1、合肥工業大學 劉寧第十三章第十三章 有色金屬及合金有色金屬及合金l第一節 鋁及鋁合金l一、鋁及鋁合金的性能特點及分類編號l純鋁的密度小（2.7g/cm3）、熔點低（660）、強度低（b/80MPa）、塑形高（=80%）。l鋁合金熱處理以后強度高，特別是比強度（b/）高，是重要的航空結構材料。l引言l鋁材是有色金屬中使用量最大、應用面最廣的金屬材料，我國鋁的消費量的增長異常驚人，從1991年的86.8萬噸迅速增加到2000年的353.27萬噸，現在每年還在持續增加，消費量大約占世界的16左右。鋁和合金有很多優越的性能:(1)密度低;(2)塑性高; (3)易強化; (4)導電好;(5)耐腐蝕;(6

2、)易回收;(7)采用TIG(惰性氣體鎢極保護焊)或者MIG(惰性氣體保護金屬極電弧焊)方法可焊接;(8)易表面處理。l高純鋁的牌號有L01、L02、L03、L04四種，編號越大，純度越高（99%99.9995%）。l工業純鋁的純度為98%99%，牌號有L1、L2、L3、L4 、L5五種，編號越大，純度越低。l鋁合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素等。l根據合金元素和加工工藝特性，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。l變形鋁合金呈單相固溶體狀態，塑形好，適于壓力加工。通過冷變形和熱處理，可使強度進一步提高。l變形鋁合金按照性能和用途分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四

3、種。l防銹鋁屬于不能熱處理強化的鋁合金，而硬鋁、超硬鋁和鍛鋁屬于可熱處理強化的合金。l鋁合金品種繁多，國際上變形鋁合金牌號已經有400余種，我國GB/T3190-2008新標準改變了原來標準的牌號表示方法，直接采用國際牌號組織的命名原則，采用四位數字表示。按照主要合金元素分9大系列鋁合金。l1XXX 純鋁l2XXX AlCu系（Cu210%，其中Cu46%時強 度最高。）l3XXX AlMn系l4XXX AlSi系l5XXX AlMg系l6XXX AlMgSi系l7XXX AlZn系l如果第2位是0或A表示原始合金，如果19或BY表示改型合金。l鑄造鋁合金按照加入的主要合金元素不同，分為AlS

4、i系、 AlCu系、 AlMg系和AlZn系四種合金。lZL 1XX, AlSi系lZL 2XX, AlCu系lZL 3XX, AlMg系lZL 4XX, AlZn系l第2、3位表示合金順序號。l二、鋁及鋁合金的強化l純鋁的力學性能較低，通過合金化、熱處理或其它強化方式，可以使鋁合金在保持密度小，耐腐蝕好的條件下，顯著得到強化。l1、形變強化l對于純鋁及不能熱處理強化的鋁合金，例如AlMn合金等，只能以退火態或冷作硬化態使用。冷作硬化使強度升高，但塑形下降。l退火溫度300500，保溫13小時。l2、時效硬化l可以熱處理強化的合金，例如AlCu、AlCuMg、AlMgSi等， Al與Cu、Mg

5、、Si等形成CuAl2、Mg2Si、 Al2CuMg等金屬間化合物，可以提高強度與硬度。l例如含4%Cu的AlCu合金，室溫平衡組織為+ CuAl2 ，加熱到550水冷，然后加熱時效。時效過程中組織變化如下：l（1）在室溫和較低溫度下，在母相（100）晶面上形成Cu原子富集區（GP區），直徑約59nm,厚度約0.5nm，與基體保持共格關系。l（2）形成相l100200，隨著時效的繼續，Cu原子在GP區的基礎上繼續富集，成分接近CuAl2，與基體仍保持共格關系，111100。相比于GP區，由于相產生更大的共格應變，最大尺寸直徑約為140150nm，厚度10nm。l（3）形成相l經過更高溫度或延長

6、時效時間，將析出形成相，相成分與CuAl2相當，是相長大與基體失去共格關系轉變為半共格關系而形成的。l形成相后期與形成相初期具有最大的強化效果。l（4）形成平衡相l相即CuAl2是由相在更高溫度時效或延長保溫時間獲得。由于已經是非共格關系，此時，合金強度和硬度下降。l3、固溶強化和細晶強化l純鋁中加入合金元素，形成鋁基固溶體，起固溶強化作用，Cu、Mg、Si、Zn、Mn等一般都能形成有限固溶體，并且，有較大的固溶度，具有較大的固溶強化作用。變形鋁合金中加微量Ti、Zr、Be及稀土元素，能夠形成難熔化合物，可作為非均勻形核的核心，從而細化晶粒。l三、變形鋁合金l1、不能熱處理強化的鋁合金l主要有

