第七章：有色金屬及其合金

1第7章有色金屬及其合金2在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把其它非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。3與鋼鐵等黑色金屬材料相比，有色金屬具有許多優(yōu)良的特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。例如，鋁、鎂、鈦等具有相對密度小，比強度高的特點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等行業(yè)；銀、銅、鋁等具有優(yōu)良導電性和導熱性的材料廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)和儀表工業(yè)；鈾、鎢、鉬、鐳、釷、鈹?shù)仁窃幽芄I(yè)所必需的材料，等等。4§7-1鋁及鋁合金§7-1-1工業(yè)純鋁純鋁是一種銀白色的輕金屬，熔點為660℃，具有面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁的密度小（只有2.72g/cm3）；導電性好，僅次于銀、銅和金；導熱性好，比鐵幾乎大三倍。純鋁化學性質(zhì)活潑，在大氣中極易與氧作用，在表面形成一層牢固致密的氧化膜，可以阻止進一步氧化，從而使它在大氣和淡水中具有良好的抗蝕性。

5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、稀土等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件鋁合金絲6§7-1-2鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖?？蓪X合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。形變鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類。7鑄造鋁合金，則是將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成型鑄件，要求合金應(yīng)具有良好的鑄造性能，如流動性好、收縮小、抗熱裂性高。形變鋁合金，是指合金經(jīng)熔化后澆成鑄錠，再經(jīng)壓力加工（鍛造、扎制、擠壓等）制成板材、帶材、棒材、管材、線材以及其它各種型材，要求具有較高的塑性和良好的工藝成型性能。8§7-1-3鋁合金的熱處理

可熱處理強化形變鋁合金的 熱處理方法:固溶處理+時效。固溶處理是指將合金加熱單相區(qū)恒溫保持，形成單相固溶體，然后快速冷卻，室溫下得到過飽和固溶體組織的工藝。固溶處理后的鋁合金在室溫下放置一定時間或稍許（低溫）加熱，從過飽和固溶體中析出彌散強化相，使鋁合金的強度和硬度明顯提高，這種合金的性能隨時間而變化的現(xiàn)象稱為時效。9室溫下進行的時效稱自然時效(Naturalaging)；加熱條件下進行的時效稱人工時效(Artificialaging)。時效強化效果與加熱溫度和保溫時間有關(guān)。人工時效時，若時效溫度過高，合金會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，稱之為過時效。含4%Cu鋁合金的時效曲線

10鋁合金時效強化與其在時效過程中所產(chǎn)生的組織有關(guān)。以Al－4%Cu合金為例：在室溫時的平衡組織為α+CuAl2（CuAl2即為平衡相θ），加熱到固相線以上，第二相CuAl2完全溶入α固溶體中，淬火后獲得在鋁中的過飽和固溶體，有自發(fā)分解的傾向。當給予一定溫度與時間條件時便要發(fā)生分解，包括以下四個階段：

11第一階段：在過飽和α固溶體的某一晶面上產(chǎn)生銅原子偏聚現(xiàn)象，形成銅原子富集區(qū)（GP[Ⅰ]區(qū)），從而使α固溶體產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，位錯運動受到阻礙，合金強度提高。第二階段：隨時間延長，GP[Ⅰ]區(qū)進一步擴大，并發(fā)生有序化，便形成有序的富銅區(qū)，稱為GP[Ⅱ]區(qū)，其成分接近CuAl2（θ相），成為中間狀態(tài)，常用θ″表示。θ″的析出，進一步加重了α相的晶格畸變，使合金強度進一步提高。第三階段：隨著時效過程的進一步發(fā)展，銅原子在GP[Ⅱ]區(qū)繼續(xù)偏聚。當銅與鋁原子之比為1:2時，形成與母相保持共格關(guān)系的過渡相θ′。θ′相出現(xiàn)的初期，母相的晶格畸變達到最大，合金強度達到峰值。第四階段：時效后期，過渡相θ′從鋁基固溶體中完全脫落，形成與基體有明顯相界面的獨立的穩(wěn)定相CuAl2，稱為θ相。此時θ相與基體的共格關(guān)系完全破壞，共格畸變隨之消失，隨著θ相質(zhì)點聚集長大，合金明顯軟化，強度、硬度降低。12Al－4%Cu合金時效的基本過程可以概括為：合金淬火→過飽和α固溶體→形成銅原子富集區(qū)（GP[Ⅰ]區(qū)）→銅原子富集區(qū)有序化（GP[Ⅱ]區(qū)）→形成過渡相θ′→析出平衡相θ（CuAl2）+平衡的α固溶體。13§7-1-4鋁合金的牌號、性能及用途

(1)形變鋁合金①形變鋁及鋁合金牌號表示方法

防銹鋁合金：LF+序號硬鋁合金：LY+序號超硬鋁合金：LC+序號鍛鋁合金：LD+序號鋁合金波紋管鋁合金制品14②常用形變鋁合金a.

