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1、1.1第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.1第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 1.2第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.2教学提示：通常将金属分成两大类，一类是铁及其合金教学提示：通常将金属分成两大类，一类是铁及其合金,称为黑色金属；称为黑色金属；另一类称有色金属，除铁、铬、锰之外的其他金属均属有色金属。有色金属及另一类称有色金属，除铁、铬、锰之外的其他金属均属有色金属。有色金属及其合金的种类很多，显然其产量和使用量不及黑色金属多。但由于有色金属具其合金的种类很多，显然其产量和使用量不及黑色金属多。但由于
2、有色金属具有许多优良的特性，从而决定了有色金属在国民经济中占有十分重要的地位：有许多优良的特性，从而决定了有色金属在国民经济中占有十分重要的地位：例如，铝、镁、钛等金属及其合金，具有密度小，比强度高的特点，在飞机制例如，铝、镁、钛等金属及其合金，具有密度小，比强度高的特点，在飞机制造、汽车制造、船舶制造等工业中应用十分广泛；而银、铜、铝等有色金属，造、汽车制造、船舶制造等工业中应用十分广泛；而银、铜、铝等有色金属，导电性及导热性优良，是电气工业和仪表工业不可缺少的材料。再如，钨、钼、导电性及导热性优良，是电气工业和仪表工业不可缺少的材料。再如，钨、钼、钽、铌及其合金是制造钽、铌及其合金是制造1
3、300以上使用的高温零件及电真空元件的理想材料。以上使用的高温零件及电真空元件的理想材料。本章仅对铝及其合金、镁及其合金、铜及其合金、钛及其合金、轴承合金作一本章仅对铝及其合金、镁及其合金、铜及其合金、钛及其合金、轴承合金作一些简要介绍。些简要介绍。教学要求：本章内容学习应该以金属材料的结构、性能为基础，理解产生教学要求：本章内容学习应该以金属材料的结构、性能为基础，理解产生有色金属性能特点的原因，熟悉铝、铜、镁、钛及其合金的分类、牌号和用途。有色金属性能特点的原因，熟悉铝、铜、镁、钛及其合金的分类、牌号和用途。掌握铝、铜及其合金的性能参数和热处理方法。了解轴承合金的成分、组织特掌握铝、铜及其
4、合金的性能参数和热处理方法。了解轴承合金的成分、组织特征以及应用。达到以上要求才能在实际工作中正确地选择和使用有色金属材料征以及应用。达到以上要求才能在实际工作中正确地选择和使用有色金属材料及其合金。及其合金。1.3第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.3本章内容本章内容9.1铝及铝合金铝及铝合金9.2铜及其合金铜及其合金9.3镁及其合金镁及其合金9.4钛及钛合金钛及钛合金9.5滑动轴承合金滑动轴承合金小小结结本本章章习习题题1.4第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.49.1铝及铝合金铝及铝合金9.1.1工业纯铝工业纯铝铝合金是仅次于钢铁用量的金属材料。据调查，在
5、铝合金市场中，有铝合金是仅次于钢铁用量的金属材料。据调查，在铝合金市场中，有23%用用量消耗于建筑业和结构业，量消耗于建筑业和结构业，22%用于运输业，用于运输业，21%用于容器和包装，而电气工业用于容器和包装，而电气工业占占10%。在航空工业中，铝合金的用量占着绝对优势。在航空工业中，铝合金的用量占着绝对优势。铝是元素周期表中排第三位的主族元素。纯铝是一种具有银白色金属光泽铝是元素周期表中排第三位的主族元素。纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属，具有如下独特的性能和优点：的金属，具有如下独特的性能和优点：密度小，仅为铁的密度小，仅为铁的l/3左右，熔点低左右，熔点低(660.4)。具有面心立方
6、晶格，塑性好具有面心立方晶格，塑性好(可达可达25%)，可采用锻轧、挤压等压力加工，可采用锻轧、挤压等压力加工方法制成各种管、板、棒、线等型材。方法制成各种管、板、棒、线等型材。导电、导热性能很好，仅次于银和铜居第三位，约为纯铜电导率的导电、导热性能很好，仅次于银和铜居第三位，约为纯铜电导率的62%。可用来制造电线、电缆等各种导电制品和各种散热器等导热元件。可用来制造电线、电缆等各种导电制品和各种散热器等导热元件。在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。因为铝的表面能生成一层极致密的在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。因为铝的表面能生成一层极致密的氧化铝膜，防止了氧与内部金属基体的相互作用。但铝的氧化膜在
7、碱和盐的溶液氧化铝膜，防止了氧与内部金属基体的相互作用。但铝的氧化膜在碱和盐的溶液中抗蚀性低。此外，在热的稀硝酸和硫酸中也极易溶解。中抗蚀性低。此外，在热的稀硝酸和硫酸中也极易溶解。强度很低，抗拉强度仅为强度很低，抗拉强度仅为50MPa，虽然可通过冷作硬化的方法强化，但，虽然可通过冷作硬化的方法强化，但仍不能直接用于制作结构材料。仍不能直接用于制作结构材料。上述主要特性决定了工业纯铝的用途，适于制作电线、电缆以及要求具有导上述主要特性决定了工业纯铝的用途，适于制作电线、电缆以及要求具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的一些用品或器皿。热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的一些用品或器皿。1.
