铜合金

铜中的合金元素
在铜中无限固溶的合金元素有：Ni、Au、Mn； 大多数合金元素为有限溶解；当溶质元素与铜原子尺寸差别 很大时，溶解度明显减小。 铜中固溶的合金元素将起固溶强化作用； 固溶的溶质元素对铜的导电性有很大影响，P、Si、Fe、Co、 Be、Al、Mn、As及Sb均强烈降低铜的导电性，而Ag、Cd、 Cr、Mg对导电性的降低幅度较小。 固溶元素对铜的导热率有较大的降低。
铜的电极电位较正，在许多介质中都耐蚀，可在大气、淡气、 铜的电极电位较正，在许多介质中都耐蚀，可在大气、淡气、 水蒸气及低速海水等介质中工作； 水蒸气及低速海水等介质中工作； 优良的加工成形性，铜有极高的塑性； 优良的加工成形性，铜有极高的塑性； 机械性能（σb为200~240MPa），冷加工状态 b450MPa； 冷加工状态σ 机械性能 冷加工状态 优良的可焊性； 优良的可焊性； 无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器。 无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器。 由于有良好的的导电性、导热性和塑性， 由于有良好的的导电性、导热性和塑性，并兼有耐蚀性和焊接 它是化工、船舶和机械工业中的重要材料。 性，它是化工、船舶和机械工业中的重要材料。
第十章 铜合金
分类
工业纯铜---又称紫铜，可分两大类，即含氧 工业纯铜 铜和无氧铜； 黄铜---铜锌合金，以Zn为主加元素； 黄铜 白铜---铜镍合金，以Ni为主加元素； 白铜 青铜---铜锡合金等（除了锌、镍外，加入其 青铜 他元素的合金均称青铜）
铜及铜合金的性能
高导电率和导热率； 导电率和导热率； 具有良好的塑性，易于成型； 具有良好的塑性，易于成型； 塑性 高强度，耐磨性良好； 强度，耐磨性良好； 良好 某些条件下有良好的耐蚀性； 某些条件下有良好的耐蚀性； 耐蚀性
二元黄铜的性能
铸态，黄铜性能与锌含量有关。 铸态，黄铜性能与锌含量有关。 ω(Zn)↑，σb ↑ ，δ ↑ 。ω(Zn)为30%， ， 为 ， 伸长率达最大值； ω(Zn)为45% ，强 伸长率达最大值； 为 度最高。 再增加， 度最高。 ω(Zn)再增加，组织全部转 再增加 变为β’相，导致脆性增加，强度急剧 变为 相 导致脆性增加， 下降。 下降。 经变形和退火后，性能与 经变形和退火后，性能与ω(Zn)的关 的关 系与铸态相似。 系与铸态相似。由于成分均匀和晶粒 细化，其强度和塑性比铸态均有提高。 细化，其强度和塑性比铸态均有提高。 Cu-Zn合金的组织和性能随Zn含量变化
至今仍被广泛应用，是发展电力、电机、电工仪器和航海、 至今仍被广泛应用，是发展电力、电机、电工仪器和航海、造船 工业的材料。 工业的材料。 但铜的资源少，价格贵；当前世界已探明的储量为 万吨 万吨。 但铜的资源少，价格贵；当前世界已探明的储量为6.4万吨。
工业纯铜（紫铜） 一 工业纯铜（紫铜）
特性
合适的强度和塑性，大量用于冷凝器和散热器。
三七黄铜H70、H68：强度较高塑性特别好，用于深冲或深拉制
造复杂的零件，如散热器外壳、导管、波纹管以及枪弹和炮弹壳体。
四六黄铜H62、H59：强度高、塑性较好，制造销钉、螺帽等。
多元黄铜
加入其它合金元素， β） 加入其它合金元素，使α/ （ α+ β）相界 发生移动，缩小α相区或扩大α相区。 发生移动，缩小α相区或扩大α相区。见下 表，锌当量小于1的都是扩大α相区的元素。 锌当量小于1的都是扩大α
元素的锌当量
合金元素 当量系数
Si
10
Al
6
Sn
2
Pb
1
Fe
0.9
Mn
0.5
Ni
-1.4
锌当量
每1％的合金元素在组织上代替锌的量 。 ％的合金元素在组织上代替锌的量(K)。 “虚拟锌含量”的计算： 虚拟锌含量”的计算：
x= A + ∑ CK A + B + ∑ CK × 100%
式中：A、B分别为多元黄铜中锌和铜的实际含量；
单相α 单相α黄铜
