《金属学及热处理》课程教学资源（实用规划教材）第九章有色金属及其合金.pdf_大学文库

第9章有色金属及其合金教学提示:通常将金属分成两大类,一类是铁及其合金称为黑色金属;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、钽、铌及其合金是制造1300℃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 91铝及铝合金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%用量消耗于建筑业和结构业,2%用于运输业,21%用于容器和包装,而电气工业占10%。在航空工业中,铝合金的用量占着绝对优势 9.11工业纯铝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 ①密度小,仅为铁的Ⅳ3左右,熔点低(604℃)。 ②具有面心立方晶格,塑性好(δ可达25%),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。 ③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。 ④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 ⑤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热和抗大

第 9 章有色金属及其合金教学提示：通常将金属分成两大类，一类是铁及其合金,称为黑色金属；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、钽、铌及其合金是制造 1300℃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。 9.1 铝及铝合金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%用量消耗于建筑业和结构业，22%用于运输业，21%用于容器和包装，而电气工业占 10%。在航空工业中，铝合金的用量占着绝对优势。 9.1.1 工业纯铝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： ① 密度小，仅为铁的 l/3 左右，熔点低(660.4℃)。 ② 具有面心立方晶格，塑性好( δ 可达 25%)，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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 强度很低，抗拉强度仅为 50 MPa，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。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

第9章有色金属及其合金气腐蚀性能而对强度要求不高的一些用品或器皿 912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400MPa~600MPa。铝合金与钢铁的相对力学性能比较列于表9-1,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。故质量相同的零件采用铝合金制造时,可以得到最大的刚度表9-1铝合金与钢相对力学性能比较材料名称力学性能低合金钢高合金钢铝合金相对密度相对比强度极限10 2.5 相对比屈服极限10 29~4.3 相对比刚度铝在合金化时,常加入的合金元素有Cu、Mg、Zn、Si、Mn和RE(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9.1所示。根据该相图,铝合金通常分为两大类别,相图上最大饱和溶解度D是这两类合金的理论分界线形变合金A造合 Al F B/% 图9.1铝合金相图的一般类型 (1)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,故称之为形变铝合金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,称之为能热处理强化的铝合金。 (2)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,且高温强度

第 9 章有色金属及其合金 ·183· ·183· 气腐蚀性能而对强度要求不高的一些用品或器皿。 9.1.2 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 400MPa～600MPa。铝合金与钢铁的相对力学性能比较列于表 9-1，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。故质量相同的零件采用铝合金制造时，可以得到最大的刚度。表 9-1 铝合金与钢相对力学性能比较材料名称力学性能低碳钢低合金钢高合金钢铸铁铝合金相对密度 1.0 1.0 1.0 0.92 0.35 相对比强度极限 1.0 1.6 2.5 0.6 1.8～3.3 相对比屈服极限 1.0 1.7 4.2 0.7 2.9～4.3 相对比刚度 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5 铝在合金化时，常加入的合金元素有 Cu、Mg、Zn、Si、Mn 和 RE(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 9.1 所示。根据该相图，铝合金通常分为两大类别，相图上最大饱和溶解度 D' 是这两类合金的理论分界线。图 9.1 铝合金相图的一般类型 (1) 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，故称之为形变铝合金。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，称之为能热处理强化的铝合金。 (2) 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，且高温强度

金属学与热处理也较高,可以防止热裂现象,故适合于铸造,称之为铸造铝合金 9.1.3铝合金的热处理纯铝加入合金元素形成铝基固溶体a,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,铝合金也须通过热处理进步提高强度。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,塑性却明显増加。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,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α固溶体的浓度和时效温度及时效时间。一般来说α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。时效温度过高,时效时间过长,将使合金软化称为过时效。以A-Cu合金系为例,由相图(图92)可见,铜在α固溶体中的溶解度,在室温时最大为wc=0.5%,而加热到548℃时,极限溶解度为wc=5.7%。现以研究较为透彻的νc=4% 合金为例,讨论时效时合金的组织与性能的变化。该合金在室温下的平衡组织为a+CuAl 加热到BD线以上时,获得单相α固溶体,如快冷(固溶处理),则可以获得铜在铝中的过饱和α固溶体,其抗拉强度为250MPa(未经固溶处理时抗拉强度为200MPa)。过饱和α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400MPa。图9.3表示νc=4% 合金在130℃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 548℃ 02区 GPIII 400 GP区尺寸 0.10 ,0 Cu/% 时效时间d 图92ACuA2相图图93W=4%CuA合金在130℃下时效曲线第一阶形段,形成铜原子富集区(GP凹区):在过饱和α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GP区)。GP印区呈薄片形状,其厚度为0nm

