吉林大学工程材料课件——第八章 有色金属材料

分类,牌号及应用: 分类,牌号及应用: 普通黄铜 黄 铜 特殊黄铜 Cu-Zn合金, H59,H62 ,H70等 - 合金 合金, H-黄铜 数字-Cu% 数字- 黄铜 应用:水管,油管,散热器等. 应用:水管,油管,散热器等. 普通黄铜基础上加入Al Mn Pb Si 普通黄铜基础上加入 进一步提高强度,硬度, 进一步提高强度,硬度,耐磨性和 耐蚀性. 耐蚀性. 牌号: 表示含铅黄铜, 牌号:HPb59-1 表示含铅黄铜, Cu%=59 Pb%=1 应用:制造船舶, 应用:制造船舶,化工中的高强耐 蚀零件钟表, 蚀零件钟表,机械的轴瓦耐 磨零 件等
用途:制造飞机大梁,蒙皮等. 用途:制造飞机大梁,蒙皮等. 4. 锻铝合金 主要合金元素: - - 主要合金元素:Mg-Si-Cu, 常用牌号: 常用牌号:LD5 L-铝 - LD7 D-锻造 -
Cu-Mg-Ni - - 数字- 数字-顺序号
特点:具有良好的锻造成型性,可固溶处理 人工 特点:具有良好的锻造成型性,可固溶处理+人工 时效强化. 时效强化. 用途:制造直升飞机的叶片,航空发动机活塞. 用途:制造直升飞机的叶片,航空发动机活塞.
第一节 铝及其合金 一,工业纯铝 特性: 特性: 1,熔点低,比重小.熔点为 ,熔点低,比重小.熔点为660.4 ℃ 密度 2.72 2,导电性和导热性好,仅次于银,铜,金居第四位. ,导电性和导热性好,仅次于银, 金居第四位. 3,面心立方晶格,强度低(σb=80-100MPa), 塑 ,面心立方晶格,强度低( ), 性好( ),可以通过压力加工成各种型材 性好(ψ=80%),可以通过压力加工成各种型材,与其 ),可以通过压力加工成各种型材, 面心立方晶体有关. 面心立方晶体有关. 4,抗大气腐蚀好,其表面有一层致密的氧化膜. ,抗大气腐蚀好,其表面有一层致密的氧化膜. 牌号: 牌号:工业纯铝牌号有 L1 L2 …….. L7 数字大纯度低 工业高纯铝牌号有L0 L00 工业高纯铝牌号有 数字大纯度高. 高纯铝 L01 L02 ……L04 数字大纯度高. 主要用途:电线, 主要用途:电线,电缆
铝合金一般相图
温度 α α +L
D 铸造铝合金 L
变形铝合金
α
热处理不能强化
+
β
热处理能强化Al源自FD/ 合金含量(Si Mg Cu 等) 合金含量(
(二)铝合金强化方法 1,热处理强化 , 强化方法:固溶处理-时效强化. 强化方法:固溶处理-时效强化. 固溶处理: 固溶处理:将合金加热到溶解度曲线以上某一温 得到单一的固溶体组织,然后在水中迅速冷却, 度,得到单一的固溶体组织,然后在水中迅速冷却, 使第二相来不及析出,形成过饱和固溶体. 使第二相来不及析出,形成过饱和固溶体.这种处理 的方法称固溶处理. 的方法称固溶处理. 时效强化: 时效强化:固溶处理的合金在较低温度下随时间 的延长发生进一步强化的现象(强度和硬度上升 强度和硬度上升) 的延长发生进一步强化的现象 强度和硬度上升)称时 效硬化或时效强化. 效硬化或时效强化.
四,铸造铝合金
合金系: - 合金系:Al-Si Al-Cu - Al-Mg - Al-Zn -
牌号表示方法:字母" 牌号表示方法:字母"ZL"+三位数字 + ZL-铸铝 -铸铝; 第一位数字表示合金类别 1-表示铝硅系, 2-表示铝铜系 -表示铝硅系, - 3-表示铝镁系, 4-表示铝锌系 -表示铝镁系, - 三位数字表示顺序号. 第 二,三位数字表示顺序号. 例如: 例如:ZL102, ZL202,LZ302等. , , 等 特点:铸造性能好( 合金差) 特点:铸造性能好(Al-Cu合金差) 合金差 用途: 用途:铸造铝合金主要用于制造重要的形状复杂的 铝合金零件,例如汽车,拖拉机发动机的活塞等. 铝合金零件,例如汽车,拖拉机发动机的活塞等.