7、AlMn、AlMg系。由于具有優異的耐蝕性，故稱為防銹鋁。lAlMn系的主要牌號之一3A21（LF21）含1.01.6%Mn，退火組織為+MnAl6，MnAl6脆性大，故Mn含量一般不超過1.6%Mn。lAlMg系中除了Mg以外，還少量加入Mn、Ti、Si等元素。常用牌號為5A05（LF5）等，在工業上得到廣泛應用（成分見P388表132）。l2、能熱處理強化的鋁合金l工業上得到廣泛應用的熱處理強化變形鋁合金是三元系和四元系合金，主要有AlCuMg、AlCuMn、AlZnMg、AlZnMgCu系等。l（1）硬鋁合金lAlCuMg系是典型的代表，由于強度和硬度高，故稱為硬鋁。l強化相主要有（Cu

8、Al2）相、（Mg5Al8）相、S（CuMgAl2）相和T（CuMg4Al6）相。l用于飛機蒙皮等零部件。l（2）超硬鋁合金l超硬鋁合金中強化相有（MgZn2）相和T（Al2Mg3Zn3）相。l強度588686MPa.l淬火+時效狀態使用，淬火溫度465475，120時效24小時。l不同鋁合金時效工藝不同。l（3）鍛造鋁合金l四、鑄造鋁合金l常用的有AlSi、AlCu、AlMg、AlZn系四大類。l五、耐熱鋁合金l用于200300工作的零件，例如內燃機活塞和汽缸蓋等。根據加工工藝特點又分為耐熱變形鋁合金和耐熱鑄造鋁合金兩類。l1、耐熱變形鋁合金l主要包括AlCuMn和AlCuMgFeNi系。l

9、2、耐熱鑄造鋁合金l加入Fe、Ni有助于提高耐燃性，Fe、Ni比例為1時，形成熱穩定性很好的Al9FeNi化合物。第二節第二節 鈦及鈦合金鈦及鈦合金l一、純Til1. Ti的物理和力學性能l密度小，為4.51g/cm3，比強度是合金中最高的。l耐蝕性能優異(海水、硝酸、有機酸等)l耐熱性能好(在500仍保持良好的力學性能)l低溫性能好(在低溫下仍有較好的延性和韌性)l無磁(用于潛艇殼體，不會引起水雷的爆炸)l形狀記憶效應(NiTi形狀記憶合金)l鈦的原子序數為22，原子質量為47.9，晶格常數相(25)a=0.29504nm, c=0.46833nm;相(900)a=0.33065nm。純鈦的

10、密度是4.505g/cm3；熔點1668。純鈦的抗拉強度為265353MPa,鈦合金為6861176MPa,目前，最高的可達1764MPa。強度已經與鋼相當，但比強度要好的多。鈦在航空航天、車輛、艦船、化工、電力、建筑、體育器材等方面獲得應用。l美國戰斗機的用鈦比例如下：lF-14 24%lF-15 27%lF-117 25%lF-18 13%lF-22 41%l二、Ti的合金化lTi的合金化的目的就是利用合金元素對于Ti和Ti的作用，改變Ti和Ti的比例，達到改變性能的目的。l主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si等。lAl穩定相元素，在Ti中室溫溶解度為7%

11、，有明顯的固溶強化作用。lZr、Sn屬中性元素， Zr在Ti和Ti中能形成無限固溶體， Sn的溶解度也很大。 Zr、Sn能強化相，也能提高抗蠕變能力。lMo、V屬Ti形成元素，能形成無限固溶體，加入起固溶強化作用，提高熱穩定性和抗蠕變能力。lFe、Mn、Cr、Cu、Si等能形成共析反應，穩定相能力比同晶型元素還大。l三、工業用Ti合金l按照退火組織可以分為、+三大類。lTC2lTC2名義成分：Ti-3Al-1.5Mn;其中Al是穩定晶型元素，主要溶入相，少量溶入相，有顯著的固溶強化效果，不明顯降低塑性。Mn是穩定晶型元素，加入可以進一步強化合金和改善合金的熱塑性。lTC2合金由于Mn含量低，在

