3.有色金屬.ppt

1、材料概論 第3章 有色金屬及其合金,材料科學(xué)與工程學(xué)院,材料科學(xué)與工程學(xué)院,材料概論-有色金屬及其合金,有色金屬是指元素周期表中除鐵元素以外的所有金屬元素。西方國(guó)家習(xí)慣上稱(chēng)為非鐵金屬(Non-ferrous Metals)，我國(guó)和前蘇聯(lián)則習(xí)慣稱(chēng)為有色金屬。 有色金屬一般又可分為 輕有色金屬、重有色金屬、稀有金屬、稀土金屬、貴金屬、放射性金屬和半金屬。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,材料概論-有色金屬及其合金,1質(zhì)輕，其合金的密度僅為鐵的三分之一左右。 2在大氣中極易生成一層致密而且牢固的氧化膜，能防止鋁繼續(xù)氧化。 3高反射性，銀白色表面，具有很好的裝飾特性。 4合金的強(qiáng)度可以等于甚至超過(guò)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。

2、 5高彈性，其韌性在低溫下減少不明顯。 6易加工成形(f.c.c晶格)，例如可以軋制成極薄的箔片(厚度小于百分之一毫米)。低熔點(diǎn)(Tm=660oC)，鑄造性能好。 7導(dǎo)熱和導(dǎo)電性與銅相近。,3.1鋁及鋁合金,電解鋁技術(shù),材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,Airbus A340,約有70%的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用有色金屬制造，主要是鋁合金,Boeing sonic cruiser Mach.95,Airbus A380 950 seats,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,3.

3、1.2 鋁合金的分類(lèi)及牌號(hào),材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,3.1.3 變形鋁合金,變形方式,半成品,生產(chǎn),用戶(hù),板材、棒材、管材、線材、型材、箔材、鍛件,防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁,合金特性,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,1、防銹鋁,特點(diǎn)：,不能熱處理強(qiáng)化,切削加工工藝性較差,抗腐蝕性能好，易于加工成形和焊接，良好的光制和低溫性能。,合金的強(qiáng)度較低,適于制造焊接油箱、管道、容器鉚釘及其他冷變形零件,A1-Mn和A1-Mg系,（2）鋁鎂合金,（1）鋁錳系合金,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,2、硬鋁,鋁-銅-鎂系合金,時(shí)效處理,高的硬度、強(qiáng)度,優(yōu)良的加工工藝性能,（1

4、）高強(qiáng)度硬鋁LYl2合金,w(Cu) 3.34.9%，w (Mg) 1.21.8，w (Mn) 0.30.9,抗拉強(qiáng)度約180MPa，時(shí)效 480MPa。 應(yīng)力硬化+時(shí)效 500MPa以上,（2）低強(qiáng)度硬鋁,（3）耐熱硬鋁LY2,概念,某 些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱(chēng)為時(shí)效處理。熱處理溫度一般為550-650度。,時(shí)效處理,時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種自然時(shí)效是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形變，從而使殘余應(yīng)力消除或減少，人工時(shí)效是將鑄件加熱到550650進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比

5、自然時(shí)效節(jié)省時(shí)間，殘余應(yīng)力去除較為徹底?！皟煞N材料以不同的方式獲得強(qiáng)度,”Menzemer說(shuō),“6061鋁合金通過(guò)熱處理獲得強(qiáng)度,有時(shí)稱(chēng)為人工時(shí)效 。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,3、超硬鋁,鋁鋅鎂銅系合金 LC4、LC6,強(qiáng)度可達(dá)600700MPa,鋁鋅鎂系合金是可焊的熱處理強(qiáng)化合金,加入銅,合金的強(qiáng)度,抗應(yīng)力腐蝕性能,焊接性能,難以熔焊,熱影響區(qū)引起熱裂紋,機(jī)械性能,鉚接和粘接,抗應(yīng)力腐蝕性能,X7050,0.12%Zr,強(qiáng)度 韌性 疲勞性能,厚板、擠壓件和鍛件（大截面）,腐蝕抗力,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,4、鍛鋁,鋁鎂硅銅系和鋁銅鎂鐵鎳系 鍛件,LD2,中等強(qiáng)

6、度、高塑性和抗腐蝕性的機(jī)械零件、建筑材料，室溫下工作、形狀復(fù)雜的鍛件及模鍛件,LD5、LD6,中等強(qiáng)度的各種形狀復(fù)雜的鍛件和模段件，如壓氣機(jī)輪、風(fēng)扇葉輪、各種接頭、支桿等受力件,高負(fù)荷的鍛件和模段件，如框架、接頭等，代替LYl2制成板材和擠壓型材,LD10,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.1 鋁及鋁合金,3.1.2 鑄造鋁合金,鑄造性能好，可進(jìn)行各種成型鑄造，生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件。,1、鋁硅系鑄造鋁合金,有極好的流動(dòng)性，高的腐蝕抗力和良好的焊接性,硅鋁明,鋁硅ZL102,鋁硅鎂ZLl04,鋁硅鎂銅ZL105,變質(zhì)處理！,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,材料概論-有色金屬及其合金,銅及銅合金是人類(lèi)

