1、第十章第十章 金屬材料金屬材料10.1 工業用鋼工業用鋼10.2 鑄鐵鑄鐵10.3 有色金屬及合金有色金屬及合金10 .3 有色金屬及合金有色金屬及合金 10.3.1 鋁及鋁合金鋁及鋁合金10.3.2 鈦及鈦合金鈦及鈦合金10.3.3 銅及銅合金銅及銅合金有色金屬有色金屬：把鋼鐵以外的金屬及合金稱為有色金屬或：把鋼鐵以外的金屬及合金稱為有色金屬或非鐵合金。非鐵合金。把密度低于把密度低于4.5103kg/m3的金屬稱為的金屬稱為輕金屬輕金屬。有色金屬具有很多鋼鐵材料不具備的有色金屬具有很多鋼鐵材料不具備的特殊性能特殊性能：相對密度小，比強度高。（鋁、鎂、鈦、鈹）相對密度小，比強度高。（鋁、鎂、鈦

2、、鈹）優良的導電、導熱性。（銀、銅、金、鋁）優良的導電、導熱性。（銀、銅、金、鋁）耐高溫。（鎳、鎢、鉬、鉭、鈮）耐高溫。（鎳、鎢、鉬、鉭、鈮）耐蝕性。（鈦）耐蝕性。（鈦）等等。等等。 有色金屬在國民經濟中占有十分重要的地位。有色金屬在國民經濟中占有十分重要的地位。10.3.1 鋁及鋁合金鋁及鋁合金 1純鋁純鋁鋁：密度為鋁：密度為2.7103kg/m3，FCC，結晶后無同素異構，結晶后無同素異構轉變，表現出極好的塑性，適于冷熱加工成型。轉變，表現出極好的塑性，適于冷熱加工成型。蘊含豐富，約占地殼質量的蘊含豐富，約占地殼質量的8w%左右。左右。三大優點：三大優點：鋁的質量輕，比強度、比剛度高。飛機

3、的主框架要鋁的質量輕，比強度、比剛度高。飛機的主框架要選用鋁合金；選用鋁合金；具有良好的導電、導熱性。其導電率約為銅的具有良好的導電、導熱性。其導電率約為銅的60w%；耐腐蝕性好。生成一層耐腐蝕性好。生成一層A12O3薄膜，保護內部的材料薄膜，保護內部的材料不受環境侵害。不受環境侵害。 工業純鋁的純度為（工業純鋁的純度為（99.799.8）w，其他為雜質，其他為雜質，如鐵、硅、銅、鋅、鎂等。如鐵、硅、銅、鋅、鎂等。工業純鋁的牌號：工業純鋁的牌號：LXX 順序數字表示順序數字表示L04L01為高純鋁；為高純鋁；L0及及L00為工業高純鋁；為工業高純鋁；L1L7為工業純鋁，其牌號后數字越大，則表示

4、純度越低。為工業純鋁，其牌號后數字越大，則表示純度越低。純鋁的牌號及雜質含量見表純鋁的牌號及雜質含量見表10-22。工業純鋁的強度低，經加工硬化，也難以作為工程結工業純鋁的強度低，經加工硬化，也難以作為工程結構材料使用。構材料使用。 名稱名稱牌號牌號化化 學學 成成 分分 / %Al ()Fe ()Si ()Fe+Si ()Cu ()雜質雜質 ()高純鋁高純鋁L0499.9960.00150.00150.0010.004L0399.9900.00300.00250.0050.010L0299.9700.01500.01500.0050.030L0199.9300.04000.04000.010

5、0.070工業工業高純鋁高純鋁L099.9000.06000.06000.09500.0050.100L0099.8500.10000.08000.14200.0080.150工業工業純鋁純鋁L199.7000.16000.16000.26000.0100.300L299.6000.25000.20000.36000.0100.400L399.5000.30000.30000.45000.0150.500L499.3000.30000.35000.60000.0500.600L599.0000.50000.50000.90000.0201.000L698.8000.50000.55001.00

6、000.1001.200L7981.0001.00001.80000.0502.000表表10-22 純鋁的牌號及雜質含量純鋁的牌號及雜質含量2鋁合金鋁合金 （1）鋁合金的分類）鋁合金的分類根據鋁合金的成分和生產工藝特點：根據鋁合金的成分和生產工藝特點：變形鋁合金變形鋁合金：是指合金經熔化后澆成鑄錠，再經壓力：是指合金經熔化后澆成鑄錠，再經壓力加工（鍛造、軋制、擠壓等）制成板材、帶材、棒材、加工（鍛造、軋制、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。和良好的工藝成型性能。鑄造鋁合金鑄造鋁合金：

7、將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成：將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成型鑄件，要求合金應具有良好的鑄造性能，如流動性型鑄件，要求合金應具有良好的鑄造性能，如流動性好、收縮小、抗熱裂性高。好、收縮小、抗熱裂性高。在鋁中通常加入的合金元素有在鋁中通常加入的合金元素有Cu, Mg, Zn, Si, Mn及稀及稀土元素。土元素。二元共晶相圖二元共晶相圖：在相圖上劃分變形鋁合金和鑄造鋁合：在相圖上劃分變形鋁合金和鑄造鋁合金的成分范圍。金的成分范圍。變形合金變形合金鑄造合金鑄造合金不可熱處理不可熱處理強化鋁合金強化鋁合金可熱處理強可熱處理強化鋁合金化鋁合金AlF合金元素合金元素 / w %溫度溫度 / L