8、5第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.59.1.2铝的合金化及铝合金的分类铝的合金化及铝合金的分类纯铝的力学性能不高，不适宜作承受较大载荷的结构材料，为了提高铝的纯铝的力学性能不高，不适宜作承受较大载荷的结构材料，为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入合金元素配制成铝合金。铝合金不仅保持纯铝的熔点低、力学性能，在纯铝中加入合金元素配制成铝合金。铝合金不仅保持纯铝的熔点低、密度小、导热性良好、耐大气腐蚀以及良好的塑性、韧性和低温性能，且由于合密度小、导热性良好、耐大气腐蚀以及良好的塑性、韧性和低温性能，且由于合金化，使铝合金大都可以实现热处理强化，某些铝合金强度可达金化，使铝合金大都
9、可以实现热处理强化，某些铝合金强度可达400MPa600MPa。铝合金与钢铁的相对力学性能比较列于表。铝合金与钢铁的相对力学性能比较列于表91，由表可见铝合金的相，由表可见铝合金的相对比强度极限甚至超过了合金钢，而其相对比刚度则大大超过钢铁材料。故质量对比强度极限甚至超过了合金钢，而其相对比刚度则大大超过钢铁材料。故质量相同的零件采用铝合金制造时，可以得到最大的刚度。相同的零件采用铝合金制造时，可以得到最大的刚度。表表91铝合金与钢相对力学性能比较铝合金与钢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低合金钢高合金钢高合金钢铸铁铸铁铝合金铝合金相对密度相对密度1.01.
10、01.00.920.35相对比强度极限相对比强度极限1.01.62.50.61.83.3相对比屈服极限相对比屈服极限1.01.74.20.72.94.3相对比刚度相对比刚度1.01.01.00.518.5 9.1铝及铝合金铝及铝合金1.6第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.6铝在合金化时，常加入的合金元素有铝在合金化时，常加入的合金元素有Cu、Mg、Zn、Si、Mn和和RE(稀土元素稀土元素)等，这些元素与铝均能形成固态下有限互溶的共晶型相图，如图等，这些元素与铝均能形成固态下有限互溶的共晶型相图，如图9.1所示。根据该所示。根据该相图，铝合金通常分为两大类别，相图上最大饱和溶
11、解度相图，铝合金通常分为两大类别，相图上最大饱和溶解度D是这两类合金的理论是这两类合金的理论分界线。分界线。图图9.1铝合金相图的一般类型铝合金相图的一般类型9.1铝及铝合金铝及铝合金1.7第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.7(1)凡成分位于凡成分位于D点以左的合金，由于在室温或高温下可获得以铝为基的固点以左的合金，由于在室温或高温下可获得以铝为基的固溶体单相区，因而具有良好的塑性，可承受各类压力加工。对于需经轧制或挤压溶体单相区，因而具有良好的塑性，可承受各类压力加工。对于需经轧制或挤压成形的板材、管材或棒材等，均可选用该成分范围内的合金，故称之为形变铝合成形的板材、管材或
12、棒材等，均可选用该成分范围内的合金，故称之为形变铝合金。金。形变铝合金又分为两类，凡成分在形变铝合金又分为两类，凡成分在F点以左的合金，其固溶体成分不随温度点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变化，故不能进行时效强化，称之为不能热处理强化的铝合金。凡成分在而变化，故不能进行时效强化，称之为不能热处理强化的铝合金。凡成分在FD之间的合金，其固溶体的成分将随温度的变化而变化，故可进行时效强化，称之之间的合金，其固溶体的成分将随温度的变化而变化，故可进行时效强化，称之为能热处理强化的铝合金。为能热处理强化的铝合金。(2)凡成分大于凡成分大于D点成分的合金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，且点成分的
13、合金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，且高温强度也较高，可以防止热裂现象，故适合于铸造，称之为铸造铝合金。高温强度也较高，可以防止热裂现象，故适合于铸造，称之为铸造铝合金。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.8第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.89.1.3铝合金的热处理铝合金的热处理纯铝加入合金元素形成铝基固溶体，有较大的极限固溶度，有一定的固溶强纯铝加入合金元素形成铝基固溶体，有较大的极限固溶度，有一定的固溶强化效果。但随着温度的降低，固溶度急剧减小，强化效果有限。显然，铝合金也化效果。但随着温度的降低，固溶度急剧减小，强化效果有限。显然，铝合金也须通过热处理进一步提高强度。铝
