金属材料学第9章-铜合金.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,*,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,*,良,导电、导热性,无磁性,塑性、可焊性好,耐腐蚀好,化学活性低，且,CuO,膜有耐蚀性,铜,fcc,密度,8.94,熔点,1083,无晶形转变,环保材料,可再生,人体必需元素，抑菌作用,易切削、冷热加工成型性好,第,9,章 铜合金,一、,概述,1,、铜的基本性质,2,、铜的应用,由于自然铜的存在，铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一。,上左,:,编钟,上右,:,永乐大钟,下左,:,越王勾践青铜剑,由于铜优良的性能及美丽的色泽应用广泛。,电气、电子工业：,电缆、大规模集成电路、超导电线、超导电磁体,机械制造、运输车辆：,阀门、仪表、轴承、泵、热交换器,化学工业：,真空器、蒸馏锅、酿造锅,国防工业：,子弹、炮弹壳,建筑工业：,暖气管道、建筑材料以及装饰品,纯 铜,Cu 99%,，呈紫红色，又称,紫铜,。其牌号以汉语拼音字头“,T”,加数字表示，数字越大，杂质的含量越高，工业纯铜分为四种：,T1,、,T2,、,T3,、,T4,。纯铜用于制作导电、导热及兼具抗蚀性的器材,(,在大气、淡水中具有良好的抗蚀性，在海水中的抗蚀性较差,),。,3,、铜的分类,纯铜 形变退火 退火孪晶,铜合金,按化学成分：,黄铜：,Cu-,Zn,合金，称为普通黄铜，在此基础上添加其它,Me,称为特殊黄铜,青铜：,Cu-,Sn,(,或,Al,、,Si,、,B,e,、,Mn,、,Pb),合金，分别称为锡青铜（普通青铜）和无锡青铜（特殊青铜）,白铜：,Cu-,Ni,合金,按成型方法分：,变形铜合金和铸造铜合金,二、黄铜,黄铜是以锌为主要元素的铜合金。,牌,号,表,示,方,法,普通黄铜,：,H62,表示含,62%Cu,、,38%Zn,特殊黄铜,：用“,H”,加主添元素的化学符号再加铜含量和添加元素的含量表示。,如,HMn58-2,表示,58%Cu,，,2%Mn,，余量,Zn,铸造黄铜,:,用“,Z”,再加铜化学符号和主添元素化学符号及含量表示。,如,ZCuZn38,：,Cu,为基体元素，,Zn,为主要合金元素，,38,为锌的平均质量分数,1,、普通黄铜,组织,36%Zn,的合金为,单相,黄铜,，,36,46%Zn,合金为,+,双相黄铜,，,易热加工，为热加工黄铜。,普通黄铜的显微组织,单相黄铜,双相黄铜,(-,亮色；,-,暗色,),性,能,随,Zn,导电导热性，线胀系数,30%Zn,时,随,Zn,强度和塑性,达到最高值,;,32%Zn,时，由于出现脆性,相，,塑性，强度,在,45%Zn,时达最大值,铸态黄铜性能与锌含量关系,黄铜的自裂（季裂、应力腐蚀开裂）,零件冷压力加工（挤压、冲压、弯曲等）成型时，因,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。,防止,：,消除内应力的退火（如，弹壳在,250,300,保温,1h,以上）,影响,：含锌越高,应力腐蚀倾向越大；内应力越高，应力腐蚀倾向越大,形成原因,：脱锌,-,锌的电极电位远低于铜,所以在某些介质下优先溶解、腐蚀，留下空洞，降低合金强度。黄铜在海水中极易发生应力腐蚀开裂。,冷凝器管,2,、特殊黄铜,合金元素的锌当量,在铜锌合金中加入,Sn,、,Mn,、,Al,、,Ni,、,Si,、,Pb,等合金元素，合金元素都能固溶于铜中，替代了一部分,Zn,，通常只是使,Cu-Zn,状态图中的,、（,+,）相区相图位置和组织产生影响，改变了,与,的组成比例，起到增,Zn,或减,Zn,的作用。相当于普通黄铜中增加或减少了锌含量的组织。用,Zn,当量来估计特殊黄铜的组织。,锡黄铜,锡黄铜在普通黄铜中,+0.51.5%Sn,。,作用,：抑制脱,Zn,，提高耐蚀性。并使黄铜,强度和硬度，改善切削加工性。,锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制,造工业,，,如冷凝管、船舶零件、船舰焊接件的,焊条等，故有,海军黄铜,之称。,铝黄铜,黄铜中加入少量铝（,0.73.5%,）,作用,：在表面形成致密和牢固的,Al,2,O,3,膜，,耐蚀性。