6 金属基复合材料

2.青铜
青铜是铜合金中综合性能最好的合金，Cu—Sn 合金。
现代工业把 Cu—Al 、 Cu—Be 、 Cu—Pb 、 Cu— Si等铜合金也称为青铜，通常在青铜合金前面冠 以主要合金元素的名称，如锡青铜、铝青铜、铍 青铜、硅青铜等。 青铜的代号以“青”字汉语拼音的字头“ Q” 加主要合金元素的名称及含量表示。铸造青铜在 代号前面加“Z”。
铝青铜是应用最广泛的青铜，有更高的强 度、硬度、耐磨性以及抗大气、海水腐蚀的能 力；用来制造耐磨、耐蚀零件。
（3）铍青铜
铍青铜是铜合金中性能最好的一种，具有高 的强度、弹性、耐磨、耐蚀及耐低温等特性，导 电性、导热性能优良。 铍青铜是工业上用来制造高级弹簧、膜片等 弹性元件的重要材料，还可用于制作耐磨、耐蚀 零件，航海罗盘仪中的零件及防爆工具等。
6.2.1金属基复合材料的种类
(1) 铝基复合材料 在金属基复合材料中应用最广的一 种，具有易加工性，价格低廉. (2) 镍基复合材料 主要用于制造高温下工作的零部件. (3) 钛基复合材料 钛具有比任何其它的结构材料更高 的比强度.
铝基复合材料
铝基复合材料圆柱
铝基复合材料（战斗机）
6.2.1金属基复合材料的种类
Al—Si系铸造铝合金又称硅铝明，仅由Al、 Si两组元组成的二元合金称为简单硅铝明。通常用 于制造形状复杂、强度要求不高的铸件，如内燃机 缸体。
在合金中加入Cu、MΒιβλιοθήκη Baidu、Mn等合金元素，构 成了复杂硅铝明。
硅铝明
（ 2 ） Al—Cu 系铸造铝合金是以 Al—Cu 为基的 二元或多元合金。
铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般 优质硅铝明为低。大部分已为其它铝合金所代 替。
纯镁的强度不高，大致与铝差不多。 镁具有很高的化学活泼性，在室温下形成氧化镁薄膜，由于氧化 镁薄膜很脆，且不如氧化铝那么致密，故在潮湿的空气中，特别是在 盐水中的抗腐蚀性很差。
（二）镁合金 纯镁的机械性能比较差，不适宜用作结构材料，为了提 高强度，可以在镁中加入一些合金元素，制成镁合金。 常用的合金元素有铝、锰、锆、稀土元素以及钍等元素。 镁合金和铝合金一样，也分为铸造镁合金和变形镁合金。 铸造镁合金的牌号采用“铸”、“镁”二字的汉语拼音 字头“Z”、“M”加序号表示，如ZM1、ZM2等； 变形镁合金有用“镁”、“变”二字的汉语拼音字头 “M”、“B”加序号表示，如MB1、MB2等。
常用镁合金有：
（1）镁-锰系合金
改善镁的抗蚀性。但是单纯的镁-锰合金机械性能不高，加 入少量的铈，可得到较高的室温机械性能和高温强度。
（2）镁-铝-锌系合金
强度高，可以热处理强化，并具有良好的铸造性能。
但抗蚀性不如镁-锰合金好，屈服强度和耐热性低。主要用 于热挤压棒材，形状复杂的的锻件和受力较大的飞机及发动机 零件。
2. 按增强体分类 — 纤维增强金属基复合材料 — 颗粒、晶须增强金属基复合材料
SiC颗粒增强铝基复合材料环件
6.2.2金属基复合材料的基本性能
1. 高比强度、高比模量 纤维增强金属基复合材料的比强度、比 模量明显高于金属基体；颗粒增强金属 基复合材料的比强度虽无明显增加，但 比模量明显提高。 横向模量和剪切模量，金属基复合材料 远高于聚合物基复合材料。
钛中常见的杂质有 O 、 N 、 C 、 H 、 Fe 、 Si 等元素， 按杂质的含量不同，工业纯钛可分为 TA1、 TA2 、TA3 三 个牌号。
“T”为“钛”字的汉语拼音字头，数字为顺序号， 数字越大，杂质越多，强度越高，塑性越低。
工业纯钛长期工作温度可达300℃，可制成板材、 棒材，线材等。可直接用于飞机、船舶、化工等行业， 如热交换器、制盐厂的管道。
（二）铝合金
铝中加入合金元素，配制成各种成分的铝合金， 是提高纯铝强度的有效途径。
（二）铝合金
1.铝合金的分类
铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭，再 经压力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带 材、棒材、管材、线材以及其它各种型材，要求具 有较高的塑性和良好的工艺成型性能。
6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展， 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮， 不老化，气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状， 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
（2 ）硬铝合金 Al—Cu—Mg 系，由于该合金强 度和硬度高，故称为硬铝，又称杜拉铝。
牌号：LY
（3）超硬铝合金 Al—Zn—Mg—Cu系，其强度 超过硬铝，是变形铝合金中强度最高的一类铝合 金，故称超硬铝合金。
牌号：LC
（4）锻铝合金 Al—Mg—Si—Cu系，有良好的 热塑性，适合加工外形复杂的锻件，故称为锻铝。 牌号：LD
一、铝及铝合金 （一）纯铝
（ 1 ）质量轻，比强度高 除了镁和铍以外，它是工 程金属中最轻的。
（ 2 ）具有良好的导电、导热性，导电性仅次于银 和铜，居于第三位。 （ 3 ）耐腐蚀性好 铝和氧的亲和力很大，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 与基体牢固结合的氧化膜。
（4）铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变，极 好的塑性，适于冷热加工成形。用于制作铝箔、导线 及配制合金。 （5）高纯度铝牌号L0，纯铝牌号L1—L7 工业纯铝的强度和硬度都很低
（1）锡青铜 锡青铜铸造流动性较差，合金线收缩率小，适 于铸造形状复杂，尺寸要求精确对致密度要求不太高 的铸件。
锡青铜具有良好的耐蚀性、耐磨性，广泛用于制造
蒸汽锅炉、海船的零构件。
（2）铝青铜
铝青铜是铜与铝形成的合金，铝的含量应 控制在WAl＜12%。适宜冷加工的铝青铜其铝含量 一般WAl5%～7%，铝含量WAl7%～12%时宜于热加 工和铸造。
白铜的特点是在各种腐蚀介质中具有高的化 学稳定性，优良的冷、热加工性能。用于制造蒸 汽和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、冷 凝器和热交换器。
四、镁及镁合金
（一）纯镁
纯镁的密度最小，只有1.74g/cm3 ,是工业用金属中最轻的一种。 纯镁的熔点650±1℃ ,在熔化时极易氧化甚至燃烧。
镁具有密排六方点阵结构，滑移系数小，故镁的塑性变形能力比 铝差，但在高温具有一定的塑性变形能力。
（3） Al—Mg系铸造铝合金是密度最小、耐蚀 性最好、强度最高的铸造铝合金，且抗冲击和 切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐热性 能较差。 该系铸造铝合金常用于承受冲击载荷、振 动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零 件。
（ 4 ） Al—Zn 合金是最便宜的一类铸造铝合金， 较高强度，无特别突出的优点。 主要缺点是耐蚀性较差。
3.白铜
白铜是镍含量WNi＜50%的Cu—Ni合金。
白铜可分为简单白铜和特殊白铜。
Cu—Ni 二元合金称为简单白铜，其代号以“白”字 的汉语拼音字头“B”加镍含量表示。 如：B5，B19和B30 在简单白铜合金的基础上添加其它合金元素的铜镍 合金称为特殊白铜，其代号以“ B”+ 特殊元素的化学符 号+镍的质量分数+特殊合金元素的质量分数来表示。 如：康铜（锰白铜）BMn40-1.5
6.2.2金属基复合材料的基本性能
2. 导电、 导热性能 金属基体在金属基复合材料中占有 很高的体积百分比, 一般在60%以上, 仍 保持金属具有的良好的导热和导电性.
