工 程 材 料 学-9

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工 程 材 料 学,南京航空航天大学,梁文萍,第九章 有色金属及其合金,9.1,概述,9.2,铝及铝合金,9.3,铜及铜合金,9.4,钛及钛合金,9.5,轴承合金,在工业生产中，通常把铁及其合金称为,黑色金属,(,Ferrous Metals,),，,把其他非铁金属及其合金称为,有色金属,(,Nonferrous Metals,),。,9.1,概述,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,、,磁,、,热,性能，,耐蚀,性能及,高的比强度,(,强度与密度之比,),等,成为现代工业中不可缺少的工程金属材料。,材料,占,汽车净重比,Al,Fe,塑料,其它,橡胶,磁,材料,玻璃,聚,碳酸酯,Ti,碳纤维,各种材料在先进汽车中占的重量百分比,9.1,概述,铸造有色金属及其合金牌号表示方法：,铸造纯有色金属（,A,）,:,Z,A,：,纯度，,%,或,Z,A-,：,序号,如,ZAl99.5,、,ZTi-1,。,变形有色金属及其合金的牌号表示方法还不统一,。,铝锭,9.1,概述, 铸造有色合金的牌号,Z,A,B,C,A,：基体元素符号,B,：主要合金元素符号,C,：其他合金元素符号,：,其前面合金元素,百分含量。,如,ZAlSi7Cu4,、,ZCuZn31Al2,、,ZSnSb11Cu6,等。,混合稀土元素符号用,RE,表示。,优质合金在牌号后标注字母,“,A,”,。,9.1,概述,9.2.1,铝及铝合金性能特点,纯铝,具有银白色金属光泽，密度小,(2.72 g/cm,3,),，熔点低,(660.4),导电、导热性能优良。,耐大气腐蚀，易于加工成形 。,具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,铝合金制造的机翼,9.2,铝及铝合金,铝合金,既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。,铝合金常加入的元素主要有,Cu,、,Mn,、,Si,、,Mg,、,Zn,等，此外还有,Cr,、,Ni,、,Ti,、,Zr,等,辅加元素。,铝合金型材,铝铸件,9.2,铝及铝合金,可将铝合金分为,变形铝合金,和,铸造铝合金,两大类。,变形铝合金又分为,可热处理强化,和,不可热处理强化,两类,.,铝合金分类,示意图,9.2.2,铝合金的分类,铝合金一般具有,有限固溶型共晶相图,。,9.2,铝及铝合金,9.2.3,铝合金的热处理,并淬火后获得,过饱和的单相固溶体,组织的处理。,时效是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。,热处理方法：,固溶处理,+,时效,固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温,加热固溶,淬火过饱和,时效析出,9.2,铝及铝合金,在室温下进行的时效称,自然时效,；在加热条件下进行的时效称,人工时效,。,时效强化效果与加热温度和保温时间有关。,温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰,值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降,为,过时效,。,随时效温度提高,峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,含,4%Cu,铝合金的时效曲线,时效时间,/d,9.2,铝及铝合金,时效时间,屈服强度,时效峰,过时效,亚,时效,铝 合 金 的 热 处 理,9.2.4,铝合金的牌号、性能及用途,1,、变形铝合金, 变形铝及铝合金牌号表示方法,国际,：四位数字体系牌号；,国标,：四位字符牌号。,全世界铝的用量,百万吨,一次生产量,二次回收量,总用量,9.2,铝及铝合金,GB 3190-82,的表示方法为,:,防锈铝合金：,LF+,序号,硬铝合金：,LY +,序号,超硬铝合金：,LC +,序号,锻铝合金：,LD +,序号,铝合金波纹管,铝合金制品,铝是可以回收利用的金属,9.2,铝及铝合金, 常用变形铝合金, 防锈铝合金,主要,是,Al-,Mn,和,Al-Mg,系合金,。,Mn,和,Mg,主要作用是,卫星天线（,LF2,）,提高,抗蚀,能力和,塑性,，并起,固溶强化,作用。,防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。,不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,9.2,铝及铝合金,汽化器,(,热交换管为,LF21,),常用的,Al-,Mn,系合金有,LF21,（,3A21,），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。,常用的,Al-Mg,系合金,有,LF5,（,5A05,），,其密度比纯铝,小，比,Al-,Mn,合金,强度高,，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,9.2,铝及铝合金, 硬铝合金,主要,是,Al-Cu-Mg,系合金，并含少量,Mn,。,可进行时效强化，也可进行变形强化。,强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如,LY11 (2A11),、,LY12 (2A12),等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。,飞机翼梁,(,腹板为硬铝合金,),9.2,铝及铝合金, 超硬铝合金,属,Al-Zn-Mg-Cu,系合金，并含有少量,Cr,和,Mn,。,时效强化效果超过硬铝合金,.,热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有,LC4 (7A04),、,LC9 (7A09),等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁、起落架等。,飞机主起落架,9.2,铝及铝合金, 锻铝合金,Al-Cu-Mg-Si,系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等,.,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni,系耐热锻铝合金 常用牌号有,LD7 (2A70),、,LD8(2A80),、,LD9(2A90),等 。用于制造,150 225,下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,9.2,铝及铝合金,美,F-117,隐身战斗机,(,所用材料大部分是铝合金,),高,比强铝合金机翼,2,、铸造铝合金,包括,Al- Si,系（代号,ZL1,）、,Al-Cu,系（代号,ZL2,）、,Al-Mg,系（代号,ZL3,）、,Al-Zn,系（代号,ZL4,）。,牌号： 代号,+,两位数字顺序号,Al-Si,系铸造铝合金,又称,硅铝明,。