工程材料第八章

1、1第八章有色金属及其合金2第九章第九章 有色金属及其合金有色金属及其合金n定义定义 : 除黑色金属除黑色金属 ( 钢、铁钢、铁 ) 以外的所有以外的所有 金属金属n性能特点性能特点:具有独特的性能（如：重量轻、耐蚀等）。具有独特的性能（如：重量轻、耐蚀等）。n本章重点介绍：本章重点介绍： 铝及铝合金；铝及铝合金； 铜及铜合金；铜及铜合金； 钛及钛合金；钛及钛合金； 轴承合金。轴承合金。3一、铝及铝合金一、铝及铝合金1、工业纯铝工业纯铝（纯度为（纯度为98.798.799. 899. 8） 铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位；铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位； 在金属品种中，仅

2、次于钢铁，为第二大类金属。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。 n性能性能熔点熔点660660，密度，密度2.7g/cm2.7g/cm3 3，242432HB32HB，b b=90=90120MPa120MPa 面心立方晶格，无同素异构转变面心立方晶格，无同素异构转变 导电导热性好，耐大气腐蚀。导电导热性好，耐大气腐蚀。切削性好，塑性好、可冷成型。切削性好，塑性好、可冷成型。牌号牌号工业纯铝：工业纯铝：L01L01L06L06 数字数字，纯度，纯度4 含元素：含元素：SiSi、CuCu、MnMn、MgMg、ZnZn等等（1 1）铝合金分类：）铝合金分类：形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造

3、铝合金能热处理强能热处理强化的铝合金化的铝合金不能热处理强不能热处理强化的铝合金化的铝合金2 2、铝合金、铝合金5（2）铝合金的强化方式）铝合金的强化方式固溶处理固溶处理 将成分位于将成分位于D DF F之间的之间的合金加热到固态溶解度合金加热到固态溶解度线线DFDF以上某一温度，获以上某一温度，获得单相固溶体得单相固溶体， 然后水冷，次生相然后水冷，次生相CuAlCuAl2 2来不及析出获得来不及析出获得过饱和固溶体过饱和固溶体。Al Cu 合金部分相图合金部分相图6（2）铝合金的强化方式）铝合金的强化方式n时效强化时效强化 这种过饱和固溶体是这种过饱和固溶体是不稳定不稳定的，在室温放置或在

4、的，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和固溶体固溶体趋于发生分解，趋于发生分解，析出二次相析出二次相，使合金的强度和硬度明显，使合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强化）。提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强化）。自然时效自然时效在室温下进行的时效在室温下进行的时效人工时效人工时效在加热条件下进行的时效。在加热条件下进行的时效。7含含4%Cu4%Cu的铝合金的铝合金自然时效自然时效曲线曲线8含含4%Cu4%Cu的铝合金在不同温度下的的铝合金在不同温度下的人工时效人工时效曲线曲线93、变形铝合金包括：包括：防锈铝

5、合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金（1 1）防锈铝合金（）防锈铝合金（LFLF） Al-MnAl-Mn、SiSi系，系， MnMn、SiSi起起固溶强化固溶强化作用。作用。 如：如：LF5LF5、LF21LF21。 退火后为单相组织退火后为单相组织强度不高，塑性耐蚀性好。强度不高，塑性耐蚀性好。 不能热处理强化不能热处理强化 常用于制作轻载常用于制作轻载 冲击件和耐蚀件，冲击件和耐蚀件，如：油箱、仪表盘、如：油箱、仪表盘、门窗等。门窗等。铆钉铆钉管道管道铝型材铝型材103、变形铝合金（2 2）硬铝合金硬铝合金（LYLY） Al-CuAl-Cu、MgM