6.2.2金属基复合材料的基本性能
3. 热膨胀系数小， 尺寸稳定性好 所用增强体碳纤维、 碳化硅纤维、 硼纤维、 晶须等具有很小的热膨胀系数. 4. 良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很 多， 增强纤维、 晶须、颗粒在高温下具 有很高的强度和模量.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是 在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
（一）纯钛 钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的 比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能 较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜， 在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（ HF 除外）以及 碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格，称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格，称为α —Ti。
工业纯铜中常含有 0.1%～0.5%的杂质，如铅、 铋、氧、硫、磷等。 纯铜的代号以汉语拼音字头“ T” 加数字表 示，数字越大，杂质的含量越高，工业纯铜分 为四种：T1、T2、T3、T4。
（二）铜合金 铜合金分为黄铜、白铜和青铜三大类。 黄铜是Cu—Zn合金； 白铜是Cu—Ni合金； 早期的青铜是铜与锡的合金。 现代把除锌和镍以外的其它元素为主要合金元素的铜合 金统称为青铜。
铸造铝合金，是将熔融的合金液直接浇入铸型中 获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能。
如：流动性好、收缩小、抗热裂性高。塑性较差， 但流动性好，适于铸造。
2.变形铝合金


防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金 锻铝合金
（1）防锈铝合金 主要 是Al—Mn系及Al—Mg 系合金。性能特点是 具有优良的耐蚀性、 塑性和焊接性。 牌号： LF
（二）钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中， 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
（一）纯铜 呈紫红色，又称紫铜。属重金属范畴，无同素异构 转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于 银。 高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性，在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构，极优良的塑性，可进行冷热 压力加工。
（3）镁-锌-锆系合金 近期发展起来的。热塑性变形能力较大，故可用作高强度 铸造合金和变形合金。
（4）耐热高强度镁合金 耐热、高强度、高耐腐以及优良的工艺性。如含钍的镁合 金在300 ℃下的蠕变极限超过了所有镁合金。
6.2.1金属基复合材料的种类

1. 按基体分类 按基体材料分类： — 铝基复合材料 — 镁基复合材料 — 钛基复合材料 — 高温合金基复合材料 — 金属间化合物基复合 材料
1.黄铜
因铜加锌后呈金黄色而得名。简单的Cu—Zn合金称为 普通黄铜。 在普通黄铜中加入Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等元素可 制成特殊黄铜。 普通黄铜代号以“黄”字的汉语拼音字头“H”加数字 表示，数字代表铜的质量分数。 特殊黄铜代号以“H”+主加元素符号+铜的质量分数+ 主加元素的质量分数来表示。 如HMn58—2
3.铸造铝合金
铸造铝合金加入的合金元素主要有 Si 、 Mg 、 Mn、Ni、Cr、Zn、RE等。
3.铸造铝合金
铸造铝合金可分为 Al—Si 系、 Al—Cu 系、 Al—Mg系、Al—RE系和Al—Zn系五类。
Al—Si系应用最为广泛。
（ 1 ） Al—Si 系铸造铝合金 是工业上使用最广 泛的铸造铝合金，具有很好的流动性，补缩能力强， 热裂倾向小。


金属与非金属、金属与金属之间形成的 化合物称金属间化合物。 例：钛铝、镍铝等。 高温合金主要是镍基、铁基合金。
钢铁以外的金属及合金称为有色金属，密度低于 4.5×103kg/m3的金属称为轻金属。有色金属及其合金具有 很多钢铁材料不具备的特殊性能，致使在航空、航天、航 海、机电、仪表等工业中起到重要作用。
第六章 金属基复合材料
金属基复合材料
金属基复合材料是以金属为基体， 以高强度的第二相为增强体而制得的复 合材料.
6.1 金属基体材料
金属基复合材料常用的金属基体： 铝及其合金、镁及其合金、钛及其 合金、铜及其合金、镍及其合金、不锈 钢和金属间化合物。
铝基复合材料
钛基复合材料
6.1 金属基体材料