14、合金的热处理原理与钢不同。钢经淬火后得到须通过热处理进一步提高强度。铝合金的热处理原理与钢不同。钢经淬火后得到马氏体组织，强度、硬度显著提高，塑性下降。铝无同素异构转变，加热时晶体马氏体组织，强度、硬度显著提高，塑性下降。铝无同素异构转变，加热时晶体结构不发生变化，固溶处理后得到的是过饱和固溶体，强度、硬度并不高，塑性结构不发生变化，固溶处理后得到的是过饱和固溶体，强度、硬度并不高，塑性却明显增加。所以铝合金经高温加热急冷固溶处理后获得过饱和固溶体的热处理却明显增加。所以铝合金经高温加热急冷固溶处理后获得过饱和固溶体的热处理操作，称为固溶处理。经固溶处理的铝合金在室温下停放或重新加热到一定温度
15、操作，称为固溶处理。经固溶处理的铝合金在室温下停放或重新加热到一定温度后保温，其强度、硬度明显升高，塑性降低。因此，铝合金的强化热处理包括固后保温，其强度、硬度明显升高，塑性降低。因此，铝合金的强化热处理包括固溶处理和时效处理。时效时，过饱和固溶体分解，强度、硬度会明显提高。固溶溶处理和时效处理。时效时，过饱和固溶体分解，强度、硬度会明显提高。固溶处理后的合金随时间的延长而发生的强化现象，称为时效强化。在室温下进行的处理后的合金随时间的延长而发生的强化现象，称为时效强化。在室温下进行的时效，称为自然时效；在加热条件下进行的时效，称为人工时效。自然时效时，时效，称为自然时效；在加热条件下进行的时
16、效，称为人工时效。自然时效时，铝合金放置铝合金放置4天，强化即可达到最大值。铝合金的时效强化效果取决于固溶体的浓天，强化即可达到最大值。铝合金的时效强化效果取决于固溶体的浓度和时效温度及时效时间。一般来说固溶体的浓度越高时效效果越好。提高时效度和时效温度及时效时间。一般来说固溶体的浓度越高时效效果越好。提高时效温度可以显著加快时效硬化速度，但显著降低时效获得的最高硬化值。时效温度温度可以显著加快时效硬化速度，但显著降低时效获得的最高硬化值。时效温度过高，时效时间过长，将使合金软化，称为过时效。过高，时效时间过长，将使合金软化，称为过时效。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.9第第9 9章章 有色金属
17、及其合金有色金属及其合金1.9以以AlCu合金系为例，由相图合金系为例，由相图(图图9.2)可见，铜在固溶体中的溶解度，在室温可见，铜在固溶体中的溶解度，在室温时最大为时最大为wCu=0.5%，而加热到，而加热到548时，极限溶解度为时，极限溶解度为wCu=5.7%。现以研究。现以研究较为透彻的较为透彻的wCu=4%合金为例，讨论时效时合金的组织与性能的变化。该合金在合金为例，讨论时效时合金的组织与性能的变化。该合金在室温下的平衡组织为室温下的平衡组织为+CuAl2，加热到，加热到BD线以上时，获得单相固溶体，如快冷线以上时，获得单相固溶体，如快冷(固固溶处理溶处理)，则可以获得铜在铝中的过饱
18、和固溶体，其抗拉强度为，则可以获得铜在铝中的过饱和固溶体，其抗拉强度为250MPa(未经固未经固溶处理时抗拉强度为溶处理时抗拉强度为200MPa)。过饱和固溶体在室温下搁置数天，强度和硬度显。过饱和固溶体在室温下搁置数天，强度和硬度显著提高，强度可提高到著提高，强度可提高到400MPa。图。图9.3表示表示wCu=4%合金在合金在130下时效时，合下时效时，合金硬度随时效保温时间的变化规律。研究表明，时效过程包括四个阶段。金硬度随时效保温时间的变化规律。研究表明，时效过程包括四个阶段。图图9.2AlCuAl2相图相图图图9.3wCu=4%CuAl合金在合金在130下时效曲线下时效曲线9.1铝及
19、铝合金铝及铝合金1.10第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.10第一阶形段，形成铜原子富集区第一阶形段，形成铜原子富集区(GPI区区)：在过饱和固溶体中，溶质原子：在过饱和固溶体中，溶质原子(Cu)在局部区域形成了铜原子的富集区域，称为在局部区域形成了铜原子的富集区域，称为(GPI区区)。GPI区呈薄片形状，区呈薄片形状，其厚度为其厚度为0.4nm0.6nm，直径约为，直径约为9.0nm，密度达，密度达1017/cm31018/cm3。其晶。其晶体结构类型仍与基体相同，并与基体保持共格关系。所不同之处是体结构类型仍与基体相同，并与基体保持共格关系。所不同之处是GPI区中铜原区中
20、铜原子浓度较高，引起点阵的严重畸变，阻碍位错运动，因而合金的强度、硬度升高。子浓度较高，引起点阵的严重畸变，阻碍位错运动，因而合金的强度、硬度升高。第二阶段，铜原子富集区有序化第二阶段，铜原子富集区有序化(GPII区区)：在：在GPl区的基础上铜原子进一区的基础上铜原子进一步偏聚，步偏聚，GP区进一步扩大，并使溶质原子和溶剂原子呈规则排列，发生有序化。区进一步扩大，并使溶质原子和溶剂原子呈规则排列，发生有序化。即形成有序的富铜区，称为即形成有序的富铜区，称为GPII区，常用区，常用表示。这种有序化的铜原子富集区表示。这种有序化的铜原子富集区直径为直径为10.0nm40.0nm，厚度可达，厚度可