8、ABL+ 圖圖10-21 鋁合金分類示意圖鋁合金分類示意圖溶質成分低于溶質成分低于D點的合金，加熱時均能形成單相固溶點的合金，加熱時均能形成單相固溶體組織，塑性好，適于壓力加工，故劃歸為變形鋁合體組織，塑性好，適于壓力加工，故劃歸為變形鋁合金。金。成分位于成分位于D點右側的合金熔點低，結晶時發生共晶反點右側的合金熔點低，結晶時發生共晶反應，固態下具有共晶組織，塑性較差，但流動性好，應，固態下具有共晶組織，塑性較差，但流動性好，適于鑄造，故劃歸為鑄造鋁合金。適于鑄造，故劃歸為鑄造鋁合金。變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類，凡成分在兩類，凡

9、成分在F點左側的合金，由于從室溫到液相出點左側的合金，由于從室溫到液相出現前，均為單相現前，均為單相a固溶體，其成分不隨溫度的變化而發固溶體，其成分不隨溫度的變化而發生改變，故不能進行熱處理強化，即為不可熱處理強生改變，故不能進行熱處理強化，即為不可熱處理強化的鋁合金，但它們能通過形變強化（加工硬化）和化的鋁合金，但它們能通過形變強化（加工硬化）和再結晶處理來調整其組織性能。再結晶處理來調整其組織性能。成分在成分在FD之間的鋁合金，其固溶體的成分隨溫度的之間的鋁合金，其固溶體的成分隨溫度的變化而發生改變，可以通過熱處理改性，即屬于可熱變化而發生改變，可以通過熱處理改性，即屬于可熱處理強化的鋁合

10、金。處理強化的鋁合金。 (2) 鋁合金的強化鋁合金的強化固態鋁無同素異構轉變，因此鋁合金不能借助于相變固態鋁無同素異構轉變，因此鋁合金不能借助于相變強化。強化。合金元素對鋁的強化作用主要表現為合金元素對鋁的強化作用主要表現為固溶強化固溶強化、時效時效強化強化、過剩相強化過剩相強化和和細化組織強化細化組織強化。對不可熱處理強。對不可熱處理強化的鋁合金進行冷變形是這類合金強化的重要方式。化的鋁合金進行冷變形是這類合金強化的重要方式。固溶強化合金固溶強化合金元素加入純鋁中后，形成鋁基固溶體，導致晶格發生元素加入純鋁中后，形成鋁基固溶體，導致晶格發生畸變，增加了位錯運動的阻力，由此提高鋁的強度。畸變，

11、增加了位錯運動的阻力，由此提高鋁的強度。時效強化時效強化時效強化時效強化是鋁合金強化的一種重要手段，時效強化又是鋁合金強化的一種重要手段，時效強化又稱稱沉淀強化沉淀強化。 所謂所謂時效時效，是指圖，是指圖10-21中中FD成分的鋁合金經固溶處理成分的鋁合金經固溶處理后在室溫或較高的環境溫度下，隨著停留時間的延長后在室溫或較高的環境溫度下，隨著停留時間的延長其強度、硬度升高，塑性和韌性下降的現象。其強度、硬度升高，塑性和韌性下降的現象。一般把合金在室溫放置過程中發生的時效稱為一般把合金在室溫放置過程中發生的時效稱為自然時自然時效效；而把合金在加熱條件下發生的時效稱為；而把合金在加熱條件下發生的時

12、效稱為人工時效人工時效。以以Al4wCu合金為例：銅在鋁中有較大的固溶度合金為例：銅在鋁中有較大的固溶度（548時為時為5.65w%），且固溶度隨溫度下降而減小），且固溶度隨溫度下降而減小（室溫時為（室溫時為0.46w）。該合金在室溫時的平衡組織為）。該合金在室溫時的平衡組織為CuA12（CuA12即為平衡相即為平衡相），加熱到固相線以上，），加熱到固相線以上，第二相第二相CuA12完全溶入完全溶入固溶體中，淬火后獲得銅在鋁固溶體中，淬火后獲得銅在鋁中的過飽和固溶體。中的過飽和固溶體。 這種過飽和固溶體是不穩定的，有自發分解的傾向。這種過飽和固溶體是不穩定的，有自發分解的傾向。包括以下四個階段

13、。包括以下四個階段。a）時效初期，銅原子逐步自發地偏聚于時效初期，銅原子逐步自發地偏聚于固溶體的固溶體的100晶面上，形成銅原子富集區，稱為晶面上，形成銅原子富集區，稱為GPI區。由于區。由于GPI區中銅原子的濃度較高，引起點陣的嚴重畸變，區中銅原子的濃度較高，引起點陣的嚴重畸變，使位錯的運動受阻，因而合金的強度、硬度提高。使位錯的運動受阻，因而合金的強度、硬度提高。 b）隨著時間的延長或溫度的提高，在隨著時間的延長或溫度的提高，在GPI區的基礎區的基礎上，銅原子進一步偏聚，使上，銅原子進一步偏聚，使GP區擴大并有序化，即鋁、區擴大并有序化，即鋁、銅原子按一定方式規則排列，稱為銅原子按一定方式

14、規則排列，稱為GPII區。區。GPII區區可視為中間過渡相，常用可視為中間過渡相，常用表示，其化學成分接近表示，其化學成分接近CuA12。由于。由于相的晶格常數與相的晶格常數與相不同，且又與相不同，且又與相相保持共格，因此其周圍基體將產生更大的彈性畸變，保持共格，因此其周圍基體將產生更大的彈性畸變，這對位錯運動的阻礙會更大，合金得到進一步強化。這對位錯運動的阻礙會更大，合金得到進一步強化。過渡相的數量越多，彌散度越大，所獲得的強化效果過渡相的數量越多，彌散度越大，所獲得的強化效果就越大。就越大。 c）隨著時效過程的進一步發展，銅原子在隨著時效過程的進一步發展，銅原子在GPII區繼區繼續偏聚，并