·184· 金属学与热处理 ·184· 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。 9.1.3 铝合金的热处理纯铝加入合金元素形成铝基固溶体α ，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，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 α 固溶体的浓度和时效温度及时效时间。一般来说α 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。时效温度过高，时效时间过长，将使合金软化，称为过时效。以 Al-Cu 合金系为例，由相图(图 9.2)可见，铜在α 固溶体中的溶解度，在室温时最大为 wCu=0.5%，而加热到 548℃时，极限溶解度为 wCu=5.7%。现以研究较为透彻的 wCu=4% 合金为例，讨论时效时合金的组织与性能的变化。该合金在室温下的平衡组织为α +CuAl2，加热到 BD 线以上时，获得单相α 固溶体，如快冷(固溶处理)，则可以获得铜在铝中的过饱和α 固溶体，其抗拉强度为 250 MPa(未经固溶处理时抗拉强度为 200 MPa)。过饱和α 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 400 MPa。图 9.3 表示 wCu=4% 合金在 130℃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。图 9.2 Al-CuAl2相图图 9.3 wCu=4%Cu-Al 合金在 130℃下时效曲线第一阶形段，形成铜原子富集区(GP[I]区)：在过饱和 α 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(GP[I]区)。GP[I]区呈薄片形状，其厚度为 0.4nm～

第9章有色金属及其合金 06mm,直径约为90mm,密度达1047cm3~1018/cm3。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GP区中铜原子浓度较高,引起点阵的严重畸变,阻碍位错运动,因而合金的强度、硬度升高第二阶段,铜原子富集区有序化(GP区):在GP区的基础上铜原子进一步偏聚 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。即形成有序的富铜区,称为GP山区,常用O”表示。这种有序化的铜原子富集区直径为100m~400m,厚度可达10nm~40nm。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θ:随着时效过程的进一步进行,铜原子在GP[区继续偏聚, 当铜与铝原子之比为1:2时,形成过渡相O,其化学成分和CuA2相相近。θ相与基体保持局部共格关系,因此,θ"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,是造成合金时效强化的重要第四阶段,稳定的θ相的形成与长大:时效后期,θ′相与母相的共格关系消失,与基体有明显界面的独立相θ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 α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(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。以上讨论表明,wc=4%合金时效的基本过程可以概括为:过饱和固溶体→形成铜原子富集区(GP凹区)→铜原子富集区有序化(GP[山区)→形成过渡相0′→析出稳定的相θ相 (CuA2)+平衡的a固溶体。 9.14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,其主要牌号的化学成分与力学性能见表9-2 表9-2变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能和用途力学性能类合金化学成分热处理用途举例别牌号状态 HB MPa% 退火|13023 储液体用焊接件、管道、 LF21 Al-2.4Mn 容器等油管、焊接油箱和管道 LF2Al-1.3Mg-0.3Mn 退火180 2345 铝配件高强度焊接结构(板 LF3Al-3.5Mg-0.5Mn-07Si 退火200 LF6A163Mg07Mn.020003e退火|32015 焊丝、铆钉及挤压制品