21、达1.0nm4.0nm。其晶体结构为正方点阵，与。其晶体结构为正方点阵，与基体仍保持共格关系，故畸变更加严重，并有很大的弹性应变区，使位错运动受基体仍保持共格关系，故畸变更加严重，并有很大的弹性应变区，使位错运动受阻很大，从而使合金的强度和硬度进一步提高，时效强化的作用最大。阻很大，从而使合金的强度和硬度进一步提高，时效强化的作用最大。第三阶段，形成过渡相第三阶段，形成过渡相：随着时效过程的进一步进行，铜原子在：随着时效过程的进一步进行，铜原子在GPII区继区继续偏聚，当铜与铝原子之比为续偏聚，当铜与铝原子之比为1 2时，形成过渡相时，形成过渡相，其化学成分和，其化学成分和CuAl2相相近。相
22、相近。相与基体保持局部共格关系，因此，相与基体保持局部共格关系，因此，相周围基体的共格畸变减弱，位错运动的相周围基体的共格畸变减弱，位错运动的阻力也随之减小，致使合金的强度、硬度有所下降。由此看来，共格畸变的存在，阻力也随之减小，致使合金的强度、硬度有所下降。由此看来，共格畸变的存在，是造成合金时效强化的重要因素。是造成合金时效强化的重要因素。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.11第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.11第四阶段，稳定的第四阶段，稳定的相的形成与长大：时效后期，相的形成与长大：时效后期，相与母相的共格关系消相与母相的共格关系消失，与基体有明显界面的独立相失，与基体有
23、明显界面的独立相相形成，其点阵结构亦是正方点阵，与基体的共相形成，其点阵结构亦是正方点阵，与基体的共格关系完全破坏，固溶体的畸变大大减小，硬度明显下降，强化效果明显减弱。格关系完全破坏，固溶体的畸变大大减小，硬度明显下降，强化效果明显减弱。由时效硬化曲线由时效硬化曲线(见图见图9.3)可以看出，合金在发生时效硬化之前有一段孕育期，即可以看出，合金在发生时效硬化之前有一段孕育期，即固溶处理后合金尚有一个阶段处于较软状态，生产上常利用这个阶段完成对零件固溶处理后合金尚有一个阶段处于较软状态，生产上常利用这个阶段完成对零件的加工成型。而第三、四阶段会导致合金强化效果下降，称为过时效。的加工成型。而第
24、三、四阶段会导致合金强化效果下降，称为过时效。以上讨论表明，以上讨论表明，wCu=4%合金时效的基本过程可以概括为：过饱和固溶体合金时效的基本过程可以概括为：过饱和固溶体形成形成铜原子富集区铜原子富集区(GPI区区)铜原子富集区有序化铜原子富集区有序化(GPII区区)形成过渡相形成过渡相析出析出稳定的相稳定的相相相(CuAl2)+平衡的固溶体。平衡的固溶体。9.1.4形变铝合金形变铝合金形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等，其主形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等，其主要牌号的化学成分与力学性能见表要牌号的化学成分与力学性能见表92。表表92变形
25、铝合金的牌号、化学成分、力学性能和用途变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能和用途9.1铝及铝合金铝及铝合金1.12第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.12类类别别合合金金牌牌号号化学成分化学成分热处热处理理状态状态力学性能力学性能用途举例用途举例b/MPa/%HB防防锈锈铝铝合合金金LF21Al-2.4Mn退火退火1302330储液体用焊接件、储液体用焊接件、管道、容器等管道、容器等LF2Al-1.3Mg-0.3Mn退火退火1802345油管、焊接油箱油管、焊接油箱和管道配件和管道配件LF3Al-3.5Mg-0.5Mn-0.7Si退火退火20015高强度焊接结构高强度焊接结构(
26、板、带、棒板、带、棒)LF6Al-6.3Mg-0.7Mn-0.02Ti-0.003Be退火退火32015焊丝、铆钉及挤焊丝、铆钉及挤压制品压制品9.1铝及铝合金铝及铝合金1.13第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.13类类别别合合金金牌牌号号化学成分化学成分热处热处理理状态状态力学性能力学性能用途举例用途举例b/MPa/%HB硬硬铝铝合合金金LY1Al-2.6Cu-0.4-Mg淬火淬火+自然自然时效时效3202470中等强度，工作温中等强度，工作温度不超过度不超过100的铆的铆钉钉LY11Al-4.3Cu-0.6Mg-0.6Mn淬火淬火+自然自然时效时效38019100中等强度