15、形成與基體半共格的過渡相續偏聚，并形成與基體半共格的過渡相，此時，此時，晶晶格畸變減輕，對位錯運動的阻礙減弱，合金的硬度開格畸變減輕，對位錯運動的阻礙減弱，合金的硬度開始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時效始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時效強化的重要因素。強化的重要因素。d）時效后期，過渡相時效后期，過渡相完全從母相完全從母相中脫溶，形成與中脫溶，形成與基體無共格關系的平衡相基體無共格關系的平衡相，使共格畸變隨之消失，合，使共格畸變隨之消失，合金的強度、硬度進一步降低，即所謂金的強度、硬度進一步降低，即所謂“過時效過時效”。 過剩相（第二相）強化過剩相（第二相）強化當鋁中加

16、入的合金元素含量超過其極限溶解度時，合當鋁中加入的合金元素含量超過其極限溶解度時，合金在淬火加熱時便有一部分不能溶入固溶體而以第二金在淬火加熱時便有一部分不能溶入固溶體而以第二相存在，又稱相存在，又稱過剩相過剩相。這些過剩相多為硬而脆的金屬。這些過剩相多為硬而脆的金屬間化合物，它們在鋁合金中起阻礙位錯滑移和運動的間化合物，它們在鋁合金中起阻礙位錯滑移和運動的作用，使合金的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低。作用，使合金的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低。細化組織強化細化組織強化細化組織包括細化鋁合金固溶體基體和過剩相組織。細化組織包括細化鋁合金固溶體基體和過剩相組織。鑄造鋁合金中常加入微量元素（

17、變質劑）進行變質處鑄造鋁合金中常加入微量元素（變質劑）進行變質處理來細化合金組織，既能提高合金強度，又會改善其理來細化合金組織，既能提高合金強度，又會改善其塑性和韌性。塑性和韌性。 冷變形強化冷變形強化對合金進行冷變形，能增加其內部的位錯密度，阻礙對合金進行冷變形，能增加其內部的位錯密度，阻礙位錯運動，提高合金強度。位錯運動，提高合金強度。（3）鋁合金的熱處理）鋁合金的熱處理退火退火再結晶退火再結晶退火也稱也稱軟化退火軟化退火，適用于所有變形鋁合金。，適用于所有變形鋁合金。這種退火是將已變形的工件加熱到再結晶溫度以上，這種退火是將已變形的工件加熱到再結晶溫度以上，保溫一段時間后空冷，其目的在于

18、消除加工硬化，改保溫一段時間后空冷，其目的在于消除加工硬化，改善合金的塑性，以便繼續進行成形加工，如冷軋板的善合金的塑性，以便繼續進行成形加工，如冷軋板的中間退火。中間退火。低溫退火低溫退火，即在再結晶溫度以下保溫后空冷，目的是，即在再結晶溫度以下保溫后空冷，目的是為了消除內應力，適當增加塑性，以利于隨后進行小為了消除內應力，適當增加塑性，以利于隨后進行小變形量的成形加工，同時保留一定的加工硬化效果，變形量的成形加工，同時保留一定的加工硬化效果，這是不可熱處理強化鋁合金通常采用的熱處理方法。這是不可熱處理強化鋁合金通常采用的熱處理方法。 均勻化退火均勻化退火即即擴散退火擴散退火，是為消除鋁合金

19、鑄錠或鑄件，是為消除鋁合金鑄錠或鑄件的成分偏析及內應力，提高塑性，降低加工及使用過的成分偏析及內應力，提高塑性，降低加工及使用過程中變形開裂傾向而進行的處理，通常在高溫下長時程中變形開裂傾向而進行的處理，通常在高溫下長時間保溫后空冷。間保溫后空冷。時效強化處理時效強化處理時效強化處理時效強化處理包括包括淬火（固溶處理）淬火（固溶處理）和和時效時效。鋁合金淬火的目的是為了得到最大濃度的過飽和固溶鋁合金淬火的目的是為了得到最大濃度的過飽和固溶體，以便通過時效獲得高的強度和硬度。體，以便通過時效獲得高的強度和硬度。鋁合金時效的基本參數是鋁合金時效的基本參數是加熱溫度加熱溫度與與保溫時間保溫時間。實踐

20、。實踐證明，適用的時效溫度與合金熔點之間存在以下關系：證明，適用的時效溫度與合金熔點之間存在以下關系：T時效時效=(0.50.6)T熔熔。回歸處理回歸處理將經過自然時效的鋁合金在將經過自然時效的鋁合金在200250短時間（幾秒短時間（幾秒至幾分鐘）加熱，然后迅速水冷，可使合金的性能又至幾分鐘）加熱，然后迅速水冷，可使合金的性能又回到接近淬火狀態的水平，即可重新變軟，這種現象回到接近淬火狀態的水平，即可重新變軟，這種現象稱為稱為回歸回歸。 （4）變形鋁合金）變形鋁合金變形鋁合金分為變形鋁合金分為防銹鋁合金防銹鋁合金（簡稱防銹鋁）、（簡稱防銹鋁）、硬鋁合硬鋁合金金（簡稱硬鋁）、（簡稱硬鋁）、超硬鋁

21、合金超硬鋁合金（簡稱超硬鋁）和（簡稱超硬鋁）和鍛鋁鍛鋁合金合金（簡稱鍛鋁）四種，其中防銹鋁合金為不可熱處（簡稱鍛鋁）四種，其中防銹鋁合金為不可熱處理強化的鋁合金，其余三種為可熱處理強化的鋁合金。理強化的鋁合金，其余三種為可熱處理強化的鋁合金。變形鋁合金的牌號采用漢語拼音字母加順序號表示。變形鋁合金的牌號采用漢語拼音字母加順序號表示。代表上述四種變形鋁合金的字母分別為：代表上述四種變形鋁合金的字母分別為：LF（防銹（防銹鋁）；鋁）；LY（硬鋁）；（硬鋁）；LC（超硬鋁）；（超硬鋁）；LD（鍛鋁）。（鍛鋁）。 常用變形鋁合金的牌號、化學成分、力學性能見表常用變形鋁合金的牌號、化學成分、力學性能見表

