机械材料9-有色金属课件.ppt
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- 机械 材料 有色金属 课件
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1、第九章 有色金属 第一节第一节 铝及铝合金铝及铝合金第二节第二节 铜及铜合金铜及铜合金第三节第三节 钛及钛合金钛及钛合金第四节第四节 轴承合金轴承合金第五节第五节 镁及镁合金镁及镁合金第六节第六节 粉末冶金材料粉末冶金材料 有色金属的产量和用量不如黑色金属多,但由有色金属的产量和用量不如黑色金属多,但由于其具有许多优良的特性,如特殊的电于其具有许多优良的特性,如特殊的电、磁、热磁、热性能,耐蚀性能及性能,耐蚀性能及高的比强度高的比强度(强度与密度之比强度与密度之比)等,已成为现代工业中不可缺少的金属材料等,已成为现代工业中不可缺少的金属材料.工业生产中,通常把钢铁材料称为工业生产中,通常把钢铁
2、材料称为黑色金属黑色金属(ferrous metalferrous metal),而把其它的金属材料称为),而把其它的金属材料称为有有色金属色金属(nonferrous metalnonferrous metal)。)。空客空客 A350复合材料用量复合材料用量 37%铝锂合金用量铝锂合金用量23%铝合金铝合金用量用量11%钛合金钛合金用量用量9%钢用量钢用量14%其它用量其它用量6%A380已正式选用铝锂合金制造地板梁,用作机身蒙皮和下翼面已正式选用铝锂合金制造地板梁,用作机身蒙皮和下翼面的桁条。的桁条。有色金属强化方式:固溶强化 加工硬化、细晶强化 沉淀强化(时效强化)很强较弱如如Al-C
3、uAl-Cu,Al-Cu-MgAl-Cu-Mg,Al-Mg-SiAl-Mg-Si(形成(形成CuAlCuAl2 2、MgMg2 2SiSi、AlAl2 2CuMgCuMg等强化相)等强化相)第一节第一节 铝及铝合金铝及铝合金 一、纯铝一、纯铝纯铝纯铝:银白色金属光泽,银白色金属光泽,fccfcc,无同素异构转变,无磁性。,无同素异构转变,无磁性。密度小,熔点低密度小,熔点低(660.4),(660.4),导电、导热性能优良。导电、导热性能优良。耐大气腐蚀性好,但不抗盐碱。耐大气腐蚀性好,但不抗盐碱。强、硬度低,塑性好,易于加工成形强、硬度低,塑性好,易于加工成形 。牌号牌号:1 1(变形纯铝变
4、形纯铝)如如1A971A97、10701070(纯度分别为(纯度分别为99.97%99.97%、99.70%99.70%的纯铝)。的纯铝)。Z+铝元素符号铝元素符号+纯度百分含量数字(纯度百分含量数字(铸造纯铝铸造纯铝)如如 ZAl99.5ZAl99.5。注意:注意:1)纯铝铸造性能差,易产生热裂等铸造缺陷)纯铝铸造性能差,易产生热裂等铸造缺陷(因收缩率较大);(因收缩率较大);2)工业纯铝常含)工业纯铝常含铁、硅铁、硅等杂质,等杂质,塑性、导电塑性、导电性和导热性,性和导热性,化学稳定性。化学稳定性。用途用途:配制铝合金,制作电线、电缆和日用器具等配制铝合金,制作电线、电缆和日用器具等 (纯
5、铝力学性能低,铸造性能差)(纯铝力学性能低,铸造性能差)电线电线纯铝笔记本散热垫纯铝笔记本散热垫二、铝合金及时效强化二、铝合金及时效强化铝合金铝合金:既具有高强度又保持纯铝的优良特性既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。主加元素:主加元素:CuCu、MnMn、SiSi、MgMg、ZnZn、LiLi等等 辅加元素:辅加元素:CrCr、NiNi、TiTi、ZrZr 、RERE等。等。折叠梯折叠梯加热固溶加热固溶淬火过饱和淬火过饱和时效析出时效析出可热处理强化铝合金的热可热处理强化铝合金的热处理方法:处理方法:固溶处理固溶处理+时效时效固溶处理固溶处理:指将合金加热指将合金加热到固溶线以上,保温并到固
