有色金属及其合金ppt课件.ppt
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- 有色金属 及其 合金 ppt 课件
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1、第第4章章 有色金属及其合金有色金属及其合金黑色金属黑色金属:铁铁、铬铬、锰锰及它们的合金。及它们的合金。有色金属有色金属:除铁、铬、锰以外的:除铁、铬、锰以外的83种金属种金属。分为五大类:分为五大类:(1)轻金属轻金属4.5g/cm3的有色金属;的有色金属;密度小密度小,化学化学活性大活性大,与,与O、S、C和卤素的化合物都相当稳定。包括和卤素的化合物都相当稳定。包括铝、镁铝、镁、铍、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛铍、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛。(2)重金属重金属4.5g/cm3的有色金属;包括的有色金属;包括铜、镍、铜、镍、铅、锌、钴、锡、汞、镉、铋铅、锌、钴、锡、汞、镉、铋。(3)贵金属贵
2、金属在地壳中在地壳中含量少含量少,开采和提取比较困难开采和提取比较困难,价格比较贵价格比较贵。包括。包括金、银和铂族金、银和铂族元素(元素(铂、铱、锇、钌、钯、铂、铱、锇、钌、钯、铑铑)。特点是:)。特点是:密度大密度大(10.422.4g/cm3),其中铂、铱、),其中铂、铱、锇是金属元素中最重的几种金属;锇是金属元素中最重的几种金属;熔点高熔点高(9163000););化学性质稳定化学性质稳定,能抵抗酸、碱,难于腐蚀(除银和钯外)。,能抵抗酸、碱,难于腐蚀(除银和钯外)。(4)稀有金属稀有金属在自然界中在自然界中含量少含量少、分布稀散或难从分布稀散或难从原料中提取原料中提取的金属。的金属。
3、稀有高熔点金属:稀有高熔点金属:熔点高熔点高,自,自1830(锆)至(锆)至3400(钨),(钨),硬度高,抗腐蚀性强硬度高,抗腐蚀性强,可与一些非金属元素生成非常,可与一些非金属元素生成非常硬和非常难熔的稳定化合物,如碳化物、氮化物、硅化物和硼硬和非常难熔的稳定化合物,如碳化物、氮化物、硅化物和硼化物。包括化物。包括钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒和铼钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒和铼;稀有分散金属稀有分散金属:镓、铟、铊、锗镓、铟、铊、锗;稀土金属稀土金属:镧系镧系元素以及与镧系元素性质很相近的钪、钇,元素以及与镧系元素性质很相近的钪、钇,共共17个元素;它们的原子结构相同,理化性质很近似,在矿石个
4、元素;它们的原子结构相同,理化性质很近似,在矿石中它们总是中它们总是伴生在一起伴生在一起。化学性质活泼,与硫、氧、氢、氮等化学性质活泼,与硫、氧、氢、氮等有强烈的亲和力。有强烈的亲和力。稀有放射性金属稀有放射性金属:钋、镭、锕、钍、镤和铀钋、镭、锕、钍、镤和铀6个天然放射个天然放射性元素及性元素及12个人造超铀元素,如个人造超铀元素,如钫、钚、锝、镅钫、钚、锝、镅等。等。(5)半金属)半金属指硅、硒、碲、砷、硼指硅、硒、碲、砷、硼5种元素,其种元素,其物理物理化学性质介于金属与非金属之间化学性质介于金属与非金属之间,故称半金属。,故称半金属。有色金属的应用:有色金属的应用:n铝、钛合金铝、钛合