6、g系，系， 形成形成CuAlCuAl2 2、CuMgAlCuMgAl2 2强化相强化相 如：如：LY11LY11、LY12LY12。 经经时效强化时效强化后，能获得很高的强度硬度，但耐蚀性远后，能获得很高的强度硬度，但耐蚀性远不及纯铝，常在表面包一层纯铝以增加耐蚀性。不及纯铝，常在表面包一层纯铝以增加耐蚀性。 常用于制作中等载荷的受力件，常用于制作中等载荷的受力件，如：飞机蒙皮、铆钉、文体用品等。如：飞机蒙皮、铆钉、文体用品等。飞机翼梁飞机翼梁( (腹腹板为硬铝合金板为硬铝合金) )113、变形铝合金（3 3）超硬铝合金超硬铝合金（LCLC） 一般为一般为Al-Cu-Mg-ZnAl-Cu-Mg

7、-Zn系系 在硬铝合金基础上加入了在硬铝合金基础上加入了Zn,Zn,形成形成MgZnMgZn2 2、Mg3Zn3AlMg3Zn3Al2 2等，等，强化相多强化相多 如：如：LC4LC4、LC6LC6。 经经时效强化时效强化后，可以获得极高的强度硬度（强度在铝后，可以获得极高的强度硬度（强度在铝合金中最高的）。合金中最高的）。 常用于制作受力很大的构件，常用于制作受力很大的构件， 如飞机大梁、加强框、起落架等。如飞机大梁、加强框、起落架等。123、变形铝合金（4）锻铝合金（）锻铝合金（LD） 一般为一般为Al-Cu-Mg-SiAl-Cu-Mg-Si、Al-Cu-Mg-NiAl-Cu-Mg-Ni系

8、系 每种元素的含量较少，有良好的热塑性每种元素的含量较少，有良好的热塑性 如：如：LD5LD5、LD6LD6 机械性能与硬铝合金相当，经软化处理后，有良好的机械性能与硬铝合金相当，经软化处理后，有良好的热塑性，热塑性，适合锻造成形适合锻造成形。 常用于制作一些形状复杂、常用于制作一些形状复杂、 承受承受中等载荷中等载荷的锻造件，的锻造件， 如活塞、风扇叶轮等。如活塞、风扇叶轮等。气压机叶片气压机叶片13变形铝合金的牌号、成分及力学性能变形铝合金的牌号、成分及力学性能合金合金类别类别代号代号主主 要要 化化 学学 成成 分分, %热处理热处理机械性能机械性能CuMgMgMn其它其它b HB防锈防

9、锈铝铝LF54.55.50.30.6退火退火2702370LF114.85.50.30.6V 0.020.22702370LF211.01.61302330硬铝硬铝LY12.23.00.20.5固溶处理固溶处理+自然时效自然时效3002470LY113.84.80.40.80.40.842018100LY123.84.91.21.80.30.948011131超硬超硬铝铝LC41.42.01.82.80.20.6Zn 5.07.0固溶处理固溶处理+人工时效人工时效60012150LC62.22.82.53.20.2.5Zn 7.68.66807190锻铝锻铝LD51.82.60.40.80.4

10、0.8Si 0.71.242013105LD71.92.51.41.8Ni 11.5Fe 1.01.544013120LD103.94.80.40.80.41.0Si 0.51.248010135144、铸造铝合金（1 1）铸造）铸造AL-SiAL-Si铝合金铝合金( ZL101( ZL101ZL102ZL102等等 ) ) AL-SiAL-Si系铸造铝合金一般称为系铸造铝合金一般称为硅铝明硅铝明，其铸造性能优良、，其铸造性能优良、密度小、耐蚀性好，但机械性能较差。为改善性能，常密度小、耐蚀性好，但机械性能较差。为改善性能，常对其进行对其进行变质处理变质处理。 AL-SiAL-Si系铸造铝合金

11、在工程上主要用于系铸造铝合金在工程上主要用于制造形状复杂并制造形状复杂并对强度要求不高的薄壁件对强度要求不高的薄壁件，如汽化器壳体、仪表外壳。，如汽化器壳体、仪表外壳。 Al-SiAl-Si系、系、 Al-CuAl-Cu系、系、 Al-MgAl-Mg系、系、 Al-Zn Al-Zn 系系变质前变质前变质后变质后壳体壳体154、铸造铝合金（2 2）铸造）铸造AL-CuAL-Cu铝合金铝合金( ZL201( ZL201ZL203ZL203等等 ) ) 铸造性能较差，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明铸造性能较差，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明低。大部分已为其它铝合金所代替。低。大部分已为其它铝合金