6、溶线以上,保温并淬火后获得过饱和的单淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。相固溶体组织的处理。时效时效:指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度:指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温,以析出弥散强化相的热处理。保温,以析出弥散强化相的热处理。时效过程中的组织变化时效过程中的组织变化以以Al-CuAl-Cu合金为例:合金为例:GPGP区区GPGP区区(过(过渡相渡相)过渡相过渡相平衡相平衡相溶质原子(溶质原子(Cu)富集区,)富集区,可以是片状、针状或球状可以是片状、针状或球状溶质原子继续富集,且溶质原子继续富集,且GP区区有序化有序化弹性畸变更严重弹性畸变更严重与与CuAl2化学成分
7、相当,与化学成分相当,与母相共格关系开始破坏母相共格关系开始破坏 相长大到一定尺寸时与相长大到一定尺寸时与母相完全脱离(非共格)母相完全脱离(非共格)时效机理时效机理:过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分布和由之脱溶出微粒弥散分布沉淀硬化。沉淀硬化。时效强化条件时效强化条件:固溶体有一定溶解度,且随:固溶体有一定溶解度,且随T,溶解度溶解度。过饱和程度越大,时效温度越高,时效进行得越过饱和程度越大,时效温度越高,时效进行得越强烈强烈。含含4%Cu4%Cu铝合金的时效曲线铝合金的时效曲线 时效时间时效时间/d自然时效:自然时效:在室温下进在室温下
8、进行的时效,以行的时效,以GP区强区强化为主;化为主;人工时效:人工时效:在加热条件在加热条件下进行的时效,以过渡下进行的时效,以过渡沉淀相强化为主。沉淀相强化为主。过时效过时效三、铝合金相图及分类三、铝合金相图及分类 铝合金一般具有铝合金一般具有有限固溶型共晶有限固溶型共晶相图。相图。可分为:可分为:铝合金分类铝合金分类示意图示意图铸造铝合金铸造铝合金变形铝合金变形铝合金1、变形铝合金、变形铝合金变形铝及铝合金牌号表示方法:变形铝及铝合金牌号表示方法:第一位数字表示铝及其合金的组别,用第一位数字表示铝及其合金的组别,用1、2、3,9依次表示依次表示纯铝纯铝以及以以及以铜、锰、硅、镁、镁铜、锰
9、、硅、镁、镁+硅、锌硅、锌、其他合金元素为主要合金元素的铝合金、其他合金元素为主要合金元素的铝合金及备用组及备用组GB 3190-82中的旧牌号表示方法为中的旧牌号表示方法为:防锈铝合金:防锈铝合金:LF+序号序号 硬铝合金:硬铝合金:LY+序号序号 超硬铝合金:超硬铝合金:LC+序号序号 锻铝合金:锻铝合金:LD+序号序号不可热处理的铝合金不可热处理的铝合金 可热处理的铝合金可热处理的铝合金(1)防锈铝合金)防锈铝合金 Al-Mn系(系(3)Al-Mg系系(5)Mn和和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性,并起固溶主要作用是提高抗蚀能力和塑性,并起固溶强化作用。强化作用。特点特点:锻造退火后组织
10、为单相固溶体,锻造退火后组织为单相固溶体,抗蚀性、焊接抗蚀性、焊接性能好,易于变形加工,性能好,易于变形加工,但切削性能差但切削性能差。不能进行热处理强化不能进行热处理强化,常利用加工硬化提高其强度。常利用加工硬化提高其强度。应用:应用:制作要求抗腐蚀而受力不大的零部件,如制作要求抗腐蚀而受力不大的零部件,如管道、油箱、液体容器、铆钉、防绣蒙皮。管道、油箱、液体容器、铆钉、防绣蒙皮。如如 LF21(3A21),),LF5(5A05)卫星天线卫星天线(LF2LF2)(2)硬铝合金)硬铝合金主要主要是是Al-Cu-Mg系系合金,并含少量合金,并含少量Mn。Cu、Mg 形成强化相形成强化相(CuAl