5、金:比强度高、比刚度大,在航空、航海等工业:比强度高、比刚度大,在航空、航海等工业应用最广,铝的产量已超过有色金属总产量的应用最广,铝的产量已超过有色金属总产量的1/3。n铜铜:军工和电气设备的基本材料;:军工和电气设备的基本材料;n铅铅:化工方面制耐酸管道、蓄电池等有广泛应用;:化工方面制耐酸管道、蓄电池等有广泛应用;n锌锌:镀锌钢材广泛应用于工业和生活方面;:镀锌钢材广泛应用于工业和生活方面;n镍、钴镍、钴:是制造高温合金与不锈钢的重要战略物资。:是制造高温合金与不锈钢的重要战略物资。n贵金属贵金属:广泛地应用于电气、电子工业、宇宙航空工业,:广泛地应用于电气、电子工业、宇宙航空工业,以及
6、高温仪表和接触剂等。以及高温仪表和接触剂等。n稀有高熔点金属稀有高熔点金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物:是的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物:是生产硬质合金的重要材料。生产硬质合金的重要材料。n锆锆:由于中子吸收截面小,还是核燃料的包壳材料。:由于中子吸收截面小,还是核燃料的包壳材料。n稀土金属稀土金属:在冶炼中有脱硫、脱氧作用,能纯净金属,且:在冶炼中有脱硫、脱氧作用,能纯净金属,且能减少、消除钢的枝晶结构和细化晶粒,能使铸铁中石墨球化。能减少、消除钢的枝晶结构和细化晶粒,能使铸铁中石墨球化。4.1 4.1 铝及铝合金铝及铝合金4.1.1 纯铝纯铝(1)物理性能)物理性能外观外观:银白色;
7、:银白色;周期表中的位置周期表中的位置:第:第周期主族,周期主族,Z=13,化合价为,化合价为+3价;价;晶体结构晶体结构:面心立方面心立方,无同素异构转变。,无同素异构转变。熔点熔点:660;密度密度:2.72g/cm3,约为铁的,约为铁的1/3。导电、导热性导电、导热性:仅次于金、银和铜。:仅次于金、银和铜。(2)化学性能)化学性能在大气中极易与氧作用在表面生成一层牢固致密的氧化膜,在大气中极易与氧作用在表面生成一层牢固致密的氧化膜,阻止了氧与内部金属基体的作用,所以铝阻止了氧与内部金属基体的作用,所以铝在大气和淡水中具有在大气和淡水中具有良好的耐蚀性良好的耐蚀性,但,但在酸、碱和盐的水溶
8、液中,表面的氧化膜易在酸、碱和盐的水溶液中,表面的氧化膜易破坏,使铝很快被腐蚀破坏,使铝很快被腐蚀。(3)力学性能)力学性能较低的强度、硬度:较低的强度、硬度:b = 80100 MPa,HBS=1525;很高的塑性:很高的塑性:= 3050 %,=7090%;力学性能与力学性能与纯度纯度和和加工状态加工状态有关,有关,纯度愈高,塑性愈好纯度愈高,塑性愈好,但,但强度愈低强度愈低。具有良好的低温性能具有良好的低温性能,在,在0-253塑性和冲击韧性不降低塑性和冲击韧性不降低。(4)工艺性能)工艺性能易于铸造,易于切削易于铸造,易于切削,还具有,还具有很好的焊接性能很好的焊接性能;由于铝的塑性很
9、好,便于进行各种冷、热压力加工,可加工由于铝的塑性很好,便于进行各种冷、热压力加工,可加工成厚度为成厚度为0.0006mm的铝箔的铝箔和冷拔成和冷拔成极细的细丝极细的细丝。不同状态的工业纯铝的力学性能不同状态的工业纯铝的力学性能力学性能力学性能材料的加工状态材料的加工状态铸态铸态压力加工压力加工退火退火( (软质软质) ) 未退火未退火( (硬质硬质) )抗拉强度抗拉强度 b b/ /MPa90901201208080110110150150250250屈服强度屈服强度0.2/ /MPa50508080120120240240断后伸长率断后伸长率 (%)(%)11112525323240404
10、 48 8断面收缩率断面收缩率 (%)7070909050506060布氏硬度布氏硬度 HBHB242432321515252540406565抗剪强度抗剪强度 r r/ /MPa42426060100100弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度 -1-1/ /MPa50504040(5)牌号)牌号 我国变形铝的牌号表示方法,我国变形铝的牌号表示方法,GB/T3190-1996较较GB/T3190-82有很大的变化。有很大的变化。GB3190-1996:采用了:采用了国际四位数字体系国际四位数字体系牌号和牌号和四位四位字符体系字符体系牌号两种牌号的命名方法。牌号两种牌号的命名方法。第一位数字第一位数字:“1
