有色金属及其合金(4).ppt

第七章有色金属及其合金,机械工程材料MechanicalEngineeringMaterials,陈健美教授湖南涉外经济学院机械工程学部,主要内容,1铝及其合金2镁及其合金3铜及其合金4钛及其合金5轴承合金,一、工业纯铝（物理性能）,具有银白色金属光泽，密度2.72g/cm3，熔点660.4℃，具有良好的导电和导热性，其导电性仅次于银和铜。纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能。,一、工业纯铝（工艺性能）,纯铝具有面心立方结构，具有极好的塑性和较低的强度纯度99.99时，σb45MPa，δ50，良好的低温性能-235℃塑性和冲击韧度也不降低，冷变形加工可提高其强度，但塑性降低。铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。,一、工业纯铝（分类）,按纯度高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝高纯铝有L05～L01五种，数字越大，纯度越高；工业高纯铝有LG5～LG1五种，数字越大，纯度越高；工业纯铝有L1～L7七种，数字越小，纯度越高。用途工业纯铝的主要用途是配制铝合金，高纯铝主要用于科学试验和化学工业。纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。,二、铝合金的分类,铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、Ti、Zr、B、Ni等辅加元素，组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类1形变铝合金2铸造铝合金,二、铝合金的分类,形变铝合金成分在D点以左的合金，加热至固溶线DF以上温度得到均匀的单相α固溶体，塑性好，适于进行锻造、轧制等。铸造铝合金成分在D点以右的合金，存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造。,二、铝合金的分类形变铝合金,形变铝合金中，小于F点的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能通过热处理方法强化，称为不可热处理强化的铝合金；成分在F-D之间的合金，固溶体成分随温度变化，可通过热处理方法强化，称为可热处理强化的铝合金。,三、铝合金的热处理退火、淬火和时效,1．退火1再结晶退火再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用于消除变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进行成形加工。2低温退火消除内应力，适当增加塑性，通常在180～300℃保温后空冷。3均匀化退火消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。,三、铝合金的热处理退火、淬火和时效,2．淬火（固溶处理）将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的单一α固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不高，具有很好的塑性。,三、铝合金的热处理退火、淬火和时效,3.时效将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效。室温下进行的时效称为自然时效；低温加热下进行的时效称为人工时效。时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一α固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。,三、铝合金的热处理退火、淬火和时效,3.时效曲线【Al-4Cu合金】,自然时效人工时效,热处理,,,,,,,,四、形变铝合金,形变铝合金依据其性能特点可分为四种⑴防锈铝合金LF⑵硬铝合金LY⑶超硬铝合金LC⑷锻造铝合金LD其中防锈铝合金为不可热处理强化铝合金，其它三种为可热处理强化铝合金。,四、形变铝合金防锈铝合金LF,主要系列Al-Mn系、Al-Mg系主要性能具有很高的塑性、较低或中等的强度、优良的耐蚀性能和良好的焊接性能。使用防锈铝只能用冷变形来强化，一般在退火态或冷作硬化态使用。,四、形变铝合金防锈铝合金LF,常用Al-Mn系LF21，抗腐蚀性较好，常用来制造需弯曲、冷拉或冲压的零件，如管道、容器、油箱等。常用Al-Mg系F2、LF3、LF5、LF6等，有较高的疲劳性能和抗振性，强度高于Al-Mn系合金，但耐热性较差，广泛用于航空航天工业中，如制造油箱、管道、铆钉、飞机行李架等。,四、形变铝合金硬铝合金LY,硬铝包括Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类常用Al-Cu-Mg系分为低强度硬铝铆钉硬铝，如LY1、LY3、LY10等，强度较低，但有很高的塑性；中强度硬铝（标准硬铝），如LY11；高强度硬铝，如LY12。,四、形变铝合金硬铝合金LY,硬铝包括Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类Al-Cu-Mg系硬铝的性能焊接性和耐蚀性较差，对于板材可包覆一层高纯铝，通常还要进行阳极氧化处理和表面涂装，为提高其耐蚀性一般采用自然时效。