第十章有色金属及合金 Non-Ferrous metal 在工业生产中,通常把钢铁材料称为黑色金属,而把其它的金属材料 称为有色金属。 与钢铁等黑色金属材料相比,有色金属具有许多优良的特性,是现代 工业中不可缺少的材料,在国民经济中占有十分重要的地位。例如,铝、 镁、钛等具有相对密度小,比强度高的特点,因而广泛应用于航空、航天 汽车、船舶等行业:银、铜、铝等具有优良导电性和导热性的材料广泛应 用于电器工业和仪表工业;铀、钨、钼、镭、钍、铍等是原子能工业所必 需的材料,等等
第十章 有色金属及合金 Non-Ferrous Metal 在工业生产中，通常把钢铁材料称为黑色金属，而把其它的金属材料 称为有色金属。 与钢铁等黑色金属材料相比，有色金属具有许多优良的特性，是现代 工业中不可缺少的材料，在国民经济中占有十分重要的地位。例如，铝、 镁、钛等具有相对密度小，比强度高的特点，因而广泛应用于航空、航天、 汽车、船舶等行业；银、铜、铝等具有优良导电性和导热性的材料广泛应 用于电器工业和仪表工业；铀、钨、钼、镭、钍、铍等是原子能工业所必 需的材料，等等
第一节铝及其合金 Aluminum aluminum alloy 、纯铝 纯铝是一种银白色的轻金属,熔点为660℃C,具有面心立方晶格, 没有同素异构转变。它的密度小(只有2729gcm3);导电性好,仅次 于银、铜和金;导热性好,比铁几乎大三倍。纯铝化学性质活泼,在大 气中极易与氧作用,在表面形成一层牢固致密的氧化膜,可以阻止进 步氧化,从而使它在大气和淡水中具有良好的抗蚀性。 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用 “铝”字汉语拼音字首“L和其后面的编号表示。高纯铝的牌号有LG1 LG2、LG3、LG4和G5,“G”是高字的汉语拼音字首,后面的数字越 大,纯度越高,它们的含铝量在99.85%~99.99%之间。工业纯铝的牌 号有L1、L2、L3、L4、L41、L5、L5-1、和L6。后面的数字表示纯度, 数字越大,纯度越低
第一节 铝及其合金 Aluminum ＆ Aluminum alloy 一、纯铝 纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660℃，具有面心立方晶格， 没有同素异构转变。它的密度小（只有2.72g/cm3）；导电性好，仅次 于银、铜和金；导热性好，比铁几乎大三倍。纯铝化学性质活泼，在大 气中极易与氧作用，在表面形成一层牢固致密的氧化膜，可以阻止进一 步氧化，从而使它在大气和淡水中具有良好的抗蚀性。 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用 “铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。高纯铝的牌号有LG1、 LG2、LG3、LG4和LG5， “G”是高字的汉语拼音字首，后面的数字越 大，纯度越高，它们的含铝量在99.85%～99.99%之间。工业纯铝的牌 号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、和L6。后面的数字表示纯度， 数字越大，纯度越低
二、铝合金的分类 根据铝合金的成分、组织和工艺特点,可以将其分为铸造铝合金 与变形铝合金两大类。 变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工(轧制、挤压、模锻等) 制成半成品或模锻件,所以要求有良好的塑性变形能力 铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁 的成型件,所以要求合金具有良好的铸造流动性 度 L+a 变形铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化 的铝合金 能热处理强 化的铝合金 IF B,% 铝合金分类示意图
二、铝合金的分类 根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为铸造铝合金 与变形铝合金两大类。 变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工（轧制、挤压、模锻等） 制成半成品或模锻件，所以要求有良好的塑性变形能力。 铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁 的成型件，所以要求合金具有良好的铸造流动性。 变形铝合金 不能热处理强化 的铝合金 铸造铝合金 能热处理强 化的铝合金 温 度 Al F B，% 铝合金分类示意图 α+β α L+α D L
对于变形铝合金来说,位于F点以左成分的合金,在固态始终是单相 的,不能进行热处理强化,被称为热处理不可强化的铝合金。成分在F和 D之间的铝合金,由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相,可 通过热处理使合金强度提高,所以称为热处理强化铝合金 铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同,分为A一S系、A-Cu系、 A|-Mg系和A—Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首 “ZL后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列,1为A-Si系合金;2 为ACu系合金;3为A一Mg系合金;4为A-zn系合金。第二、三位数 表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金,ZL107表示7号 铝硅系铸造铝合金 变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝 四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金,硬铝、超硬铝、锻铝属于可 热处理强化的铝合金
对于变形铝合金来说，位于F点以左成分的合金，在固态始终是单相 的，不能进行热处理强化，被称为热处理不可强化的铝合金。成分在F和 D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相，可 通过热处理使合金强度提高，所以称为热处理强化铝合金。 铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，分为Al－Si系、Al－Cu系、 Al－Mg系和Al－Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首 “ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列，1为Al－Si系合金；2 为Al－Cu系合金；3为Al－Mg系合金；4为Al－Zn系合金。第二、三位数 表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号 铝硅系铸造铝合金。 变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝 四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，硬铝、超硬铝、锻铝属于可 热处理强化的铝合金
