一些重要的有色金属及合金

θ相：进一步提高时效温度和延长时效时间，θ’
过渡到平衡相θ，由于此时析出相与基体完全失去 共格关系，故θ相的出现，意味着合金的硬度和强 度显著下降。 以上可以看出：时效析出强化的原理 三、铝合金
1、分类
(1)铝合金相图的一般类型
如下图所示。
温 度
Ⅰ a
b
Ⅱ
Al
F
D’
成分Me, %
铝合金相图的一般类型
W、Sn、Mo、Sb、Hg、Pb、Zn（在世界位前列）；
Cu、Al、Mn（占有重要地位）
钛和稀土位世界第一。
因此, 中国发展有色金属和合金，大有可为。
3) 内容主要包括： 铝以及铝合金； 钛及钛合金
第一节 铝及其合金 一、工业纯铝 1、工业纯铝的独特性能和优点 1）铝很轻，d = 2.7g/cm3(d Fe=7.8g/cm3; dCu=8.1g/cm3)， 它是各种轻质结构材料的基本单元； 2）导电性、导热性优良
ΔG=-V ΔGv+Sσ+Vε
上式： ΔG为系统自由能的总变化；V为新相的总体 积； ΔGv为单位体积新旧二相自由能之差，应为负 值；S为相界面的总面积；σ为单位面积相界面的界 面能；ε为单位体积新相形成时的弹性应变能（由于 新旧两相的比容或晶体结构不同造成的）。
2）以Al-Cu合金为，分析它的相变过程 G.P.区形成：在室温下即可生成；它是铜原子在铝 晶体的六面体{100}上聚集，形成了圆片状的脱溶区 （厚度不超过几个原子距离、直径小于（10nm)；它 没有独立的晶体结构，完全保持母相的晶格，并与母
密度小（轻质的）；
耐高温、耐腐蚀；
具有各种特殊物理性能
的材料和新的加工工艺。具体表现为：
①它是制造各种优质合金钢及耐热钢所需的合金 元素；
②许多有色金属、合金具有比重小、比强度(材料 的强度与它的表观密度之比)高、耐热、耐腐蚀和 良好的导电性、导热性、弹性及一些特殊的物理 性质；
③应用举例：
（3）编号 按国家标准的规定： 1）铸造铝合金：“ZL”+3个数字，如ZL102ZL203; 2) 防锈铝用“LF”+一组顺序号； 硬铝，“LY” 超硬铝，“LC”+一组顺序号表示； 锻铝：“LD” 2、铸造铝合金
2.1定义：用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金；
要求该合金有良好的铸造性能；
因而，必须有适当数量的共晶体；
未变质的Al-12%Si合金 组织，X500
Al-12%Si合金变质后的 组织，X500
（2）特殊硅铝明
变质后的硅铝明，其强度提高不多，满足不了负荷较 大的零件的要求；
为了强化，可以在少许降低其中含硅量的同时，向合 金中加入能形成强化相CuAl2(θ相）、Mg2Si(β相）、 Al2CuMg(S相）等合金元素，这样的合金除变质处理外， 还能进行淬火时效，进一步提高硅铝明的强度； 加入的元素为：Cu、Mg等，形成强化相；
实例：
1）Zl101中含Si较少（6—8%)，但含少量Mg，Mg除
变质外，可以进行淬火及人工时效处理（强化相 Mg2Si)，这样获得的合金强度σb=200—230MPa(原先 为160—170MPa）; 2)Zl107铸铝：加入少量Cu( 减少Si)
强化相为 CuAl2;
3)同时加入Cu与Mg：Al-Si-Cu-Mg系铸造铝合金
因此，以Al-Si为基础而发展起来的一类铸造合金 是最重要的。
2.3 Al-Si 系铸造铝合金（硅铝明） Al-Si系铸造铝合金称为硅铝明合金： 简单硅铝明：不含其他合金元素； 特殊硅铝明：除硅外含有其它合金元素；
（1）简单硅铝明
1）铸造特点
含硅11—13%的合金铸造后全部为共晶体，因此该 成分的合金铸造时流动性好，热裂倾向小； 但是致密度不高，主要该合金吸气，导致结晶时能 生成大量缩孔，
（2）根据成分与生产工艺分二大类
形变铝合金和铸造铝合金 变形铝合金：凡是位于 D’左边的合金，在加热时 能形成单相固溶体，塑性较好，适于压力加工。 形变铝合金：防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝。
