工程材料 第五章

• 钛的合金化可以使其强度大大提高 , 钛合金的抗 拉强度σ b 可达1500 MPa, 其比强度是常用金属材 料中最高的 . 钛合金是很好耐热材料 , 可在 500 ～ 600º C下工作,又有很好的低温韧性,是唯一能在低
温(-253º C)下使用的工程金属材料.
• 钛合金的主要缺点是硬度低 , 耐磨性不好和切削
第五章 工程非铁合金(有色金属) 及粉末冶金材料
• 通常，人们将铁、铬、锰及其合金称为 黑色金属。除此以外的所有其它金属统 称为非铁合金,也称为有色金属。
• 它们的种类很多,包括:
• 1.轻金属:比重小于3.5的金属称为轻金属； • 如铝、镁、铍、锂等。
• 2.重金属:比重大于3.5的金属称为重金属； • 如铜 、锌、铅、镍等。 • 3.贵金属:如金、银和铂等金属。
金是在铝-镁-硅系合金的基础上发展起来的。
• 2、铸造铝合金
• 铸造铝合金除要求具备一定的使用性能外，还 要求具有优良的铸造工艺性能。成分处于共晶 的合金具有最佳铸造性能，但由于此时合金组
织中出现大量硬脆的化合物，使合金的脆性急
剧增大。因此，实际使用的铸造合金并非都是 共晶合金。它与变形铝合金相比较只是合金元 素含量高一些,约为8～25％。
有锰和一些杂质元素铁、硅、镍、锌等。
• 不同牌号的硬铝合金具有不同的化学成分，其 性能特点亦不同。含铜、镁量低的硬铝强度较 低而塑性高； • 含铜、镁量较高的硬铝则强度高而塑性较低。
• (3)超硬铝合金
• 铝-锌-铜系合金是目前室温强度最高的一类铝 合金，其强度达500～700MPa，超过高强度的 硬铝LY12合金(400-430 MPa)，故称为超硬铝 合金。
• 利用冷变形强化可使铜的强度σ b由约230MPa
提高到400～500MPa,但塑性急剧下降,因此要 在增加强度的同时保持较高的塑性，必须使铜 合金化.常用的合金元素有锌、锡、铝、锰、 镍等,它们加入铜中可起到固溶强化和第二相
强化等作用. 铜合金获得较高的力学性能的同
时,仍基本保持了纯铜的各项优点.
• 铜的储量小,价格较贵.工业纯铜有T1、T2、T3 三个牌号,“T”为铜的汉语拼音字首,其后的数 字越大,纯度越低.纯铜中的杂质主要有铅、铋、 氧、硫、和磷等,它们对纯铜的性能影响极大, 不仅可以使其导电性能降低,而且还会使其在 冷、热加工中发生冷脆和热脆现象.因此,必须
控制纯铜中的杂质含量.
• 二、铜合金的分类、牌号及应用
加工性能较差等.
• 可用于制作400 º C 以下工作或低温下工作的零件, 如航空发动机零件,化工用泵、低温高压容器等.
• 二、镁及镁合金
• 镁的相对密度为1.74,约为铝的2/3,溶点615º C,固 态下无同素异晶转变. • 镁合金化主要也是依靠合金元素的固溶化和时效 过程中的沉淀强化来提高合金的强度.在镁中加 入的合金元素有铝、锌、锆、稀土和锰等.镁合 金的强度可达到300 MPa左右,镁合金的性能特点 是比强和比刚度高,减震性好,抗冲击能力较强, 切削加工性和抛光性能优良,易于铸造和热加工. 镁合金是目前为止常用的工程材料中密度最小的, 因此多用于航天工焐,此外在电子、仪器仪表等 行业中也获得应用.
• 2、青铜――除了以锌为主加元素之外的
其余铜合金统称为青铜，其外观色泽呈
棕绿色。青铜可分为普通青铜（以锡为 主加元素的铜基合金，又称为锡青铜） 和特殊青铜（不含锡的青铜合金，又称 为无锡青铜）。
• (1) 锡青铜—是以锡为主加元素的铜合金.锡 青铜最主要的特点是耐蚀、耐磨和弹性好,锡 青铜在大气、海水和蒸气等环境中的耐蚀性优 于铜和黄铜.铸造锡青铜流动性差,缩松倾向大,
高合金的强度，故铝锌铸造合金具有较
高的强度，是最便宜的一种铸造铝合金。
其主要缺点是抗蚀性差。
§5.2铜及铜合金
• 铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属 材料,并且至今仍在工业中有着重要应用.
