磨性和和磨合性，，以減少軸軸頸磨損，，保證軸與與軸瓦良好好的跑合。。§9.5軸軸承合金金為滿足上述述性能要求求，軸承合合金的組織織應(yīng)是軟的基體上上分布著硬硬的質(zhì)點或硬的基體上上分布著軟軟的質(zhì)點.當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時時，軟的基基體（或質(zhì)質(zhì)點）被磨磨損而凹陷陷，減少了了軸頸與軸軸瓦的接觸觸面積，有有利于儲存存潤滑油和軸與軸瓦瓦間的磨合合，而硬的的質(zhì)點(基體)則則支撐著軸軸頸，起承承載和耐磨磨作用.軟基體(或質(zhì)點)還能起嵌嵌藏外來硬硬雜質(zhì)顆粒粒的作用,以避免免擦傷軸頸頸。§9.5軸軸承合金金1、錫基軸軸承合金以錫為主并并加入少量量銻、銅等等元素組成成的合金，，熔點較低低，是軟基基體硬質(zhì)點點組織類型型的軸承合合金。9.5.2常常用用軸軸承承合合金金工業(yè)業(yè)上上常常用用的的是是錫錫基基、鉛基基軸軸承承合合金金,又又稱稱巴氏氏合合金金。典型型牌牌號號為為ZSnSb11Cu6。。(其其組組織織為為基基體體+白白亮亮塊塊狀狀SnSb+星星狀狀Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的顯微組織

§9.5軸軸承承合合金金錫基基軸軸承承合合金金具具有有較較高高的的耐耐磨磨性性、、導(dǎo)導(dǎo)熱熱性性、、耐耐蝕蝕性性和和嵌嵌藏藏性性，，摩摩擦擦系系數(shù)數(shù)和和熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)小小，，但但疲疲勞勞強強度度較