第九章 非铁(有色).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 非铁（有色）金属及合金,第一节 铝及其合金,第二节 铜及其合金,第三节 镁及其合金,第四节 钛及其合金,第五节 滑动轴承合金,第六节 其它新型合金,一、铝及其合金的性能特点,密度小，比强度高（强度与密度之比）。,2.78g/cm,3,加工性能良好。（丝、线、箔、片、棒、管）,具有优良的物理、化学性能。,具有良好的导电、导热性和抗大气腐蚀性。,第一节,铝及其合金,工业纯铝,L1,L5，,做散热器、器皿、导线、铝箔等。,力学性能,:,工业纯铝的强度和硬度都很低，,难以作为工程结构材料使用。,b,=80100,MPa,=3050%,铝合金分类：,变形铝合金,通过压力加工制成铝型材,铸造铝合金,Al-Si,、,Al-Cu,、,Al-Mg,、,Al-Zn,等系列,二、铝合金的强化,（,一）时效强化,时效强化,是强化有色金属的重要方法之一。,固溶处理,将合金加热到单相，经过保温后淬火得到过饱和固溶体。,2.,时效处理,加热到一定温度（低于溶解度）保温一定时间,含,4%Cu,的铝合金自然时效曲线,（,二）细晶强化,方法,1,改善冷却条件，提高冷却速度，增加过冷度。,方法,2,变质处理,在,Al-Si,合金中加入,Na,（,盐）或,Ti,、,B,粗大针状共晶,Si,初晶,(,+,),共晶,三、铸造铝合金及其热处理,1,、,Al-Si,系合金,（硅铝明）,ZAlSi12,（,ZL102,）,ZAlSi5Cu1Mg,（,ZL105,）,铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小）。,变质处理 显著提高力学性能,活塞,(,裙部为铝硅合金,),活塞,(,裙部为铝硅合金,),工业上使用最广泛的铸造铝合金，,2,、,Al-Cu,系合金,ZAlCu5Mn,（,ZL201,）、,ZAlCu4,（,ZL203,）,汽缸头,铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。,3,、,Al-Mg,系合金,ZAlMg10,（,ZL301,）,鼓风机用密封件,(ZL102),及抗空架件,(ZL301),是铸造铝合金中密度最小、耐蚀性最好、强度最高的,铸造铝合金。,常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头。,4,、,Al-Zn,系合金,ZAlZn11Si7,（,ZL401,）,性能、用途和热处理见表,8-2,和表,8-3,（自学）,大型空压机活塞,(ZL401),最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。,ZL401,主要用于工作温度不超过,200,、形状复杂、受力不大的零件。,四、变形铝合金,（,一）,Al-,Mn,、,Al-,Mg,（,防锈铝合金,）,3A21,、,5A05,主要采用固溶强化，时效强化效果极弱。,耐腐蚀性较好。,做油箱、油管、铆钉、飞机蒙皮。,（,二）,Al-,Cu,-Mg,（,硬铝合金,）,2A11,、,2A12,采用自然或人工时效，,时效析出,CuAl,2,、,CuMgAl,2,做螺旋桨叶片、支柱、飞机翼梁、翼肋，目前最重要的飞机结构材料。,飞机翼梁,(,腹板为硬铝合金,),（,三）,Al-Mg-,Zn,-Cu,（,超硬铝合金,）,7A04,人工时效 析出,CuAl,2,、,CuMgAl,2,、,MgZn,2,、,Al,2,Mg,3,Zn,3,变形铝合金中强度最高的一类铝合金，,做飞机大梁、起落架。,（,四）,Al-,Mg-Si,-Cu,、,Al-,Cu,-Mg-Ni-Fe,（,锻造铝合金,）,6A02,、,2A50,、,2A14,具有良好的热塑性,，,通过固溶处理和人工时效,来提高铝合金的力学性能。,做形状复杂、受力较大锻件。,飞机主起落架,管材,压铸品,门窗,铸造铝合金的应用,一、工业纯铜,主要特点：,导电、导热性好，强度低、塑性好,牌号：,T1,T3,主要用途：,电工元件,第二节,铜及其合金,纯铜管,二、铜合金的强化机制,（,一）固溶强化,Zn,、,Al,、,Sn,、,Ni,等。,（二）时效强化,Be,、,Ti,、,Zr,、,Cr,等。,（三）过剩相（第二相）强化,加入的合金元素超过其溶解度后便会出现过剩相,，如,CuZn,、,Cu,31,Sn,8,、,Cu,9,Al,4,等。,三、黄铜,以,Zn,为主要合金元素的铜合金称为,黄铜。