22、10-23。防銹鋁合金防銹鋁合金防銹鋁合金主要是防銹鋁合金主要是Al-Mn系及系及Al-Mg系合金。具有優良系合金。具有優良的抗蝕性。的抗蝕性。LF21是是A1-Mn系防銹鋁合金常用的牌號，化學成分為系防銹鋁合金常用的牌號，化學成分為（1.01.6)w% Mn，室溫下合金組織為，室溫下合金組織為固溶體和金固溶體和金屬間化合物屬間化合物Al6Mn。由于。由于固溶體和固溶體和Al6Mn的電極電位的電極電位幾乎相等，所以耐蝕性好，幾乎相等，所以耐蝕性好，Mn固溶在固溶在Al中起固溶強化中起固溶強化作用，但因其時效強化效果不佳，故此合金不可熱處作用，但因其時效強化效果不佳，故此合金不可熱處理強化。理強

23、化。圖圖10-25是是A1-Mg合金相圖，可見，合金相圖，可見，Mg在在Al中溶解度較中溶解度較大，并隨溫度的下降而顯著減小。經固溶處理，可充大，并隨溫度的下降而顯著減小。經固溶處理，可充分發揮分發揮Mg的固溶強化效果，理論上應具備強烈的時效的固溶強化效果，理論上應具備強烈的時效強化效應。但由于時效過程中形成的過渡相與基體不強化效應。但由于時效過程中形成的過渡相與基體不發生共格關系，因此合金時效強化效果甚微。發生共格關系，因此合金時效強化效果甚微。硬鋁合金硬鋁合金A1-Cu-Mg系合金是使用較早、用途廣泛的鋁合金，由系合金是使用較早、用途廣泛的鋁合金，由于該合金強度和硬度高，故稱為硬鋁，又稱杜

24、拉鋁。于該合金強度和硬度高，故稱為硬鋁，又稱杜拉鋁。Cu與與Mg在鋁中除可形成固溶體起固溶強化作用外，更在鋁中除可形成固溶體起固溶強化作用外，更主要的是形成強化相主要的是形成強化相（CuAl2）和）和S（CuMgAl2），在），在淬火后的時效過程中，能形成這些相的過渡相，引起淬火后的時效過程中，能形成這些相的過渡相，引起基體晶格畸變而顯著提高合金的強度和硬度。因此該基體晶格畸變而顯著提高合金的強度和硬度。因此該合金具有明顯的熱處理強化能力。合金具有明顯的熱處理強化能力。 硬鋁合金的常用牌號有硬鋁合金的常用牌號有LY1, LY11, LY12等，其中等，其中LY1含含Cu, Mg量較低，是低合金

25、硬鋁，強化效果小。量較低，是低合金硬鋁，強化效果小。LY11屬中合金硬鋁，強度較高，塑性也較好。屬中合金硬鋁，強度較高，塑性也較好。LY12屬高合屬高合金硬鋁，時效后具有更高的強度和硬度，但塑性較差。金硬鋁，時效后具有更高的強度和硬度，但塑性較差。超硬鋁合金超硬鋁合金超硬鋁屬于超硬鋁屬于Al-Zn-Mg-Cu系列合金。由于比硬鋁多含系列合金。由于比硬鋁多含了一些了一些Zn，強化相中除了，強化相中除了相和相和S相外，還能形成多種相外，還能形成多種復雜的強化相，如復雜的強化相，如相（相（MgZn2）、）、T相（相（Al2Mg3Zn3）等，且這些相在等，且這些相在Al中有很高的溶解度并隨溫度的下降中

26、有很高的溶解度并隨溫度的下降而顯著減小，故這類合金有強烈的時效強化效果。而顯著減小，故這類合金有強烈的時效強化效果。LC4是超硬鋁的代表性牌號，具有較高的綜合力學性是超硬鋁的代表性牌號，具有較高的綜合力學性能，是使用最廣泛的一種超硬鋁合金。能，是使用最廣泛的一種超硬鋁合金。 鍛鋁合金鍛鋁合金鍛鋁為鍛鋁為Al-Mg-Si-Cu系，由于每種元素的含量較少，因系，由于每種元素的含量較少，因而具有良好的熱塑性，故稱為鍛鋁。而具有良好的熱塑性，故稱為鍛鋁。鍛鋁的常用牌號有鍛鋁的常用牌號有LD2、LD5等。等。鋁鋰合金鋁鋰合金新型變形鋁合金。新型變形鋁合金。鋰是最輕的金屬，其密度僅為鋰是最輕的金屬，其密度

27、僅為0.53103kg/m3,在鋁中加在鋁中加入入1w%的鋰，就能降低密度的鋰，就能降低密度6w%，加入（，加入（23)w%的的鋰可以將密度降低鋰可以將密度降低10w；鋁鋰合金的比強度、比剛度優于硬鋁合金及鈦合金；鋁鋰合金的比強度、比剛度優于硬鋁合金及鈦合金；鋰的加入可同時提高合金的耐疲勞性能與耐低溫性；鋰的加入可同時提高合金的耐疲勞性能與耐低溫性；鋰在鋁中有較高的溶解度，并隨溫度而明顯變化，所鋰在鋁中有較高的溶解度，并隨溫度而明顯變化，所以鋁鋰合金具有明顯的時效強化效應，屬于可熱處理以鋁鋰合金具有明顯的時效強化效應，屬于可熱處理強化的鋁合金。強化的鋁合金。 （5)鑄造鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合

