第八章 非铁金属材料

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℃时转变为有序化转变成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邦、 22 板等型材。常用来制造铆钉、螺帽、垫圈等电气零件。
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三、常用铝合金
1. 铸造铝合金 ① 铝硅合金 铝硅合金含(5~25%)Si，其 牌号为ZL101~ZL111等，通 常称为硅铝铜。除铝、硅外， 还加入铜、镁、锰等强化元 素，使合金具有更高的强度， 更好的流动性、气密性和更 好的加工性能。以铝、硅为 基础发展起来的铝硅铜、铝 硅镁及铝硅铜镁合金获得广 泛应用。
Al-Mn
5A02
5A06
LF2
LF6
Al-Mg
Al-Mg
230MPa
320MPa
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② 硬铝 牌号LY×× 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Baidu Nhomakorabea。
GB/T16475-1996 2A01 2A11 2A12 GB3190-82 LY1 LY11 LY12 Al-Cu-Mg 420MPa 475MPa 抗拉强度
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室温有α、β、γ、δ、ε、η六个组成相。
在平衡条件下：Zn<38%时，为单相α组织。Zn38%~47%时，为 α+β两相组织。Zn47~50%时，为单相β，有时也可能出现少量γ相。 锌在α中的最大固溶度约为39% (456℃)。
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2. 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。
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工业用共晶铝硅合金组织 100X
典型共晶铝硅合金组织 200X
Na变质共晶铝硅合金组织 100X
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未变质
0.2%P-Cu变质
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② 铝铜合金 这种合金含4%Cu以上，牌号有ZL201~ZL204，该合金的特 点是强度高，耐热性好，可用于汽车小型气泵的活塞等，缺点 是流动性差、易产生热裂，而且抗蚀性较低，应用不及铝硅合 金广泛。
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。
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二、黄铜(铜－锌合金)
铜对Zn在很大的范围内可以溶解，同时Zn入到同中形成的合 金称为黄铜，这时材料呈颜色淡黄色，故称为黄铜。 1. Zn对黄铜性能的影响： ① Zn加入到铜中，能明显的改善其力学性能，并且随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)，所以 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。
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将过饱和固溶体在室温下放臵4－5天后，在固溶体中有细小 的Al－Cu化合物析出，它们比铝有高的硬度，可以阻碍铝的塑 性变形，强度σb 可以上升到约 400~420MPa。这种随时间的延 长，材料的强度和硬度提高的现象称为“时效硬化”。放臵在 室温下，材料自己发生时效的过程称为“自然时效”。在Cu－ Al合金中，超过 5天之后，材料强度进一步变化就不很明显了。
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第一节 铝及铝合金
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(ζb＝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。
第八章
非铁金属材料
铝及铝合金
铜及铜合金
钛及钛合金
引言
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材料。这些金属及其
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。因为它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。
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④ 锻铝 牌号LD××通常为Al-Cu-Mg-Si合金。它的强度ζb＝ 400-500MPa，塑性较好，可以锻造成型，用来制造一些复杂的 结构零件。
GB/T16475-1996 2A50 2B50 GB3190-82 LD5 LD6 抗拉强度 420MPa
Al-Cu-Mg-Si
340MPa
2A14
LD14
480MPa
形变铝合金的具体成分和性能指标参数参看教材附表。 p213 表8-3 常用变形铝合金的牌号及成分 p214 表8-4 常用变形铝合金的牌号、性能及用途
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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 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。
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：为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。