27、的零件和中等强度的零件和构件，如骨架、螺构件，如骨架、螺旋桨叶片、铆钉等旋桨叶片、铆钉等LY12Al-4.4Cu-0.5Mg-0.6Mn淬火淬火+自然自然时效时效48017131高强度构件及在高强度构件及在150以下工作的零以下工作的零件、铆钉等件、铆钉等超超硬硬铝铝合合金金LC4Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.4Mn-0.18Cr淬火淬火+人工人工时效时效60012150受力构件及高载荷受力构件及高载荷零件零件LC6Al-7.1Zn-2.8Mg-2.5Cu-0.4Mn-0.2Cr淬火淬火+人工人工时效时效6807190受力构件及高载荷受力构件及高载荷零件，如飞机大梁、零件，如飞机大
28、梁、起落架等起落架等9.1铝及铝合金铝及铝合金1.14第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.14锻锻铝铝合合金金LD2Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si淬淬火火+人人工工时时效效3301695中等载荷零中等载荷零件，形状复件，形状复杂的锻件杂的锻件LD7Al-2.2Cu-1.6Mg-1.3Fe-1.3Ni-0.06Ti淬淬火火+人人工工时时效效44013120内燃机活塞内燃机活塞及在高温下及在高温下工作的零件工作的零件LD5Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si淬淬火火+人人工工时时效效42013105中等载荷的中等载荷的航空零件，航空零件，如
29、叶轮、接如叶轮、接头头LD10Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si淬淬火火+人人工工时时效效48019135高载荷锻件高载荷锻件及模锻件及模锻件注：表中元素前面数值表示各元素的含量。注：表中元素前面数值表示各元素的含量。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.15第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.151.防锈铝合金防锈铝合金防锈铝合金包括铝防锈铝合金包括铝镁系和铝镁系和铝锰系，编号采用锰系，编号采用“铝铝”和和“防防”二字汉语拼二字汉语拼音第一个大写字母音第一个大写字母“LF”加顺序号表示，如加顺序号表示，如LF5、LF21。这类铝合金的主要特。这类铝合金的主要特性是
30、具有优良的抗腐蚀性能，因此而得名。此外，还具有良好塑性和焊接性，性是具有优良的抗腐蚀性能，因此而得名。此外，还具有良好塑性和焊接性，适合于压力加工和焊接。这类合金不能进行热处理强化，即时效强化，因而力适合于压力加工和焊接。这类合金不能进行热处理强化，即时效强化，因而力学性能比较低。为了提高其强度、可用冷加工方法使其强化。而防锈铝合金由学性能比较低。为了提高其强度、可用冷加工方法使其强化。而防锈铝合金由于切削加工工艺性差，一般适用于制造焊接管道、容器、铆钉以及其他冷变形于切削加工工艺性差，一般适用于制造焊接管道、容器、铆钉以及其他冷变形零件。零件。2.硬铝合金硬铝合金AICuMg系合金是使用最早
31、、用途最广，具有代表性的一种铝合金。由于系合金是使用最早、用途最广，具有代表性的一种铝合金。由于该合金具有强度和硬度高，故称之为硬铝，又称杜拉铝。硬铝的编号采用该合金具有强度和硬度高，故称之为硬铝，又称杜拉铝。硬铝的编号采用“铝铝”、“硬硬”二字汉语拼音第一个大写字母二字汉语拼音第一个大写字母“LY”加顺序号来表示，如加顺序号来表示，如LYl2、LYl5等。各种硬铝合金的含铜量相当于图等。各种硬铝合金的含铜量相当于图9.1所示相图的所示相图的DF范围内，属于可热范围内，属于可热处理强化的铝合金，其强化方式为自然时效。合金中加入铜和镁是为了形成强处理强化的铝合金，其强化方式为自然时效。合金中加入
32、铜和镁是为了形成强化相化相(CuAl2)和和S(CuMgAl2)，含有少量的锰是为了提高抗蚀性能，而对时效强，含有少量的锰是为了提高抗蚀性能，而对时效强化不起作用。化不起作用。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.16第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.16硬铝具有相当高的强度和硬度，经自然时效后强度达到硬铝具有相当高的强度和硬度，经自然时效后强度达到380MPa490MPa(原始强度为原始强度为290MPa300MPa)，提高，提高25%30%，硬度也明显提高，硬度也明显提高(由由70HB85HB提高到提高到l20HB)。与此同时仍能保持足够的塑性。常用的硬铝合金有以下几。与此同时仍