其中,ZL102(ZAlSi12),是含,12%Si,的铝硅二元合金，称为,简单硅铝明,.,577,12.7%,9.2,铝及铝合金,在普通铸造条件下，,ZL102,组织几乎全为共晶体，由粗针状的硅晶体和,固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐进行,变质处理,，得到细小均匀的共晶体加一次,固溶体组织，以提高性能。,未变质处理,经变质处理,ZL102,的铸态组织,9.2,铝及铝合金,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称,复杂,(,特殊,),硅铝明,。,Al-Si,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。,活塞,(,裙部为铝硅合金,),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。,9.2,铝及铝合金,Al-Cu,系铸造铝合金,这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于,Al-Si,系合金。,汽缸头,常用牌号有,ZL201,(ZAlCu5Mn),、,ZL203,(ZAlCu4),等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,9.2,铝及铝合金,Al-Mg,系铸造铝合金,这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,常用牌号为,ZL301,(ZAlMg10),、,ZL303,(ZAlMg5Si1),等,.,主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等,(ZL102,、,301),9.2,铝及铝合金,Al-Zn,系铸造铝合金,这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差,。,大型空压机活塞,(ZL401),常用代号为,ZL401,(ZAlZn11Si7),、,ZL402,(ZAlZn6Mg),等。,用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,9.2,铝及铝合金,9.3.1,铜及铜合金性能特点,纯铜呈紫红色，故又称,紫铜,，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。,热轧铜合金,9.3,铜及铜合金,铜合金常加元素为,Zn,、,Sn,、,Al,、,Mn,、,Ni,、,Fe,、,Be,、,Ti,、,Zr,、,Cr,等，既提高了强度，又保持了纯铜特性,.,铜合金分为,黄铜,、,青铜,、,白铜,三大,类。,铜管,铜与,黄铜带,9.3,铜及铜合金,9.3.2,黄铜,以锌为主要合金元素的铜合金称为,黄铜,。,黄铜按化学成分可分为,普通黄铜,和,特殊黄铜,。,按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。,黄铜铸件,黄铜棒,9.3,铜及铜合金,1,、普通黄铜,铜与锌的二元合金称为普通黄铜。,加工普通黄铜：,H,：平均,Cu%,如,H62,、,H68,。,从铜锌合金相图可以看出黄铜有,和,+,两种组织,分别称,单相黄铜,和,两相黄铜,。,9.3,铜及铜合金,普通黄铜的显微组织,单相黄铜,两相黄铜,9.3,铜及铜合金,单相黄铜塑性好。,常用牌号有,H80,、,H70,、,H 68.,适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。,两相黄铜热塑性好,强度高,.,常用牌号有,H59,、,H62,。,适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等,。,冷凝器管,汽车机油泵衬套,9.3,铜及铜合金,2,、特殊黄铜,在普通黄铜的基础上加入,Al,、,Fe,、,Si,、,Mn,、,Pb,、,Sn,、,Ni,等元素。,H,X,-,X,：,主加元素符号,(Zn,除外,),：,铜平均百分含量,：,主加元素平均百分含量,如,HPb59-1.,特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,黄铜制品,黄铜棒,9.3,铜及铜合金,常用牌号有,HPb63-3,、,HAl60-1-1,、,HSn62-1,、,HFe59-1-1,、,ZCuZn38Mn2Pb2,、,ZCuZn16Si4,等。,主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,9.3,铜及铜合金,9.3.3,青铜,除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为,青铜,。 加工青铜的牌号为：,Q,X,-,X:,主加元素符号,:,主加元素平均百分含量,:,其他元素平均百分含量,如,QSn4-3(,含,4%Sn,、,3%Zn).,常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等,。,青铜制品,9.3,铜及铜合金,1,、锡青铜,以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为,314%,。,铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。,耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,锡青铜锭,Cu-,Sn,相图,9.3,铜及铜合金,常用牌号,有,QSn4-3,、,QSn6.5-0.4,、,ZCuSn10Pb1,等,。,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,锡青铜管,船用青铜软管快速接头阀,(,锡青铜阀体、阀盖,),9.3,铜及铜合金,2,、铝青铜,主加元素为铝的铜合金,铝含量为,511%.,强度、硬度、耐,磨,大型水力发电设备的抗磨环,性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。,常用牌号有,QAl5,、,QAl7,、,ZCuAl8Mn13Fe3Ni2,等。,主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。,9.3,铜及铜合金,3,、铍青铜,以铍为主加元素的铜合金，铍含量为,1.72.5%,。,具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵,.,铍青铜制品,常用牌号有,QBe2,、,QBe1.7,、,QBe1.9,等 。,用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件,.,9.3,铜及铜合金,普通白铜,是,Cu-Ni,二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。,普通白铜牌号,：,B+,镍的平均百分含量,，如,B5,。,常用牌号有,B5,、,B19,等 。