铝硅合金变质处理前
铝硅合金变质处理后
三,常用铝合金 铝合金分为两大类:变形铝合金, 铝合金分为两大类:变形铝合金,铸造铝合金 (一)变形铝合金 变形铝合金按其性能和用途分为:防锈铝合金, 变形铝合金按其性能和用途分为:防锈铝合金,硬铝 合金,超硬铝合金和锻铝合金. 合金,超硬铝合金和锻铝合金. 1,防锈 铝 , 主要合金元素: 主要合金元素:Mn , Mg 常用牌号: 常用牌号:LF5,LF11,LF21等 , , 等 L-铝 F-防锈 数字- - - 数字-顺序号 特点:合金元素少,热处理强化不起作用, 特点:合金元素少,热处理强化不起作用,只能 用加工硬化的方法强化. 用加工硬化的方法强化. 用途:制造油箱,油管等. 用途:制造油箱,油管等
二,铝合金及 强化方法 (一)概述 1,合金化 , 在纯铝中加入Si 等元素, 在纯铝中加入 ,Cu,Mg,Zn,Mn等元素, , , , 等元素 经热处理可使强度比纯铝提高3- 倍 经热处理可使强度比纯铝提高 -4倍. 2,铝合金状态图(一般式) ,铝合金状态图(一般式) 共同特点是: 共同特点是:基本相都是铝基 α 固溶体和 α + β 共晶体. 为固溶体或化合物. 共晶体.其中 β 为固溶体或化合物. 3,铝合金的分类及特性 , 根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类. 根据加工工艺特性和合金元素含量可分为两大类. 铸造铝合金. 即,变形铝合金和 铸造铝合金. 变形铝合金:具有良好的塑性,可进行锻造, 变形铝合金:具有良好的塑性,可进行锻造,轧 挤压等压力加工. 制,挤压等压力加工. 铸造铝合金:流动性好,宜铸造,不宜压力加工. 铸造铝合金:流动性好,宜铸造,不宜压力加工.
时效过程:分四个阶段: 时效过程:分四个阶段: 第一阶段,形成 第一阶段,形成GP[1]区,溶质原子的富集,引起晶格畸变, 区 溶质原子的富集,引起晶格畸变, 位错受阻,强度提高. 位错受阻,强度提高. 第二阶段,形成 区有序化,随着原子的进一步富集 第二阶段,形成GP[11],Gp区有序化 随着原子的进一步富集, , 区有序化 随着原子的进一步富集, 原子有序的排列起来,成分结构接近CuAl2,称θ",与母相共 原子有序的排列起来,成分结构接近 , 格,引起晶格进一步畸变,位错进一步受阻,强度进一步提高. 引起晶格进一步畸变,位错进一步受阻,强度进一步提高. 第三阶段,形成过渡相θ′,溶质原子继续富集,化学成分逐渐 第三阶段,形成过渡相 ,溶质原子继续富集, 达到CuAl2的化学成分,部分与母相脱离共格联系,晶格畸变 的化学成分,部分与母相脱离共格联系, 达到 减轻,对位错阻碍减少,合金趋向软化. 减轻,对位错阻碍减少,合金趋向软化. 第四阶段, 相形成与长大 形成稳定的CuAl2.与母相完全 相形成与长大, 第四阶段,θ相形成与长大,形成稳定的 脱离共格联系,晶格畸变大为减轻,强化效果显著减弱, 脱离共格联系,晶格畸变大为减轻,强化效果显著减弱,合 金发生软化,这种现象称"过时效" 金发生软化,这种现象称"过时效". 实际上,时效过程不一定全部包括以上四个阶段, 实际上,时效过程不一定全部包括以上四个阶段,自然时效 只有一二阶段,人工时效只能观察到三,四阶段. 只有一二阶段,人工时效只能观察到三,四阶段.
3,青铜 , 主要成分: 合金, 主要成分: Cu-Sn合金,应用最早合金.近代又 合金 应用最早合金. 发展了含Al, , , 的铜合金, 发展了含 ,Si,Be,Mn,Pb的铜合金,习惯上也 , 的铜合金 都称为青铜. 都称为青铜. 特性:具有极高的耐磨性并耐蚀性好. 特性:具有极高的耐磨性并耐蚀性好. 牌号: 元素符号 元素符号+ 牌号:Q+元素符号+含量 QSn4-3 QAl5 ZQSn10-5 等 (3%Zn) % ) (5%Pb) % ) 应用:耐磨件如齿轮,轴套,蜗轮, 应用:耐磨件如齿轮,轴套,蜗轮,仪器上的弹 簧,耐磨和抗磁零件
2,对变形铝合金通过冷变形加工硬化,使强度提高. ,对变形铝合金通过冷变形加工硬化,使强度提高. 3,固溶强化 合金元素溶入铝晶格中形成有限固溶 , 使合金强度提高.如硅铜镁锰等. 体,使合金强度提高.如硅铜镁锰等.