,分为,简单黄铜,与,复杂黄铜,简单黄铜,或,普通黄铜,：只含,Zn,的黄铜,牌号,H96,（,含铜,96%,）,法兰阀,闸阀,H62,双相黄铜 退火,白,+,黑,H70,单相黄铜 退火,500,30,40,50,60,70,0,400,300,200,100,0,10,20,50,40,30,20,10,50,60,70,80,90,100,110,40,HB,+,b,b,(Mpa,),(%),HB,黄铜的力学性能与含锌量的关系,注：工业黄铜的,Zn,含量一般不超过,W,Zn,47,铸造黄铜如,ZCuZn38,用途见表,8-8,复杂黄铜,或,特殊黄铜：,除,Zn,外，还含有其它合金元素,Al,、,Fe,、,Si,、,Cr,、,Ni,、,Sn,、,Mn,等,元素,的黄铜。,牌号,:,H,Al,59,-,3,含铝量,W,Al,=3%,含铜量,W,Cu,=59%,含锌量,W,Zn,=38%,主加元素,冷凝器管,四、青铜,青铜,原指,Cu-,Sn,合金,，现在指,Cu,中加,Al,、,Si,、,Pb,、,Be,、,Mn,等为主加元素的铜基合金。,青铜包括：,压力加工锡青铜,铸造锡青铜,特殊青铜,详见表,8-9,青铜牌号的表示方法,Z,Q,Sn10,1,其它合金元,素含量为,1%,主,加元素锡其含,量为,W,Sn,=10%,青铜,铸造,QAl10,铸态,(,白色,)+(,+,2,),共析,(,黑色,),ZQSn10,铸态,+,（,+,）,共析,（,+,）,共析,（,+,2,）,共析,司母戊鼎是商后期,(,约公元前,14,世纪至公元前,11,世纪,),铸品,原器,1939,年,3,月出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟,重达,832.84,公斤,高达,133,厘米,是迄今为止出土的最大最重的青铜器。司母戊鼎初为乡人私自挖掘,出土后因过大过重不易搬迁,私掘者又将其重新掩埋。司母戊鼎在,1946,年,6,月重新出土。,经测定,司母戊鼎含铜,84.77%,、锡,11.64%,、铅,27.9%.,第三节 镁及其合金,一、镁及其合金的性能特点,镁的密度小（,1.74/cm,3,），是铝的,2/3,，钢的,1/4,。,比强度和比刚度高。优于钢和铝合金。,优良铸造性能。,阻尼减震性能好。,导电导热性好。,切削加工性能好。,电磁屏蔽性能好。,耐蚀性差。,二、镁合金的分类,铸造镁合金：,ZM,变形镁合金：,MB,按成型工艺,按化学成分：,Mg-Al,、,Mg,Mn,、,Mg,Zn,、,Mg,Re,、,Mg,Li,等合金,其中,Mg-Al,合金应用最为广泛，在此基础上形成一些三元合金：,AZ,（,Mg,Al,Zn,）、,AM,（,Mg,Al,Mn,）、,AS,（,Mg,Al,Si,）、,AE,（,Mg,Al,RE,）,二、变形镁合金,（一）,Mg,Mn,系合金,MB1,高温塑性好，可生产板材、棒材、型材和锻件。用于制造形状简单、受力不大的,高抗蚀性,零件。,MB2,用于生产形状较复杂的锻件和模锻件。,MB8,（在,MB1,基础上加入稀土,Ce,元素）室温和高温强度提高，同时保持了,MB1,合金的耐蚀性和焊接性。,用于制造飞机蒙皮、壁板及内部构件。,（二）,Mg,Zn,Zr,系合金,15,、,22,、,25,。,15,可通过固溶、时效处理进行强化，为高强度镁合金。用于制造形状复杂的大型构件，如飞机上的机翼翼肋等，使用温度小于,150,22,、,25,是,在,15,中加入了稀土元素，用于制造飞机受力构件。,（三）合金,使用温度超过,200,，加入的稀土元素有、等，或加入混合稀土，可提高镁合金的室温和高温力学性能。,（四）合金,超轻高比强合金，,用于制造计算机壳体、导弹发射装置上部分瞄准装置材料、航空器部件。,三、铸造镁合金,（一）系合金,系合金晶粒容易长大，加入可细化晶粒，提高镁合金蠕变能力，以满足航空和航天工业的需要。可通过时效处理来强化。,制造飞机发动机和导弹的各种铸件。,常用牌号：,1,、,2,（二）,一般铝含量要高于,7,才能保证合金有足够高的强度,牌号：,A,91,、,AZ81,A,88,用于制作压铸件。,常用,5,，制造飞机机舱连接隔框、发动机、仪表上的结构件。,（三）系合金,应用于高温。,200,300,具有良好的高温强度。,22,（,2.5,0.7,）,制造飞机起落架等部件。,Ag,Nd,含,Nd,约,2,含,Ag,约,2,（四）系合金,21,（,2.5,1,1,0.7,）,提高镁合金的抗蠕变性，但具有放射性。,Th,第四节,钛及其合金,密度较小（,4.5g/cm,3,），比强度,（抗拉强度密度）,高。,极高的抗腐蚀性能。,价格昂贵。,一、钛及其合金性能特点,同素异构转变,882,时，密排六方,-,Ti,-,Ti,（,体心立方）。