11、”:纯铝:纯铝;第二位数字或字母第二位数字或字母:数字:数字0或字母或字母A,原始纯铝原始纯铝,19或或BY,原始纯铝的改型,原始纯铝的改型。最后两位数字最后两位数字:最低:最低铝百分含量中小数点后面的两位铝百分含量中小数点后面的两位。新牌号新牌号1A991A971A951A931A901A851A80 1A80A 1070 1070A 1370旧牌号旧牌号 原原LG5*原原LG4*原原LG3*原原L G2*原原LG1*代代L1Al99.9999.9799.9599.9399.999.8599.899.899.799.799.7新牌号新牌号1060 1050 1050A 1A501350 11
12、4510351A301100120012358A06旧牌号旧牌号 代代L2代代L3原原LB2*代代L4 原原L4-1*代代L5-1 代代L5原原L6*Al99.699.599.599.599.5 99.45 99.3599.3999999.35余量余量(6)用途)用途1A991A85:工业工业高高纯铝纯铝,科学试验科学试验、化学工业化学工业和其他特殊需求和其他特殊需求。1A70A、1060、1050A、1035、1200:工业纯铝工业纯铝,配制铝合金配制铝合金,也能加工成,也能加工成板、箔、管、线板、箔、管、线等形状,用等形状,用于制作于制作垫片及电容器垫片及电容器、电子管隔离罩、电线保护套管
13、、电子管隔离罩、电线保护套管、电缆电线线芯电缆电线线芯、飞机通风系统零件、化工容器飞机通风系统零件、化工容器、日用日用炊具炊具等产品,是目前有色金属中应用最多的一种材料。等产品,是目前有色金属中应用最多的一种材料。4.1.2 铝合金概述铝合金概述铝合金仍铝合金仍保持纯铝的密度小保持纯铝的密度小和和抗腐蚀性好抗腐蚀性好的特点,且的特点,且力学力学性能比纯铝高得多性能比纯铝高得多。经过热处理后铝合金的力学性能可以和钢铁材料相比美。经过热处理后铝合金的力学性能可以和钢铁材料相比美。铝合金与钢铁材料的相对力学性能比较铝合金与钢铁材料的相对力学性能比较力学性能力学性能材料名称材料名称低碳钢低碳钢低合金钢
14、低合金钢 高合金钢高合金钢铸铁铸铁铝合金铝合金相对比重相对比重1.01.01.01.01.01.00.920.920.350.35相对比抗拉强度相对比抗拉强度1.01.01.61.62.52.50.600.601.81.83.33.3相对比屈服强度相对比屈服强度1.01.01.71.74.24.20.700.702.92.94.34.3相对比刚度相对比刚度1.01.01.01.01.01.00.510.518.58.51. 分类分类(1)铸造铝合金铸造铝合金:D点以点以右右的合金。的合金。有共晶组有共晶组织织存在,液态金属流动性存在,液态金属流动性较好,较好,适于铸造成形适于铸造成形。(2)变
15、形铝合金变形铝合金:D点以点以左左的合金,的合金,有单相固有单相固溶体区溶体区,可得到均匀的单,可得到均匀的单相固溶体,相固溶体,塑性变形能力塑性变形能力很好,很好,适合进行变形加工适合进行变形加工。 变形铝合金又可分为两类:变形铝合金又可分为两类: 不能热处理强化的铝合金不能热处理强化的铝合金:F点以点以左左的合金,固溶体成分不的合金,固溶体成分不随温度而变化,随温度而变化,不能通过时效处理强化不能通过时效处理强化合金。合金。 能热处理强化的铝合金能热处理强化的铝合金:F、D之间之间的合金,固溶体的成分的合金,固溶体的成分将随温度而变化,将随温度而变化,可以进行时效处理强化可以进行时效处理强
