第八章 有色金属及其合金,non-ferrous metal and alloy,1、掌握铝合金、铜合金的强化机理及组 织、性能特点,本章教学目的：,2、熟悉铝合金、铜合金的表示方法,3、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 2、铜合金的强化机理及组织、性能,本章难点：铝合金、铜合金的强化机理,参考文献：,1、崔忠圻等，金属学与热处理原理， 哈尔滨工业大学 出版社，1998 2、王 忠，机械工程材料 ，清华大学出版 社，2005,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, 有色金属及其合金的应用越来越多，在国 民经济中占越来越重要地位。,飞机制造业：轻金属占总重量的95%， 钢铁及其它材料占5%。, 镁合金在“3C”产品的应用近年来急剧增 长（年递增20%）。,C：COMPUTER C：COMMUNICATION C：CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS,钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用 越来越多。,第一节 铝及其合金,一、工业纯铝,1、铝的性质, 具有面心立方晶格，无同素异构转变。 密度2.72，约为铁的三分之一，铝合金 密度一般为2.52.88之间。,具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金。 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）。 具有高塑性、较低的强度 ： L04 99.996% =45%；b=50MN/m2,2、纯铝的牌号,L04 L03 L02 4#高纯铝 3#高纯铝 2#高纯铝 99.996% 99.99% 99.96%,L0 L00 L1 1#工业高纯铝 2#工业高纯铝 1#工业纯铝 99.90% 99.85% 99.7%,L2 L7 2#工业纯铝 7#工业纯铝 99.5% 98%,二、铝合金的成分、组织和性能特点,1、成分特点,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，但机械性能比纯铝高的多。,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（）外，还有第二相（金属间化合 物）出现。,CuAl2 相；Mg2Si 相；Al2CuMg S相。,二元铝合金状态图的基本型式为 有限固溶体型。,3、性能特点,与钢铁相比，铝合金具有较高的比强 度、比刚度，较低的密度。,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 1.0 0.92 0.35 相对比 1.0 1.6 2.5 0.60 1.8 强度极限 相对比 1.0 1.7 4.2 0.70 2.94.3 屈服极限 相对比 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5 刚度,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，把铝合金分为： 加工变形铝合金 铸造铝合金,2,1,3,4,Al,D,A,B,C,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825% 。,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， 起固溶强化作用，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,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一温度时，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 变脆，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细化组织 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，进行变 质处理。 常用变质剂：2/3 NaF +1/3 NaCl,变形铝合金中添加微量的钛、锆、铍及 稀土元素，它们能形成难溶化合物，在合金 结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用， 以提高强度及塑性。,五、铝合金时效强化的机理（以Al-Cu合金为例）,铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的 过程，包括四个阶段：,第一阶段：形成溶质原子Cu的富集区（Cu原子 在固溶体100晶面上偏聚）- GpI 区，随着GpI区的形成，将引起固 溶体严重畸变，使位错运动受到阻 碍。,第二阶段： 随着时间的延续，溶质原子继续向GpI区 扩散富集，并有序化而形成GpI I区。 GpI I的化学成分接近于CuAl2，具有正方 晶格（以”表示），随着GpI I区形成， 将引起固溶体更严重的畸变，使位错运动 受到更大阻碍。