,（一）工业纯钛,99.099.5%Ti,牌号,工业纯钛,TA1,TA3,主要用于飞机蒙皮、构件和耐蚀的化学装置，海 水淡化装置等。,（,二）,型钛合金,主加元素：,Al,、,Sn,、,Zr,，,牌号：,TA6,（,Ti-5Al,）、,TA7,（,Ti-5Al-2.5Sn,）,室温为单相相（密排六方结构）。,不能通过热处理提高强度。,室温强度低。,通常用作耐热材料和耐蚀材料，如导弹燃料罐。,二、常用钛合金,（,三）（,+,）型钛合金,相,体心立方结构，塑性比好。,牌号：,TC4,（,Ti-6Al-4V,）、,TC2,（,Ti-3Al-1.5Mn,）,可热处理强化，但焊接性能较差。,常用来制造航空发动机压气机盘和叶片以及火箭液氢燃料箱部件等。,（,四）,型钛合金,合金元素：,W,、,V,、,Cr,牌号：,TB2,（,Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al,）,有较高的强度和优良的冲压性能，可通过淬火和时 效进一步强化。,合金通常作高强度高韧性材料使用。,用于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载荷零件,钛飞船,一种叫“超声波电解水洗衣机”，无须使用洗衣粉就可以洗干净衣物。而这种新颖洗衣机使用由表面涂有金属钛制成的电极作为阳极和阴极，并在其间保持一定电压。水被电解并产生活性氧和次氯酸，既可以将有机物系列的污垢分解成水和二氧化碳，又具有除菌效果，可以使附着在衣服上的霉菌失去活性，很受消费者的欢迎。,近年来，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。,据有关专家介绍，钛是难熔金属中的轻金属，密度为,4.5,克，只有铁的,57%,。钛合金的强度可与高强钢相媲美，同时具有很好的耐热和耐低温性能，某些钛合金能在,450-550,之间和零下,250,下长期工作。钛具有很好的耐盐类、海水和硝酸腐蚀的能力，,30,合金更是能耐高浓度盐酸和硫酸的腐蚀。钛合金的这些优点，使钛当之无愧的被称之为太空金属、海洋金属。无疑，钛是继钢铁、铝之后崛起的“第三金属”，,21,世纪将是“钛的世纪”。,第五节,（,滑动）轴承合金,用来制造,轴瓦,及其,内衬,的合金称为轴承合金。,良好的耐磨性。有色金属,+,硬质点,足够的抗压强度和疲劳强度。,良好的跑合性。软基体,耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数。,良好的工艺性能。,一、对性能要求,内燃机轴瓦,锡基轴承合金是在锡锑合金基础上添加一定数量的铜，又称为,锡基巴氏合金,。,相,是锑溶于锡中的固溶体，其硬度为,30HBS,左右，是,软基体,。,相,是以化合物,SnSb,为基的固溶体，其硬度为,110HBS,左右，为,硬质相,。,使用温度不超过,150,。,二、锡基轴承合金,牌号：,ZChSnSb11,6,铸,承,基本元素,主加元素,W,Cu,为,6,W,Sb,为,11,组织：软基体（,）硬质点（,）,Cu,3,Sn,注：加入,Cu,是为了阻止密度小的,上浮形成偏析，还可起到硬质点的作用。,ZChSnSb11-6,铸态,黑,+,白方块,+Cu,3,Sn,（白色枝晶）,性能：,减摩性、耐蚀性、导热性和韧性都比较好，但疲劳强度比较低，工作温度不能超过,150,。适于制作中等载荷的汽车、拖拉机等高速轴的轴瓦。,包括：,Al-,Sn,、,Al-,Sb,、,Al-C,（,石墨）,（一）,Al-,Sn,6095%Al,，,是在硬基体,Al,上分布软质点（,Sn,）。,在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。,（,二）,Al-,Sb,4%Sb+0.30.7%Mg,软基体,固溶体上,分布硬质点（,AlSb,）,三、铝基轴承合金,（,三）铝,-,石墨 石墨起减磨和润滑作用。,铝基轴承合金价格低廉，密度小，导热性好，疲劳强度高，抗蚀性好，并且原料丰富，目前已广泛用于高速、高负荷下工作的轴承。,青铜和黄铜都可使用，详细见表,8-12,。,四、铜基轴承合金,Cu,基轴承合金,做大载荷、高速轴承。,Pb,青铜：,ZCuPb30,，,Cu,硬基体,Pb,软质点。,Sn,青铜,：,ZCuSn10P1,，,软基体（,Cu,3,P,）硬质点。,第五节其它新型合金,非晶态合金,纳米材料,梯度材料,形状记忆合金,储氢合金,一、非晶态合金（金属玻璃）,性能：,高强度、硬度和断裂韧性、良好的软磁性及耐蚀性,制备方法：,1,、由气相直接凝聚成非晶态固体。,2,、由液态快淬获得非晶态固体。