第 9 章有色金属及其合金 ·185· ·185· 0.6nm，直径约为 9.0nm，密度达 1017/cm3 ～1018/cm3 。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 GP[I]区中铜原子浓度较高，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。第二阶段，铜原子富集区有序化(GP[II]区)：在 GP[l]区的基础上铜原子进一步偏聚， 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。即形成有序的富铜区，称为 GP[II]区，常用 θ'' 表示。这种有序化的铜原子富集区直径为 10.0nm～40.0nm，厚度可达 1.0nm～4.0nm。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 θ′：随着时效过程的进一步进行，铜原子在 GP[II]区继续偏聚，当铜与铝原子之比为 1∶2 时，形成过渡相 θ′，其化学成分和 CuAl2相相近。θ′相与基体保持局部共格关系，因此，θ′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，是造成合金时效强化的重要因素。第四阶段，稳定的 θ 相的形成与长大：时效后期，θ′ 相与母相的共格关系消失，与基体有明显界面的独立相 θ 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， α 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(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。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→形成铜原子富集区(GP[I]区)→铜原子富集区有序化(GP[II]区) →形成过渡相 θ′→析出稳定的相 θ 相 (CuAl2)+平衡的α 固溶体。 9.1.4 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，其主要牌号的化学成分与力学性能见表 9-2。表 9-2 变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能和用途力学性能类别合金牌号化学成分热处理状态 σb /MPa δ / % HB 用途举例 LF21 Al-2.4Mn 退火 130 23 30 储液体用焊接件、管道、容器等 LF2 Al-1.3Mg-0.3Mn 退火 180 23 45 油管、焊接油箱和管道配件 LF3 Al-3.5Mg-0.5Mn-0.7Si 退火 200 15 — 高强度焊接结构(板、带、棒) 防锈铝合金 LF6 Al-6.3Mg-0.7Mn-0.02Ti-0.003Be 退火 320 15 — 焊丝、铆钉及挤压制品

金属学与热处理 (续力学性能类|合金热处理化学成分用途举例别牌号状态淬火+自中等强度,工作温度不超 LYIAl-2.6Cu-04-Mg 然时效|320 过100℃的铆钉中等强度的零件和构件淬火+自 LY11 A1-4.3Cu-0.6Mg-06Mn 然时效130|9100如2架、螺旋桨叶片、淬火+自高强度构件及在150℃ LY12 AL-4 4Cu-0 5Mg-06Mn 然时/480 以下工作的零件、铆钉等淬火+人 60012150受力构件及高载荷零件硬 LC4Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.4Mn-0.18Cr 工时效淬火+人受力构件及高载荷零件 ILC6Al-7. 1Zn-2.8Mg-2.5Cu-0.4Mn-02Cr 190 工时效如飞机大梁、起落架等金淬火+ 等载荷零件,形状复杂 LD2AI-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si 工时/30 的锻件淬火+人内燃机活塞及在高温下锻铝合金 LD7A1-2.2Cu-l.6Mg-1.3Fe-1.3Ni-006Ti 工时效工作的零件 LDS AI-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si 13105中等载荷的航空零件,如工时效叶轮、接头淬火+ LDIOAI-0.4Cu-0. 7Mg-0.25Mn-0.8Si 19135高载荷锻件及模锻件注:表中元素前面数值表示各元素的含量 1.防锈铝合金防锈铝合金包括铝-镁系和铝-锰系,编号采用“铝”和“防”二字汉语拼音第一个大写字母“LF”加顺序号表示,如LF5、LF21。这类铝合金的主要特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零件。 2.硬铝合金 Al-Cu-Mg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“铝”、“硬”二字汉语拼音第一个大写字母“LY”加顺序号来表示,如LY2、LY5等。各种硬铝合金的含铜量相当于图9.1所示相图的DF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。 186

·186· 金属学与热处理 ·186· (续) 力学性能类别合金牌号化学成分热处理状态 σb /MPa δ /% HB 用途举例 LY1 Al-2.6Cu-0.4-Mg 淬火+自然时效 320 24 70 中等强度，工作温度不超过 100℃的铆钉 LY11 Al-4.3Cu-0.6Mg-0.6Mn 淬火+自然时效 380 19 100 中等强度的零件和构件，如骨架、螺旋桨叶片、铆钉等硬铝合金 LY12 Al-4.4Cu-0.5Mg-0.6Mn 淬火+自然时效 480 17 131 高强度构件及在 150℃ 以下工作的零件、铆钉等 LC4 Al-6Zn-2.3Mg-1.7Cu-0.4Mn-0.18Cr 淬火+人工时效 600 12 150 受力构件及高载荷零件超硬铝合金 LC6 Al-7.1Zn-2.8Mg-2.5Cu-0.4Mn-0.2Cr 淬火+人工时效 680 7 190 受力构件及高载荷零件，如飞机大梁、起落架等 LD2 Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si 淬火+人工时效 330 16 95 中等载荷零件，形状复杂的锻件 LD7 Al-2.2Cu-1.6Mg-1.3Fe-1.3Ni-0.06Ti 淬火+人工时效 440 13 120 内燃机活塞及在高温下工作的零件 LD5 Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si 淬火+人工时效 420 13 105 中等载荷的航空零件，如叶轮、接头锻铝合金 LD10 Al-0.4Cu-0.7Mg-0.25Mn-0.8Si 淬火+人工时效 480 19 135 高载荷锻件及模锻件注：表中元素前面数值表示各元素的含量。 1. 防锈铝合金防锈铝合金包括铝-镁系和铝-锰系，编号采用“铝”和“防”二字汉语拼音第一个大写字母“LF”加顺序号表示，如 LF5、LF21。这类铝合金的主要特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零件。 2. 硬铝合金 AI-Cu-Mg 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“铝”、“硬”二字汉语拼音第一个大写字母“LY”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 9.1 所示相图的 D' F 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