4,加入变质剂,进行变质处理 细晶强化. ,加入变质剂,进行变质处理—细晶强化 细晶强化. 铸造合金, 例:Al-Si铸造合金,浇铸前加入 -3%钠盐混合 - 铸造合金 浇铸前加入2- % 变质剂), 物(2/3NaF + 1/3NaCl-变质剂),结晶时产生大量晶 变质剂),结晶时产生大量晶 获得细晶粒,合金的强度和塑性都得以提高. 核,获得细晶粒,合金的强度和塑性都得以提高.
第八章有色金属及合金
通常把铁及其合金( 通常把铁及其合金(钢,铸铁)称为黑色金属材 铁及其合金 铸铁) 而把非铁金属及其合金称为有色金属材料 非铁金属及其合金称为有色金属材料. 料,而把非铁金属及其合金称为有色金属材料. 与黑色金属相比,有色金属具有许多优良特性, 与黑色金属相比,有色金属具有许多优良特性,例如 钛及其合金具有密度小,比强度高的特点, 铝,镁,钛及其合金具有密度小,比强度高的特点, 在飞机,汽车制造等工业中应用十分广泛;又如银, 在飞机,汽车制造等工业中应用十分广泛;又如银, 铝及其合金的导电性导热性好,是电器, 铜,铝及其合金的导电性导热性好,是电器,仪表工 业不可缺少的材料. 使用量少, 业不可缺少的材料.虽然有色金属 使用量少,在机械 制造业中仅占4.5%左右,但它是现代工业中不可缺少 左右, 制造业中仅占 左右 的材料. 的材料.
2 ,硬铝合金 主要合金元素: 主要合金元素:Cu - Mg 常用牌号: 常用牌号: LY1, LY11等. L-铝 Y-硬 - - 数字- 数字-顺序号
特点:可用热处理时效强化,也可冷变形加工硬化. 特点:可用热处理时效强化,也可冷变形加工硬化. 用途:制造铆钉,螺旋桨叶片等. 用途:制造铆钉,螺旋桨叶片等 3,超硬铝合金 , 主要合金元素: - 主要合金元素:Zn- Mg- Cu - 常用牌号: LC4 LC6 常用牌号 L-铝 C-超硬 数字- - - 数字-顺序号 特点: 特点:这类铝合金是经固溶处理和时效硬化后强度最 高的一种铝合金. 高的一种铝合金.
第二节 铜及合金
1,工业纯铜 (又称紫铜) , 又称紫铜) 物理性能:密度为8.93g/cm3 ,熔点为 熔点为1083 ℃,呈面 物理性能:密度为 心立方晶格,表现出优异的冷,热压力加工性能,导电, 心立方晶格,表现出优异的冷,热压力加工性能,导电, 强度低,不能作为结构材料使用. 导热性能好 .强度低,不能作为结构材料使用. 应用:电线, 应用:电线,电缆 2,黄铜: ,黄铜: 化学成分:主要元素是铜和锌.含锌量0- % 化学成分:主要元素是铜和锌.含锌量 -50%. 呈淡黄色. 呈淡黄色. 性能特点:强度高(比铝合金高); );耐磨性和耐 性能特点:强度高(比铝合金高);耐磨性和耐 海水腐蚀性好,都优于铝合金和碳钢. 海水腐蚀性好,都优于铝合金和碳钢.
以铝铜合金为例 例如4%Cu的铝合金加热到 相区 中某一温度,经过一 的铝合金加热到α相区 中某一温度, 例如 的铝合金加热到 段时间保温,使获得单一的α固溶体组织 固溶体组织, 段时间保温,使获得单一的 固溶体组织,然后投入水 来不及从α中析出 中快速淬火,使次生相CuAl2 来不及从 中析出 中快速淬火,使次生相 获得过饱和的α固溶 , 获得过饱和的 固溶 体.其强度可以达到 250MN/m2. 时效强化: 时效强化:固溶处理的 合金随时间的延续而发 生进一步强化的现象称 时效硬化或时效强化. 时效硬化或时效强化. 例如: 例如:固溶处理的合金 如果在室温放置4-5 ,如果在室温放置
强化机理: 强化机理: 在铝的 过饱和 α 固溶体晶格内形成 固溶体保持共格关系, 溶质原子富集区及铝化物且与 α 固溶体保持共格关系, 使得晶格严重畸变,使位错运动受到阻碍, 使得晶格严重畸变,使位错运动受到阻碍,提高了合 金的强度. 金的强度. 自然时效:在室温下进行的时效称自然时效( 自然时效:在室温下进行的时效称自然时效(强 度可以达到400 MN/m2), 度可以达到 人工时效: 人工时效:在加热条件下进行的时效称人工时效 (100-200C). - ). 人工时效的效果不如自然时效效果好,但时间短. 人工时效的效果不如自然时效效果好,但时间短. 的铝合金, 例:含4%Cu的铝合金,固溶强化后强度为 % 的铝合金 固溶强化后强度为250MPa自 自 然失效后( - 天 达到400MPa. 然失效后(4-5天)达到 .