、铝合金的强化 铝合金的强化方式主要有以下几种: 固溶强化 纯铝中加入合金元素,形成铝基固溶体,造成晶格畸变,阻碍了 位错的运动,起到固溶强化的作用,可使其强度提高 时效强化 合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝 没有同素异构转变,所以其热处理相变与钢不同。铝合金经加热到某 温度淬火后,可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶 体放置在室温或加热到某一温度时,其强度和硬度随时间的延长而增 高,但塑性、韧性则降低,这个过程称为时效。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
三、铝合金的强化 铝合金的强化方式主要有以下几种： ❖ 固溶强化 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了 位错的运动，起到固溶强化的作用，可使其强度提高。 ❖ 时效强化 合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝 没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。铝合金经加热到某 一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶 体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增 高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。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
铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段: 第一阶段:在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象, 形成铜原子富集区(GP[工]区),从而使α固溶体产生严重的晶格畸 变,位错运动受到阻碍,合金强度提高。 第二阶段:随时间延长,GP[I进一步扩大,并发生有序化, 便形成有序的富铜区,称为GP区,其成分接近CUA2(相),成 为中间状态,常用硏表示。的析出,进一步加重了α相的晶格畸变, 使合金强度进一步提高 第三阶段:随着时效过程的进一步发展,铜原子在GP[工]区继续 偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时,形成与母相保持共格关系的过渡 相θ′。θ相出现的初期,母相的晶格畸变达到最大,合金强度达到峰 值。 第四阶段:时效后期,过渡相θ从铝基固溶体中完全脱落,形成 与基体有明显相界面的独立的稳定相CuA2,称为θ相。此时,θ相与 基体的共格关系完全破坏,共格畸变也随之消失,随着θ相质点的聚 集长大,合金明显软化,强度、硬度降低
铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段： 第一阶段：在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象， 形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），从而使α固溶体产生严重的晶格畸 变，位错运动受到阻碍，合金强度提高。 第二阶段：随时间延长，GP[Ⅰ]区进一步扩大，并发生有序化， 便形成有序的富铜区，称为GP[Ⅱ]区，其成分接近CuAl2（θ相），成 为中间状态，常用θ″表示。θ″的析出，进一步加重了α相的晶格畸变， 使合金强度进一步提高。 第三阶段：随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP[Ⅱ]区继续 偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时，形成与母相保持共格关系的过渡 相θ′。θ′相出现的初期，母相的晶格畸变达到最大，合金强度达到峰 值。 第四阶段：时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落，形成 与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相。此时，θ相与 基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，随着θ相质点的聚 集长大，合金明显软化，强度、硬度降低
过剩相强化 如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度,则在固溶处理 加热时,就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现,称为过剩相。在 铝合金中,这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中 阻碍位错运动,使合金强化,这称为过剩相强化。在生产中常常采用 这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多,分布越 弥散,则强化效果越大。但过剩相太多,则会使强度和塑性都降低。 过剩相成分结构越复杂,熔点越高,则髙温热稳定性越好 细化组织强化 许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合 金的组织,包括细化α固溶体或细化过剩相,就可使合金得到强化