33、能保持足够的塑性。常用的硬铝合金有以下几类。类。铆钉硬铝铆钉硬铝(如如LYl、LYl0等等)：合金中含铜量较低，固溶处理后冷态下塑性：合金中含铜量较低，固溶处理后冷态下塑性较好。时效强化速度慢。故可利用孕育期进行铆接，然后以自然时效提高强度。较好。时效强化速度慢。故可利用孕育期进行铆接，然后以自然时效提高强度。主要用作铆钉。主要用作铆钉。标准硬铝标准硬铝(如如LY11)：含有中等数量的合金元素，通过淬火与自然时效可获：含有中等数量的合金元素，通过淬火与自然时效可获得好的强化效果。常利用退火后良好的塑性进行冷冲、冷弯、轧压等工艺，以制得好的强化效果。常利用退火后良好的塑性进行冷冲、冷弯、轧压等工
34、艺，以制成锻材、轧衬或冲压件等半成品。标准硬铝还用作大型铆钉、螺旋桨叶片等重要成锻材、轧衬或冲压件等半成品。标准硬铝还用作大型铆钉、螺旋桨叶片等重要构件。构件。高强度硬铝高强度硬铝(如如LYl2，LY6)：是合金元素含量较高的一类硬铝。在这类合：是合金元素含量较高的一类硬铝。在这类合金中，镁的含量较金中，镁的含量较LY1l高高(约约1.5%)，故强化相含量高，因而具有更高的强度和硬，故强化相含量高，因而具有更高的强度和硬度，自然时效后可达度，自然时效后可达500MPa。但承受塑性加工能力较低，可以制作航空模锻件。但承受塑性加工能力较低，可以制作航空模锻件和重要的销轴等。和重要的销轴等。硬铝合金
35、有两个重要特性在使用或加工时必须注意。硬铝合金有两个重要特性在使用或加工时必须注意。抗蚀性差：特别在海水中尤甚。因此需要防护的硬铝部件，其外部都包一抗蚀性差：特别在海水中尤甚。因此需要防护的硬铝部件，其外部都包一层高纯度铝，制成包铝硬铝材，但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低。层高纯度铝，制成包铝硬铝材，但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.17第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.17固溶处理温度范围很窄：固溶处理温度范围很窄：LY11为为505510，LY12为为495503，低于此温度范围固溶处理，固溶体的过饱和度不足，不能发挥最大的时
36、效效果；，低于此温度范围固溶处理，固溶体的过饱和度不足，不能发挥最大的时效效果；超过此温度范围，则容易产生晶界熔化。超过此温度范围，则容易产生晶界熔化。3.超硬铝合金超硬铝合金A1ZnMgCu系合金是变形铝合金中强度最高的一类铝合金。因其强度高达系合金是变形铝合金中强度最高的一类铝合金。因其强度高达588MPa686MPa，超过硬铝合金，故此而得名。，超过硬铝合金，故此而得名。LC4、LC6等属于这类合金。等属于这类合金。由于铝合金中加入锌，除时效强化相由于铝合金中加入锌，除时效强化相和和S相外，尚有强化效果很大的相外，尚有强化效果很大的MgZn2(相相)及及(A12Mg2Zn3(T相相)。经
37、过适当的固溶处理和经过适当的固溶处理和120左右的人工时效之后，超硬铝的抗拉强度可达左右的人工时效之后，超硬铝的抗拉强度可达600MPa，为，为12%。这类铝合金的缺点也是抗蚀性差，一般也需包覆一层纯铝。其。这类铝合金的缺点也是抗蚀性差，一般也需包覆一层纯铝。其优点是有良好的焊接性能。该类超硬铝合金可用作受力较大，又要求结构较轻的优点是有良好的焊接性能。该类超硬铝合金可用作受力较大，又要求结构较轻的零件，如飞机的大梁与起落架等。零件，如飞机的大梁与起落架等。4.锻造铝合金锻造铝合金锻造铝合金包括锻造铝合金包括A1SiMgCu合金和合金和A1CuNiFe合金，常用的锻造铝合金合金，常用的锻造铝合
38、金有有LD2、LD5、LDl0等。它们含合金元素种类多，但含量少。锻造铝合金通常采等。它们含合金元素种类多，但含量少。锻造铝合金通常采用固溶处理和人工时效的方法强化。它们的热塑性优良，故锻造性能甚佳，且力用固溶处理和人工时效的方法强化。它们的热塑性优良，故锻造性能甚佳，且力学性能也较好。这类合金主要用于承受载荷的模锻件以及一些形状复杂的锻件。学性能也较好。这类合金主要用于承受载荷的模锻件以及一些形状复杂的锻件。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.18第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.189.1.5铸造铝合金铸造铝合金很多重要的零件是用铸造的方法生产的，一方面因为这些零件形状复杂，用