部分Al-Cu-Mg系硬铝具有较高的耐热性，如LY11、LY12，可在较高温度使用。,四、形变铝合金硬铝合金LY,硬铝包括Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类Al-Cu-Mn系硬铝为超耐热硬铝合金，具有较好的塑性和工艺性能，常用代号有LY16、LY17。硬铝合金的用途常制成板材和管材，主要用于飞机构件、蒙皮、螺旋桨、叶片等。,四、形变铝合金超硬铝合金LC,Al-Zn-Mg-Cu系合金强度最高，常用LC4、LC9等；具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也不高；表面通常包覆wZn1的铝锌合金，零构件也要进行阳极化防腐蚀处理；一般采用淬火加人工时效的热处理强化工艺；用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机蒙皮、壁板、大梁、起落架部件等。,四、形变铝合金锻造铝合金LD,Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系两类；Al-Cu-Mg-Si系热塑性好，可用锻压方法来制造形状较复杂的零件；一般在淬火加人工时效后使用；常用LD2、LD5、LD6、LD10等；主要制造要求中等强度、高塑性和耐热性的锻件、模锻件，如各种叶轮、导风轮、接头、框架等。,四、形变铝合金锻铝合金LD,Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系两类；Al-Cu-Mg-Fe-Ni系常用代号有LD7、LD8、LD9等，此类合金耐热性较好，主要用于250℃温度下工作的零件，如叶片、超音速飞机蒙皮等。,四、形变铝合金牌号,四、形变铝合金牌号,五、铸造铝合金,铸造铝合金Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系代号ZL1、ZL2、ZL3、ZL4加两位数字的顺序号表示；若为铸锭，则在ZL后加D；若为优质，则在代号后加A；需表示状态时，在合金代号后用短横线连接状态代号；铸造方法代号不写入合金代号中。,五、铸造铝合金1.Al-Si系,Al-Si11-13系铸造铝合金俗称硅铝明铸造铝合金的铸造性能好，密度小，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性；用于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，如飞机、仪表壳体等；制造低、中强度的形状复杂的铸件，如电机壳体、气缸体、风机叶片、发动机活塞等。,五、铸造铝合金1.Al-Si系相图,五、铸造铝合金1.Al-Si系,ZL102变质前σb＝140MPaδ＝3％后σs＝180MPaδ＝8％,五、铸造铝合金2.Al-Cu系,Al-Cu系铸造铝合金有较高的强度、耐热性，但密度大、耐蚀性差，铸造性能不好，常用代号有ZL201、ZL202、ZL203等，主要用于制造较高温度下工作的要求高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等。,五、铸造铝合金3.Al-Mg系,Al-Mg系铸造铝合金耐蚀性好，强度高，密度小，但铸造性能差，耐热性低。常用代号有ZL301、ZL303等，主要用于制造在腐蚀介质下工作的承受一定冲击载荷的形状较为简单的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,五、铸造铝合金4.Al-Zn系,Al-Zn系铸造铝合金Al-Zn系铸造铝合金铸造性能好，强度较高，但密度大，耐蚀性较差。常用代号有ZL401、ZL402等，主要用于制造受力较小、形状复杂的汽车、飞机、仪器零件。,五、铸造铝合金牌号,第二节镁及镁合金,一、工业纯镁二、镁合金,Ⅰ、镁及其合金,纯镁ρ1.74g/cm3，Tm651℃，密排六方结构。纯镁强度不高，室温塑性较低，耐蚀性较差，易氧化。工业纯镁代号用M＋顺序号表示。纯镁主要用于配制镁合金和其它合金，还可用作化工与冶金的还原剂。镁合金纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元素，制成镁合金。主要有Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Re-Zr系等合金系。它们分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。,Ⅰ、镁及其合金,Ⅰ、镁及其合金（1.变形镁合金）,代号MB＋顺序号表示。MB1、MB8为Mg-Mn系合金，具有良好的耐蚀性和焊接性，使用温度不超过150℃。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。,Ⅰ、镁及其合金（2.铸造镁合金）,代号ZM＋顺序号表示。Mg-Al-Zn系的ZM5和Mg-Zn-Zr系的ZM1、ZM2、ZM7、ZM8具有较高的强度，良好的塑性和铸造工艺性能，但耐热性较差，主要用于制造150℃以下温度工作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体。Mg-Re-Zr的ZM3、ZM4和ZM6具有良好的铸造性能，常温强度和塑性较低，但耐热性较高，主要用于制造250℃以下温度工作的高气密零件。