工程材料教案9有色金属及其合金.docx
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工程材料教案9有色金属及其合金
课程名称:
《工程材料》第周,第讲次
摘要
授课题目
(章、节)
本讲目的要求及重点难点:
【目的要求】1.熟悉纯铝及常用铝合金的成分、牌号、性能及用途;
2.熟悉纯铜及常用铜合金的分类、牌号、性能及用途;
3.熟悉常用的轴承合金。
【重点】1.铝及铝合金的特性、分类及牌号及铝合金的强化;
2.铜及铜合金的特性、分类及牌号;
3.轴承合金的性能及牌号;
【难点】铝合金的热处理特点;铝合金的牌号及强化、铜合金分类及牌号。
内容
【本讲课程的引入】
工业生产中,通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属,如钢及铸铁,把非铁金属及其合金称为有色金属,如铅、金属、镍、锌、钛、铜等,金属及合金。
有色金属及合金及钢铁材料相比,具有许多特殊性能,是现代工业生活中不可缺少的金属材料。
重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。
【本课程的内容】
第一节铝及其合金
铝及其合金在工业上是仅次于钢的一种重要金属,尤其是要航空、航天、电力工业及日常生活用品中得到广泛的应用。
一工业纯铝
1.铝及铝合金的性能特点
(1)密度小,熔点低,导电性、导热性好,磁化率低。
纯铝的密度2.72g/cm3,仅为铁的1/3,熔点为660.4℃,导电性仅次于Cu、Au、Ag。
铝合金的密度也很小,熔点更低,但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低,属于非铁磁材料。
(2)抗大气腐蚀性能好
铝和氧的化学亲和力大,在大气中,铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜,防止内部继续氧化。
但在碱和盐的水溶液中,氧化膜易破坏,因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。
(3)加工性能好,比强度高,纯铝为面心立方晶格,无同素异构转变,具有较高的塑性(δ=30~50%,ψ=80%),易于压力加工成型,并有良好的低温性能,纯铝的强度低,σn=70Mpa,虽经冷变形强化,强度可提高到150~250Mpa,但也不能直接用于制作受力的结构件,而铝合金通过冷成型和热处理,其抗拉强度可达到500~600Mpa,相当于低合金钢的强度,比强度高,成为飞机的主要结构材料。
2.用途:
广泛用于制造电线、电缆、散热器、器皿用具等。
3.牌号:
工业纯铝依据纯度有7个牌号,分别为L1~L7,顺序号越大,纯
度越低,其纯度分别为99.7%99.6%99.5%……。
铝含量大于99.93%叫高纯铝,其有5个牌号,分别为LG1~LG5,
顺序号越大,则纯度越高,例LG5铝含量大于99.996%。
为增加铝的强度,通常加入Cu、Si、Mg、Mn、Zn等元素而制成铝合金。
二铝合金
(一)铝合金的分类
铝合金都有如图9-1所示的一般相图。
成分在D点以左的合金,加热到固溶线DF以上,将会得到单相的α固溶体,塑性很好,适于压力加工,故合金含量小于D点的铝合金叫做:
图9-1铝合金状态图的一般类型
1.形变铝合金:
此种合金亦可分为两类:
不能热处理强化的铝合金:
成分在F点以左的合金,因其成分不随温度的变化而变化,故不能借助于热处理进行强化;
能热处理强化的铝合金:
成分在D-F之间的合金,其α固溶体的成分随温度而变化,故可借助于固溶强化提高其强度。
2.铸造铝合金:
成分位于D点以右的合金,由于有共晶组织存在,流动性好,
适于铸造,故称为铸造铝合金。
铸造铝合金也有成分随温度而变化的α相,故也能用热处理加以强化,但距D点越远,合金中的α相的相对含量越少,强化效果越不明显。
(二)铝合金的热处理
1.铝合金的热处理特点:
固溶处理:
将可热处理强化的铝合金加热到α单相区某一温度,得到单相α固溶体,随后水冷,获得单相过饱和固溶体α组织的一种处理工艺。
上述工艺亦即铝合金的淬火,但其和钢的淬火不同,高碳钢淬火后,强度、硬度立即提高,而塑性则急剧下降;铝合金淬火后,强度和硬度并不高,塑性仍很好。
时效强化:
淬火后的铝合金放置在低于固溶线以下的某一温度,随时间的延长,其强度、硬度显著提高,而塑性下降,此谓之时效强化。
例如含铜4%的铝合金:
平衡状态下:
σb=180~200MPaδ=18%
淬火后:
σb=240~250MPaδ=20~22%