单相α黄铜具有极好的塑性，能承受冷热塑性变形， 单相α黄铜具有极好的塑性，能承受冷热塑性变形， 但在200-700℃间存在低塑性区。 ℃间存在低塑性区。 但在 影响因素：一是中温时发生原子有序化， 影响因素：一是中温时发生原子有序化，使合金塑 性下降；二是含有微量低熔点的Bi、 、 等杂质 性下降；二是含有微量低熔点的 、Sb、Pb等杂质 元素引起的晶界脆性。 元素引起的晶界脆性。 加入稀土元素可以改善黄铜在这个温度范围的塑性。 加入稀土元素可以改善黄铜在这个温度范围的塑性。 稀土元素可以改善黄铜在这铜是铜和锡、铝、铍、硅、锰、铬、镉、 是铜和 锆和钛等元素组成的合金的统称。 锆和钛等元素组成的合金的统称。 等元素组成的合金的统称 青铜根据成分可分为：锡青铜和特殊青铜。 青铜根据成分可分为：锡青铜和特殊青铜。 在特殊青铜中，根据主加元素又命名为铝青 在特殊青铜中， 铜、铍青铜等。 铍青铜等。
二黄铜
铜锌合金称为黄铜，再加入其他合金元素后 形成多元黄铜。
Cu-Zn二元相图 二元相图
在包晶温度903℃，锌在铜中的固溶度为 ℃ 在包晶温度 ω(Zn)=32.5%；在456℃，ω(Zn)最大为 ； ℃ 最大为 39.0%。 α固溶体有两个有序固溶体， 固溶体有两个有序固溶体， 。 固溶体有两个有序固溶体 Cu9Zn和Cu3Zn， α固溶体有良好的力学性 和 ， 固溶体有良好的力学性 能和冷加工性。 能和冷加工性。 β相是以 相是以CuZn为基的固溶体，体心立方结 为基的固溶体， 相是以 为基的固溶体 有序相， 构，456-468℃以下为 有序相，高温无序 ℃以下为β’有序相 高温无序β 塑性好， 相难以冷变形。 相的塑性好 而有序β’相难以冷变形 相的塑性好，而有序 相难以冷变形。 γ相是电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，硬 相是电子化合物 为基的固溶体， 而脆，难以塑性加工，故无实用价值。 而脆，难以塑性加工，故无实用价值。
含锡量对锡青铜力学性能的影响
w（Sn）<7%~8%的为变形青铜，有高塑性，适宜的强度。 w（Sn）>10%为铸造合金，收缩率小，适于铸造形状复杂、壁 厚变化大的器件。 缺点：铸件致密性差，在高压下容易渗漏，不适于制造密封 性高的铸件。同时铸件凝固时会产生严重的晶内(枝晶)偏折， 并出现反偏析，严重时会在表面出现灰的色的斑点的“锡汗”， （主要由δ所组成）。
杂质
铋或铅与铜形成富铋或铅的低熔点共晶，其共晶温度相应为 铋或铅 270℃ 和360℃ ，共晶含W（Bi）=99.8%或W（Pb）=99.94%，在 晶界形成液膜，造成热脆。 氧和硫与铜形成（Cu+Cu2S）和（Cu+Cu2O ）共晶，熔点分别为 氧和硫 1067℃和1065 ℃ ，均高于Cu的热加工温度，冷加工时易发生破 裂（冷脆）； 氢与含氧铜中的氧作用生成水蒸气，造成很高的内压力，引起微 裂纹，在加工或服役中发生破裂（氢脆）。 其它元素，如Al、Fe、Ni、Sn、Zn、Sb等，虽在铜中溶解度较大， 但对其性能影响较小。
锡黄铜
黄铜中加入锡ω（ ） 黄铜中加入锡 （Sn）=1%能提高其在海水 能提高其在海水 中的耐蚀性，抑制脱锌，并能提高强度。 中的耐蚀性，抑制脱锌，并能提高强度。 HSn70-1锡黄铜又称“海军黄铜”，用于舰 锡黄铜又称“海军黄铜” 锡黄铜又称 船。
铅黄铜
铅在α黄铜中溶解量w（ ）小于0.03%。它作为金属 铅在α黄铜中溶解量 （Pb）小于 中溶解量 。 夹杂物分布在α黄铜枝晶间，引起热脆。 夹杂物分布在α黄铜枝晶间，引起热脆。 在（ α+ β）黄铜中，铅转移到黄铜晶内，其危害减 β）黄铜中 铅转移到黄铜晶内， 轻。 在四六黄铜中加入w 在四六黄铜中加入w（Pb）=1%-2%，可提高切削性。 ） ，可提高切削性。 锰黄铜、镍黄铜、铁黄铜、 锰黄铜、镍黄铜、铁黄铜、硅黄铜均可改善耐蚀性及提 高强度。 高强度。
（ α+ β）黄铜 ）
加热到高于500℃时，低温有序的β’相转变成 无序的β相， β相极软，为体心立方结构，原 子扩散快，晶粒易长大。 一般锻造温度低于（ α+ β）/ β相线，以保留 少量α相，阻碍β相晶粒长大。
二元黄铜性能缺点