,第三阶段： 溶质原子Cu继续富集，第二阶段形成的 ”相逐渐达到CuAl2的成分，并部分地 与母相固溶体的晶格脱离，形成一种 过渡相，随着 的形成，固溶体的 晶格畸变程度减轻，合金趋于软化。,第四阶段： 稳定的相- CuAl2形成，并与母相固溶体 完全脱离联系，使固溶体的晶格畸变大为 减轻，时效产生的强化效果显著减弱，合金 软化，这种现象称为“过时效”。,一般自然时效只出现第一、第二阶段， 后两阶段由于原子扩散能力不足不出现。温 度较高的人工时效，则主要是第三、第四阶 段，因为温度较高，原子扩散能力很大，第 一、二阶段来不及出现即进入后二阶段。,六、铝合金的表示方法,1、铸造铝合金,ZL * * 表示合金顺序号 表示合金系列 1-Si 2-Cu 3-Mg 4-Zn 铸造铝合金,如： ZL102 表示第2号铝硅铸造合金 ZL405 表示第5号铝锌铸造合金,2、变形铝合金的牌号,防锈铝 LF+顺序号 “LF5” 硬铝 LY+顺序号 “LY12” 超硬铝 LC+顺序号 “LC4” 锻铝 LD+顺序号 “LD5”,七、常用铸造铝合金,1、 Al-Si 系铸造铝合金（硅铝明）,a、简单硅铝明 含1113% Si，铸造后几乎全部得到 共晶组织，因而流动性很好，铸造发生热 裂的倾向小，但铸件致密度不高。可采用 压铸，增加致密度。,b、特殊硅铝明 为了增加铝合金强度，向合金加入能 形成强化相 CuAl2（相），Mg2Si（相）， Al2CuMg（S相）的合金元素 Cu、Mg。,2、Al-Cu系铸造铝合金 合金中含有少量共晶组织，故铸造性 能不好，抗蚀性及强度也低于硅铝明，应 用较少。 如：ZL203 ZL201,3、Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302 优点：耐蚀性好，强度高，密度小（2.55 比纯铝还轻）。 缺点：铸造性能差。,4、Al-Zn系铸造铝合金 ZL401 优点：铸造性能好，强度高（铸造冷却时 自行淬火），经时效后就有较高的 强度，价格低。 缺点：抗蚀性差，热裂倾向大。,八、常用变形铝合金,1、防锈铝合金 包括铝镁系、铝锰系、工业纯铝，这 类合金不能进行热处理强化，机械性能比 较低，为了提高其强度，可采用冷加工方 法使其强化（加工硬化）。,a、 铝镁系防锈铝 LF2、LF3、LF5、LF6,主合金元素是Mg，此外还加入少量Mn、 Ti，随着 Mg 含量的增多，合金的强度、塑性 也相应提高。当Mg含量超过5%时，合金的抗 应力腐蚀性能降低。当Mg含量超过7%时，塑 性降低。,加入少量的Mn，不仅能改善合金的抗腐 蚀性，还能提高合金的强度，少量的钛、钒 起细化组织的作用。,组织：单相固溶体,b、 铝锰系LF21 Mn 是该合金的主要元素，1.01.6%含量 具有较高的强度、塑性、抗蚀性；合金中加入 少量的钛，0.4%Fe细化组织。,2、硬铝合金,LY1、LY2、LY3、4、6、8、10、11、12、,Al-Cu-Mg系，它有强烈的时效强化作 用，经时效处理后具有很高的硬度、强度， 同时具有优良的加工工艺性能。含Cu、Mg 量低的硬铝合金，强度低而塑性高，Cu、 Mg量高则强度高、塑性低。,硬铝合金淬火+人工时效，有晶间腐蚀倾 向，故多采用淬火+自然时效。,3、超硬铝合金 LC3、LC4、LC5、LC6、LC9,Al-Zn-Mn-Cu系： 强度达500700MN/m2，主合金元素是Zn、 Mn、 Cu，同时加入少量的Mg、Cr、Ti。,热处理特点：淬火+人工时效 因为自然时效时间太长5060天，且自然 时效有较大的应力腐蚀倾向。,Al-Mn-Si-Cu系合金具有优良的锻造工艺性能。 热处理特点：自然时效很难达到最大的强化 效果，必须采用人工时效。,4、锻铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10,第二节 铜及合金,一、铜的性质,1、具有面心晶格，无同素异构转变。 2、密度8.94，熔点1083，无磁性。 3、导电、导热性好，仅次于银。,金属导电性排序： Ag、Cu、Au、Mg、Zn、Ni、Cd、Co、Fe、 Pt、Sn、Pb,4、具有较高的化学稳定性 在大气、淡水中均有优良的抗蚀性；在温 水中抗蚀性较差。在大多非氧性介质中（HF、 HCl）抗蚀性较好，而在氧化性介质中（HNO3、 H2SO4）易 被腐蚀。,5、优良的成型加工性、可焊性、塑性，强度较低。 HB=3.5， b=200240 MN/m2 =50%， s=6070MN/m2,6、冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度， 但塑性、导电率降低，经退火后可消除加工 硬化现象。,二、杂质对铜性能的影响,工业纯铜常见杂质：氧、硫、铅、铋、 砷、磷等。这些杂质的存在，均使铜的导 电率降低。,1、热脆现象,产生原因：铅、铋杂质存在。,铅、铋与铜能形成熔点很低的共晶体 （Cu+Bi ，270），（Cu+Pb ，326）， 且沿晶界分布，热加工时（820860）， 晶界熔化热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含 量。Pb（0.005%0.03%）， Bi (0.002%0.003%),机理：,2、冷脆现象,产生原因：硫、氧杂质存在,硫、氧与铜形成共晶体，Cu+Cu2S，（1067） Cu+Cu2O，（1065），且沿晶界分布，熔点 较高，不会引起热脆。但Cu2S、Cu2O属