室温下放置4~5天:
σb=420MPaδ=18%
时效形式有两种:
自然时效和人工时效。
(1)铝合金的时效强化
将成分位于D~F之间的合金加热到固态溶解度线DF以上某一温度,获得单相固溶体α,然后水冷(淬火),获得过饱和固溶体α称为固溶处理。
这种过饱和固溶体是不稳定的,在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时,使过饱和α固溶体趋于发生某种程度的分解,使合金的强度和硬度明显提高,这种现象称为时效或时效硬化(时效强化)。
在室温下进行的时效称为自然时效,在加热条件下进行的时效称为人工时效。
图9-2Al-Cu合金部分相图
图9-3Al-Cu合金的自然时效时效曲线
显然合金能发生时效强化的必要条件是:
高温能形成均匀固溶体且快冷(淬火)时不发生晶体结构和成分的变化;固溶体中溶质含量随温度降低而显著降低。
图9-4含4%Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线
上图为含4%Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线,可见,室温时效时,在时效初期的几个小时内,强度不发生明显变化,这一时间称为孕育期,比时合金塑性很高,极容易进行铆接、弯曲和校直等操作,时效温度愈高,孕育期愈短,时效速度愈快,达到最高强度的时间愈短,最大强度值愈低,强化效果愈小。
当温度低于-50℃时,孕育期很长,甚至可以保持相对稳定,即低温可以抑制时效的进行。
2.时效强化原理:
淬火状态下,铜原子均匀分布在过饱和固溶体里,如图9-5a,
晶格畸变并不严重,故强度、硬度升高不多,塑性仍好;
第一阶段:
形成溶质原子Cu的富集区(Cu原子在固溶体{100}晶面上偏聚)-Gp[I]区,随着Gp[I]区形成,引起固溶体α严重畸变,使位错运动受到阻碍。
第二阶段:
随着时间的延续,溶质原子继续向Gp[I]区扩散富集,并有序化而形成Gp[II]区。
Gp[II]的化学成分接近于CuAl2,具有正方晶格(以θ”表示),随着Gp[II]区形成,将引起固溶体更严重的畸变,使位错运动受到更大阻碍。
第三阶段:
溶质原子Cu继续富集,第二阶段形成的θ”相逐渐达到CuAl2的成分,并部分地及母相α固溶体的晶格脱离,形成一种过渡相θ’,随着θ’的形成,固溶体的晶格畸变程度减轻,合金趋于软化。
第四阶段:
稳定的θ相-CuAl2形成,并及母相α固溶体完全脱离联系,使α固溶体的晶格畸变大为减轻,时效产生的强化效果显著减弱,合金软化,这种现象称为“过时效”。
实际上的时效不一定会出现上述四个阶段,如自然时效只出现1、2阶段,温度较高的人工时效则主要包括3、4阶段。
如图9-3、9-4。
下面我们将具体介绍一下铝合金的牌号、性能和用途。
(三)形变铝合金
根据合金的特性,形变铝合金可分为四类:
1.防锈铝:
主要有AL-Mn、AL-Mg合金,其抗腐蚀性好;
牌号:
LF5、LF11、LF21,见表9-1。
2.硬铝:
属于AL-Cu-Mg-Mn系合金。
牌号:
LY1、LY11等。
3.超硬铝:
AL-Cu-Mg-Zn系合金,其强度在铝合金中是最高的。
牌号:
LC4、LC5
4.锻铝:
AL-Cu-Mg-Si系合金,具有良好的锻造性能。
牌号:
LD2、LD6等。
如上各牌号的铝合金,其应用见表9-1。
(四)铸造铝合金
铸造铝合金可分为四类:
1.AL-Si系:
代号ZL101、ZL102……
2.AL-Cu系:
代号ZL201、ZL202……
3.AL-Mg系:
代号ZL301、ZL302……
4.AL-Zn系:
代号ZL401、ZL402……
其牌号、性能、用途见表9-2。
在铸造Al合金中,变质处理细化晶粒的原因一般认为是Na等元素能促进硅的形核,并吸附在硅晶体的表面,阻止硅的长大。
同时钠的存在使液态合金产生5~10℃的过冷度,并使共晶点向右移动,这样不仅形核率增加,细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生α固溶体。
图9-5ZL102合金变质前的显微组织图9-6ZL192合金变质后的显微组织
第二节铜及铜合金
一工业纯铜
纯铜的颜色为玫瑰红色,它的表面常形成一层紫红色的氧化物,故称紫铜。
其熔点1083℃,比重8.9,大约是铝的3倍多,是钢的1.15倍。
1.性能:
具有较高的导电导热性能;
耐蚀性好;
具有良好的塑性,δ=50%;
硬度、强度较低,σb=200~250Mpa。
2.用途:
用做导电材料;造船及机制方面的耐蚀件。
3.牌号:
根据纯铜中杂质含量的不同,工业纯铜分为四个牌号,如表9-3。
