3金属材料--有色金属及其合金(课堂PPT).ppt

第三章 金属材料,3.1,碳钢,3.2,合金钢,3.3,铸钢与铸铁,3.4,有色金属及其合金,黑色金属,1,3.4,有色金属及其合金,3.4.1,铝及铝合金,3.4.2,铜及铜合金,3.4.3,钛及钛合金,3.4.4,轴承合金,2,3,特性：,(1),密度小,(2.7g/cm,3,),、比强度高,(2),有优良的物理、化学性能,导电性好，抗大气腐蚀能力好,(Al,2,O,3,),，磁化率极低,良好的低温性能,(,纯铝,-235,塑性和冲击韧度也不降低,),(3),加工性能良好,铝,(FCC,=3050%,=80%),及铝合金,(,退火状态,),的塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。,超高强铝合金成型后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。,3.4.1,铝及铝合金,4,一、纯铝,分类,:,高纯铝：,L05L01,，数字越小，纯度越低,工业高纯铝,：,L0,，,L00,，“,0”,个数增加，纯度降低,(,LG5,LG1,),工业纯铝：,L1L7,，数字越大，纯度越低,用途：,高纯铝主要用于科学研究及制作电容器,;,工业高纯铝的主要用途是配制铝合金,;,工业纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等,。,5,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性,铝合金常加入的元素主要有,Cu,、,Mn,、,Si,、,Mg,、,Zn,等,美,F-117,隐身战斗机,(,所用材料大部分是铝合金,),二、铝合金,6,1,、铝合金的分类及强化机制,变形铝合金：,D,点以左，,加热时能形成单相固溶体组织，塑性好，适于变形加工,Al-F,不可热处理强化,F-D,可热处理强化,铸造铝合金：,D,点以右，,由于冷却时有共晶反应发生,流动性较好,适于铸造生产,1),铝合金的分类,7,将成分位于相图中,D,F,之间的合金加热到固溶线以上，保温获得单相,后迅速水冷，得到过饱和的,固溶体,（,2,）时效强化（第二相强化）,在,室温,下放置或,低温加热,时，,强度和硬度会明显升高,。这种现象称为时效或时效硬化。,2,）铝合金的强化机制,（,1,）固溶处理,时效的条件：,合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,8,时效规律,时效,温度越高,强度峰值越低,强化效果越小,;,时效,温度越高,时效速度越快,强度峰值出现所需时间越短,;,低温,使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性,抑制时效的进行,。,含,4%Cu,的,Al-Cu,合金的自然时效曲线,含,4%Cu,的,Al-Cu,合金不同温度下的时效曲线,Al-Cu,合金相图,CuAl,2,9,回归,一切能时效硬化的合金都有回归现象。,自然时效后的铝合金在反复回归处理和再时效时强度有所降低。,时效后的铝合金可在,回归处理后的软化状态进行各种冷变形,。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。,自然时效后的铝合金,在,230,250,短时间,(,几秒至几分钟,),加热后,快速水冷至室温时,可以重新变软,。如再在室温下,放置,则又能发生正常的自然时效,。这种现象称为回归。,10,2,、变形铝合金,GB 3190-82,中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为,:,防锈铝合金：,LF+,序号,硬铝合金：,LY+,序号,超硬铝合金：,LC+,序号,锻铝合金：,LD+,序号,11,（,1,）防锈铝合金,Al-Mn,系 和,Al-Mg,系合金,Mg,：固溶强化，降低密度，抗腐蚀,Mn,：固溶强化，抗腐蚀,高的塑性，低中等强度，优良的抗腐蚀及焊接性能,不能进行热处理强化，退火,/,冷作硬化态使用。,LF21,（,3A21,）,(Al-Mn,合金,),用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。,LF5,（,5A05,）,(Al-Mg,合金,),用于焊接,容器,、管道，以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。