铸造合金：D’以右合金，有共晶组织，适于铸造而 不适合于压力加工。 铸造铝合金：按主要合金元素不同分：Al-Si，AlCu, Al-Mg, Al-Zn。
而加剧，八天后达最大值，以后不再变化；
硬 度
50℃
2天，HB=102 8天，HB=101
15℃
刚淬火后，HB=72 时间（天）
6）如将同一合金置于稍高的温度环境内，例如50℃， 经两天后硬度就可以达到最高值，但其变化规律仍与室 温相同； 7）自然时效和人工时效
自然时效：将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低 于100℃的温度环境下，由于停留时间的增加，硬度和 强度增高的现象。 人工时效：将合金置于100℃以上的环境中，硬度变 化要复杂一些。这种在100℃以上所造成的时效硬化现 象。 过时效：超过硬度峰值的时效。
纯铝和铝合金淬火得到的过饱和空位是极不稳定的， 容易向晶界或其它缺陷地带迁移，或形成位错。
但对于Al-Cu合金，铜原子与空位间存在一定的结 合能，即铜原子与空位结合在一起，使空位能够比较 稳定地处于固溶体中，不容易向缺陷地带迁移和消失。 这种携带空位的铜原子在形成新相时的扩散过程，要 比没有空位时容易得多。 3、时效过程中的组织变化 时效过程是第二相从过饱和固溶体中沉淀的过程， 是固态相变的一种，通过新相的形核和长大的方式完 成转变。 1）相变时系统自由能的变化 当因相中出现新相时，系统自由能的总变化为：
因此，该合金适合于铸造形状复杂，但致密度要求 不高的铸件。
2）组织特点 粗大的硅的针状晶体和α固溶体构成的共晶体。粗
铝-硅二元相图
共晶点的温度为 577℃ 共晶点成分 为:11.7wt%
粗针状硅严重降低合金的塑性；
变质处理：Na、Ti、B等
①Na：溶入合金溶液的活性钠一方面促进硅的形核， 另一方面能在初生的硅晶体表面阻碍硅晶体的生长； 变为亚共晶结晶可能是Na右移共晶点。 ②Ti：TiAl3、TiB2先于α固溶体析出，成为α固溶体的 非自发结晶中心。 该合金的优点：铸造性能好，焊接性能好，比重小， 抗蚀性、耐热性好； 缺点：强度不够高，铸件密度小，不能淬火时效强 化。
一些重要的有色金属及合金 Non-ferrous metals and alloys 绪论 1、有色金属的重要地位 1）在先进工业和尖端技术上的应用 宇航、航空、航海、汽车、石油化工、电子、 原子能等近代工业的发展，要求发展： 高强度；
高韧型；
1、为什么含石墨的铸铁中一般Si含量较高?白口 铸铁?灰口铸铁?球墨铸铁? 2、什么叫应力腐蚀?
Al-Mg合金相 图，表明它可 以进行时效强 化处理 β相为Mg5Al6
淬火+时效处 理后的 Al-Mg 合金的性能存 在着一个 Mg 的最佳含量；
含镁太高， 淬火加热时难 于完全固溶， 从而使合金的 强度与塑性下 降。
相共格；由于铜原子较铝原子小，G.P.区产生一定的 弹性收缩。
θ’’相：如果将Al-4Cu合金在较高的温度下进行时效, G.P.区的直径急剧长大，而且铜原子和铝原子逐渐形 成规则的排列，即所谓正方有序化结构。 θ’’过渡相在基体的{100}面上形成为圆片状组织， 厚度为8--20Å，直径为150--400Å。 θ’’过渡相与基体完全共格，但在Z轴方向上的晶格 常数比基体晶格常数的两倍小一些，产生约4%的错配 度。因此，它造成一个弹性共格应变场，对位错运动 产生阻碍作用。
部分铝-铜系相图
降，固溶度急剧减小，室温下为0.05%；
θ组成为CuAl2，按化学式计算， θ相中铜的含量为 54.08%,但实际为52.5—53.9%;
Al-4Cu合金在缓冷时获得的组织为（α+θ）两相； 铸造组织的抗拉强度为150MPa。 4）如果将该合金加热到固溶度曲线以上，并迅速淬入 干冰（-78℃），形成过饱和固溶体（含4%Cu)；抗拉强 度为200MPa;若长期在干冰内保存，机械性能没有明显 变化； 5）但若从干冰中取出于室温下放置，则两小时后，开 始出现硬化现象，硬度与强度增高，并随时间的增加，
铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效；