由于纯铜的机械性能较差,所以各种结构件几乎不用纯铜而是广泛地利用它的合金,我们将简略介绍几种较常见的铜合金;
二、铜合金
铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。
(一)黄铜
1.定义:
以锌(Zn)为主要合金元素的铜基合金。
其有良好的力学性能、加工性能、导电导热性能,且色泽美丽,是有色金属中应用最广的金属材料。
2.性能:
a.机械性能:
黄铜的机械性能和锌的含量有很大的关系,如图9-9,
Zn=30%时,塑性最好;
Zn=39~45%时,强度最高:
Zn>45%时,塑性和强度急剧下降,故黄铜的含锌量小于45%。
b.其它性能:
耐蚀性好;工艺性能好;价格较纯铜便宜。
3.牌号及用途:
a.普通黄铜:
如表9-4所示。
b.特殊黄铜:
为改善普通黄铜的性能,可在Cu-Zn合金的基础上加入AL、
Fe、Si、Mn、Pb、Sn等元素而形成特殊
黄铜编号方法如下:
符号+主添加元素符号+铜含量+主添加元素含量如:
HSn62-1,主添加元素Sn,Cu=62%,Sn=1%。
如表9-5所示。
c.铸造黄铜:
如表9-6所示。
其牌号H+平均铜含量,如H62表62%Cu的其余量Zn。
4.黄铜的分类
黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类;按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。
普通黄铜,就是Cu-Zn二元合金,见下图,当Zn含量<36%,时单相α,Zn含量>36%而<47%时组织α+β'两相工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47%。
图9-7单相黄铜的显微组织图9-8双相黄铜的显微组织
室温组织为单相α的黄铜又称单相黄铜,强度较低、塑性特别好,适于压力加工,常用代号有H80、H70、H68,其中H70、H68强度较高,大量用作枪弹壳和炮弹筒,故有“弹壳黄铜”之称。
α+β'黄铜又称双相黄铜,强度高,塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散热器等。
特殊黄铜:
在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素,形成特殊黄铜,它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能。
其牌号:
H+主加元素符号+平均铜含量+主加元素平均含量,如HMn58-2,含58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。
无论普通黄铜,还是特殊黄铜,铸造黄铜牌号前加“z”,如:
ZH62、ZHMn58-2、ZcuZn38、ZCuZn40Mn2
注意:
虽然黄铜具有优良抗蚀性,但当零件以冷压力加工(挤压、冲压、弯曲等)成形时,由于其中有残余内应力存在,在氨、湿气、海水作用下,极易出现应力腐蚀开裂现象——称为黄铜的“季裂”。
为了防止这种现象,冷压力加工后的黄铜零件(如弹壳等)必须进行消除内应力的退火(250~300℃保温1h以上)
(二)青铜:
原指Cu-Sn合金,其具有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性但。
近几十年来,为节省贵重金属锡而用AL、Si、Pb、Be等元素来替代Sn而制得的合金也称之为青铜,故青铜可分为两大类:
锡青铜和无锡青铜。
其牌号:
Q+主加元素符号+主加元素平均含量(+其他元素的平均含量)。
QAl5含5%Al的Al青铜,同样铸造青铜前加“z”
锡青铜:
是以锡为主要合金元素的铜合金,是人类历史上应用最早的铜合金。
是Cu-Sn二元合金,锡青铜在大气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好,但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。
此外,为了改善锡青铜的性能,还加入Zn、Pb、P等元素,Zn的加入提高铸造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性,P可提高弹性极限等。
主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件,如仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。