7、歷史上使用最早的金屬材料之一。由于具有優(yōu)良的性能及美麗的色彩而被廣泛用于電纜、電器和電子設(shè)備的導(dǎo)電材料、各種熱交換器的傳熱材料、建筑材料、裝飾品等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用范圍不斷擴(kuò)大，目前，在尖端技術(shù)中銅及其合金也是不可缺少的材料，如在半導(dǎo)休、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)電線、超導(dǎo)電磁體、磁力懸浮鐵路、核聚變裝置、形狀記憶合金等方面都有應(yīng)用。,航天技術(shù),電子元件,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,3.2.1 純銅的性能及分類(lèi),紫色，故又稱(chēng)為紫銅,1）優(yōu)良的導(dǎo)電性，僅次于銀而居第二位。 2）無(wú)磁性。 3）導(dǎo)熱性非常好，僅次于銀。 4）面心立方晶格，良好的塑性，易加工成

8、材。 5）極低溫度下也不產(chǎn)生脆性。 6）良好的抗腐蝕性能。在氨或氨鹽及氧化性的硝酸和濃硫酸介質(zhì)中，銅的抗蝕性很差，在海水中的腐蝕速度也很快。 7）具有良好的電鍍和釬焊性能。 8）銅的機(jī)械性能與它的狀態(tài)有關(guān)，可加工硬化。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,3.2.2 銅合金分類(lèi),（1）黃銅：以鋅為主要合金元素的銅合金，H80,（2）青銅：除黃銅、白銅以外的銅基合金。錫青銅、鋁 青銅、鈹青銅、硅青銅、鉻青銅等。 QSn7 ，QSn6.5-0.4,（3）白銅：以鎳為主要合金元素的銅基合金。,B30，BMn3-12,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,3.2.3 銅合金的性能、常用的銅合金及

9、用途,1、黃銅,（1）普通黃銅,H96、H90、H80為低鋅黃銅，色澤美觀呈金黃色，有足夠的強(qiáng)度、良好的延展性、深沖性及抗腐蝕性。H96適用于制造熱交換器或冷凝器管、波導(dǎo)管等；H80用于造紙工業(yè)和石油化工用金屬網(wǎng)；H90可用于生產(chǎn)熱軋雙金屬板、雙金屬帶和溫差雙金屬等。,H70、H68的性能相近，常稱(chēng)之為三七黃銅。,H59屬于高鋅黃銅，它的強(qiáng)度高，并具有良好的熱變形能力。,黃銅,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,（2）特殊黃銅,錫黃銅,鐵黃銅,硅黃銅,錳黃銅,鋁黃銅,鉛黃銅,鎳黃銅,錫黃銅：黃銅加入少量的錫(0.5 1.5)，可提高合金的強(qiáng)度和硬度，提高合金在海水中的耐蝕件。錫黃銅主要以管

10、材、棒材、板材大量用于艦艇制造工業(yè)如冷凝管、船舶零件、船舶焊接件的焊條等，故有海軍黃銅之稱(chēng)。錫雖然提高了黃銅的耐腐蝕性能，但不能從根本上消除應(yīng)力腐蝕破裂敏感性，可采用低溫退火440、470提高應(yīng)力腐蝕抗力。通過(guò)添加微量的As(0.02 0.06)，也可抑制錫黃銅的脫鋅腐蝕。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,2、青銅,錫青銅,鎂青銅,硅青銅,鈹青銅,鋁青銅,鎘青銅,鈦青銅,鉻青銅,鎬青銅,錫青銅：銅與錫的合金。 w(Sn)314%。w(Sn)小于8%為變形錫青銅；w(Sn)大于10，鑄造錫青銅。合金元素Zn、P、Pb等改善錫青銅的性能。,耐蝕、高強(qiáng)、耐磨,司母戊方鼎,司母戊鼎是商代后期（