❖ 过剩相强化 如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，则在固溶处理 加热时，就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在 铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中 阻碍位错运动，使合金强化，这称为过剩相强化。在生产中常常采用 这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多，分布越 弥散，则强化效果越大。但过剩相太多，则会使强度和塑性都降低。 过剩相成分结构越复杂，熔点越高，则高温热稳定性越好。 ❖ 细化组织强化 许多铝合金组织都是由α固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合 金的组织，包括细化α固溶体或细化过剩相，就可使合金得到强化
四、变形铝合金 变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金 等 防锈铝合金 防锈铝合金中主要合金元素是Mn和Mg,Mn的主要作用是提高铝合 金的抗蚀能力,并起到固溶强化作用。Mg也可起到强化作用,并使合金 的比重降低。其牌号用“LF”和跟在后面的顺序号表示,“LF”是“铝 防”二字的汉语拼音字首。 硬铝合金 硬铝合金为 Al-Cu-Mg系合金,还含有少量的Mn。各种硬铝合金都 可以进行时效强化,属于可以热处理强化的铝合金,亦可进行变形强化 其牌号用“LY"表示,“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首。 硬铝主要分为三种:低合金硬铝,合金中Mg、Cu含量低;标准硬 铝,合金元素含量中等;高合金硬铝,合金元素含量较多
四、变形铝合金 变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金 等。 ❖ 防锈铝合金 防锈铝合金中主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高铝合 金的抗蚀能力，并起到固溶强化作用。Mg也可起到强化作用，并使合金 的比重降低。其牌号用“LF”和跟在后面的顺序号表示， “LF”是“铝 防”二字的汉语拼音字首。 ❖ 硬铝合金 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的Mn。各种硬铝合金都 可以进行时效强化，属于可以热处理强化的铝合金，亦可进行变形强化。 其牌号用“LY”表示， “LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首。 硬铝主要分为三种：低合金硬铝，合金中Mg、Cu含量低；标准硬 铝，合金元素含量中等；高合金硬铝，合金元素含量较多
超硬铝合金 超硬铝合金为 Al-Mg-Zn-Cu系合金,并含有少量的Cr和Mn。牌号 有LC4、LC6等。zn、Cu、Mg与A可以形成固溶体和多种复杂的第二相 其牌号用”LC“表示,”LC“是”铝超“二字的拼音字首。 所以经过固溶处理和人工时效后,可获得很高的强度和硬度。它是 强度最高的一种铝合金。但这种合金的抗蚀性较差,高温下软化快。可 以用包铝法提高抗蚀性。超硬铝合金多用来制造受力大的重要构件,如 飞机大梁、起落架等 锻铝合金 LD5、LD7、LD10等属于这类铝合金。锻铝合金为 Al-Mg-Si-Cu系 和 Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。其牌号用”LD“表示,”LD是“铝锻二字的 拼音字首 该合金中的元素种类多但用量少,具有良好的热塑性,良好的铸造 性能和锻造性能,并有较髙的杋械性能。这类合金主要用于承受重载荷 的锻件和模锻件。锻铝合金通常都要进行固溶处理和人工时效
❖ 超硬铝合金 超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的Cr和Mn。牌号 有LC4、LC6等。Zn、Cu、Mg与Al可以形成固溶体和多种复杂的第二相。 其牌号用”LC“表示， ”LC“是”铝超“二字的拼音字首。 所以经过固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度。它是 强度最高的一种铝合金。但这种合金的抗蚀性较差，高温下软化快。可 以用包铝法提高抗蚀性。超硬铝合金多用来制造受力大的重要构件，如 飞机大梁、起落架等。 ❖ 锻铝合金 LD5、LD7、LD10等属于这类铝合金。锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu系 和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。其牌号用”LD“表示， ”LD是“铝锻二字的 拼音字首。 该合金中的元素种类多但用量少，具有良好的热塑性，良好的铸造 性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重载荷 的锻件和模锻件。锻铝合金通常都要进行固溶处理和人工时效
五、铸造铝合金 铸造铝合金按照主要合金元素的不同,可分为四类:A-S铸造铝合 金,如ZL101、乙L105等;A-Cu铸造铝合金,如ZL201、ZL203等;AI Mg铸造铝合金,如ZL301、乙L302等;A-Zn铸造铝合金,如ZL401、 zL402等 A-S铸造铝合金 AJ-si铸造铝合金通常称为铝硅明,铝硅明包括简单铝硅明(A-Si 元合金)和复杂铝硅明(A- Si-Mg-Cu等多元合金)。其牌号为zL10 系列,含11~13%S的简单铝硅明(乙L102)铸造后几乎全部是共晶组 织。 内燃机中的活塞,是在高速、高温、高压、变负荷下工作的,所以 要求制造活塞的材料必须比重小、高耐磨、高的耐蚀性、耐热性,还要 求活塞材料的线膨胀系数接近汽缸体的线膨胀系数。复杂铝硅明基本上 能满足这一要求,它是制造活塞的理想材料
五、铸造铝合金 铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可分为四类：Al-Si铸造铝合 金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu铸造铝合金，如ZL201、ZL203等；AlMg铸造铝合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn铸造铝合金，如ZL401、 ZL402等。 ❖ Al-Si铸造铝合金 Al-Si铸造铝合金通常称为铝硅明，铝硅明包括简单铝硅明（Al-Si二 元合金）和复杂铝硅明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）。其牌号为ZL10～ 系列，含11～13%Si的简单铝硅明（ZL102）铸造后几乎全部是共晶组 织。 内燃机中的活塞，是在高速、高温、高压、变负荷下工作的，所以 要求制造活塞的材料必须比重小、高耐磨、高的耐蚀性、耐热性，还要 求活塞材料的线膨胀系数接近汽缸体的线膨胀系数。复杂铝硅明基本上 能满足这一要求，它是制造活塞的理想材料