39、很多重要的零件是用铸造的方法生产的，一方面因为这些零件形状复杂，用其他方法其他方法(如锻造如锻造)不易制造；另一方面由于零件体积庞大，用其他方法生产也不不易制造；另一方面由于零件体积庞大，用其他方法生产也不经济。经济。常用铸造铝合金有常用铸造铝合金有A1Si系、系、A1Cu系、系、AlMg系和系和AlZn系四大类，其牌号系四大类，其牌号用用ZL和后面加三位数字表示。常用铸造铝合金的牌号、成分及性能见表和后面加三位数字表示。常用铸造铝合金的牌号、成分及性能见表93。对于铸造铝合金，除了要求必要的力学性能和耐蚀性外，还应具有良好的铸造性对于铸造铝合金，除了要求必要的力学性能和耐蚀性外，还应具有良好
40、的铸造性能。在铸造铝合金中，铸造性能和力学性能配合最佳的是能。在铸造铝合金中，铸造性能和力学性能配合最佳的是A1Si合金，又称硅铝合金，又称硅铝明。明。1.AlSi铸造合金铸造合金简单的简单的AlSi铸造合金，牌号为铸造合金，牌号为ZL102，含，含wSi=l0%13%。如图。如图9.4所示所示AlSi相图中可知，该成分正是共晶成分，因而具有良好的铸造性能相图中可知，该成分正是共晶成分，因而具有良好的铸造性能(熔点低、流动熔点低、流动性好，收缩小性好，收缩小)。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.19第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.19图图9.4AlSi相图相图9.1铝及铝合金铝
41、及铝合金1.20第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.20ZL102铸造后的组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体，加上少铸造后的组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体，加上少量的板块状初晶硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的存在，合金的力学性能不量的板块状初晶硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的存在，合金的力学性能不高，高，b不超过不超过140MPa。伸长率。伸长率3%。为此，通过细化组织，以提高强度和。为此，通过细化组织，以提高强度和塑性。通常采用变质处理，即浇注前在合金熔液中加入塑性。通常采用变质处理，即浇注前在合金熔液中加入2%3%的变质剂的变质剂(钠盐钠盐混合物混合物)
42、，可使共晶组织细化。且变质处理后的组织是由初生固溶体与均匀细，可使共晶组织细化。且变质处理后的组织是由初生固溶体与均匀细小的小的(+Si)共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的ZL102合金的抗拉强合金的抗拉强度度b达达180MPa，伸长率可达，伸长率可达8%。简单硅铝明的铸造性能、焊接性能均较好，抗蚀性及耐热性尚可。尽管经简单硅铝明的铸造性能、焊接性能均较好，抗蚀性及耐热性尚可。尽管经变质处理后可以提高力学性能，但由于硅在铝中的固溶度变化不大，且硅在铝变质处理后可以提高力学性能，但由于硅在铝中的固溶度变化不大，且硅在铝中的扩散速度很快，极易从固溶
43、体中析出，并聚集长大，时效处理时不能起强中的扩散速度很快，极易从固溶体中析出，并聚集长大，时效处理时不能起强化作用。故简单硅铝明强度不高，仅用于制造形状复杂且受力不大的铸件或薄化作用。故简单硅铝明强度不高，仅用于制造形状复杂且受力不大的铸件或薄壁零件，如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳体等。壁零件，如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳体等。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.21第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.21为了提高二元铝硅合金的力学性能，常加入为了提高二元铝硅合金的力学性能，常加入Cu、Mg等合金元素，形成时效等合金元素，形成时效强化相。并通过热处理强化，进一步提高力学性能。表强化
44、相。并通过热处理强化，进一步提高力学性能。表93所示的所示的ZL104、ZLl05、ZLl10等合金，在时效后均可获得较高的力学性能，可用作高载荷的发动机零等合金，在时效后均可获得较高的力学性能，可用作高载荷的发动机零件以及较高温度下工作的铸件。在件以及较高温度下工作的铸件。在ZL109中，由于镁、铜同时加入，出现三种强中，由于镁、铜同时加入，出现三种强化相化相(CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg)，合金时效强化效果很好，并且还使合金的高，合金时效强化效果很好，并且还使合金的高温强度有所提高，常用作发动机的活塞，有活塞合金之称。用这类合金制作活塞温强度有所提高，常用作发动机的活塞，有活塞合
