有色金属

2．纯铝的牌号和用途 按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类 高纯铝：纯度为99.93%到99.996％，代号：L01、L02、 L03、L04，编号越大纯度越高。主要用来制作 铝箔、电容器、科研材料。 工业高纯铝： 99.9%～99.85%，代号： L0、L00，用 于作Al合金原料、铝箔； 工业纯铝：纯度从99%－98％，代号： L1、L2、L3、L4、 L5，编号越大纯度越低。主要用来制作电线、 电缆、器皿等。纯铝的强度较低，一般不用 来制作机械构件。
第八章 非铁金属材料
（有色金属）
非铁金属材料是指钢铁材料以外的各种金属材料，又称 为有色金属，而把钢铁材料称为黑色金属。 有色金属及其合金具有许多特殊的性能，例如比强度高、 导电性或导热性好、耐腐蚀性及耐热性高等。因为他们 有着钢铁材料无法替代的性能，所以在机电、仪表、特 别是航海、航空、航天等工业中具有重要的作用。 生产中常用的有铝、铜、钛、镁、锌等金属及其合金， 以下仅介绍几种工程材料中最常用的非铁金属的性能特 点及使用状况。
抗拉强度
2A50 2B50 2A14
LD5 LD6 LD1MPa 340MPa 480MPa
形变铝合金的具体成分和性能指标参数参看教材附表。
第二节 铜及铜合金
纯铜的比重8.9g/cm3 ，熔点1083℃，为面心立方晶格， 无同素异晶转变。铜是人类用得最早的金属材料。
铜及其合金的性能特点
¾铝及铝合金 ¾铜及铜合金 ¾钛及钛合金 ¾铸造轴承合金
第一节 铝及铝合金
一、工业纯铝 二、提高铝及铝合金强度的主要途径 三、常用铝合金
一、工业纯铝
1．性能特点
①比重小、比强度高 铝的密度(比重)为2.7g/cm3 ，仅 为钢的三分之一，铝合金经处理后，单位质量材料能 承受的载荷远大于高强度钢。 ②优良的物理、化学性能 铝的导电性和导热性仅次于 Ag、Cu、Au，但单位重量的导电能力却是铜的200％。 铝表面可生成致密的氧化膜，可以有效的抵抗大气腐 蚀，但不耐酸、碱、盐液腐蚀。铝为非铁磁性材料。 ③良好的加工性能 强度不高(σb＝80－100MPa)，塑性 很好(δ＝35－40％ ψ＝80％),熔点低(Tm=660℃)。 冷变形、切削、铸造、焊接都比较容易。
1) 优异的导电性和导热性； 2) 对大气、水有良好的耐腐蚀性； 3) 良好的加工性能，可以冷、热变形成型，可以铸造成 型，便于切削加工； 4) 强度不高(σb=200-250MPa)，硬度低(HB=40-50)，塑 性很好(δ＝45-50％)；但构成的一些合金有好的减 摩性、耐磨性，有些有高的弹性极限和疲劳极限； 5) 外表色泽美观。
在一般认为是Na等元素能促进Si的形核，并吸附在Si 晶体的表面，阻止Si的长大。同时钠的存在使液态合 金产生5～10℃的过冷度，并使共晶点向右移动，这 样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中 出现了初生α固溶体。
未变质处理
变质处理后
三、常用铝合金
1. 铸造铝合金
牌号： ZLxxx表示，ZL为铸铝，后为三位数字，第一个数字表 示合金类型，即主合金元素(1－Si 2－Cu 3－Mg 4－Zn 等)，后两位的顺序号表示其它合金元素，对应不同的化学 成分，但在这里没有钢那样明显。各自的成分和性能特点 查相关手册。 主要用途：铸造铝合金用于制造形状复杂的零件，例如仪表、 内燃机活塞、飞机等壳体零件。主要利用质轻、比强度高 的特点。 处理特点：铸造中采用钠盐变质处理来细化晶粒。事后进行均 匀化、时效强化等处理。
时效强化的原因 分析表明，在时效过程中溶质原子发生了如下的 变化： • 首先溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格畸 变加大，使位错运动阻力增大，强度提高； • 其次随时间的延长，富集区的原子趋于有序化， 趋于形成第二相，但还没形成第二相，其与原晶 格保持共格关系，晶格畸变进一步增大，使强度 进一步提高； • 随时间的继续延长，第二相形成并逐渐离与母体 的共格关系，这时晶格畸变减小，强度下降。
GB/T16475-1996 GB3190-82
抗拉强度
2A01 2A11 2A12
LF1 LF11 LF12
Al-Cu-Mg 420MPa 475MPa
超硬铝 牌号LCxx 通常为Al-Cu-Mg-Si合金。主要在于有高 其强度和硬度，这时的σb可达到680MPa，高于优质碳速结构 钢，主要用来制造飞机上受力大的零件。
用来制造航空油箱、油管、以及器皿、日用品、门窗装饰品 等。
GB/T16475-1996 GB3190-82 抗拉强度
3A21 5A02 5A06
LF21 LF2 LF6
Al-Mn Al-Mg Al-Mg
190MPa 230MPa 320MPa
硬铝 牌号LYxx 通常为Al-Cu-Mg合金。主要在于进一步提高 其强度和硬度，用来制造飞机的大梁和蒙皮等，也用来制造机 械构件。
3．特殊黄铜 在Cu-Zn黄铜的基础上加入Sn、Pb、AL、 Si、Mn等元素，改变相应的性能。 牌号：H元素符号XX-X，元素符号为Zn以外的主元 素，第一部分数字为含铜量，第二部分数字为Zn 外的主元素量，余量为Zn。 例如： HPb64-2表示 含铜量为64%，含铅2%，其余为锌的黄铜。 用途：品种繁多，例如铅黄铜HPb64-2可用来制作 钟表或汽车用一般零件；铝黄铜HAl77-2可用来制 作齿轮、涡轮、衬套、螺旋桨的耐腐蚀零件等等。