11、CuAl2 2)和和S S(AlAl2 2CuMgCuMg)MnMn (主要)改善合金的抗蚀性,(还有)固溶强(主要)改善合金的抗蚀性,(还有)固溶强化,不参与时效过程化,不参与时效过程 特点:特点:强度、硬度高,加工性能好,但焊接强度、硬度高,加工性能好,但焊接性和耐蚀性差。性和耐蚀性差。如何提高如何提高耐蚀性?耐蚀性?应用:应用:中等强度冲压件、模锻件和铆接件,中等强度冲压件、模锻件和铆接件,如螺旋桨、梁、铆钉、飞机蒙皮、壁板如螺旋桨、梁、铆钉、飞机蒙皮、壁板等。等。常用硬铝合金如常用硬铝合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等。等。飞机翼梁飞机翼梁(腹板腹板为硬铝合金为硬铝合金
12、)(3 3)超硬铝合金)超硬铝合金属属Al-Zn-Mg-CuAl-Zn-Mg-Cu系系合金,含少量合金,含少量CrCr和和MnMn。强化相:强化相:、S、(MgZnMgZn2 2)、)、T(AlAl2 2MgMg3 3ZnZn3 3)时效强化效果超过硬铝合金。时效强化效果超过硬铝合金。特点:特点:热态塑性好,热态塑性好,经淬火和经淬火和120120左右的人工左右的人工时效后可获得最高强度;时效后可获得最高强度;但耐蚀性很差。但耐蚀性很差。应用:应用:主要用于工作温度较主要用于工作温度较低、受力较大的结构件低、受力较大的结构件,如飞机大梁、起落架、螺如飞机大梁、起落架、螺旋桨叶片等。旋桨叶片等。
13、常用合金有常用合金有 LC4(7A04)LC4(7A04)、LC9(7A09)LC9(7A09)、70757075等。等。飞机前起落架飞机前起落架(4)锻铝合金)锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系普通锻铝:系普通锻铝:可锻性好,力学性能高,可锻性好,力学性能高,用于形状复杂的锻件和模用于形状复杂的锻件和模锻件,如喷气发动机压气锻件,如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。机叶轮、导风轮等。压气机叶片压气机叶片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金:系耐热锻铝合金:常用牌号有常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等等。用于制造。用于制造150 225下工作的零件,如压气
14、机叶片、超音下工作的零件,如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。速飞机蒙皮等。2、铸造铝合金、铸造铝合金牌号表示:牌号表示:ZAl主要合金元素符号和平均百分含量主要合金元素符号和平均百分含量注:若平均含量小于注:若平均含量小于1,一般不标数字。,一般不标数字。Al-Si系铸造铝合金系铸造铝合金如如ZL102(ZAlSi12)是含是含12%Si的铝硅二元合金,的铝硅二元合金,称为称为简单硅铝明简单硅铝明。57711.7%ZL102组织和性能:(组织和性能:(粗针硅晶体粗针硅晶体+固溶体固溶体)共晶共晶,强度和塑性都较差。强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理,得到生产上通常用钠盐变质剂进
15、行变质处理,得到细小细小均匀的共晶体均匀的共晶体+初生初生 组织,以提高性能。组织,以提高性能。未变质处理未变质处理 经变质处理经变质处理 ZL102ZL102的铸态组织的铸态组织加入其他合金元素的铝硅铸造合金称加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂复杂(或特殊或特殊)硅铝明硅铝明。如。如ZAlSi12Cu1Mg1Ni1(ZL109)Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好,具有优良的耐系铸造铝合金的铸造性能好,具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。蚀性、耐热性和焊接性能。活塞活塞用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片风机叶片、发动机活塞等。发动机活塞等