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铅黄铜 HPb63-3 铅改善切削加工性能，提高耐磨性，对强度影 响不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的 零件(如钟表零件等)，铸造铅黄铜可制作轴瓦和衬套。 锡黄铜 HSn62-1 锡显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性， 并使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。 铝黄铜 HAl60-1-1 铝提高黄铜的强度和硬度(但使塑性降低)， 改善在大气中的抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。 铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，还可得到高强度、高耐蚀 性的复杂黄铜，制造大型蜗杆、海船螺旋浆等重要零件。 硅黄铜 HSi65-1.5-3 硅显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐 蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工， 主要用于制造船舶及化工机械零件。
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常用铸造铝合金成分应用列表
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铸造方法： S-砂型铸造，J-金属型铸造， B-变质处理 热处理： T1：未经固溶处理的人工时效 T2：退火 T4：固溶处理 T5：固溶处理和不完全人工时效 T6：固溶处理和完全人工时效 T9：循环处理
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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： ① 防锈铝 牌号LFxx 主要在于进一步提高对大气的腐蚀，常用 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 3A21 GB3190-82 LF21 抗拉强度 190MPa
机械性能(硬)
b
MPa 600 610 520 700 650 750

% 5 4 5 4 12 8
③ 超硬铝 牌号LC××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。
GB/T16475-1996 7A04 7A09 GB3190-82 LC4 LC9 Al-Cu-Mg-Zn 抗拉强度 600MPa 660MPa
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二、铝合金的强化原理
纯铝固态无同素异晶转变，无法象钢那样进行相变热处理来 强化，用冷加工强化，断裂强度σb 可以达到 150~250MPa，但 塑性的牺牲较大。 在铝中加入Cu、Mg、Mn、Si等元素，可以采用热处理方 法——时效来强化。 铝和大部分金属元素的相图 如图所示。 现以 4%Cu-Al合金为例，说 明时效强化的基本过程。将合 金加热到 550℃，Cu全部溶解 到Al中，快速冷却(淬火)得到 过饱和固溶体，这时合金的强 度σb可以达到约250MPa。
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2. 纯铝的牌号和用途 高纯铝：L01、L02、L03、L04 纯度为99.93%到99.996％，编 号越大纯度越高。主要用来制作铝箔、电容器、科研材料。 工业纯铝：L1、L2、L3、L4、L5，纯度从99%－98％，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。 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。
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一、工业纯铜
牌号：T1~T4 其同的含量为99.95－99.5％。纯铜有玫瑰红色， 表面形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。 成分：以铜的含量为主体，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 低温下明显降低了材料的塑性。 T1 T2 T3 T4 99.95% 99.90% 99.70% 99.5%
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部分复杂黄铜加工产品的牌号、成分、机械性能及用途
化学成分, %
组 别 铅黄铜 代 号 HPb 63-3 HPb 60-1 HSn 90-1 HSn 62-1 HAl 77-2 铝黄铜 HAl 60-1-1 Cu 62.0~65.0 59.0~61.0 88.0~91.0 61.0~63.0 76.0~79.0 58.0~61 其它 Pb 2.4~3.0 Pb 0.6~1.0 Sn 0.25~0.75 Sn 0.7~1.1 Al 1.8~2.6 As、Be微量 Al 0.75~1.5 Fe 0.75~1.0Mn 微量 Al 2.5~3.5 Ni 2.0~3.0 Si 1.0~2.0 Pb 2.5~3.5 Mn 1.0~1.2 Fe 0.6~1.2 Mn 0.5~0.8 Sn 0.3~0.7 Ni 5.0~6.5 Zn 余量 余量 余量 余量 余量 余量
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③ 铝镁合金
铝镁合金含(5~11%)Mg，牌号为ZL301~ZL304，其特点是 密度小，比强度高，在大气和海水中有良好的抗蚀性，在航 空及造船工业上得到广泛应用。该合金的缺点是在熔化及浇 注过程中易吸收气体而氧化，铸造比较困难。
④铝锌合金 锌在铝中的最大溶解度达84%(382℃时)，但实际应用的合 金仅含(5~13％)Zn，相应的牌号为ZL401~ZL404，最大特点是 不需要热处理就能获得高强度，具有铸态淬火作用，常作为 压铸件。
如果过饱和固溶体进行加热， 即提高发生时效的温度，可以加 快这一过程，在130℃大约经过10 小时,就能达到最高的硬度。这种 人为加热来加快的时效过程称为 “人工时效”。加热温度过高， 析出的化合物成大块，数量减少， 强化效果下降，所以这种铝合金 不宜用于较高的温度。
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时效温度越高，达到最高硬度所用时间越短，能达到的最高 硬度值也越低，常用人工时效工艺为130℃约10小时，在达到 最高硬度的前沿。