28、金可分為鑄造鋁合金可分為A1-Si系、系、A1-Cu系、系、A1-Mg和和A1-Zn系四類，其中系四類，其中A1-Si系應用最為廣泛。系應用最為廣泛。鑄造鋁合金的牌號用鑄造鋁合金的牌號用“鑄鑄”、“鋁鋁”兩字的漢語拼音兩字的漢語拼音字首字首“ZL”后加三位數字表示。第一位數表示合金類后加三位數字表示。第一位數表示合金類別（如數字別（如數字1表示表示A1-Si系、系、2表示表示A1-Cu系、系、3表示表示Al-Mg系系,4表示表示A1-Zn系），后兩位數字表示合金順序號。系），后兩位數字表示合金順序號。順序號不同，化學成分也不一樣。順序號不同，化學成分也不一樣。表表10-24列出了常用鑄造鋁合金

29、的牌號和化學成分，表列出了常用鑄造鋁合金的牌號和化學成分，表10-25給出了常用鑄造鋁合金的力學性能。給出了常用鑄造鋁合金的力學性能。 Al-Si系鑄造鋁合金系鑄造鋁合金Al-Si系合金是工業上使用最為廣泛的鑄造鋁合金，在系合金是工業上使用最為廣泛的鑄造鋁合金，在液態下具有很好的流動性，凝固時的補縮能力強，熱液態下具有很好的流動性，凝固時的補縮能力強，熱裂傾向小。裂傾向小。Al-Si系鑄造鋁合金又稱硅鋁明，僅由系鑄造鋁合金又稱硅鋁明，僅由Al、Si兩組元組兩組元組成的二元合金稱為簡單硅鋁明成的二元合金稱為簡單硅鋁明(ZL102即屬于簡單硅鋁即屬于簡單硅鋁明）。明）。圖圖10-26是是Al-Si

30、二元合金相圖，屬共晶型。二元合金相圖，屬共晶型。在共晶溫度時，在共晶溫度時，Si在在A1中的最大溶解度只有中的最大溶解度只有1.65w，因而從固溶體中再析出因而從固溶體中再析出Si的數量很少，幾乎不產生強的數量很少，幾乎不產生強化作用，因此簡單硅鋁明一般被認為是不可熱處理強化作用，因此簡單硅鋁明一般被認為是不可熱處理強化的鋁合金。化的鋁合金。 簡單硅鋁明鑄造后的組織為粗大針狀的硅與鋁基簡單硅鋁明鑄造后的組織為粗大針狀的硅與鋁基固溶固溶體構成的共晶體，其間偶爾有少量板塊狀初晶硅（圖體構成的共晶體，其間偶爾有少量板塊狀初晶硅（圖10-27），這種組織的力學性能很差，強度與塑性都很），這種組織的力學

31、性能很差，強度與塑性都很低，不能滿足使用要求。低，不能滿足使用要求。 變質處理，即在合金中加入微量鈉（變質處理，即在合金中加入微量鈉（0.005w%-0.15w%Na）或鈉鹽（）或鈉鹽（2/3NaF+ 1/3NaC1）。變質處理）。變質處理后，由于共晶點移向右下方，后，由于共晶點移向右下方，ZL102合金處于亞共晶合金處于亞共晶區，如圖區，如圖10-28所示，故合金中的初晶硅消失，而粗大所示，故合金中的初晶硅消失，而粗大的針狀共晶硅細化成細小條狀或點狀，并在組織中出的針狀共晶硅細化成細小條狀或點狀，并在組織中出現初晶現初晶固溶體，如圖固溶體，如圖10-29。 其他鑄造鋁合金其他鑄造鋁合金Al-

32、Cu系鑄造鋁合金：系鑄造鋁合金：A1與與Cu形成的形成的(CuA12）相與鋁）相與鋁基固溶體可以形成低熔點的共晶組織，鑄造時具有較基固溶體可以形成低熔點的共晶組織，鑄造時具有較好的流動性。好的流動性。有較高的強度，并借助于加入有較高的強度，并借助于加入Ni、Mn等合金元素提高等合金元素提高耐熱性，常用于要求強度或溫度較高的零件。耐熱性，常用于要求強度或溫度較高的零件。該系合金的最大缺點是耐蝕性差。該系合金的最大缺點是耐蝕性差。A1-Mg系鑄造鋁合金是密度最小、耐蝕性最好、強度系鑄造鋁合金是密度最小、耐蝕性最好、強度最高的鑄造鋁合金，且抗沖擊和切削加工性能良好，最高的鑄造鋁合金，且抗沖擊和切削加

33、工性能良好，但鑄造工藝性能和耐熱性能較差。但鑄造工藝性能和耐熱性能較差。A1-Zn合金是最便宜的一類鑄造鋁合金，具有較高強度，合金是最便宜的一類鑄造鋁合金，具有較高強度，無特別突出的優點，主要缺點是抗蝕性較差。無特別突出的優點，主要缺點是抗蝕性較差。 10.3.2 鈦及鈦合金鈦及鈦合金 1純鈦純鈦鈦是一種銀白色的金屬，密度小（鈦是一種銀白色的金屬，密度小（4.5103kg/m3）、）、熔點高（熔點高（1668），有較高的比強度和比剛度、較高），有較高的比強度和比剛度、較高的高溫強度。的高溫強度。純鈦具有同素異晶轉變，在純鈦具有同素異晶轉變，在882.5以上直至熔點具有以上直至熔點具有體心立方晶

34、格，稱為體心立方晶格，稱為-Ti，在，在882.5以下具有密排六以下具有密排六方晶格，稱為方晶格，稱為-Ti。-Ti塑性較好，可在室溫下進行冷軋。塑性較好，可在室溫下進行冷軋。按雜質的含量不同，工業純鈦可分為按雜質的含量不同，工業純鈦可分為TA1、TA2、TA3三個牌號，其中三個牌號，其中“T”為為“鈦鈦”，字的漢語拼音字頭，字的漢語拼音字頭，數字為順序號，數字越大，雜質含量越多，強度越高，數字為順序號，數字越大，雜質含量越多，強度越高，塑性越低。塑性越低。 牌號牌號雜質含量雜質含量 / w %力學性能力學性能FeSiCNHORm / MPaA / %Z / %TA10.150.100.050