12、所代替。 ZL201ZL201室温强度、塑性比较好，可制作室温强度、塑性比较好，可制作300300以下工作以下工作的零件。的零件。ZL202 ZL202 塑性较低，制作不受冲击的零件。塑性较低，制作不受冲击的零件。汽缸头汽缸头 铝铜合金铸造组织铝铜合金铸造组织 ( ( 化染化染 ) )164、铸造铝合金（3 3）铸造）铸造AL-MgAL-Mg铝合金铝合金( ZL301( ZL301、ZL302 )ZL302 ) 是是密度最小、耐蚀性最好、强度最高密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，的铸造铝合金，且抗冲击和切削加工性能良好，但且抗冲击和切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐铸造工艺性能和耐

13、热性能较差热性能较差。 常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头。形状较简单的零件或接头。 铝镁合金铸造组织铝镁合金铸造组织 150150鼓风机用密封件鼓风机用密封件(ZL102)(ZL102)接头接头174、铸造铝合金（4 4）AlZnAlZn合金合金( ZL401( ZL401、ZL402 )ZL402 ) 是是最便宜最便宜的一类铸造铝合金，的一类铸造铝合金，较高强度较高强度，无特别突出，无特别突出的优点，主要缺点是的优点，主要缺点是耐蚀性较差耐蚀性较差。 ZL401ZL401主要用于工作温度不超过主要用于工作温

14、度不超过200200、形状复杂、受、形状复杂、受力不大的零件。力不大的零件。大型空压机活塞大型空压机活塞(ZL401)(ZL401)184、铸造铝合金合金合金代号代号主主 要要 化化 学学 成成 分分, , %机机 械械 性性 能能SiCuMg铸造铸造方法方法热处热处理理bMPa%HB铝硅铝硅ZL1016.08.00.20.4SBT6230170ZL1021013SBJT2T2143153425050ZL1104.06.05.08.00.20.5JT117090铝铜铝铜ZL2034.05.0JT4210660铝镁铝镁ZL3019.511.5ST4280920铝锌铝锌ZL4026.08.0Zn5

15、70.40.7JT1240470铸造方法：铸造方法：SBSB砂型变质；砂型变质；J金属砂；金属砂；S S砂型砂型热处理：热处理：T1T1不淬火，人工时效；不淬火，人工时效； T2T2退火；退火；T4T4淬火淬火+ +自然时效；自然时效；T6T6淬火淬火+ +人工时效人工时效19二、铜及其合金二、铜及其合金1 1、工业纯铜、工业纯铜（1）性能）性能 新鲜断口呈玫瑰红，氧化后呈紫色，称新鲜断口呈玫瑰红，氧化后呈紫色，称紫铜紫铜 具有面心立方晶格，塑性韧性好，导电导热性好具有面心立方晶格，塑性韧性好，导电导热性好 耐蚀性好（在大气、海水、淡水及不少酸类中耐蚀）耐蚀性好（在大气、海水、淡水及不少酸类中

16、耐蚀）（2）牌号：）牌号：T1、T2、T3、T4（数字（数字，纯度，纯度）（3）应用）应用 主要用于电气工业，如：电线、电缆、通讯器材，主要用于电气工业，如：电线、电缆、通讯器材，以及散热器、输油管道、油管、垫片等。以及散热器、输油管道、油管、垫片等。202、铜合金铜合金（1 1）黄铜）黄铜 以以ZnZn为主加元素为主加元素的铜合金。分为普通黄铜和铸造黄铜。的铜合金。分为普通黄铜和铸造黄铜。 普通黄铜普通黄铜普通黄铜的牌号普通黄铜的牌号( (代号代号) )n压力加工黄铜的牌号用压力加工黄铜的牌号用“H+CuH+Cu的百分含量的百分含量”表示。表示。 如如H68H68。（含。（含Cu 68%68