常用铸造铝合金成分应用列表
2. 形变铝合金
由冶金厂进行处理并加工成各种型材，包括铝板、铝带、 铝棒、线材、管材、角铝和各种异型材等，通常使用厂 家不必在进行材质处理。由于在合金中加入的合金元素 不同，性能特点也各不相同。常见的形变铝合金有：防 锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。
防锈铝 牌号LFxx 主要在于进一步提高对大气的腐蚀，常
一、工业纯铜
牌号：T1-T4 其同的含量为99.95-99.5％。纯铜呈玫瑰 红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称为紫铜。 成分：以铜为主体，其他为杂质，其中常见 元素有Pb、Bi、O、S、P等，它们降 低了材料的导电、导热性能，特别是 高温或低温下明显降低材料的塑性。
T1 T2 T3 T4 99.95% 99.90% 99.70% 99.5%
按GB/T8063－1994对铸造纯铝规定为ZAl99.5，数字 表示铝含量的百分数。 按GB/T16474－1996对变形纯铝规定为1A93，数字表 示铝含量的百分数99.93％中小数点后的数字。
二、提高铝及铝合金强度的主要途径
• 铝合金的分类 • 提高强度主要途径分类
铝合金的分类 根据合金的成分和生产工 艺不同将铝合金分为两类： 变形铝合金和铸造铝合金。 成分小于D点的合金 —— 变形铝合金。成分大于D点的 合金，由于凝固时发生共晶反应，熔点低、流动性 好，适于铸造——铸造铝合金。 在变形铝合金中，成分小于F点的不能热处理强化—— 不能热处理强化的铝合金，而成分位于F与D之间的合 金，其固溶体成分随温度而变化，可进行固溶强化+时 效处理强化——能热处理强化的铝合金。
常用黄铜：
1．单相黄铜 组织为单一的α相 牌号有H96、H90、H85、H80、H75、H70、H68。其中的 数字为Cu的含量，其余为Zn。用来制作散热器的管道、 叶片，奖章和装饰品，深冲压类弹巧等。 2．双相黄铜 组织为α＋β两相 其中β是以电子化合物CuZn为基的固溶体，具有体心 立方晶格，高温下有好的塑性，温度低于456℃时发生 有序化转变成β’，塑性明显下降。 两相黄铜的牌号有H62、H59，其强度高于单相黄铜， 但塑性低于单相黄铜，使用状态为生产厂的铸件或冶 金厂高温轧制的棒、板等型材。常用来制造铆钉、螺 帽、垫圈等电气零件。
（1）时效强化
• 固溶处理：将成分位于D～F之间的合金加热到固态溶解度
线DF以上某一温度，获得单相固溶体α，然后水冷，获得过 饱和固溶体α称为固溶处理。
• 时效强化： 这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或
在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和α固溶体趋 于发生某种程度的分解，使合金的强度和硬度明显提高，这 种现象称为时效或时效硬化。在室温下进行的时效称为自然 时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。
（2）细晶强化
纯铝和铝合金在浇注前进行变质处理，即在浇铸前向 合金注液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提 高合金强度，称为细化晶粒强化。
细晶强化对于变形铝合金的作用 对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂Ti、B、Nb、 Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核， 从而细化铝的晶粒。
细晶强化对于铸造铝合金的作用 典型的铸造铝合金是铝硅系合金，这类合金具有优良 的铸造性能和焊接性能好，尤以含11～13%Si的二元 铝硅合金铸造性能最好。二元铝硅合金铸造后几乎全 部得到（α+Si）的共晶体，其中Si呈粗大针叶状， 使合金变脆，强度和塑性都很低，不宜作为工业合金 使用。 若对其采用变质处理，在浇注前向合金中加入占合金 重量2～3%的变质剂（2份NaF和1份NaCl），可将针状 Si改变为细小粒状Si，得到细小均匀的共晶体和初生 α固溶体的亚共晶组织（α+Si）+α，显著提高合金 的强度和塑性。
用途：用于电工导体材料，制作电线、电缆、电气开关、 导电垫圈、螺杆等。T3、T4为一般用铜材，制作油 管、油嘴等。 用于真空电气元件的纯铜，还需要经过还原气氛保护熔炼 得到的无氧铜，以及用P或Mn进行脱氧铜。
二、黄铜（铜－锌合金)
铜对Zn在很大范围内可以溶解，同时Zn加入到Cu中形成的 合金称为黄铜，这时材料呈颜色淡黄色。 Zn对黄铜性能的影响： ① Zn加入能明显改善其力学性能，并随Zn含量的增加， 强度和塑性同时提高，这在金属材料中是难得的。当 Zn 含 量 增 加 到 30-32 ％ 时 ， 延 伸 率 δ 达 到 最 大 值 (10 ％)；当Zn含量增加到45％时，强度σb 达到最大值(约 650MPa)，故工业用黄铜中Zn的含量一般在45％以下。 ② 具有良好的铸造性能，特别是Zn含量＜10％和＞38％ 时，铸造的缩孔集中，铸件的致密都高。 ③ 具有良好的耐腐蚀行，特别是在大气、海水中。