35、.030.015 0.10 350 30 50TA20.300.150.100.050.015 0.15 450 30 45TA30.300.150.100.050.015 0.15 550 30 30表表10-26 工業純鈦的化學成分和力學性能工業純鈦的化學成分和力學性能工業純鈦的室溫組織為密排六方晶格的工業純鈦的室溫組織為密排六方晶格的相，不能進行相，不能進行熱處理強化，實際生產和工程應用中主要采用冷變形熱處理強化，實際生產和工程應用中主要采用冷變形的方法對其進行強化。的方法對其進行強化。 熱處理方式主要是再結晶退火和消除應力退火。熱處理方式主要是再結晶退火和消除應力退火。工業純鈦的力學性

36、能見表工業純鈦的力學性能見表10-26。2. 鈦的合金化及鈦合金的分類鈦的合金化及鈦合金的分類（1）鈦的合金化）鈦的合金化加入的合金元素通常按其對鈦的同素異晶轉變溫度的加入的合金元素通常按其對鈦的同素異晶轉變溫度的影響分成三類：影響分成三類：擴大擴大相區，使相區，使轉變的溫度升高的元素稱為轉變的溫度升高的元素稱為相穩相穩定元素，如定元素，如A1、O、N、C等；等；擴大擴大相區，使相區，使轉變的溫度降低的元素稱為轉變的溫度降低的元素稱為相穩相穩定元素。定元素。對相變溫度影響不大的元素稱為中性元素，如對相變溫度影響不大的元素稱為中性元素，如Zr、Sn等。等。 圖圖10-30示出了示出了a相穩定元素

37、和相穩定元素和相穩定元素對鈦同素異相穩定元素對鈦同素異晶轉變溫度的影響規律。晶轉變溫度的影響規律。 (2) 鈦合金的分類鈦合金的分類鈦合金按退火狀態下的相組成可將其分為鈦合金按退火狀態下的相組成可將其分為型鈦合金、型鈦合金、型鈦合金和型鈦合金和型鈦合金三大類，分別以型鈦合金三大類，分別以TA,TB和和TC后加順序號表示其牌號。表后加順序號表示其牌號。表10-27列出了我國鈦合金列出了我國鈦合金的化學成分及主要力學性能。的化學成分及主要力學性能。鈦合金鈦合金該類合金中主要加入的合金元素是該類合金中主要加入的合金元素是A1，其次是中性元，其次是中性元素素Sn和和Zr，它們主要起固溶強化作用。，它們

38、主要起固溶強化作用。在退火狀態下的室溫組織是單相在退火狀態下的室溫組織是單相a固溶體。由于工業純固溶體。由于工業純鈦的室溫組織也可看作是單相鈦的室溫組織也可看作是單相固溶體，因此，固溶體，因此，鈦合鈦合金的牌號與工業純鈦相同，均劃入金的牌號與工業純鈦相同，均劃入TA系列，它包括系列，它包括TA4一一TA8五個具體牌號。五個具體牌號。鈦合金不能進行熱處理強化，熱處理對于它們只是為鈦合金不能進行熱處理強化，熱處理對于它們只是為了消除應力或消除加工硬化。了消除應力或消除加工硬化。+鈦合金鈦合金 該類合金的退火組織為該類合金的退火組織為a+，合金中組織以，合金中組織以相為主，相為主，相的數量通常不超過

39、相的數量通常不超過30w%。以以TC加順序號表示其合金的牌號。加順序號表示其合金的牌號。這類合金中同時含有這類合金中同時含有相穩定元素（如相穩定元素（如Mn、Cr、Mo、V、Fe、Si等）和等）和相穩定元素（如相穩定元素（如A1）。）。該類合金可通過淬火及時效進行強化，熱處理強化效該類合金可通過淬火及時效進行強化，熱處理強化效果隨果隨相穩定元素含量的增加而提高。相穩定元素含量的增加而提高。+鈦合金的室溫強度和塑性高于鈦合金的室溫強度和塑性高于鈦合金，但焊接性鈦合金，但焊接性能不如能不如鈦合金，組織也不夠穩定。鈦合金，組織也不夠穩定。 鈦合金鈦合金 以以TB加順序號表示該類合金的牌號。加順序號表

40、示該類合金的牌號。由于室溫組織是單一的具有體心立方晶格的由于室溫組織是單一的具有體心立方晶格的相，所以相，所以該類合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過時該類合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過時效處理，使強度得到大幅度提高。效處理，使強度得到大幅度提高。 3鈦合金的熱處理鈦合金的熱處理 退火退火 退火是鈦合金應用最廣的熱處理工藝，主要有消除應退火是鈦合金應用最廣的熱處理工藝，主要有消除應力退火、再結晶退火和雙重退火等。力退火、再結晶退火和雙重退火等。淬火時效淬火時效鈦合金熱處理強化的基本原理與鋁合金相似，屬于淬鈦合金熱處理強化的基本原理與鋁合金相似，屬于淬火時效強化型。火時效強化型。

41、10.3.3 銅及銅合金銅及銅合金 1純銅純銅純 銅 呈 紫 紅 色 ， 所 以 又 稱 紫 銅 。 純 銅 的 密 度 為純 銅 呈 紫 紅 色 ， 所 以 又 稱 紫 銅 。 純 銅 的 密 度 為8.9103kg/m3，熔點為，熔點為1083，無同素異晶轉變，無，無同素異晶轉變，無磁性。磁性。性能性能：導電、導熱性好，僅次于銀。：導電、導熱性好，僅次于銀。純銅具有很高的化學穩定性，在大氣、淡水中具有良純銅具有很高的化學穩定性，在大氣、淡水中具有良好的抗蝕性，但在海水中的抗蝕性較差。好的抗蝕性，但在海水中的抗蝕性較差。純 銅 具 有 面 心 立 方 晶 格 ， 表 現 出 極 優 良 的