• 一、工业纯铜：
• 1、纯铜的外观呈紫色,常称紫铜.相对密度为 8.96,熔点为1083º C,纯铜的导电、导热性能极 好，无磁性，有高的化学稳定性,且具有优良 的耐蚀性和塑性、韧性,但硬度很低,不能热处 理强化. 工业纯铜常用于制造导线、电缆、传 热体及耐蚀器材、电器元件等，一般不用于制 造结构零件。
§5.4 轴承合金
• 轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦
及内衬的合金.当轴承支承着轴旋转进行
工作时 , 轴瓦与轴发生强烈的摩擦 , 同时
承受轴颈传递的交变载荷.
• 根据滑动轴承的工作条件和应具备的性能 , 对 轴承合金的要求:
• 1 ）有足够的强度和硬度，以承受较高的周期 性载荷；
• 2 ）塑性和韧性好，以保证轴承与轴的配合良 好，并耐冲击和振动； • 3 ）与轴之间有良好的磨合能力及较小的摩擦 系数，并能保留润滑油，减少磨损； • 4）有良好的导热性和抗蚀性； • 5）有良好的工艺性，容易制造且价格低廉。
• 一、软基体硬质点的轴承合金
• 这类合金应用最广的是锡基和锡基轴承
合金 , 其代号为 :Z+ 基体元素和主加元素
符号 + 主加元素含量 + 辅加元素符号及含
量,牌号中的Z为铸字的汉语拼音定首.
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• 1) 锡基轴承合金 ——是 Sn-Sb-Cu 系合金 .
• (2)硬铝合金
• 铝-铜-镁系合金是应用较早，用途很广的铝合 金。它有强烈的时效强化作用，经时效处理后 具有很高的硬度、强度，故铝-铜-镁系合金总 称为硬铝合金。此外，这类合金还具有优良的 加工工艺性能，可以加工成板、棒、管、线、 型材及锻件等半成品，广泛应用在国民经济和 国防建设中。
• 硬铝合金的主要合金元素是铜、镁，此外还含
组织不致密,因此凝固时体积收缩率很小,适合
于浇注外形尺寸要求严格的铸件.锡青铜多用
于制造轴承、轴套、弹性元件以及耐蚀、抗磁
零件等.
• (2)铝青铜—铝青铜是以铝为主加元素的铜合金. 铝青铜的耐蚀性和耐磨性优良,力学性能高于黄 铜和锡青铜. • (3)铍青铜--铍青铜是以铍为主加元素的铜合金.
铍青铜不仅强度大、弹性好、而且耐蚀、耐磨、
• 4.稀有金属:如钨、钒、钼、铌、钛和锆等金属。
• 5.放射性金属:如镭、铀和钍等金属。
• 非铁合金具有许多钢铁材料所没有的特
殊的物理、化学和力学性能、因而成为
现代工业尤其是许多高科技产业中不可
缺少的材料.工业上广泛使用的有铝、
铜、钛、镁、锌、合金以及轴承合金.
§5.1 铝及铝合金
• 铝及铝合金是目前工业中重要性仅次于钢铁的金 属材料,应用范围也日益增大. • 一、工业纯铝 • 铝具有面心立方晶格，无同素异构转变。 • 铝的比重为2.72（g/cm3），约为铁的三分之一。 • 铝的熔点与其纯度有关，当纯度为 99.996%时， 熔点为660.24℃。 • 铝具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银 和铜，居第三位。 • 铝在大气中具有优良的抗蚀性。
导电、导热性优良,还具有无磁性、受冲击时无 火花等优点,但价格较贵. • 主要用于制造精密仪器或仪表的弹性元件、耐 磨零件以及塑料模具等.
§5.3其他非铁合金简介
• 一、钛及钛合金 • 纯钛的相对密度为 4.54, 约为钢的 3/5; 熔点 1668º C,固态下具有同素异晶转变.在882.5º C以 下为密排六方晶格的 α -Ti, 882.5º C 以上为体 心立方晶格的 β -Ti. 钛有很好塑性 , 强度不高 ( σ b=230～260MPa). 钛在硫酸、硝酸、盐酸和 碱溶液中有优良的耐蚀性 , 且抗大气和海水腐 蚀的能力超过不锈钢和铜合金.钛中的杂质O2、 N2、H2 对钛的性能影响很大 . 钛的资源丰富 , 但 冶炼工艺复杂,所以成本较高.