第9章有色金属及其合金合金中加入铜和镁是为了形成强化相CuAl2)和S( CuNeAl2),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。硬铝具有相当高的强度和硬度,经自然时效后强度达到380MPa~490MPa(原始强度为290MPa~300MPa,提高25%~30%,硬度也明显提高(由70HB~85HB提高到12OHB)。与此同时仍能保持足够的塑性。常用的硬铝合金有以下几类。 ①铆钉硬铝(如LY1、LY0等):合金中含铜量较低,固溶处理后冷态下塑性较好。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 ②标准硬铝(如LYI):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。 ③高强度硬铝(如LY2,LY6):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LYll高(约1.5%),故强化相含量高,因而具有更高的强度和硬度,自然时效后σ 可达500MPa。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。硬铝合金有两个重要特性在使用或加工时必须注意。 ①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。 ②固溶处理温度范围很窄:LY11为505℃~510℃,LY12为495℃~503℃,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。 3.超硬铝合金 -Zn-MgCu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588MPa 686MPa,超过硬铝合金,故此而得名。LC4、LC6等属于这类合金。由于铝合金中加入锌, 除时效强化相θ和S相外,尚有强化效果很大的MgZn4(相)及(A12Mg2Zn(T相)。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600MPa, δ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。 4.锻造铝合金锻造铝合金包括A1Si-MgCu合金和A1Cu-NiFe合金,常用的锻造铝合金有LD2、 LD5、LD0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 91.5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,用其他方法 (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经济。常用铸造铝合金有Al-Si系、A1Cu系、A-Mg系和A-Zn系四大类,其牌号用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9-3

第 9 章有色金属及其合金 ·187· ·187· 合金中加入铜和镁是为了形成强化相 θ(CuAl2)和 S(CuMgAl2)，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。硬铝具有相当高的强度和硬度，经自然时效后强度达到 380 MPa～490 MPa(原始强度为 290 MPa～300 MPa)，提高 25%～30%，硬度也明显提高(由 70HB～85HB 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类。 ① 铆钉硬铝(如 LYl、LYl0 等)：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。主要用作铆钉。 ② 标准硬铝(如 LY11)：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。 ③ 高强度硬铝(如 LYl2，LY6)：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 LY1l 高(约 1.5%)，故强化相含量高，因而具有更高的强度和硬度，自然时效后σ b 可达 500 MPa。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。硬铝合金有两个重要特性在使用或加工时必须注意。 ① 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。 ② 固溶处理温度范围很窄：LY11 为 505℃～510℃，LY12 为 495℃～503℃，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。 3. 超硬铝合金 A1-Zn-Mg-Cu 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 588MPa～ 686MPa，超过硬铝合金，故此而得名。LC4、LC6 等属于这类合金。由于铝合金中加入锌，除时效强化相 θ 和 S 相外，尚有强化效果很大的 MgZn2( η相)及(A12Mg2Zn3(T 相)。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 600MPa， δ 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。 4. 锻造铝合金锻造铝合金包括 A1-Si-Mg-Cu 合金和 A1-Cu-Ni-Fe 合金，常用的锻造铝合金有 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。 9.1.5 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，用其他方法 (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经济。常用铸造铝合金有 A1-Si 系、A1-Cu 系、Al-Mg 系和 Al-Zn 系四大类，其牌号用 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 9-3