防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg的主要作用是提高 抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高強度。

衛(wèi)星天線（LF2）15汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比純

鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、鉚釘及承受中等載荷的零件。16b.

硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M行時效強化，也可進行變形強化。強度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金LY11(2A11)、LY12

(2A12)

，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁。飛機翼梁(腹板為硬鋁合金)機翼各翼面位置圖17c.

超硬鋁合金屬Al-Cu-Mg-Zn系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強化效果超過硬鋁合金。強度最高；耐熱性、耐蝕性差。

飛機主起落架常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件，如飛機的大梁、起落架等。18d.

鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金：

可鍛性好，力學性能高，用于形狀復雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機壓氣機葉輪、導風輪等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金： 常用牌號有LD7（2A70）、LD8

（2A80）、LD9（2A90）等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機葉片、超音速飛機蒙皮等。壓氣機葉片19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20(2)鑄造鋁合金

Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號21①Al-Si系鑄造鋁合金

★又稱硅鋁明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明。

★在普通鑄造條件下，ZL102組織幾乎全部為共晶體，由粗針狀的硅晶體和固溶體組成，強度和塑性都較差。生產(chǎn)上通常用鈉鹽變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理，得到細小均勻的共晶體加一次固溶體組織，以提高性能。未變質(zhì)處理

經(jīng)變質(zhì)處理

ZL102的鑄態(tài)組織22★加入其它合金元素(Cu，Mg)的鋁硅鑄造合金稱特殊硅鋁明?！飪?nèi)燃機中的活塞，在高速、高溫、高壓、變負荷下工作，所以要求制造活塞的材料必須比重小、高耐磨、高的耐蝕性、耐熱性，還要求活塞材料的線膨脹系數(shù)接近汽缸體的線膨脹系數(shù)。復雜鋁硅明基本上能滿足這一要求，它是制造活塞的理想材料。活塞(裙部為鋁硅合金)23②Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強度低于Al-Si系合金。常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強零件，如內(nèi)燃機汽缸頭、汽車活塞等。汽缸頭24③Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強度高，密度??；但鑄造性能差，耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風機用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)25④Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強度較高，可自然時效強化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機活塞(ZL401)常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機、儀器零件。26§7-2-1工業(yè)純鈦

純鈦密度?。?.5g/cm3），熔點高（1667℃）。在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Ti?-Ti。-Ti882.5℃～1667℃具有體心立方晶格；-Ti882.5℃以下具有密排六方晶格。純鈦比強度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好?！?.2鈦及鈦合金27工業(yè)純鈦的純度為99.0%～99.5%，其性能很大程度上取決于氧的含量。工業(yè)純鈦可分為TA1，TA2，TA3等三個牌號，編號越大，雜質(zhì)越多。工業(yè)純鈦長期工作溫度可達300℃。28純鈦用于350℃以下工作、強度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。鈦鋼復合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔29§7-2-2鈦的合金化純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的溫度隨加入的合金元素的性質(zhì)和含量而定。加入的合金元素通常按其對鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響分成三類：①擴大α相區(qū)，使α→β轉(zhuǎn)變的溫度升高的元素稱為α相穩(wěn)定元素，如Al、O、N、C、B等；②擴大β相區(qū)，使β→α轉(zhuǎn)變的溫度降低的元素稱為β相穩(wěn)定元素，如Mo、V、Cr、Nb、Ta及稀土；③對相變溫度影響不大的元素稱為中性元素，如Zr、Sn等。30按退火組織，鈦合金可分為：型鈦合金、型鈦合金和+型鈦合金三類。它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。鈦合金泵§7-2-3工業(yè)用鈦合金31(1)型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。不能熱處理強化，通常在退火狀態(tài)下使用，組織為單相固溶體。

強度低于其他兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越。

鈦合金氫泵誘導輪鈦合金氫泵殼體32常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。

鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵33(2)型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時效處理后，組織為相基體上分布著細小的相粒子。合金強度高，但冶煉工藝復雜，應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用34型鈦合金有TB1、TB2兩個牌號。實際獲得應(yīng)用的僅有TB2一種。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件，如飛機壓氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架35(3)+型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等?？蛇M行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器36+型鈦合金以TC4（Ti-6Al-4V）應(yīng)用最廣、用量最大，其經(jīng)過淬火加時效處理后，組織為++時效析出的針狀。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）37+型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發(fā)動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等。

飛機發(fā)動機葉片、盤渦噴13AⅡ發(fā)動機38§7-2-4鈦及鈦合金的熱處理主要熱處理方式：退火、淬火、時效。(1)退火消除應(yīng)力退火：目的是消除工業(yè)純鈦和鈦合金零件加工或焊接后的內(nèi)應(yīng)力。退火溫度一般為

450℃～650℃，保溫1～4小時，空冷。

再結(jié)晶退火：目的是消除加工硬化。對于純鈦一般用550℃～690℃溫度，而鈦合金用750