17、%）n铸造普通黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同。铸造普通黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同。 如如ZCuZn38ZCuZn38（含（含Zn 38%Zn 38%）按化学成分按化学成分黄铜：以黄铜：以Cu、Zn为主要元素的铜合金为主要元素的铜合金青铜：除黄铜白铜以外的所有铜合金青铜：除黄铜白铜以外的所有铜合金白铜：以白铜：以Cu、Ni为主要元素的铜合金为主要元素的铜合金21普通黄铜的牌号普通黄铜的牌号( (代号代号) )代号代号化学成分化学成分, %, %机械性能机械性能CuZn加工加工状态状态bMPa%HBH96H969597余量余量退火退火25035H807981余量余量退火退火27050H

18、686770余量余量退火退火30040H595760余量余量退火退火变形变形30042025510322普通黄铜的组织与性能普通黄铜的组织与性能： 普通黄铜是普通黄铜是CuCu、ZnZn二元合金，机械性能受二元合金，机械性能受ZnZn含量的影响。含量的影响。l ZnZn39%39%时，组织为单相时，组织为单相 固溶体，塑性韧性很好；固溶体，塑性韧性很好；l393945%45%时，组织为固溶时，组织为固溶 体体+化合物化合物，强度很高，强度很高， 塑性下降。塑性下降。lZnZn45%45%时，无使用价值。时，无使用价值。单相黄铜 H68双相黄铜H5923普通黄铜的应用普通黄铜的应用H70 ( H

19、68 ) -制造弹壳等制造弹壳等H62 ( H59 ) -日用黄铜日用黄铜法兰阀法兰阀闸阀闸阀冷凝器管冷凝器管24（1 1）黄铜）黄铜 特殊黄铜特殊黄铜 在黄铜中加入在黄铜中加入AlAl、FeFe、SiSi、CrCr、NiNi、SnSn、Mn Mn 等元等元素所形成的合金。素所形成的合金。 特殊黄铜的牌号特殊黄铜的牌号( (代号代号) )nH+H+主加元素主加元素+ +铜含量铜含量+ +主加元素含量主加元素含量+ +其它元素含量其它元素含量nHPb59-1HPb59-1铜含量为铜含量为59%59%，PbPb含量为含量为1%1%的铅黄铜的铅黄铜 合金元素的加入可提高机械性能、改善耐蚀性、合金元素

20、的加入可提高机械性能、改善耐蚀性、铸造性和切削加工性，拓宽应用范围，可以制作汽车铸造性和切削加工性，拓宽应用范围，可以制作汽车上受磨损的零件。上受磨损的零件。25特殊黄铜的牌号特殊黄铜的牌号( (代号代号) )组组 别别代代 号号主要化学成分主要化学成分, %, %机械性能机械性能( (变形变形) )Cu其它其它bMPa%HBPb黄铜黄铜HPb 63-3HPb 60-162.065.059.061.0Pb 2.43.0Pb 0.61.060061054SnSn黄铜黄铜HSn 90-1HSn 62-188.091.061.063.0Sn 0.250.75Sn 0.71.152070054148A

21、l黄铜黄铜HAl 77-276.079.0Al 1.82.665012170SiSi黄铜黄铜HSi 65-1.5-363.566.5Si 1.02.0Pb 2.53.56008160Mn黄铜黄铜FeFe黄铜黄铜HMn 58-2HFe 59-1-157.060.057.060.0Mn 1.01.2Fe 0.61.27007001010175160NiNi黄铜黄铜HNi 65-564.067.0Ni 5.06.5700426(2)(2)青铜青铜 以以SnSn、AlAl、SiSi、BeBe、TiTi等为主要合金元素的铜合金等为主要合金元素的铜合金 按照生产方式：加工青铜和铸造青铜两类。按照生产方式：