16、。箱体箱体 Al-Cu系铸造铝合金系铸造铝合金特点特点:耐热性好,强度高;但密度大,铸造性能、耐耐热性好,强度高;但密度大,铸造性能、耐蚀性能差。蚀性能差。常用代号常用代号:ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)。汽缸头汽缸头主要用于制造在主要用于制造在较高温度较高温度下下(200300)工作的高)工作的高强零件,如内燃机汽缸头、强零件,如内燃机汽缸头、汽车活塞等。汽车活塞等。Al-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金特点:特点:耐蚀性好,强度高,密度小;但铸造性能差,耐蚀性好,强度高,密度小;但铸造性能差,耐热性低。耐热性低。常用代号常用代号:ZL301(ZAlMg10)、ZL3
17、03(ZAlMg5Si1)。主要用于制造外形简单、主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件,性介质下工作的零件,如舰船配件、氨用泵体如舰船配件、氨用泵体等。等。鼓风机密封件鼓风机密封件等等(ZL102(ZL102、301)301)Al-Zn系铸造铝合金系铸造铝合金最便宜的一种铸造铝合金最便宜的一种铸造铝合金特点:特点:铸造性能好,强度较高,可自然时效强化;铸造性能好,强度较高,可自然时效强化;但密度大,耐蚀性较差但密度大,耐蚀性较差。常用代号常用代号:ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)主要用于制造形状复杂主要用于制造形状复
18、杂受力较小的汽车、飞受力较小的汽车、飞机、仪器零件。机、仪器零件。小小 结:结:Al-SiAl-Si系系合金铸造工艺性最好,具有中等强度合金铸造工艺性最好,具有中等强度和良好的抗蚀性,故应用最广;和良好的抗蚀性,故应用最广;Al-CuAl-Cu系系合金铸造性和抗蚀性较差,但有最高合金铸造性和抗蚀性较差,但有最高的室温和高温力学性能,多作为耐热铝合金和的室温和高温力学性能,多作为耐热铝合金和高强度铝合金用;高强度铝合金用;Al-MgAl-Mg系系合金有最好的抗蚀性和较高的强度,合金有最好的抗蚀性和较高的强度,但铸造性能和耐热性差,适于抗蚀、耐冲击和但铸造性能和耐热性差,适于抗蚀、耐冲击和表面装饰
19、性能高的铸件;表面装饰性能高的铸件;Al-ZnAl-Zn系系合金在强度、抗蚀性及铸造工艺性方合金在强度、抗蚀性及铸造工艺性方面均缺乏优势,故应用有限。面均缺乏优势,故应用有限。四、铝合金的热处理方式及特点四、铝合金的热处理方式及特点1 1、单级时效单级时效 即在固溶处理后只进行一次时效处理。时效可以是自然时效,即在固溶处理后只进行一次时效处理。时效可以是自然时效,也可以是人工时效,一般到最大硬化状态。有时为消除应力、稳也可以是人工时效,一般到最大硬化状态。有时为消除应力、稳定组织和零件尺寸或改善抗蚀性,也可采用过时效状态。定组织和零件尺寸或改善抗蚀性,也可采用过时效状态。优点:生产工艺比较简单
20、,也能获得很高的强度,但是显微组优点:生产工艺比较简单,也能获得很高的强度,但是显微组织的均匀性较差,在拉伸性能、疲劳和断裂性能与应力腐蚀抗力织的均匀性较差,在拉伸性能、疲劳和断裂性能与应力腐蚀抗力之间难以得到良好的配合。之间难以得到良好的配合。2 2、分级时效分级时效即在不同温度下进行两次或多次时效理,按其作用可分为预时即在不同温度下进行两次或多次时效理,按其作用可分为预时效和最终时效两个阶段。效和最终时效两个阶段。预时效处理温度一般较低,主要是在合金中形成高密度的预时效处理温度一般较低,主要是在合金中形成高密度的G.P.G.P.区。最终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度以达到预期的性能区。最
