第八章有色金属及其合金

第八章有色金属及其合金

(Non-ferrous metal and alloy)

教学目的：掌握铝合金、铜合金的强化机理及组织、性能特点；熟悉铝合金、铜

合金的表示方法；了解滑动轴承合金的组织性能特点。

本章重点：1、铝合金的强化机理及组织、性能特点

2、铜合金的强化机理及组织、性能特点

本章难点：铝合金、铜合金的强化机理

参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005

2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001

3、史美堂，金

属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997

专业词汇：non-ferrous metal; non-ferrous alloy; aluminum alloy; copper alloy;

deformation aluminum alloy; wrought copper alloy; wrought magnesium

alloy; cast aluminum alloy; cast copper alloy; cast magnesium alloy;

aging;

有色金属：除钢铁以外的所有金属统称为有色金属。

有色金属：a、轻金属：密度<3.5, Al 2.72, Mg 1.74, Be, Li。

b 、重金属：Pb，Cu，Ni，Hg。

c、贵金属：Au，Ag，Pt，Pd。

e、稀有金属：W，Mo，V，Ti，Nb，Zr，Ta。

f 、放射性金属：Ra，U。

有色金属及其合金与钢铁相比，具有许多特性：

Al，Mg，Ti 及其合金密度小。

Au，Cu，Ag 及其合金导电性好。

Ni，Mo，Nb，Co 及其合金耐高温。

Cr，Ni，Ti 及合金具有优良的耐蚀性。

故有色金属及其合金的应用越来越多，在国民经济中占重要地位。如飞机制造业中，轻金属占总重量的95% ，钢铁及其它材料占5% 。近年来，汽车制造业中铝合金、镁合金的使用量越来越多，而镁合金在家电、信息产业的应用近年来急剧增长（年递增20% ）。镁合金是最轻的工程金属材料，具有高强度、导热性好、减震性好、电磁屏蔽能力强、加工性好（压铸表面质量高），易回收利用，属绿色环保材料。我国是镁资源大国，储量和原镁产量居首位，约占世界总量的三分之一以上，主要分布在西部地区，但长期以来，由于技术水平落后，镁只能作为初级产品低价出口，精加工产品却大量进口（以吨为单位出口，以克为单位进口）。钛及其合金不论在化学介质中，还是在海水或淡水中都有良好的抗腐蚀性。

第一节铝及其合金

一、工业纯铝

1、铝的性质

①具有面心立方晶格，无同素异构转变。

②密度2.72 ，约为铁的三分之一，铝合金密度一般为2.5~2.88之间

③具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金

④在大气中具有优良的抗腐蚀性（与氧亲和力大，能形成一层致密的氧化膜）。

⑤具有高塑性、较低的强度L04 99.996% δ =45%

σb =50MN/m 2

2、纯铝的表示方法

L04L03L02L0L00L1

4# 高纯铝3# 高纯铝2# 高纯铝1# 工业高纯铝2# 工业高纯铝1# 工业纯铝

99.996% 99.99% 99.96% 99.90% 99.85%

99.7%

L2 ⋯⋯L7

2# 工业纯铝7#工业纯铝

98%

二、铝合金的成分、组织和性能特点

1、成分：纯铝的机械性能不高，为了提高铝的机械性能，在铝中加入Cu、Zn 、Mg 、

Si、Mn 、RE 等元素制成铝合金。铝合金仍保持纯铝密度小，抗蚀好等特点，但机械性能高的多。

2、组织特点：合金元素在铝中的溶解度一般都是有限的，因此铝合金组织中除了形成铝

基固溶体（α）外，还有第二相（金属间化合物）出现。CuAl 2 θ 相; Mg 2Si β

相;Al2CuMg S 相，二元铝合金状态图的基本形式为有限固溶体类性。

3、性能特点：

机械性能对比

低碳钢低合金钢高合金钢铸铁铝合金

相对密度

1.0 1.0 1.00.920.35

相对比强度极限

1.0 1.6

2.50.60 1.8

相对比屈服极限

1.0 1.7 4.20.70

2.9 ～4.3

相对比刚度 1.0 1.0 1.00.518.5

三、铝合金的分类

根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合金分为：加工变形铝合金

铸造铝合金两大类。

1 —变形铝合金

2—铸造铝合金

3—不能热处理强化的铝合金

4—能热处理强化的铝合金

1、铸造铝合金

一般而言，具有共晶成分的合金具有优良的铸造性能。铸造铝合金为了保证足够的机械性能，并不完全都是共晶成分，只是合金元素含量较高，在8~25% 2、变形铝合金这类铝合金要经冷、热加工成各种型材，因此要求具有良好的冷热加工工

艺性能，组织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形铝合金中合金元素的含量比较低，一般不超过B 点成分。合金元素总量∠ 5% 变形铝合金按其成分和性能特点，又可分为不能热处理强化的铝合金和可热处理强化的铝合金。

不能热处理强化的铝合金，合金含量少于状态图中D 点的成分，其中包括一些热处理强化效果不明显的合金。这类合金具有良好的抗蚀性，故称防锈铝合金。

可热处理强化的铝合金，合金元素含量位于B、D 之间，可通过热处理显著提高机械性能，包括硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。

四、铝合金的强化机理

1 、固溶强化合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体，其固溶强化作用，使其强度提

高。铝的合金化一般都形成有限固溶体，且都具有较大的极限溶解度。

2 、时效强化

由于铝没有同素异构转变，故其热处理相变与钢不同。铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减小，故铝合金经加热到一定温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体，这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某温度时，其强度、硬度随时间的延长而提高，塑性、韧性则降低，这一过程称为时效（时效强化）。淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。

3 、过剩相强化

当铝中加入的合金元素超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能

溶入固溶体的第二相出现，成为过剩相。这类过剩相多为硬而脆的金属间

化合物，起阻碍滑移和位错运动的作用，使铝合金强度、硬度提高，但塑、韧性下降，过剩相过多时，合金便脆，强度急剧下降。对于铸造铝合金，过剩相强化是主要手段。

4 、细化晶粒强化在铝合金中添加微量合金元素西化组织是提高机械性能的另一种重要手段。细化组织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。铸造铝合金常加入微量变质剂