11、約前14至前11世紀(jì)）由王室所鑄，1939年3月19日在河南省安陽(yáng)市郊出土，因鼎身內(nèi)部鑄有“司母戊”三字而得名，是商朝青銅器代表作，現(xiàn)藏中國(guó)國(guó)家歷史博物館。,馬踏飛燕,馬踏飛燕又名“馬超龍雀”、“銅奔馬”，為東漢青銅器，1969年出土于甘肅省武威雷臺(tái)墓。東漢時(shí)期鎮(zhèn)守張掖的軍事長(zhǎng)官?gòu)埬臣捌淦藓显崮怪谐鐾?，現(xiàn)藏甘肅省博物館。奔馬身高34.5厘米，身長(zhǎng)45厘米，寬13厘米。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.2 銅及銅合金,3、白銅,以鎳為主要元素的銅基合金。,結(jié)構(gòu)白銅(B19、B30、BZnl5-20) 電工白銅(BMn40-1.5、BMn3-12等)。,加入M n、Fe、Zn、A1等元素，形成錳白銅、鐵白

12、銅、鋅白銅、鋁白銅,Ni能提高銅的強(qiáng)度和抗蝕性，還能強(qiáng)烈地提高合金的電阻、熱電勢(shì)和降低電阻溫度系數(shù)。,白銅,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.3 鈦合金概述,材料概論-有色金屬及其合金,-Ti,-Ti,鈦及其合金由于密度低(4.54.8g/cm3，比鋼約輕40%)、比強(qiáng)度高和耐蝕性好而成為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、海洋及化工機(jī)械領(lǐng)域非常引人注目，在國(guó)防科技領(lǐng)域占有重要地位。 鈦由于具有某些特殊功能(如儲(chǔ)氫特性、形狀記憶、超彈性)和無(wú)毒、生理相容性好等特性而成為新型功能材料和重要的生物醫(yī)學(xué)材料。,鈦的基本特性,鈦具有兩種同素異構(gòu)體及。低溫-Ti在882以下穩(wěn)定，具有密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)，而高溫-

13、Ti穩(wěn)定于882熔點(diǎn)1678，為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)。鈦合金轉(zhuǎn)變點(diǎn)隨成份而變。 鈦體積質(zhì)量?。?.51g/cm3)，但比強(qiáng)度高，在-253600范圍內(nèi)，鈦的比強(qiáng)度是最高的；塑性好，熔點(diǎn)高，但由于同素異性轉(zhuǎn)變和高溫下吸氣、氧化傾向的影響，它的耐熱性為中等，介于鋁與鎳之間。 具有優(yōu)良的耐蝕性，在室溫下能很快生成一層具極好保護(hù)性的鈍化層（TiO2)。在許多介質(zhì)中，其耐蝕性極高；但在還原性介質(zhì)中稍差。 鈦的低溫性能很好，在液氮溫度下仍有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高而仍保持有良好的塑性和韌性。,鈦合金的分類(lèi),按其成分和室溫下的組織分為三類(lèi)： -鈦合金 ：顯微組織是相，含有相穩(wěn)定元素及一些中性強(qiáng)化元素。主要元

14、素是鋁、鋯、錫等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。 +鈦合金 ：顯微組織是+相，含有較多的相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素。 鈦合金和近鈦合金 ：含有大量的相穩(wěn)定元素，多數(shù)還含有鋁、鋯、錫等。 室溫強(qiáng)度可達(dá)到+鈦合金水平，但具有更佳的工藝性能，高溫強(qiáng)度比不上+合金。 近鈦合金的顯微組織是+相，強(qiáng)化相分布在相基體上。,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3.4 鎂合金概述,材料概論-有色金屬及其合金,物理性質(zhì)：銀白色，密度1.74克/厘米3，熔點(diǎn)648.9，沸點(diǎn)1090。具有延展性，無(wú)磁性，且有良好的熱消散性。 晶體結(jié)構(gòu)：密排六方結(jié)構(gòu)。 來(lái)源：鎂存在于菱鎂礦、白云石、光鹵石中。每立方英里海水含有約120億磅鎂。鎂是

15、在自然界中分布最廣的十個(gè)元素之一。 用途：置換鈦、鋯、鈾、鈹?shù)冉饘?。用于制造輕合金、煙火、閃光粉、鎂鹽等。結(jié)構(gòu)性能類(lèi)似于鋁，用于飛機(jī)、導(dǎo)彈中。鎂在汽油燃點(diǎn)可燃。,鎂合金的合金元素,Mg合金的合金強(qiáng)化機(jī)制與Al合金大致相同，固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化是主要強(qiáng)化手段，只是沒(méi)有Al合金那樣明顯。因此，凡是能在Mg中大量固溶的元素，都是強(qiáng)化Mg合金的有效合金元素。 合金元素主要有：Al、Zn、RE、Li、Ag、Zr、Th、Mn、Ni等，在鎂合金中有固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用。 Ag(15.5)，Al (12.7%)，Zn（8.4），Li（5.7），Th（4.5）是高強(qiáng)度鎂合金的主要合金元素，如Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr和Mg-Nd-Ag系合金。 這類(lèi)元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、MgZn2、Mg23Th6和Mg12Nd2Ag等在Mg中有明顯的溶