在大气、淡水中耐蚀，在海水中尚可。腐蚀表现在 应力腐蚀和脱锌？。 脱锌？ 脱锌 低锌黄铜H96、H90、H85：良好的导电、导热和耐蚀性，有
∑ CK 为除锌外的合金元素的实际含量（C）和该元素的
锌当量（K）的乘积总和。
铝黄铜
黄铜中加入少量铝可提高合金对腐蚀介质特 黄铜中加入少量铝可提高合金对腐蚀介质特 少量铝 别是高速海水的耐蚀性？ 别是高速海水的耐蚀性？ 耐蚀性
形成致密并和基体结合牢固的氧化膜
HA185-0.5铝黄铜色泽金黄，耐蚀性极高，可 铝黄铜色泽金黄，耐蚀性极高， 铝黄铜色泽金黄 作金的代用品。 作金的代用品。
分类、牌号、 分类、牌号、用途
根据含氧量和生产方法，可分为三类： 根据含氧量和生产方法，可分为三类： 含氧量 纯铜：含氧量 纯铜：含氧量0.02~0.10%； ； T1，T2：含氧量较低，导电及高纯度铜合金用； ， ：含氧量较低，导电及高纯度铜合金用； T3，T4：含氧量较高，一般铜材和铜合金用。 ， ：含氧量较高，一般铜材和铜合金用。 无氧铜：<0.003% 无氧铜： TU1，TU2：主要用于电子真空仪器仪表中导体 ， ： 脱氧铜： <0.01% 脱氧铜： TUP：主要用于焊接用铜材，制作热交换器、排水管、冷凝管等； ：主要用于焊接用铜材，制作热交换器、排水管、冷凝管等； TUMn：用于电子管用铜材。 ：用于电子管用铜材。
铜合金的退火硬化
在铜基α固溶体中，当ω(Zn)大于10％的黄铜、ω(Al)大于4% 的铝青铜、ω(Ni)大于30％的白铜，经固溶退火后，硬度明 显升高，弹性极限升高。 其原因可能是： a、原子的有序化，形成不均匀固溶体，使点阵部分收缩，引 起应变硬化。 b、代位溶质原子引起形变时效，溶质原子与位错交互作用， 位错挣脱质原子或重新吸附交替进行，或位错裹胁溶质原子 一起运动。
呈玫瑰红色。密度 熔点1083℃，面心立方； 呈玫瑰红色。密度8.94g/cm3，熔点 ℃ 面心立方； 导电导热性好（金属材料导电性排序： ， ， ， ， 导电导热性好（金属材料导电性排序：Ag，Cu，Au，Al， Mg，Zn，Ni等）； ， ， 等
• 冷变形 冷变形后，纯铜的导电率变化小，形变80%后导电率下降不到3%，故 可在冷加工状态用作导电材料。 • 杂质元素 杂质元素都会降低其导电性和导热性，尤以磷、硅、铁、钛、铍、 铝、锰、砷、锑等影响最强烈；形成非金属夹杂物的硫化物、氧化 物、硅酸盐等影响小，不溶的铅、铋等金属的夹杂物影响也不大。
二元黄铜的组织
ω(Zn)<36%的合金为α黄铜,铸态组织为单 的合金为α黄铜, 的合金为 相树枝晶,形变及再结晶退火后得到等轴α 相树枝晶,形变及再结晶退火后得到等轴α相 晶粒,具有退火孪晶。 晶粒,具有退火孪晶。 ω(Zn)=36%-46%的合金为（ α+ β）黄铜。 的合金为（ β）黄铜。 的合金为
铜合金中的强化相
电子化合物γ 二元合金中， 在 电子化合物 2-Cu-Be相：在Cu-Be二元合金中，Be在 相 二元合金中 Cu中的溶解度从高温（866℃）时的 中的溶解度从高温（ ℃ 时的2.7%降到 降到0.16%。 中的溶解度从高温 降到 。 Cr2Zr：铬和锆共同加入铜合金中产生的强化相，提 ：铬和锆共同加入铜合金中产生的强化相， 高合金强度和耐热性，且有高的导电率。 高合金强度和耐热性，且有高的导电率。 Ni2Si：镍与硅在铜合金中形成的沉淀强化相。 ：镍与硅在铜合金中形成的沉淀强化相。 NiAl或NiAl2：镍与铝在铜合金中形成沉淀强化相。 或 镍与铝在铜合金中形成沉淀强化相。 Cu3Ti：钛在铜中形成的沉淀强化相。 ：钛在铜中形成的沉淀强化相。
青铜器
锡青铜
α相，锡的铜基固溶体 β相，Cu5Sn，体心六方，电子浓度 21/14 γ相，不稳定的高温相 δ相，Cu31Sn8复杂立方，电子浓度 21/13 ε相，Cu3Sn密排六方，电子浓度 21/12
锡青铜的组织及性能特点
锡固溶于α固溶体，有强的固 溶强化作用。 锡青铜强度与伸长率随锡增加 升高，当w（Sn）>6%时，出 现δ相，伸长率下降，强度增 加，直到w（Sn）=25%时，δ 相含量较高而强度急剧下降。 工业中锡青铜中锡含量不超过 14%。