• (1)防锈铝合金
• 防锈铝合金包括铝-镁系合金以及工业纯铝。这类 铝合金的主要性能特点是具有优良的抗腐蚀性能, 因而得名防锈铝合金，简称为防锈铝。此外,还具
有良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。
• 这类铝合金不能进行热处理强化，机械性能比较低。 为了提高其强度，可用冷加工方法使其强化。但由 于防锈铝的切削加工工艺性能差，故适用制作焊接 管道、容器、铆钉以及其它冷变形零件。
三、铝合金的分类、牌号及应用
• 铝合金依据工艺特点不同，可分为变形铝合金 和铸造铝合金两类。 • 1、变形铝合金
• 变形铝合金与铸造合金不同之处在于，变形铝 合金是铸锭经过冷、热压力加工后形成的各种 型材. • 根据主要性能特点和用途,变形铝合合金又可分 为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝 合金.(见表5-1 P127)
铸造收缩率、小的线膨胀系数和优良的焊
接性、抗蚀性以及足够的机械性能。但合
金的致密度较小，适宜制造致密度要求不 太高的、形状复杂的铸件。
• (2)铝-铜铸造合金 • 铝-铜铸造合金的最大特点是耐热性高， 是所有铸造铝合金中最高的一类合金.其 高温强度随铜含量的增加而提高，而合金 的铸缩率和形成裂纹的趋向则减小。但由 于铜含量增加，使合金的脆性增加,故铸 造铝铜合金的铜含量一般不超过14％。
• (3)铝-镁铸造合金
• 铝-镁铸造合金是比重最小(2.55)、耐蚀性最 好、强度最高 (抗拉强度可达350MPa)的铸造 铝合金。但由于结晶温度范围宽，故流动性差, 形成疏松趋向大、其铸造性能不如铝-硅合金 好。
• (4)铝-锌铸造合金
• 锌在铝中的溶解度很大，极限溶解度为
32％。铝中加入10％以上的锌能显著提
• 超硬铝合金中，主要合金元素是锌、镁、铜， 有时还加入少量铬、锰、钛等元素。在超硬铝 中加入锰和铬可以提高合金在淬火状态下的强 度和人工时效强化效果，同时改善合金的抗应 力腐蚀性能。这类合金有较好的热塑性、适宜 压延、挤压和锻造,焊接性能也较好.
• (4)锻铝合金
• 包括铝-镁-硅-铜系和铝-铜-镁-镍-铁系两类 合金,具有优良的锻造工艺性能，主要用作制 作外形复杂的锻件,故称为锻铝合金。锻铝合
• 铝在室温中即能与空气中的氧化合，表 面生成一层薄而致密并与基体金属牢固 结合的氧化膜，阻止氧向金属内部扩散 而起保护作用。但在碱和盐的水溶液中 铝的氧化膜会很快被破坏，故铝在碱和 盐的溶液中抗蚀性不好。此外，铝的氧 化膜在热的稀硝酸中也极易被溶解。
•铝资源丰富,成本相对较低.工业纯铝的压力加工
产品代号用“铝”字汉语拼音第一个字母“L”加顺
序号表示,数字越大纯度越低。如L1、L2…L6. •工业高纯铝的牌号以LG1、LG2…LG5表示其数字 越大,纯度越高.纯铝随杂质含量增加,性能有所下 降.
•纯铝主要用于电线、电缆、电器及制作某些要求
质轻、导热或防锈但强度要求低的器具.
• 一、 铝合金的热处理 • 纯铝的强度低,不宜作为受力的结构材料使用.在 铝中加入合金元素配制成铝合金，可改变其组织 结构与性能。经常加入的合金元素有铜、锌、镁、 硅、锰以及稀土元素等。 • 铝合金基本保持了纯铝的性能优点,而且显著增 加了强度.大多数铝合金还可以通过热处理进一 步提高强度,其中有些抗拉强度可达480～680MPa, 相当于低合金结构钢的强度水平,从而具有很高 的比强度(即强度与密度之比).
• 铸造铝合金的牌号用“铸铝”二字的汉语拼音 第一个大写字母“ZL”加三位数字表示， • 第一位数表示合金系别：（1为铝硅系合金； 2为铝铜系合金；3为铝镁系合金；4为铝锌系 合金）。第二、三位数字表示合金的顺序号。 如ZL111表示11号铝硅系铸造铝合金。
• (1)铝-硅铸造合金
• 铝-硅铸造合金具有极好的流动性，小的
• 常用的铜合金有黄铜和青铜两大类,另外 还有白铜(铜镍合金). • 根据生产方法的不同,铜合金又分压力铜 合金和铸造铜合金.
• 1、黄铜―― 黄铜是以锌为主要合金元素的铜 合金，其外观色泽呈金黄色。黄铜可分为 • 普通黄铜:铜锌二元合金为普通黄铜,压力加工 普通黄铜的代号为“H”后跟表示铜含量的百分 数,例如H58表示Wcu=68%,其余为锌的普通黄铜. • 特殊黄铜:在普通黄铜的基础上加入其他元素 的铜合金称为特殊黄铜.其代号由“H”、主加 合金元素符号、铜平均含量百分数、合金元素 含量百分数组成,例如HMn58-2表示Wcu=58%、 WMn=2%、其余为锌的锰黄铜.