188· 金属学与热处理对于铸造铝合金,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能在铸造铝合金中,铸造性能和力学性能配合最佳的是A1-Si合金,又称硅铝明 1.Al-Si铸造合金简单的A-Si铸造合金,牌号为ZL102,含s=10%13%。如图94所示A-Si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、流动性好,收缩小)。 =10%-13% 硅铝明 AI11.6 图94A-Si相图 ZL102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,合金的力学性能不高,ob不超过140MPa 伸长率δ<3%。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2%~3%的变质剂(钠盐混合物),可使共晶组织细化。且变质处理后的组织是由初生a固溶体与均匀细小的(a+Si)共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的 ZL102合金的抗拉强度a达180MPa,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壁零件,如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳体等。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,形成时效强化相并通过热处理强化,进一步提高力学性能。表9-3所示的ZL104、ZL05、ZL10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ZL109中,由于镁、铜同时加入,出现三种强化相(CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg),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,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如前所述,铸造铝合金除A1-Si系之外,还有A1-Cu、A-Mg、A1-Zn等系列,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。A1-Cu合金的典型牌号为ZL20。由于铜和锰的加入,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300℃以下能保持较高的强度。A1-Mg系合金的典型牌号为ZL30l 这类合金具有优良的耐蚀性,又因镁的加入,密度特别小,但铸件中疏松现象严重,常用

·188· 金属学与热处理 ·188· 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能。在铸造铝合金中，铸造性能和力学性能配合最佳的是 A1-Si 合金，又称硅铝明。 1. Al-Si 铸造合金简单的 Al-Si 铸造合金，牌号为 ZL102，含 wSi=l0%～13%。如图 9.4 所示 Al-Si 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、流动性好，收缩小)。图 9.4 Al-Si 相图 ZL102 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，合金的力学性能不高，σb 不超过 140 MPa。伸长率δ ＜3%。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 2%～3%的变质剂(钠盐混合物)，可使共晶组织细化。且变质处理后的组织是由初生 α 固溶体与均匀细小的( α +Si)共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的 ZL102 合金的抗拉强度 σb达 180 MPa，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壁零件，如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳体等。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，形成时效强化相。并通过热处理强化，进一步提高力学性能。表 9-3 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，出现三种强化相(CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg)，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,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。如前所述，铸造铝合金除 A1-Si 系之外，还有 A1-Cu、A1-Mg、A1-Zn 等系列, 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。A1-Cu 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℃以下能保持较高的强度。A1-Mg 系合金的典型牌号为 ZL30l。这类合金具有优良的耐蚀性，又因镁的加入，密度特别小，但铸件中疏松现象严重，常用

金属学与热处理 921纯铜铜外观呈紫红色,故又称紫铜,是人类最早使用的金属之一。铜的密度为89×10kg/m3, 熔点为1083℃。纯铜的导电、导热性优良,仅次于银而居第二位,在电气工业及动力机械工业中获得广泛的应用。铜具有抗磁性,因而用于制造抗磁性干扰的仪器、仪表零件,如罗盘、航空仪器和瞄准器等零件。纯铜具有面心立方晶格,无同素异构转变,具有良好的塑性,可以进行冷、热加工。纯铜在大气、淡水或非氧化性酸液中,具有很高的化学稳定性,但在海水中抗蚀性较差,在氧化性酸、盐中极易被腐蚀。纯铜的强度极低,退火态a为250MPa~270MPa,6为35%~45%。经强烈冷加工后, a为392MPa~441MPa,δ下降为1%~3% 工业纯铜按氧的含量和生产方法的不同可分为如下三种。 l)韧铜含氧量为002%~0.1%的纯铜,用符号“T”加数字表示,常有T1、T2、T3、T4等, 其中顺序号越大,纯度越低。∏、T2主要用作导电材料和熔制高纯度铜合金,T4用作一般铜材。 2)无氧铜这种铜是在碳和还原性气体保护下进行熔炼和铸造的,含氧量极低,不大于0.003% 牌号有TUl、TU2,“U”表示无氧,1号和2号无氧铜主要用于电真空器件。 3)脱氧铜用磷或锰脱氧的铜,分别称为磷脱氧铜或锰脱氧铜,用符号TUP或TUM表示,前者主要用于焊接结构方面,后者主要用于真空器件方面。用真空去氧得到的无氧铜,称真空铜(TK) 922铜的合金化纯铜强度不高,用加工硬化方法虽可提高铜的强度,但塑性大大下降。因此常用合金化来获得强度较高的铜合金,作为结构材料。加入合金元素使铜的强度提高,主要通过以下方式 ①固溶强化:最常用的固溶强化元素为Zn、Si、Al、Ni等,形成置换固溶体。 ②热处理强化:Be、Si等元素在铜中的溶解度随温度的降低而减小。因而,合金元素加入铜中后,可使合金具有时效强化的性能 ③过剩相强化:当合金元素超过最大溶解度后,便会出现过剩相。过剩相多为硬而脆的金属间化合物。数量少时,可使强度提高,塑性降低;数量多时,会使强度和塑性同时 92.3黄铜以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜(Cu-Zn合金)。黄铜具有优良的力学性能,易于加工成形,并对大气有相当好的耐蚀性,且色泽美观,因而在工业上应用广泛