22、加工青铜和铸造青铜两类。青铜的牌号青铜的牌号( (代号代号) )nQ+Q+主加元素主加元素+ +主加元素含量主加元素含量+ +其它元素含量其它元素含量nQSn4-3QSn4-3主加元素主加元素Sn=4%Sn=4%的锡青铜的锡青铜nQBe2QBe2主加元素主加元素Be=2%Be=2%的铍青铜的铍青铜27(2)(2)青铜青铜压力加工青铜压力加工青铜nSnSn青铜青铜 如如: QSn4-3: QSn4-3。 铸性好，可制作工艺品；铸性好，可制作工艺品；耐蚀、耐磨性好耐蚀、耐磨性好（高于（高于黄铜），制作耐磨、耐蚀件和弹性元件等。黄铜），制作耐磨、耐蚀件和弹性元件等。nAlAl青铜青铜 如如 :QAl

23、 10-3-1.5:QAl 10-3-1.5， 具有更具有更高的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性高的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，还能进，还能进行热处理强化，且价格低，用来制作高强度的耐磨、行热处理强化，且价格低，用来制作高强度的耐磨、耐蚀和弹性元件。耐蚀和弹性元件。nBeBe青铜青铜 如如: QBe2: QBe2， 做弹簧，高速轴承等。做弹簧，高速轴承等。铸造青铜铸造青铜 如如:Sn:Sn青铜青铜 ，ZCuSn10Zn2 ZCuSn10Zn2 。28(3)(3)白铜白铜以以NiNi为主要合金元素的合金。为主要合金元素的合金。NiNi和和CuCu在固态下在固态下能完全互溶能完全互溶，所以各类铜镍合，所

24、以各类铜镍合金均为金均为单相固溶体单相固溶体，具有很好的冷热加工性，具有很好的冷热加工性能，能，不能进行热处理强化不能进行热处理强化，只能用固溶强化和，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。加工硬化来提高强度。白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材料。材料。 29三、滑动轴承合金三、滑动轴承合金 轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。1 1、工作条件、工作条件 ：冲击、交变载荷，轴颈压力、摩擦。：冲击、交变载荷，轴颈压力

25、、摩擦。2 2、性能、性能 强硬度、塑韧性好，与轴的磨合能力、减摩性好。强硬度、塑韧性好，与轴的磨合能力、减摩性好。 导热、抗蚀性好。导热、抗蚀性好。3 3、轴承合金的组织特点、轴承合金的组织特点: : 软基体上分布硬质点软基体上分布硬质点 或硬基体上分布软质点。或硬基体上分布软质点。使用最多的是锡基与铅基使用最多的是锡基与铅基轴承合金，又称巴氏合金。轴承合金，又称巴氏合金。润滑油空间润滑油空间轴轴硬质点硬质点软基体软基体轴瓦轴瓦30常用滑动轴承合金常用滑动轴承合金n锡基轴承合金锡基轴承合金 成分成分SnSn为基，加入为基，加入SbSb、CuCu 如：如： ZChSnSb11-6ZChSnSb

26、11-6（含（含11%Sb11%Sb，6%Cu6%Cu） 组织组织软基体：锑在锡中的固溶体软基体：锑在锡中的固溶体 硬基体：化合物硬基体：化合物SnSbSnSb和和Cu3SnCu3Sn 性能特点及应用性能特点及应用 小的膨胀系数与摩擦系数，减摩性和耐蚀性好，用于小的膨胀系数与摩擦系数，减摩性和耐蚀性好，用于制作重要轴承：汽车发动机、气轮机的高速主轴承。制作重要轴承：汽车发动机、气轮机的高速主轴承。 工艺工艺“挂衬挂衬”，钢质轴瓦内侧，用离心铸造法覆盖，钢质轴瓦内侧，用离心铸造法覆盖一层锡基轴承合金。一层锡基轴承合金。ZChSnSb11-6 合金组织合金组织31常用滑动轴承合金常用滑动轴承合金 铅基轴承合金铅基轴承合金 成分成分PbPb为基，加入为基，加入SbSb、SnSn、CuCu 如：如： ZChPbSb16-16-2ZChPbSb16-16-2 组织组织软基体：软基体：（+）共晶体共晶体 硬基体：化合物