12、合金組織中相數量較少，故熱處理不能強化，通常只在退火狀態下使用。退火后塑性接近工業純鈦，并有優良的低溫性能，強度高于工業純鈦，可以用作低溫材料。l退火：66082015 min 2h板、帶、管、箔材 70082012h 棒、線材、鑄鍛件lTC4l名義成分Ti-6Al-4V，V是穩定相元素，加入V在提高強度的同時還能夠保持良好的塑性。 TC4合金是最典型的牌號，是美國水城兵工廠于1954年研制成功的，具有中等強度(900M Pa),廣泛應用于宇航工業，占 Ti合金生產總量的60%左右，既可以用作500以下工作的耐熱合金，也可以用作低溫下使用的結構件(液體燃料儲存容器)。l熱處理工藝l退火：700

13、870 15 min 2h板、帶、管、箔材 70085012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：900950 水冷l時效：45055024 hl. TC6l合金名義成分Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Cr、Mo、Fe、Si都是相穩定元素。Cr 是代替V而加入的，其強化和穩定相的能力比V高，但在高溫350500下長期工作， 相會發生共析轉變+ TiCr2，使合金的塑性降低，加入Mo、Fe、Si可以提高合金的熱穩定性和持久強度。l熱處理工藝l退火：80087012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：860900 水冷l時效：50062024 h lTC16l合金名義

14、成分Ti-3Al-5Mo-4.5V,Mo和V都是相穩定元素，TC16已經被大量用于飛機鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件，在退火狀態下合金強度較低，但塑性特別好，可用于鉚釘的冷成型；而在固溶狀態下，強度較高并具有較高塑性，該合金的緊固件一般在固溶+時效狀態下使用，對于缺口、扭轉等應力集中敏感性小，疲勞強度較高，可以在350以下長期使用。l熱處理工藝l退火：77079012h 棒、線材、鑄鍛件l淬火(固溶)：780830 1.52.5 h水冷l時效： 500580410 h 隨著固溶溫度升高，晶粒長大，原始相減少。l. TA16l合金的名義成分為Ti-2Al-2.5Zr，Zr是中性元素，在和相中均有較大的

15、溶解度，起補充強化作用，是前蘇聯于60年代中期研制成功的中強高塑鈦合金，用于飛機和艦艇，管材主要作為聯接管路和各種航空導管來使用，使用環境復雜，條件苛刻，要求管材有良好的室、高溫力學性能，工藝性能和抗腐蝕性能。l熱處理工藝l退火：60081512h第三節第三節 銅及銅合金銅及銅合金l一、純Cul密度8.9g/cm3，熔點1083，工業純銅按照氧含量和生產方法可以分為韌銅、無氧銅和脫氧銅三類。l1、韌銅l含0.020.1%O的純銅，用符號“T”表示，后面數字為牌號順序號，T1、T2、T3等，順序號越大，純度越低。l2、無氧銅l在碳和還原性氣氛進行熔煉和鑄造，氧含量低于0.003%，用TU1、TU

16、2表示牌號，主要用于電真空器件。l3、脫氧銅l用Mn或P進行脫氧的銅，用符號TUMn、TUP表示。l二、黃銅l以Zn為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。l1、黃銅l單相黃銅又稱為黃銅，塑形好，典型牌號有H80、H70、H68等，后面數字表示平均銅含量。l2、+黃銅l稱為雙相黃銅，典型牌號有H59、H62等。由于相高溫塑性好，所以，適宜熱加工。l添加Al、Fe、Si等，形成特殊黃銅，分別稱為鋁黃銅、鐵黃銅和硅黃銅等。l三、青銅l最早把CuSn合金稱為青銅，現在則把除黃銅以外的所有銅合金稱為青銅。l1、Sn青銅l以Sn為主加元素的銅合金稱為錫青銅。典型牌號QSn43、QSn6.50.1用于彈性原件等；

17、ZCuSn10Zn2用于閥門、泵體等。l2、鋁青銅l以鋁為主加元素的銅合金稱為鋁青銅。l鋁青銅的強度、硬度、耐磨性都超過錫青銅和黃銅，抗蝕性也好，但鑄造性、切削性、焊接性較差。l用于齒輪、軸套等。l3、鈹青銅l含鈹量1.72.5%的銅合金。熱處理以后可以獲得很高的強度和硬度，彈性極限、疲勞極限、耐磨性、抗蝕性也很好。l用于制造儀器儀表零件和其它重要零件。第四節第四節 軸承合金軸承合金l一、軸承合金的性能要求l應當耐磨，并具有較小的摩擦系數，以減小軸的磨損。l在軟基體上分布一定大小的硬質點或在硬基體上分布一定的軟質點，可以滿足要求。l常用軸承合金有錫基、鉛基和鋁基三種。l二、錫基軸承合金l最常用的是ZSnSb11Cu6。l三