42、塑 性純 銅 具 有 面 心 立 方 晶 格 ， 表 現 出 極 優 良 的 塑 性（=50%，=70%），可進行冷熱壓力加工。），可進行冷熱壓力加工。強度硬度強度硬度：在退火狀態下，抗拉強度約為：在退火狀態下，抗拉強度約為240MPa，布，布氏硬度為氏硬度為HB40-50。冷變形加工，抗拉強度提高到冷變形加工，抗拉強度提高到400-500MPa，布氏硬度，布氏硬度可達可達HB100-120，但塑性會相應降低（，但塑性會相應降低（5）。）。 工業純銅中常含有（工業純銅中常含有（0.10.5）的雜質，如鉛、秘、）的雜質，如鉛、秘、氧、硫、磷等，降低了銅的電導、熱導性。氧、硫、磷等，降低了銅的電導

43、、熱導性。“熱脆熱脆”：鉛、秘與銅形成低熔點（：鉛、秘與銅形成低熔點（400）的共晶）的共晶體，這些共晶體分布在銅的晶界上，當對銅進行熱加體，這些共晶體分布在銅的晶界上，當對銅進行熱加工時，共晶體發生熔化，造成脆性斷裂，即產生工時，共晶體發生熔化，造成脆性斷裂，即產生“熱熱脆脆”。“冷脆冷脆”：氧、硫也會與銅形成共晶體，雖不會引起：氧、硫也會與銅形成共晶體，雖不會引起熱脆，但由于共晶體中的熱脆，但由于共晶體中的Cu2S、Cu20均為脆性化合物，均為脆性化合物，在冷變形加工時易產生破裂，即產生在冷變形加工時易產生破裂，即產生“冷脆冷脆”。工業純銅的牌號以銅的漢語拼音字頭工業純銅的牌號以銅的漢語拼

44、音字頭“T”加數字表示，加數字表示，數字越大，雜質的含量越高，依純度將工業純銅分為數字越大，雜質的含量越高，依純度將工業純銅分為四種牌號：四種牌號：TI （w (Cu)99.95%）,T2（w (Cu)9990%）,T3（w（Cu）99.70%）,T4（w(Cu)99.50%）。）。用途：純銅主要用于制作電導、熱導及兼具抗蝕性的用途：純銅主要用于制作電導、熱導及兼具抗蝕性的器材，如電線、電纜、電刷、銅管、散熱器和冷凝器器材，如電線、電纜、電刷、銅管、散熱器和冷凝器零件等。零件等。 2銅合金銅合金工業純銅加入一些如工業純銅加入一些如Zn、A1、Sn、Mn、Ni等適宜的等適宜的合金元素。固溶度均大

45、于合金元素。固溶度均大于9.4%，可產生顯著的固溶強，可產生顯著的固溶強化效果，能夠獲得強度及塑性都滿足要求的銅合金。化效果，能夠獲得強度及塑性都滿足要求的銅合金。根據化學成分的特點，銅合金分為黃銅、白銅和青銅根據化學成分的特點，銅合金分為黃銅、白銅和青銅三大類。三大類。 （1）黃銅）黃銅黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金。呈金黃色黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金。呈金黃色簡單的簡單的Cu一一Zn合金稱為普通黃銅。普通黃銅的牌號以合金稱為普通黃銅。普通黃銅的牌號以“黃黃”字的漢語拼音字頭字的漢語拼音字頭H加數字表示，數字代表加數字表示，數字代表銅的質量分數。銅的質量分數。 在普通黃銅中加入在普通

46、黃銅中加入A1、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等元素可等元素可制成特殊黃銅。制成特殊黃銅。特殊黃銅的牌號以特殊黃銅的牌號以“H”主加元素符號銅的質量分主加元素符號銅的質量分數主加元素的質量分數來表示。數主加元素的質量分數來表示。如如HMn58一一2表示含表示含Cu58w、Mn2w，其余為，其余為Zn的的特殊黃銅；此外，對于鑄造生產的黃銅，其牌號前需特殊黃銅；此外，對于鑄造生產的黃銅，其牌號前需加加“鑄鑄”字的漢語拼音字頭字的漢語拼音字頭“Z”。普通黃銅普通黃銅 圖圖10-33是是Cu - Zn合金相圖。合金相圖。相是相是Zn溶于溶于Cu中的固中的固溶體，呈面心立方晶格，具有很好的塑性；溶體，呈面

47、心立方晶格，具有很好的塑性；相是以化合物相是以化合物CuZn為基的固溶體，呈體心立方晶格，為基的固溶體，呈體心立方晶格，塑性較好，低溫時發生有序轉變塑性較好，低溫時發生有序轉變，相是一種脆相是一種脆性相，冷加工困難。性相，冷加工困難。 由相圖中可知，雖然由相圖中可知，雖然Zn在在Cu中的最大溶解度可達中的最大溶解度可達39w，但在實際生產的條件下，因冷卻較快，致使，但在實際生產的條件下，因冷卻較快，致使Zn含含量超過量超過3235w時就出現時就出現相。相。 H68單相單相黃銅，強度較高，塑性特別好，適宜進行冷、黃銅，強度較高，塑性特別好，適宜進行冷、熱變形加工，如制成冷沖壓或深拉制品，像槍彈殼