16、化。2. 铝合金的合金化原理铝合金的合金化原理固态铝固态铝无无同素异构转变同素异构转变,无无热处理相变强化。热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶固溶强化、强化、时效时效强化、强化、过剩相过剩相强化和强化和细化组织细化组织强化。强化。(1)固溶强化)固溶强化:Zn、Mg、Li、Cu、Mn、Si等合金元素能与等合金元素能与Al形成有限固形成有限固溶体,且有较大溶解度,能起固溶强化作用。溶体,且有较大溶解度,能起固溶强化作用。 常用合金元素在铝中的溶解度常用合金元素在铝中的溶解度元素名称元素名称锌锌镁镁铜铜锰锰硅硅极限溶解度,极限溶解度,% %32.8
17、32.814.914.95.655.651.821.821.651.65室温时的溶解度,室温时的溶解度,% %0.050.050.340.340.200.200.050.050.050.05(2)时效强化:)时效强化:工艺工艺:固溶处理固溶处理:加热到单相区,保温后:加热到单相区,保温后水中急冷水中急冷(淬火处理,淬火处理,无晶体结构的变化无晶体结构的变化),形成,形成过饱和的固溶体过饱和的固溶体。强度提高不明显。强度提高不明显,塑性明显塑性明显;时效时效:过饱和固溶体放置在室温或加热到一较低的温度,过饱和固溶体放置在室温或加热到一较低的温度,随时间的延长随时间的延长,合金,合金强度和硬度明显
18、强度和硬度明显,塑性、韧性则,塑性、韧性则。例:例:4%Cu-Al合金合金:退火态退火态:b =180220MPa,=18%;固溶处理固溶处理:b =240250MPa,=2022%;时效处理时效处理:b =400420MPa,=18%。由此可见:铝合金的由此可见:铝合金的时效强化效果非常明显时效强化效果非常明显。自然时效自然时效:在:在室温下室温下进行的时效。进行的时效。人工时效人工时效:低温加热条件下低温加热条件下进行的时效。进行的时效。-CuAl2铝合金时效强化的基本过程铝合金时效强化的基本过程过饱和固溶体分解过程,以过饱和固溶体分解过程,以4%Cu-Al为例,包含为例,包含4个阶段。个
19、阶段。第一阶段第一阶段:Cu原子偏聚原子偏聚,形成富铜区形成富铜区G.P区区,保持母相,保持母相的晶体结构,并的晶体结构,并与母相有共格与母相有共格关系,引起严重的关系,引起严重的晶格畸变晶格畸变,阻,阻碍位错运动,合金的碍位错运动,合金的强度、硬度强度、硬度。第二阶段第二阶段:富铜区有序化富铜区有序化,形成形成正方晶格、成分正方晶格、成分接近接近CuAl2 的的相相,但但仍与母相共格仍与母相共格,加重晶格畸变,对位错运动的阻,加重晶格畸变,对位错运动的阻碍进一步碍进一步,因此,因此时效强化作用更大时效强化作用更大。第三阶段第三阶段:相相过渡相过渡相 相相, 相仍为正方晶格,相仍为正方晶格,成
20、分为成分为CuAl2,与基体保持与基体保持半共格半共格关系,共格畸变减弱,对位关系,共格畸变减弱,对位错运动的阻碍作用错运动的阻碍作用,故合金的,故合金的硬度开始硬度开始。第四阶段第四阶段:相相平衡的平衡的相相( CuAl2),),相为体心立方相为体心立方晶格,与基体的晶格,与基体的共格关系完全破坏共格关系完全破坏,共格畸变消失,合金的,共格畸变消失,合金的强强度、硬度明显度、硬度明显,出现了,出现了过时效过时效。4%Cu-Al合金时效强化的基本过程(即时效合金时效强化的基本过程(即时效序列)可以概括为:序列)可以概括为:过饱和固溶体过饱和固溶体n形成富铜区形成富铜区(GP区区)n富铜区有序化