,3,、由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料。,缺点：,目前只能制成粉末、丝、带、片等，而且容易晶化。,二、纳米材料,具有,小尺寸效应,、,表面与界面效应,、,量子尺寸效应,。,制备方法,：惰性气体沉积法、还原法、化学气相沉积法。,纳米材料分为两个层次 ：,纳米超微粒子,与,纳米固体材料,。,纳米超微粒子，,指的是粒子尺寸为,1,100nm,的超微粒子；,纳米固体材料，,指的是由纳米超微粒子制成的固体材料。,1,纳米材料,纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。纳米材料结构的特殊性,如大的比表面以及一系列新的效应,(,小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应,),决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光学性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。,0,2,4,6,8,10,m,m,用,AFM,机械刻蚀原理刻写的亚微米尺寸的唐诗,STM,技术在,Si(111),面上形成的“中国”字样,。,最邻近硅原子间的距离为,0.4nm,。,纳米量级结构,的制作是纳米技术的关键技术之一。,我国,SPM,系统在,Au-Pd,合金膜表面上机械刻画出的最小线宽为,25nm,。,最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德,费恩曼。纳米科技的迅速发展是在,80,年代末、,90,年代初。,80,年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器,扫描隧道显微镜,(STM),、原子力显微镜,(AFM),等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。,作为纳米科技重要研究手段的,SPM,也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。所谓“眼睛”，即可利用,SPM,直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。所谓“手”，是指,SPM,可用于移动原子、构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。,神奇的纳米碳管,它的密度是钢的,1/6,，而强度却是钢的,100,倍。,用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米。,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵,48,个原子，使它们排成圆形。,三、梯度材料,依据使用要求，,选择两种不同性能的材料，,采用先进的材料复合技术，,使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面,，从而,使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化,的一种新型复合材料。,显著特点,是克服了两种材料结合部位的性能不匹配，同时材料两侧具有不同的功能。,制备方法,有化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法等。,应用：,航天飞机的超声速燃烧冲压式发动机（金属陶瓷）,四、形状记忆合金,形状记忆效应,：一定形状的合金在某种条件下经塑性变形，然后加热至该材料的某一临界温度以上时又恢复其原来形貌的现象。,如,Ti-Ni,、,Au-,Cd,、,Cu-Zn-,Sn,在马氏体相变中,具有形状记忆效应，即马氏体相变具有可逆性。,属于热弹性马氏体相变。,形状记忆效应有三种形式：,单向形状记忆效应、双向形状记忆效应、全方位形状记忆效应,五、储氢合金,以,金属氢化物,的形式吸收氢，加热后又能释放氢的金属。,实用的储氢材料应具备如下条件：,1,、吸氢能力大，且吸氢、释氢速度快。,2,、金属氢化物的生成热要适当。,3,、化学稳定性好。,4,、价格便宜。,储氢材料：,1,、镁系合金,最早的储氢材料，储氢量大、重量轻，价格低，,但分解温度高，吸氢速度慢。,2,、稀土系合金,LaNi5,，室温可活化、吸氢放氢容易，但成本高。,3,、钛系合金,TiFe,系和,TiMn,系,应用：氢的储存、净化和回收；,氢燃料发动机、氢气静压机,The End,of Chapter 9,