45、金之称。用这类合金制作活塞,不仅结构轻便，铸造性能好，且又耐磨、耐蚀、耐热，膨胀系数又小，目前在不仅结构轻便，铸造性能好，且又耐磨、耐蚀、耐热，膨胀系数又小，目前在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上应用甚广。汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上应用甚广。如前所述，铸造铝合金除如前所述，铸造铝合金除A1Si系之外，还有系之外，还有A1Cu、A1Mg、A1Zn等系等系列列,但由于所含共晶组织的相对量较少，铸造性能较差，但却各具不同的特点。但由于所含共晶组织的相对量较少，铸造性能较差，但却各具不同的特点。A1Cu合金的典型牌号为合金的典型牌号为ZL20l。由于铜和锰的加入，所形成固溶体的溶解度变。由于
46、铜和锰的加入，所形成固溶体的溶解度变化较大，经时效后，可成为铸铝中强度最高的一类，在化较大，经时效后，可成为铸铝中强度最高的一类，在300以下能保持较高的以下能保持较高的强度。强度。A1Mg系合金的典型牌号为系合金的典型牌号为ZL30l。这类合金具有优良的耐蚀性，又因镁。这类合金具有优良的耐蚀性，又因镁的加入，密度特别小，但铸件中疏松现象严重，常用作在海水中承载的铝合金铸的加入，密度特别小，但铸件中疏松现象严重，常用作在海水中承载的铝合金铸件。还因其切削加工后具有高的光洁度，适宜作承受中等载荷的光学仪器零件。件。还因其切削加工后具有高的光洁度，适宜作承受中等载荷的光学仪器零件。9.1铝及铝合金
47、铝及铝合金1.22第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.22表表93铸造铝合金的牌号、成分、力学性能和用途铸造铝合金的牌号、成分、力学性能和用途牌号牌号主要成分主要成分/%状状态态力学性能力学性能应用举例应用举例SiCuMgMn其他其他/MPa/%HBZL1016.08.00.20.4T5T6210230216070形状复杂的中等负形状复杂的中等负荷零件荷零件ZL10210.013.0T2T2140150435050形状复杂的低负荷形状复杂的低负荷零件零件200以下工作以下工作的高气密性零件的高气密性零件ZL1048.010.50.170.30.20.5T6T6240230227
48、070200以下工作的汽以下工作的汽缸体、机体等缸体、机体等ZL1054.55.51.01.50.350.6T5T520024010.57070225以下工作的风以下工作的风冷发动机的汽缸头、冷发动机的汽缸头、油泵壳体等油泵壳体等9.1铝及铝合金铝及铝合金1.23第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.23ZL1067.08.51.02.00.20.60.20.6T6250190在较高温度下工作在较高温度下工作的零件的零件ZL10911.013.00.51.50.81.5Ni0.51.5T1T62002500.590100在较高温度下工作在较高温度下工作的零件如活塞等的零件如活塞等
49、ZL1104.06.05.08.00.20.5T115080在较高温度下工作在较高温度下工作的零件如活塞等的零件如活塞等ZL2014.55.30.61.0Ti0.150.35T4T5300340847090175300以下以下工作的零件工作的零件ZL2034.05.0T5220370中等负荷形状简单中等负荷形状简单的零件的零件ZL3019.511.5T4280960能承受较大振动载能承受较大振动载荷的零件荷的零件ZL3020.81.34.55.50.10.4150155耐腐蚀的低载荷零耐腐蚀的低载荷零件件注：注：T1人工时效；人工时效；T2退火；退火；T4固溶处理；固溶处理；T5固溶处理固溶处
50、理+部分人工时效；部分人工时效；T6固溶处理固溶处理+完全人工时效。完全人工时效。9.1铝及铝合金铝及铝合金1.24第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金1.249.2铜及其合金铜及其合金9.2.1纯铜纯铜铜及其合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得铜及其合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛应用。但铜的储量较小，价格昂贵，属于应该节约使用的材料。铜及其了广泛应用。但铜的储量较小，价格昂贵，属于应该节约使用的材料。铜及其合金中，有合金中，有80%是以加工成各种形状供应的，而且是以加工成各种形状供应的，而且50%以上的铜及其合金制品以上的铜