21、终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度以达到预期的性能要求。要求。目的:组织的均匀性得到较大的提高,获得较好的综合性能。目的:组织的均匀性得到较大的提高,获得较好的综合性能。3 3、回归处理回归处理 将经过自然时效的铝合金在将经过自然时效的铝合金在200250200250短时间加热,短时间加热,然后迅速冷却,可使合金的硬度和强度恢复到接近新固然后迅速冷却,可使合金的硬度和强度恢复到接近新固溶处理状态的水平,这种现象称为回归。经过回归处理溶处理状态的水平,这种现象称为回归。经过回归处理的合金在室温下放置一段时间,硬度和强度重新上升,的合金在室温下放置一段时间,硬度和强度重新上升,其水平与直接自然时效
22、后的接近。其水平与直接自然时效后的接近。应用:零件的修复和矫形,应用回归处理使零件得应用:零件的修复和矫形,应用回归处理使零件得到较好的塑性,修复和矫形后再进行自然时效而获得使到较好的塑性,修复和矫形后再进行自然时效而获得使用要求的性能。用要求的性能。第二节第二节 铜及铜合金铜及铜合金 一、纯铜(紫铜)一、纯铜(紫铜)物理化学性能:物理化学性能:优良的导热性和导电性优良的导热性和导电性(仅次仅次于银居第二位于银居第二位),),较高的抗蚀性,色泽美观,具较高的抗蚀性,色泽美观,具有抗磁性有抗磁性。力学性能:力学性能:强度不高强度不高,硬度较低硬度较低,塑性好。塑性好。应用:应用:纯铜主要用于配制
23、铜合金,制作导电、纯铜主要用于配制铜合金,制作导电、导热材料及耐蚀器件等。导热材料及耐蚀器件等。分类:分类:根据杂质含量,工业纯铜分为:根据杂质含量,工业纯铜分为:T1,T2,T1,T2,T3,T4T3,T4。数字越大,纯度越低。数字越大,纯度越低。热脆热脆冷脆冷脆1.1.铜的合金化铜的合金化(1 1)固溶强化)固溶强化原理:原理:纯铜纯铜+合金元素(合金元素(ZnZn、AlAl、SnSn、MnMn、NiNi等)等)固溶体固溶体晶格畸变晶格畸变阻碍阻碍位错运动位错运动提高强度提高强度。(2 2)时效强化)时效强化原理:原理:铍、钛等合金元素在固态铜中,溶解度随温度铍、钛等合金元素在固态铜中,溶
24、解度随温度的降低而降低,在室温下形成过饱和固溶体,的降低而降低,在室温下形成过饱和固溶体,具有时效具有时效强化效果。强化效果。(3 3)过剩相强化)过剩相强化原理:原理:铜中加入元素超过最大溶解度后,会出现少量铜中加入元素超过最大溶解度后,会出现少量过剩相,可提高强度。过剩相,可提高强度。二、铜合金概述二、铜合金概述2.2.铜合金的分类及编号铜合金的分类及编号根据加入根据加入合金合金元素元素的不同分的不同分黄铜黄铜(brass)-(brass)-以以锌为主锌为主加元素。加元素。由于其呈由于其呈黄色黄色,故名黄铜。故名黄铜。白铜白铜(white copperwhite copper)-以以镍为主
25、镍为主加元加元素素。由于它银光闪闪而得名。由于它银光闪闪而得名。青铜青铜(bronzebronze)-指指除黄铜和白铜以外除黄铜和白铜以外的铜合金的铜合金。由于其呈青色由于其呈青色,故名青铜。故名青铜。加工普通黄铜的牌号为:加工普通黄铜的牌号为:H+铜平均百分含量铜平均百分含量,如,如H68。加工特殊黄铜的牌号为:加工特殊黄铜的牌号为:H+主加元素符号主加元素符号(Zn除外除外)+铜平铜平均百分含量均百分含量+主加元素平均百分含量主加元素平均百分含量,如如HPb59-1。加工青铜的牌号为:加工青铜的牌号为:Q+主加元素符号及其平均百分含量主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量其他元
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