1.锡青铜:
①性能:
a.机械性能:
如图9-10所示:
Sn<5-6%时,Sn↑σb↑δ↑;
Sn>5-6%时,Sn↑σb↑δ↓↓;
Sn>20%时,Sn↑σb↓δ↓;
故工业用锡青铜的含锡量为3-14%。
b.其它性能:
极高的耐蚀性、耐磨性;加入P可具有较高的σe。
②用途:
Sn<7-8%,塑性较好,用于压力加工;
Sn>10%,塑性较低,但强度较高,适用于铸造;
磷青铜可做弹簧零件。
③牌号:
见表9-7所示。
2.铝青铜:
以铝为主添加元素的铜合金,一般含AL=5-11%。
其耐蚀性好,强度和硬度比锡青铜高,耐磨性好,用于重要的耐磨耐蚀件。
其牌号见表9-7。
3.铍青铜:
以铍为主添加元素的铜基合金,一般含AL=1.7-2.5%。
其强度和硬度均超过其它铜合金,其牌号和用途见表9-7。
4.白铜:
白铜是以Ni为主要合金元素的合金。
Ni和Cu在固态下能完全互溶,所以各类铜镍合金均为α单相固溶体,具有很好的冷热加工性能,不能进行热处理强化,只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。
白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性,精密仪器仪表,化工机械及医疗器械中的关键材料。
以Ni为主添加元素的铜基合金,其牌号B5,Bzn15-20。
第三节钛及钛合金
1.钛及钛合金性能特点:
(1)密度小、熔点高,固态下有同素异构转变,纯钛是纯白色轻金属,密度为4.507g/cm3,介于Al和Fe之间,熔点1668℃,高于铁,在882.5℃发生同素异构转变
,882.5℃以上为β-Ti(体心立方晶格),882.5℃以下为α-Ti(密排六方晶格),钛合金的密度也较小,也有同素异构转变。
(2)加工性能好,比强度高,低温韧性好。
纯钛强度低,塑性好,易于压力加工成型。
钛合金的强度很高,σb最高可达1400Mpa,及某些高强度合金钢相近。
还具有良好的低温机械性能。
(3)抗腐蚀性能好
钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化
物和氮化物的保护膜,具有优良的抗蚀性。
第四节轴承合金
轴承合金是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。
一性能要求
1.具有足够的抗压强度和硬度;(耐磨)
2.塑性和韧性要好;(抗冲击)
3.及轴之间有良好的磨合能力;(摩擦系数小)
4.有良好的导热性和耐蚀性;
5.有良好的工艺性且价格低廉。
轴承材料通常要满足上述性能的要求都不能是纯金属或单相合金,必须配以软硬不同的多相合金。
通常是软基体上均匀分布一定数量和大小的硬质点,或者硬基体上分布一定数量和大小的软质点。
二组织特点:
软基体上分布着硬质点,如图9-11。
三分类
1.锡基轴承合金:
旧牌号ZCHSnSb11-6,新牌号ZSnSb11Cu6,其它牌号和用途见表9-9。
锡基轴承合金是Sn为主并加入少量Sb、Cu等元素的合金,是一种软基体硬质点类型的轴承合金。
图9-,Sn-Sb相图,可见,α相是Sb在Sn中的固溶体,为软基体,当Sb含量大于7.5%时合金中出现方块形β’相,为硬质点(SbSn化合物),由于β'相轻,易造成偏析,所以在合金中加入Cu,先形成Cu3Sn化合物的针状格架,以防止浇注时β'相上浮,有效地减少偏析。
同时Cu3Sn相的硬度比比β'相的高,也起硬质点的作用。
图9-锡基轴承合金显微组织
(2)铅基轴承合金:
铅基轴承合金的基本成分是铅和锑。
Pb-Sb合金在室温下的组织是由α和β两个相所组成。
α相是锑(Sb)溶于铅中的固溶体,很软,软基体,β相是铅溶于Sb中的固溶体,较硬。
但在实际应用中,通常加入6~16%Sn,因为Sn既能溶于α相中提高合金的强度和硬度,又能形成SnSb硬质点,提高合金的耐磨性。
由α相的比重大于β,容易造成比重偏析,所以有时还加入1~2%Cu,防比重偏析,同时有硬的Cu2Sb相形成,还能提高合金的耐磨性。
3.铜基轴承合金:
ZcuSn10P1ZcuPb30
4.铝基轴承合金:
【作业题】1.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的?
2.何谓硅铝明?
它属于哪一类铝合金?
为什么硅铝明具有良好的铸造性能?
在变质处理前后其组织及性能有何变化?
这类铝合金主要用在何处?
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