,12,（,2,）硬铝合金（,Al-Cu-Mg,系）,可时效强化，亦可形变强化,Cu,、,Mg,强化相，,Mn,耐蚀性,强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,低合金硬铝,2A01(LY1),：,Mg,、,Cu,含量较低,塑性好,强度低。时效强化。常称,铆钉硬铝,。,标准硬铝,2A11(LY11),：,合金元素中等，强度和塑性中等。退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和,螺旋浆叶片,及大型铆钉等重要零件。,高合金硬铝,2A12(LY12),：,合金元素较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作,航空模锻件,和重要的销、轴等零件。,13,（,3,）超硬铝合金（,Al-Mg-Zn-Cu,系）,牌号有,7A04(LC4),、,7A09(LC9),等。,固溶处理和人工时效,强度最高的铝合金,。,抗蚀性较差,，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。,超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。,飞机用座椅轨道及航空零件,飞机前起落架,14,(4),锻铝合金（,Al-Mg-Si-Cu,或,Al-Cu-Mg-Ni-Fe,系）,牌号,2A50(LD5),、,2A70(LD7),、,2A14(LD10),合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。,固溶处理和人工时效。,这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件,15,变形铝合金的主要牌号、成分、机械性能及用途,16,3,、铸造铝合金,2),性能特点,良好的铸造性能,力学性能不如变形铝合金,成本较低,3),应用：适合于形状复杂的零构件、箱体、壳体、活塞等,1,）分类及牌号,铝合金发动机缸体和缸盖,17,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。,组织,变质前，共晶体（粗针状,Si +,基体）,+,初晶,Si,变质后，共晶体（细点状,Si +,基体）,+,初晶,ZL102,的铸态组织，未变质，,500,变质处理后，,100,Al-Si,铸造铝合金（硅铝明）,18,3.4.2,铜及铜合金,铜及铜合金有下列特性：,(1),优异的物理、化学性能,导电性、导热性极佳；对大气和水的抗蚀能力很高；铜是抗磁性物质。,(2),良好的加工性能,塑性加工性能优良，容易冷、热成型；切削加工性能优良，铸造铜合金有很好的铸造性能；焊接性好。,(3),某些特殊机械性,例如优良的减摩性和耐磨性,(,如青铜及部分黄铜,),，抗卡咬，高的弹性极限和疲劳极限,(,如铍青铜等,),，弹性稳定。,(4),色泽美观,19,一、纯铜（紫铜）,FCC,，无同素异构体，,牌号,T1T4,，,编号越大，纯度越低。,纯铜主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低,不宜作结构材料。,纯铜管,20,（）黄铜,Cu-,Zn,系合金,普通黄铜：,单相黄铜,如,H80,，含,80%,Cu,，单相,，塑性好，可冷成型,双相黄铜,如,H62,，,+,，可热变形,二、铜合金,铜,+,合金元素铜合金,黄铜、青铜和白铜,21,(a),单相黄铜,Cu-Zn,合金的显微组织,(b),双相黄铜,+,组织,工业黄铜的实际锌含量多,47,，其退火组织可以是单相,或双相,+,。,22,代号,化学成分,%,机械性能,Cu,Zn,加工状态,b,MPa,%,HB,H96,9597,余量,退火,250,35,H80,7981,余量,退火,270,50,H68,6770,余量,退火,300,40,H59,5760,余量,退火,变形,300,420,25,5,103,牌号、性能、用途,单相黄铜,H80,、,H70,、,H68,塑性很好，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。,双相黄铜,H62,、,H59,可进行热变形，常热轧成棒材、板材。可铸造。,23,复杂黄铜,改善,Cu-Zn,合金的耐蚀性、机械性能。