细化晶粒，硬度和强度。但,2%Al,时塑韧性。,含,2%Al,、,20%Zn,的铝黄铜具有最高热塑性，,所以,HAl77-2,合金得到广泛应用。,含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力,腐蚀倾向，必须进行充分低温退火加以消除。,镍黄铜,作用,：镍扩大,相区，故双相黄铜添加适,当的镍可转变为单相黄铜。镍能强度、韧,性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热加工。镍对脱,Zn,应力腐蚀起稳定作用，可显著提高黄铜在大气和海水中的耐蚀性。,可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等，,还可作锡磷青铜的代用品,。,铅黄铜,Pb,实际不溶于黄铜。,HPb74-3,是单相,铅黄铜，铅呈细小质点分布在晶界；,HPb59-1,是双相（,+,）铅黄铜，切削性特别好，称为,易切黄铜,，有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性。广泛用作钟表机芯的基础部件和汽车、拖拉机等机械零件如衬套、螺钉、电器插座等。,汽车机油泵衬套,锰黄铜,Mn,细化晶粒，不降低塑性的前提下，提高强度和耐蚀性。,铁黄铜,Fe,细化铸造组织，抑制退火晶粒长大，有析出强化效果，提高强度和改善减摩性。,3,、黄铜的热处理,普通黄铜不能固溶强化，不能热处理强化。,普通黄铜热处理类型：再结晶退火和去应力退火。,黄铜铸态组织：树枝晶,黄铜,形变及再结晶退火组织,三、青铜,东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）,青铜最早是指铜锡合金，现代含铝、硅、铍、锰和铅的铜基合金，也称青铜。,香港大屿山天坛大佛,(,高,26.4m),（,250,多吨青铜,+400,公斤黄金）,20,世纪,90,年代初竣工锡青铜 世界上最大的露天,释迦牟尼,青铜像,牌,号,表,示,“Q”,加上第一个主加元素化学符号及,含量再加上其它合金元素含量。,如,QSn4-3,为含,4%Sn,，,3%Zn,锡青铜；,铸造青铜：“,Z”,表示铸造，“,Cu”,表示,铜基体。如,ZCuPb30,表示铸造铅青铜，,铅的平均质量分数为,30%,1,、铜锡二元合金,锡青铜中的相,相,：,Cu,基固溶体，,fcc,结构，塑性好。,相,：,Cu,5,Sn,电子化合物为基的固溶体，高温下稳定，有热塑性，温度下降立即分解。,相,：,CuSn,化合物为基的固溶体，硬而脆，高温相，温度下降立即分解。,相,：,Cu,31,Sn,8,电子化合物，硬而脆，后续共析反应较慢，为室温相。,相,：,Cu,3,Sn,难以出现。,、,、,相提高合金的强度、耐磨性能，降低塑性。,铜锡二元合金相图铜端,锡青铜铸造组织金相图,组织：,树枝晶,+,（,+,）共析体,ZCuSn10,铸态,+,（,+,）共析,Sn,对锡青铜力学性能的影响,通过固溶强化、第二相强化提高强度、硬度和耐磨性。,Sn,强度，当,Sn,6%,后，,伸长率,;Sn,20%,，出现大量,相，合金变脆，强度。因此，工业用,Sn,青铜的,Sn,含量均在,314%,之间。,Sn,78%,的合金，有高的塑性和强度，适用于塑性加工；,含,Sn,10%,的合金，因塑性低，只适用于铸造用。,铸态锡青铜力学性能与,Sn,含量的关系,Sn,对锡青铜耐蚀性能的影响,锡青铜显微组织中的,和,相有相近的电极电位,所以微电池作用甚微。另外,铸造锡青铜表面能形成致密的,SnO,2,薄膜,有很好的保护作用,因此在泵、阀、给排水管路和船舶器件中广泛应用，在大气、海水、淡水、蒸气中的耐蚀性都较高。但在氨水和酸性介质中易腐蚀。,Sn,对锡青铜铸造性能的影响,锡青铜的结晶温度间隔很大，易形成疏松，得不到致密铸件；流动性差，易产生偏析，铸造性能差。但凝固时体积收缩小，充满型腔的能力强，可用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件。,锡青铜的反偏析,(,锡汗,),锡青铜铸件浇注后尚未完全凝固时，在枝晶结晶骨架存在低熔点富锡相，在铸件收缩力的作用下，被挤出铸件表面或皮下造成“锡汗”。是铸件凝固温度范围较宽所决定的。,左图箭头所指灰色处为反偏析区，,Sn,含量高达,11%,以上，而锭中心只有,5.86%,。