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等,.,白铜件,9.3.4,白铜,以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。,9.3,铜及铜合金,特殊白铜,是在普通白铜基础上添加,Zn,、,Mn,、,Al,等元素形成的，分别称,锌白铜,、,锰白铜,、,铝白铜,等。,其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。,常用牌号如,BMn40-1.5(,康铜,),、,BMn43-0.5(,考铜,),。,用于制造精密机械、仪表零件及,医疗器械,等。,康铜热偶,白铜型材,9.3,铜及铜合金,9.4.1,工业纯钛,密度,小,，比强度高。,塑性、低温韧性和耐蚀性,好。,熔点高。,882.5,发生同素异构转变,:,-Ti (,b.b.c,),-Ti (,h.c.p,),美,F-22,战机约,36%,重量的零件用钛合金制造,9.4,钛及钛合金,纯钛主要用于,350,以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,钛钢复合反应釜,钛管换热器,钛制蒸馏塔,9.4,钛及钛合金,9.4.2,钛合金,几乎都含有,铝,。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。,按退火组织，可分为：, ,型钛合金（牌号,TA,）, ,型钛合金（牌号,TB,）, ,+,型钛合金（牌号,TC,）,如,TA5,、,TB2,、,TC4,等。其中,TA0TA3,为工业纯钛,。,钛合金泵,9.4,钛及钛合金,1,、,型钛合金,主加元素为铝，还有锡、硼等。,不能热处理强化,，通常在退火状态下使用，组织为单相,固溶体。,强度低,于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。,钛合金氢泵诱导轮,钛合金氢泵壳体,9.4,钛及钛合金,常用牌号,有,TA5,、,TA7,等,主要用于制造,500,以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等,。,钛合金卫星框架,钛合金液下泵,-Ti,合金组织,9.4,钛及钛合金,2,、,型钛合金,加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。,经淬火加时效处理后，组织为,相基体上分布着细小的,相粒子。,强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接，应用受到限制,。,钛合金管,钛合金管应用,9.4,钛及钛合金,型钛合金主要有,TB2,、,TB3,、,TB4,三个牌号。,用于,350,以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等,。,钛合金棒,钛合金眼镜架,钛,离心泵,9.4,钛及钛合金,3,、,+,型钛合金,加入的合金元素有铝、钒、 钼 铬等,。,可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,9.4,钛及钛合金,+,型钛合金共有,9,个牌号，其中,Ti,6,Al,4,V,（,TC4,）应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为,+,+,时效析出的,针状,。,+,钛合金组织,+,钛合金组织（电镜）,9.4,钛及钛合金,+,型钛合金,主要用于制造,400,以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等,.,生物医用材料,飞机压气机叶片,9.4,钛及钛合金,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金,称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑,作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。,与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。,9.5,轴承合金,9.5.1,组织性能要求,工作条件：当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的,交变载荷,和,冲击力,。,对轴承合金的性能要求：, 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷,.,较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合。, 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。,9.5,轴承合金,为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是,软的基体上分布着硬的质点,或,硬的基体上分布着软的质点,.,当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油,和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点,(,基体,),则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用,.,软基体,(,或质点,),还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用,以避免擦伤轴颈。,9.5,轴承合金,1,、锡基轴承合金,以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。,9.5.2,常用轴承合金,工业上常用的是锡基,、,铅基轴承合金,又称,巴氏合金,。,典型牌号为,ZSnSb11Cu6,。,(,其组织为,基体,+,白亮块状,SnSb,+,星状,Cu,3,Sn,),ZSnSb11Cu6,合金的显微组织,9.5,轴承合金,锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过,150 ,，价格高。,巴氏合金轴瓦,广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。,9.5,轴承合金,2,、铅基轴承合金,是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。,典型牌号为,ZPbSb16Sn16Cu2,。,ZPbSb16Sn16Cu2,合金的显微组织,(,+,),共晶基体,+,方块状,SnSb,+,针状,Cu,3,Sn,9.5,轴承合金,铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。,常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,内燃机轴瓦,9.5,轴承合金,锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。,表面保护层,减磨层,镍栅层,轴承合金,衬背,9.5,轴承合金,