,组,别,代,号,主要化学成分,%,机械性能,(,变形,),Cu,其它,b,MPa,%,HB,Pb,黄铜,HPb 63-3,HPb 60-1,62.065.0,59.061.0,Pb 2.43.0,Pb 0.61.0,600,610,5,4,Sn,黄铜,HSn 90-1,HSn 62-1,88.091.0,61.063.0,Sn 0.250.75,Sn 0.71.1,520,700,5,4,148,Al,黄铜,HAl 77-2,76.079.0,Al 1.82.6,650,12,170,Si,黄铜,HSi 65-1.5-3,63.566.5,Si 1.02.0,Pb 2.53.5,600,8,160,Mn,黄铜,Fe,黄铜,HMn 58-2,HFe 59-1-1,57.060.057.060.0,Mn 1.01.2,Fe 0.61.2,700,700,10,10,175,160,Ni,黄铜,HNi 65-5,64.067.0,Ni 5.06.5,700,4,钟表,海船,海船,船舶及化工机械,编号：,H+,主加元素符号,+,铜质量分数,+,主加元素质量分数,24,黄铜制品,25,压力加工青铜,Sn,青铜,如,QSn4-3,，含,4%Sn,、,3%Zn,，其余为,Cu,。做轴承、弹簧等。,Al,青铜,如,QAl 10-3-1.5,，做耐蚀、抗磨的齿轮、轴套等,Be,青铜,如,QBe2,，做重要弹簧，高速轴承等。,铸造青铜,如,Sn,青铜，,ZCuSn10Zn2,。,（,2,）青铜,Cu-Sn,系合金,船用青铜软管快速接头阀,(,锡青铜阀体、阀盖,),26,（,3,）白铜,Cu-Ni,系合金,以,镍,为主要合金元素，,B,（白）,+,镍质量分数，例,B19,铜、镍无限固溶，单相,，,可冷、热变形，较好的强度和优良的塑性。它的抗蚀性很好，电阻率较高。,用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。,27,3.4.3,钛及钛合金,钛及钛合金具有,密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀,以及良好,低温韧性,等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。,但目前钛及钛合金的,加工条件复杂，成本较昂贵,。,美,F-22,战机约,36%,重量的零件用钛合金制造,28,纯钛,性能：,银白色，熔点,1680,，密度,4.54 g/cm,3,，比铝大但比钢轻,43%,。钛有很好的强度，约为铝的,6,倍，所以,钛的比强度（强度,/,相对密度）在结构材料中是很高的,。,钛的,抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢,。,晶体结构,同素异构转变,882.5,时，,密排六方,-Ti,-Ti,（体心立方）,牌号及用途,工业纯钛,TA1,TA3,，编号越大杂质越多,纯钛可制作在,350,以下工作的、强度要求不高的零件。,29,合金元素溶入,-Ti,中，形成,固溶体，,溶人,-Ti,中形成,固溶体。,二、钛合金,铝、碳、氮、氧、硼等为,稳定化元素。,铁、钼、镁、铬、锰、钒为,稳定化元素分类：,a,钛合金、,钛合金和,(a+),钛合金,。,牌号分别以,TA,、,TB,、,TC,加上编号来表示。,30,钛中加入,铝、硼,等,稳定化元素获得,钛合金。,钛合金的,室温强度低于,和,(a+,),钛合金,，但,高温,(500,一,600),强度比它们的高,，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。,钛合金不能淬火强化，主要依靠,固溶强化,，热处理只进行,退火,(,消除应力退火或再结晶退火,),。,典型牌号：,TA7,，成分：,Ti-5Al-2.5Sn,用途：,使用温度,500,；主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。,（,1,）,钛合金,钛泵,31,钛中加入钼、铬、钒,等,稳定化元素得到,钛合金。,钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过,淬火和时效,进行强化。,在时效状态下，合金的组织为,相和弥散分布的细小,相粒子。,典型牌号,：,TBl,，,成分：,Ti-3Al-13V-11Cr,用途：一般在,350,以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。,(2),钛合金,32,钛中加入,a,和,稳定化元素所得到的,(a+,),钛合金，,塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过,淬火和时效,进行强化。