,第三节铜及铜合金,一、工业纯铜二、铜合金,（Cu-Zn）,（Cu-Ni）,（黄铜和白铜之外）,一、纯铜（1）,纯铜又称紫铜，密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4℃，具有优良的导电性和导热性，其导电性仅次于银。纯铜在大气、淡水中具有良好的耐蚀性，但在海水中较差。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。,一、纯铜,σb200250MPa，HB4050HBS，塑性δ4550；冷变形后，其强度可达400500MPa，硬度提高到100200HBS，但伸长率下降到5以下；退火处理可消除铜的加工硬化；纯铜还具有优良的焊接性能；工业纯铜产品的代号为T1wCu99.95、T2wCu99.9、T3wCu99.7，主要用于配制铜合金，制作导电、导热材料及耐蚀器件等。,二、铜合金（一）加工铜合金,普通黄铜Cu-Zn二元合金，产品代号H＋Cu％，如H68表示含Cu68的铜锌合金。单相黄铜wZn39称为，强度低、塑性好，冷塑性加工成板材、线材、管材等，常用H68、H70、H80，主要用作弹壳和精密仪器；两相黄铜wZn3945，热塑性好，一般热轧成棒材、板材，常用H59、H62等，主要用作水管、油管、散热器、螺钉。普通黄铜具有良好的耐蚀性，但冷加工后的黄铜在海水、湿气、氨的环境中容易产生应力腐蚀开裂，应进行去应力退火。,2.特殊黄铜,特殊黄铜普通黄铜中加入Al、Si、Pb、Sn、Mn、Fe、Ni等，称为铝黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。合金元素能提高合金的强度，Al、Sn、Mn、Ni能提高耐蚀性和耐磨性，Mn提高耐热性，Si改善铸造性能，Pb改善切削性能。其表示方法为H＋主加元素符号＋铜及各合金元素的平均质量分数（w100），如HPb59-1表示含wCu59、wPb1铅黄铜。常用代号有HPb59-1、HSn90-1等，主要用于制造冷凝管、齿轮、螺旋桨、钟表零件等。,3.铸造黄铜,牌号表示Z＋铜元素化学符号＋主加元素的化学符号及平均质量分数（w100）＋其它元素的化学符号及平均质量分数（w100），如ZCuZn38表示wZn38、余量为铜的铸造普通黄铜。,二、黄铜（相图含Zn量与力学性能的关系）,二、黄铜（牌号）,三、青铜,青铜除Zn以外，所有Cu合金的总称。根据所加主要合金元素Sn、Al、Be、Si、Pb等，青铜分为锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。代号Q主加元素符号及平均质量分数w100＋其它元素平均质量分数w100表示，如QSn4-3表示含wSn4、wZn3的锡青铜。,1.锡青铜,锡青铜的性能受锡含量的显著影响wSn5的锡青铜塑性好，适于进行冷变形加工；wSn5～7的锡青铜热塑性好，适于进行热加工；wSn10～14的锡青铜塑性较低，适于作铸造合金。锡青铜的铸造流动性差，易形成分散缩孔，铸件致密度低，但合金体积收缩率小，适于铸造外形及尺寸要求精确的铸件。,1.锡青铜性能,锡青铜的性能良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，在大气、海水、蒸气、淡水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在亚硫酸钠、酸和氨水中的耐蚀性较差。常用锡青铜QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等，主要用于制造弹性元件、耐磨零件、抗磁及耐蚀零件，如弹簧、轴承、齿轮、蜗轮、垫圈等。,三、青铜（Cu-Sn合金相图）,2.铝青铜,铝青铜的性能强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性都高于黄铜和锡青铜，是无锡青铜中应用最广的一种。常用铝青铜低铝和高铝两种。低铝青铜如QAl5、QAl7等，具有一定的强度，较高的塑性和耐蚀性，一般在压力加工状态使用，主要用于制造高耐蚀弹性元件；高铝青铜如QAl9-4、QAl10-4-4等，具有较高的强度、耐磨性、耐蚀性，主要用于制造齿轮、轴承、摩擦片、蜗轮、螺旋桨等。,2.铝青铜相图,力学性能的影响,3.鈹青铜,铜合金性能最好的一种铜合金，唯一可固溶强化的铜合金；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，还具有良好的冷、热加工和铸造性能；常用代号QBe2、QBe1.9等；用于制造重要的精密弹簧、膜片等弹性元件，高速、高温、高压下工作的轴承等耐磨零件，防爆工具等。,三、青铜（牌号）,第四节钛及钛合金,一、工业纯钛二、钛合金,,α型钛合金TAβ型钛合金TB（αβ）型钛合金TC,一、纯钛（性能）,Ti4.507g/cm3，Tm1688℃。具有同素异构转变，≤882.5℃为密排六方结构的α相，≥882.5℃体心立方结构的β相。纯钛的强度低，但比强度高，塑性好，低温韧性好，耐蚀性很高。钛具有良好的压力加工工艺性能，切削性能较差。钛在氮气中加热可发生燃烧，因此钛在加热和焊接时应采用氩气保护。,一、纯钛（分类－用途）,根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9）和工业纯钛（纯度达99.5）。工业纯钛有三个牌号，分别用TA＋顺序号数字1、2、3表示，数字越大，纯度越低。杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显著提高钛的强度，故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平，主要用于制造350℃以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、飞机蒙皮等。,一、纯钛（杂质对性能的影响）,二、钛合金,在纯钛中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等合金元素形成钛合金，按退火组织可分为α型β型（α＋β）型钛合金分别用TA、TB、TC加顺序号表示。工业纯钛的室温组织为α相，因此牌号划入α型钛合金的TA序列。,二常用钛合金（1.α型钛合金）,性能室温强度低，高温强度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；牌号TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7还具有优良的低温性能；用途用于制造500℃以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。,二常用钛合金（2.β型钛合金）,牌号有TB21、TB2两个，可热处理强化，实际应用的为TB2。性能合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。用途用于制造350℃以下温度工作的飞机压气机叶片、弹簧、紧固件等。,二常用钛合金3.α＋β型,性能具有α型和β型钛合金的优点，但焊接性能不如α型钛合金，可通过热处理来强化。牌号TC1TC11，常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以TC4最常用。用途制造400℃以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体等。TC10是在TC4基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。,二、钛合金（Ti合金的发展）,一般最高使用温度为500℃。中国Ti-Al-Sn-Mo-Si-Nd系，使用温度达550℃。英美的Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-1Nb-0.3Mo-0.5Si合金和Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Nb-0.45Si合金，使用温度可达600℃。最高以钛铝金属间化合物为基的Ti3Al基高温钛合金和TiAl基高温钛合金，使用温度将可达700℃以上。,二、钛合金（牌号）,第五节轴承合金,一、轴承合金的性能要求与组织二、轴承合金的类型及应用,一、轴承合金的性能要求与组织,轴承合金制造滑动轴承中轴瓦及内衬。按主要化学成分可分为锡基、铅基、铝基、铜基、铁基等轴承合金。性能要求1.在工作温度下具有足够的力学性能；2.摩擦系数小；3.具有小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性。,轴承合金（耐磨机理）,软基体＋硬质点硬质点起支撑作用。硬基体＋软质点承载能力大、磨合能力差。,二、轴承合金的类型及应用主要有锡基和铅基轴承合金（巴氏合金）,,,（一）锡基和铅基轴承合金,锡基和铅基轴承合金又称为巴氏合金，其代号用ZCh＋基本元素符号（Sn或Pb）＋主加元素符号＋主加及辅加元素的平均质量分数（w100）表示。如ZChSnSb11-6表示含wSb11、wCu6、余量为锡的锡基轴承合金，ZChPbSb16-16-2表示含wSb16、wSn16、wCu2、余量为铅的铅基轴承合金。,耐磨机理,锡基和铅基轴承合金都属于软基体加硬质点型的合金，熔点都较低。由于它们的强度都较低，因此生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦（常用08钢）上，形成一层薄而均匀的内衬，以提高承载能力及使用寿命。,1.锡基轴承合金,以Sn为主，再加入少量Sb、Cu等组成的合金，是软基体硬质点组织类的轴承合金。,,2.铅基轴承合金,以Pb为主，再加入少量Sb、Sn、Cu等组成的合金，也是软基体硬质点组织类的轴承合金。,,（二）铜基轴承合金,常用铜基轴承合金ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5等锡青铜和ZCuPb30等铅青铜。前者适于制造中速、中载下工作的轴承，如电动机、泵上的轴承；后者适于制造高速、重载下工作的轴承，如高速柴油机、汽轮机上的轴承。因铜基轴承合金价格较高，有被新型滑动轴承合金取代的趋势。,（三）铝基轴承合金,铝基轴承合金的密度小，导热性好，耐磨性和疲劳极限高，价格便宜，但膨胀系数较大，抗咬合性低于巴氏合金。目前广泛使用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和高锡铝轴承合金两种，常与08钢作衬背制成双金属轴承。,（1）铝锑镁轴承合金,该合金为wSb3.5～5、wMg0.3～0.7的铝合金，具有较高的疲劳极限，适用于制造高速、载荷不超过20MPa、滑动速度不大于10m／s的工作条件下柴油机轴承。,三、（高锡铝基轴承合金）,该合金为wSn5～40、wCu0.8～1.2的铝合金，以wSn17.5～22.5合金最常用。该合金具有较高的疲劳极限，良好的耐磨性、耐热性和耐蚀性，是应用最广泛的铝基轴承合金，适用于制造高速、重载下工作的轴承，如汽车、拖拉机、内燃机轴承。,轴承合金的牌号,Thanks,