右图表面为“出汗”形成的偏析瘤,QSn7-0.2,半连续铸造锭坯横截面（左）和外表面（右）,其它元素在锡青铜中的作用,P,：脱氧；降低熔点，改善铸造性能；提高弹性极限和疲劳极限，用于制备弹簧元件。,P,0.3%,，产生低熔点的磷共晶,(+Cu,3,P),，产生热脆。,Pb,：以夹杂存在，提高耐磨性，降低力学性能。,ZCuSn5Pb5Zn5,滑动轴承材料。,Zn,：固溶强化，节约,Sn,；缩小结晶温度区间；脱氧去气。,2,、铝青铜,特,点,强度和耐蚀最好,，应用广泛。是锡青铜的重要代用品，但铸造性和焊接性较差。,铝,作,用,通过固溶强化、第二相强化，,强度、硬度，高于黄铜和锡青铜；耐磨性好。,在表面形成,Al,2,O,3,，,耐蚀性，超过锡青铜。,凝固范围，,流动、偏析，,集中缩孔。但易形成,Al,2,O,3,夹杂。,应,用,铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐蚀和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及船舶制造中的特殊设备等,含,Al,量对铝青铜力学性能的影响,Al,强度、塑性提高。,Al78%,，塑性急剧降低，,Al1011%,，强度降低。,故压力加工铝青铜：,Al 57%,；铸造铝青铜：,Al712%,。,3,、铍青铜,铍青铜是加入,1.52.5%Be,的铜合金，除,Be,外，还加入镍、钛、镁等合金元素。常用,QBe2,、,QBe1.9,。,性,能,特,点,唯一可固溶、时效强化，性能最好的一种铜合金。,具有很高的强度、弹性、耐磨性、耐蚀性及耐低温性，良好的导电、导热性，无磁性、受冲击时不产生火花。,淬火状态塑性,好,，可冷加工成管、棒、带材等各种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能提高强度（,b,可,1200MPa,），而且能,p,。,媲美高强度合金钢。,特别适用于,仪表弹簧,，高速、高温、高压下工作的,轴承等耐磨零件，防爆工具等。,处,理,特,点,固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体，,时效强化。铍青铜淬火时,必须严格控制加热温度,。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富铍相不能充分溶解，沉淀硬化能力,普通白铜是,Cu-Ni,二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。,普通白铜牌号：,B+,镍的平均百分含量，如,B5,。,常用牌号有,B5,、,B19,等。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,热交换器等。,四、白铜,以,Ni,为主要合金元素的铜合金。,分普通白铜和特殊白铜。,核潜艇用白铜管,小 结,铜合金中固溶强化的合金元素主要是锌、铝、锡、锰、镍等。许多元素在固态铜中的溶解度随温度降低而急剧减小，如铍、钛、锆、铬等，因而它们具有时效强化效果。,过剩相强化在铜合金中的应用也较普遍。黄铜和青铜中的,Cu,31,Sn,8,等相均产生过剩相强化作用。,由于锌在铜中的固溶度随温度降低而增大，故黄铜不能热处理强化。黄铜常用的热处理是去应力退火和再结晶退火。此外，一般青铜也不能热处理强化，但铍青铜经过固溶处理并时效后，强化效果十分显著,。,黄铜,普通,黄铜,特殊,黄铜,金色,黄铜,：,H96;,弹壳,:H70;,商业,：,H62,32%Zn,+,海军黄铜：,HSn70-1,耐腐蚀性好,易切黄铜：,HPb59-1,可切削性好,商业黄铜：,HAl77-1,热塑性好,青铜,锡,青铜,铝,青铜,铍,青铜,67,%,Sn,，压力加工；,1014,%,Sn,，铸造,.,铸造性比黄铜差，耐蚀性比黄铜好,.,+P,、,Zn,、,Ni,等元素，为多元,锡青铜,.,如,QSn4-3:Sn-4%,左右,Zn-3%,左右,大部分多元：,(Cu,、,Al)+(Mn,、,Fe,、,Ni),等,.,如,Q Al9-2,，,+2%,左右,Mn,比黄铜,锡青铜有更,高强度和硬度，更好的耐磨性和耐蚀性，塑性较差。,如,QBe2.,具有高,b,p,耐磨，抗蚀，受冲击无火花。经淬火时效后，,b,可达,1200MPa,白铜,