热处理后强度可提高,50%,100%,(3)(a+,),钛合金,典型牌号：,TC4,，,成分：,Ti-6Al-4V,强度高塑性好，在,400,时组织稳定，蠕变强度较高，低温韧性好，抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀,用途：在,400,以下长期工作的零件，要求一定,高温强度的发动机零件,，以及在,低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件,等。,块状,(,),基体针状,33,(1),退火,消除应力退火，,450,650,，,14h,再结晶退火 ，,650,850,，,13h,消除加工硬化。,(2),淬火和时效,：适用,钛合金和,(a+),钛合金,目的：提高钛合金的强度和硬度。,淬火温度：,a+,两相区的上部范围，淬火后部分,a,保留下来，细小的,相转为成介稳定,相或,a,相或两种均有，经时效后获得好的综合机械性能。若加热到,区，,晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。,钛合金的时效温度一般在,450,一,550,之间。,三、钛及钛合金的热处理,34,3.4.4,轴承合金,滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料,工作条件：,轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生,强烈的摩擦,，并承受轴颈传给的,周期性载荷,性能：,强硬度、塑韧性和疲劳强度好，与轴的磨合能力、减摩性好、导热、较小的膨胀系数、抗蚀性好,轴瓦,35,ZChSnSb11-6,的组织，,100,组织特点,既软又硬,:,在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。,软基体硬质点,硬基体软质点,36,代号：,ZCh,基本元素符号（,Sn,或,Pb,）主加元素符号主加元素含量,+,辅加元素含量,。,Z,铸造，,Ch,轴承,ZCh,Sn,Sb11-6,表示含,w(,Sb)=11%,、,w(,Cu)=6%,、余量为锡,Sn,的锡基轴承合金，,ZCh,Pb,Sb16-16-2,表示含,w(,Sb)=16%,、,w(,Sn)=16%,、,w(,Cu)=2%,、余量为铅,Pb,的铅基轴承合金。,工业上常用的是,锡基、铅基,轴承合金,又称,巴氏合金,37,(1)Sn,基轴承合金,(,锡基巴氏合金,),软基体硬质点,ZChSnSb11-6,（含,11%Sb,，,6%Cu,，余,Sn,）。,软基体,+,硬质点（,白方块是,-,SnSb,白针状,Cu,6,Sn,5,）,摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，制造重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低,(,不高于,150),。,38,也是一种软基体硬质点类型,ZChPbSb16-16-2,(,),共晶软基体,+,硬质点（方块状,SnSb+,针状,Cu,6,Sn,5,）,(2)Pb,基轴承合金,(,铅基巴氏合金,),合金的铸造性能和耐磨性较好,(,但比锡基轴承合金低,),，价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,39,合金,牌号举例,牌号含义,性能,用途,铝,合,金,LF5,5,号防锈铝合金,耐蚀、塑性好,冷成型件,LY11,11,号硬铝合金,强硬度高,冲压模锻件,LC4,4,号超硬铝合金,高强,受力大结构件,LD7,7,号锻铝合金,可锻、耐温,锻件,ZL102,2,号,Al-Si,铸造合金,耐蚀,铸造性好,汽缸、活塞,ZL201,1,号,Al-Cu,铸造合金,耐热,强度较高,较高温高强件,ZL301,1,号,Al-Mg,铸造合金,耐蚀,高强,舰船配件,ZL401,1,号,Al-Zn,铸造合金,高强,铸造性好,汽车飞机零件,铜,合,金,H68,含,68%Cu(32%Zn),黄铜,塑性好,冷变形件,HPb59-1,含,59%Cu,1%Pb(40%Zn),黄铜,高强,船舶及化工零件,QAl7,含,7%Al,的铝青铜,高强,耐磨,耐蚀,船舶飞机零件,钛合金,TC4,4,号,+,型钛合金,高强,耐蚀,耐热,400,航空件,巴氏合金,ZSnSb11Cu6,Sn,基轴承合金,耐磨,导热,耐蚀,重型动力轴承,ZPbSb16Sn16Cu2,Pb,基轴承合金,高温高强,低速低载设备,