48、和熱變形加工，如制成冷沖壓或深拉制品，像槍彈殼和炮彈筒等，因此，有炮彈筒等，因此，有“彈殼黃銅彈殼黃銅”之稱。之稱。H62兩相（兩相（）黃銅。）黃銅。H62強度高，塑性適中，不宜進行冷加工，但可加熱到強度高，塑性適中，不宜進行冷加工，但可加熱到高溫進行熱加工，可作建筑用的黃銅冷凝器，熱交換高溫進行熱加工，可作建筑用的黃銅冷凝器，熱交換器等。還有一種單相器等。還有一種單相黃銅黃銅H80，因色澤美觀，故多用，因色澤美觀，故多用于鍍層及裝飾品。于鍍層及裝飾品。 特殊黃銅特殊黃銅 在普通黃銅中加入在普通黃銅中加入Al、Sn、Pb、Si、bin、Ni等合金元等合金元素，會形成各種特殊黃銅，如鋁黃銅、錫黃

49、銅、鉛黃素，會形成各種特殊黃銅，如鋁黃銅、錫黃銅、鉛黃銅、錳黃銅等。這些元素的加入除提高合金的強度外，銅、錳黃銅等。這些元素的加入除提高合金的強度外，其中的其中的A1、Sn、Mn、Ni可提高黃銅的抗蝕性和耐磨性；可提高黃銅的抗蝕性和耐磨性；Si改善鑄造性能；改善鑄造性能；Pb可改善切削加工性能。生產中應可改善切削加工性能。生產中應用較多的是錳黃銅和鋁黃銅。用較多的是錳黃銅和鋁黃銅。 黃銅的自裂與脫鋅黃銅的自裂與脫鋅黃銅具有優良的抗腐蝕性，但經受冷變形的黃銅，由黃銅具有優良的抗腐蝕性，但經受冷變形的黃銅，由于殘留應力的存在，在潮濕的大氣中，或在氨和海水于殘留應力的存在，在潮濕的大氣中，或在氨和海

50、水的作用下，有時存放幾天會自行破裂，這種現象稱為的作用下，有時存放幾天會自行破裂，這種現象稱為黃銅的黃銅的“自裂自裂”。對于鋅含量在對于鋅含量在25w%以上的黃銅，更易出現這種以上的黃銅，更易出現這種“自自裂裂”。防止。防止“自裂自裂”的方法是將冷加工后的黃銅進行的方法是將冷加工后的黃銅進行低溫去應力退火（低溫去應力退火（250300保溫保溫1h以上）。以上）。 脫鋅是由于黃銅中鋅的電極電位很低，在酸性和鹽類脫鋅是由于黃銅中鋅的電極電位很低，在酸性和鹽類溶液中極易發生電化學腐蝕，致使電極電位低的鋅被溶液中極易發生電化學腐蝕，致使電極電位低的鋅被溶解，銅則形成多孔薄膜殘留在表面，使合金受到破溶解

51、，銅則形成多孔薄膜殘留在表面，使合金受到破壞。含鋅量越高，脫鋅腐蝕傾向越大。通常采用含鋅壞。含鋅量越高，脫鋅腐蝕傾向越大。通常采用含鋅量低于量低于15w的黃銅或加入少量的黃銅或加入少量(0.020.06w砷或鎂砷或鎂形成致密氧化鎂薄膜來避免之。形成致密氧化鎂薄膜來避免之。（2）青銅）青銅Cu-Sn合金呈青黑色而得名。現代工業把合金呈青黑色而得名。現代工業把Cu-Al、Cu-Be、Cu-Pb、Cu-Si等銅合金也稱為青銅，并通常在青等銅合金也稱為青銅，并通常在青銅合金前面冠以主要合金元素的名稱，如錫青銅、鋁銅合金前面冠以主要合金元素的名稱，如錫青銅、鋁青銅、釵青銅、硅青銅等。青銅、釵青銅、硅青銅

52、等。青銅的牌號以青銅的牌號以“青青”字漢語拼音的字頭字漢語拼音的字頭“Q”加加主要合主要合金元素的名稱及含量表示金元素的名稱及含量表示，鑄造青銅在牌號前面加，鑄造青銅在牌號前面加“Z”。 錫青銅錫青銅Sn含量含量6w%以下，室溫下為以下，室溫下為Sn溶入到溶入到Cu中的單相中的單相固溶體，有良好的塑性，用于壓力加工；固溶體，有良好的塑性，用于壓力加工；錫含量錫含量6w%時，合金組織中出現硬而脆的時，合金組織中出現硬而脆的相（它是相（它是以電子化合物以電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體），雖然強度還為基的固溶體），雖然強度還繼續升高，但塑性開始下降。宜用作鑄造合金。錫青繼續升高，但塑性開始下降

53、。宜用作鑄造合金。錫青銅的鑄造流動性較差，易形成分散縮孔，使鑄件的致銅的鑄造流動性較差，易形成分散縮孔，使鑄件的致密度下降，但合金的線收縮小，適于鑄造形狀復雜、密度下降，但合金的線收縮小，適于鑄造形狀復雜、尺寸要求精確但對致密度要求不太高的鑄件。尺寸要求精確但對致密度要求不太高的鑄件。當含錫量為當含錫量為20w%時，組織中出現大量的時，組織中出現大量的相，使合金相，使合金完全變脆，強度也急劇下降。完全變脆，強度也急劇下降。故工業用錫青銅的含錫量大多在（故工業用錫青銅的含錫量大多在（314）w%之間。之間。錫青銅還具有良好的抗蝕性、耐磨性。廣泛用于制造錫青銅還具有良好的抗蝕性、耐磨性。廣泛用于制造蒸汽鍋爐、海船的零構件，還用來制造軸承、軸套和蒸汽鍋爐、海船的零構件，還用來制造軸承、軸套和齒輪等耐磨零件。齒輪等耐磨零件。 鋁青銅鋁青銅 鋁青銅是銅與鋁形成的合金。鋁青銅是銅與鋁形成的合金。宜于冷加工的鋁青銅其鋁含量一般為（宜于冷加工