退火属软化处理，目的是获得稳定的组织或优良的 工艺塑性； 淬火时效为强化处理，借助时效强化以提高合金的 强度性能。
1、Al-4Cu 合金组织性能的一般变化
1）如下图为 Al-Cu相图；
2）在548℃进行共晶转变：L→α+θ(CuAl2)
3)铜在α相中的极限溶解度为5.65%，随着温度的下
θ’相：继续增加时效时间或提高时效温度，例如将 Al-4Cu 合金时效温度提高到200℃，过渡相转变为 θ’，它属于正方点阵，其中a=b=4.04Å，c=5.80Å， 名义成分为CuAl2。其大小则决定于时效时间和温度， 直径约为100--6000Å，厚度为100--150Å。 由于在 Z轴方向的错配度过大（约30%），在 （010）和（100）面上的共格关系遭到破坏， θ’与 基体成半共格关系。此时，它的应变能减小，意味 着晶格畸变的减少，合金的硬度和强度下降，开始 进入过时效阶段。
2.2 若干铝合金相图特点
Cu、Mg、Mn、Zn和Si等五种常见合金元素都能与 铝形成共晶体： 但Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn系中形成的共晶体中含有 硬脆的化合物，因而随着这些共晶体的出现，合金性 能迅速变坏； 对于Al-Cu和Al-Mg系，共晶体不多，因此铸造性能 不好。
Al-Zn共晶点的Zn成分为95%,当选用共晶点附近 成分时，它成为Zn合金了。 实验证明：Al-Si 合金中随着共晶体数量的增加， 铸造性能、机械性能都越来越好；
这类合金采用多元少量原则，有多种合金元素存 在，形成的强化相较多：CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg， Zl110、Zl105和Zl108就是这样的合金。在这类合金 中，上述强化相的共同作用使合金在淬火时效后获得 很高的强度及硬度。
应用：制造形状复杂、性能要求高，如在较高温度 下工作的零件（用在汽车、拖拉机及各种内燃机的 发动机上）。 2.4 其它的一些合金系
Al-4Cu合金人工时效硬度的变化
2、过饱和固溶体的性质
合金时效处理前，先要通过固溶处理以获得过饱和 固溶体；
固溶体不仅对溶质原子是过饱和的，而且对空位这 种晶体缺陷也是过饱和的，即处于双重饱和； 沉淀析出过程是一种原子扩散过程，而空位的存在 是原子扩散所必须具备的条件，因此，固溶体中的空 位浓度及其溶质原子间的交互作用性质，必然对沉淀 动力学过程产生影响；
3、杂质与分类 （1）杂质：工业纯铝，与化学纯铝不同，含有杂
铝中有极低杂质元素铁，就会析出化合物
铝中有杂质元素硅，就会共晶硅析出
质，最常见的Fe与Si，Fe与Si含量影响它的导电、导 热性；对塑性极为不利。 (2)工业纯铝的牌号依其杂质的限量来编制的 L1、L2、L3（ 数字越大，纯度越高）
二、铝合金的热处理原理
Al-Cu系铸造铝合金：铸造性能不好，抗蚀性差， 比强度低；
Al-Mg系：耐蚀性好；强度高； Al-Zn系：自行淬火，时效强化。 3、形变铝合金 3.1 防锈铝合金（LF)
Al-Cu合金系的主要强化相为CuAl2,它本身有较强的时效强 化能力和热稳定性，因而该合金系适合高温工作。
Al-Cu合金淬火+时效处理后，硬度的变化
Ag
Cu
Al(以体积计，依次减弱）
如果以重量计，比Cu还好。
3）塑性好；这与面心立方结构有关，它能实施冷或热
压力加工制成各种型材；
抗大气腐蚀பைடு நூலகம்能好。在表面能形成极致密的氧化 铝薄膜；
强度很低(σb=80MPa—100MPa),冷变形加工后 σb=150MPa—250MPa; 2、应用
电线、电缆以及导热和抗大气腐蚀对强度不高的用 品与器皿。
新型发动机用材料
— 主要是Ti合金与Ni、Al合金和钢
形状记忆合金(TiNi)
20℃时的原始状态
形状记忆合金(TiNi)
20℃时的被拉长状态
形状记忆合金(TiNi)
高于50℃时正在收缩中
形状记忆合金(TiNi)
基本恢复到原始状态
2) 地壳中的含量
Al(8.8%); Mg(2.1%); Ti(0.6%); Fe(5.1%);