21、富铜区有序化( 形成形成相相)n形成过渡沉淀相形成过渡沉淀相n析出稳定相析出稳定相(CuAl2)+ 平衡固溶体。平衡固溶体。Al-Cu二元合金的时效原理及其一般规律,对于其他工业二元合金的时效原理及其一般规律,对于其他工业合金亦是适用的。合金亦是适用的。几种常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定强化相几种常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定强化相合金系合金系时效过程的过渡阶段时效过程的过渡阶段稳定相析出阶段稳定相析出阶段Al-CuAl-Cu1.1.形成铜原子富集区形成铜原子富集区GPGP区;区;2.GP2.GP区有序化区有序化相相; 3.3.形成过渡相形成过渡相(CuAlCuAl2 2)Al-M
22、g-SiAl-Mg-Si1.1.形成镁、硅原子富集区形成镁、硅原子富集区GPGP区区2.2.形成有序的形成有序的相相(Mg2 2Si)Al-Cu-MgAl-Cu-Mg1.1.形成铜、镁原子富集区形成铜、镁原子富集区GPGP区区2.2.形成过渡相形成过渡相SS(Al2 2CuMg)Al-Mg-ZnAl-Mg-Zn1.1.形成镁、锌原子富集区形成镁、锌原子富集区GPGP区区2.2.形成过渡相形成过渡相MM(MgZn2 2)影响时效强化效果的因素影响时效强化效果的因素除除合金元素合金元素及及强化相的种类强化相的种类外,还有外,还有固溶处理固溶处理和和时效处理时效处理工艺工艺条件等。条件等。固溶处理工
23、艺固溶处理工艺:在不过热、过烧的前提下,在不过热、过烧的前提下,固溶处理温度固溶处理温度高,保温时间长高,保温时间长,有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体;其,有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体;其次,次,冷却速度越快冷却速度越快,所获得的溶体过饱和程度越大,时效后时,所获得的溶体过饱和程度越大,时效后时效强化效果越大。效强化效果越大。时效温度与硬度关系曲线时效温度与硬度关系曲线 最佳时效温度最佳时效温度:时效时间固定,:时效时间固定,合金成分相同时,合金成分相同时,能够获得最大的能够获得最大的强化效果强化效果的时效温度。的时效温度。 统计表明,最佳时效温度统计表明,最佳时效温度Ta与合与合金熔
24、点金熔点Tm的关系为:的关系为: Ta =(0.50.6)Tm时效时间时效时间:自然时效时,自然时效时,5-15小时内强化速度最快,小时内强化速度最快,4-5天后达到最大值。天后达到最大值。人工时效时,时效的温度越高,时效速度越快,所获得的最人工时效时,时效的温度越高,时效速度越快,所获得的最大强度值越低。大强度值越低。不同时效温度下,达到的最大强度值不同,出现最大强度值不同时效温度下,达到的最大强度值不同,出现最大强度值的时间也不同。的时间也不同。含含4%Cu的的Al-Cu合金的时效曲线合金的时效曲线当时效温度超过当时效温度超过150,保温一定时间,保温一定时间后,合金开始软化,后,合金开始
25、软化,称为称为“过时效过时效”。(3)过剩相强化)过剩相强化过剩相过剩相:当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时,淬火加热时便有一部分解度时,淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相不能溶入固溶体的第二相。过剩相的特性及作用过剩相的特性及作用:多数为多数为硬而脆的金属间化合硬而脆的金属间化合物物,它们在合金中起,它们在合金中起阻碍滑移和位错运动阻碍滑移和位错运动的作用,的作用,使强度、使强度、硬度硬度,而塑、韧性,而塑、韧性。铝合金中的过剩相在铝合金中的过剩相在一定限度内一定限度内,数量愈多,其强数量愈多,其强化效果愈好化效果愈好,但当过剩相数量,但当
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