·190· 金属学与热处理 ·190· 9.2.1 纯铜纯铜外观呈紫红色，故又称紫铜，是人类最早使用的金属之一。铜的密度为 8.9×103 kg/m3 ，熔点为 1083℃。纯铜的导电、导热性优良，仅次于银而居第二位，在电气工业及动力机械工业中获得广泛的应用。铜具有抗磁性，因而用于制造抗磁性干扰的仪器、仪表零件，如罗盘、航空仪器和瞄准器等零件。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，具有良好的塑性，可以进行冷、热加工。纯铜在大气、淡水或非氧化性酸液中，具有很高的化学稳定性，但在海水中抗蚀性较差，在氧化性酸、盐中极易被腐蚀。纯铜的强度极低，退火态 σb为 250 MPa～270 MPa，δ 为 35%～45%。经强烈冷加工后， σb为 392 MPa～441 MPa，δ 下降为 1%～3%。工业纯铜按氧的含量和生产方法的不同可分为如下三种。 1) 韧铜含氧量为 0.02%～0.1%的纯铜，用符号“T”加数字表示，常有 T1、T2、T3、T4 等，其中顺序号越大，纯度越低。Tl、T2 主要用作导电材料和熔制高纯度铜合金，T4 用作一般铜材。 2) 无氧铜这种铜是在碳和还原性气体保护下进行熔炼和铸造的，含氧量极低，不大于 0.003%。牌号有 TUl、TU2，“U”表示无氧，1 号和 2 号无氧铜主要用于电真空器件。 3) 脱氧铜用磷或锰脱氧的铜，分别称为磷脱氧铜或锰脱氧铜，用符号 TUP 或 TUMn 表示，前者主要用于焊接结构方面，后者主要用于真空器件方面。用真空去氧得到的无氧铜，称真空铜(TK)。 9.2.2 铜的合金化纯铜强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但塑性大大下降。因此常用合金化来获得强度较高的铜合金，作为结构材料。加入合金元素使铜的强度提高，主要通过以下方式。 ① 固溶强化：最常用的固溶强化元素为 Zn、Si、Al、Ni 等，形成置换固溶体。 ② 热处理强化：Be、Si 等元素在铜中的溶解度随温度的降低而减小。因而，合金元素加入铜中后，可使合金具有时效强化的性能。 ③ 过剩相强化：当合金元素超过最大溶解度后，便会出现过剩相。过剩相多为硬而脆的金属间化合物。数量少时，可使强度提高，塑性降低；数量多时，会使强度和塑性同时降低。 9.2.3 黄铜以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜(Cu-Zn 合金)。黄铜具有优良的力学性能，易于加工成形，并对大气有相当好的耐蚀性，且色泽美观，因而在工业上应用广泛

第 9 章有色金属及其合金 ·191· ·191· 1. 黄铜的性能与成分之间的关系由 Cu-Zn 相图(见图 9.5)可知，锌在铜中的溶解度很大(在室温下可达 39%)，固溶强化效果好，锌在铜中的溶解度随温度的降低而增大。α 相是锌在铜中的固溶体，具有面心立方晶格，因而具有良好的塑性。随着含锌量的进一步增加，出现具有体心立方晶格的β′相。 β′相是有序固溶体，在室温下塑性差，不适宜冷加工变形；但加热到高温时，发生无序转变，转变为无序固溶体β 相，β 相具有良好的塑性，适宜进行热加工。图 9.5 铜-锌合金相图当含锌量达到 50%时，合金中将出现另一种脆性更大的电子化合物 γ 相。含有这种相的合金在工业上已不能使用。含锌量对黄铜性能的影响如图 9.6 所示，结合 Cu-Zn 相图的分析可知，由于锌的溶入，能起到固溶强化的作用，使合金的强度不断提高，塑性也有所改善。当含锌量为 30%时，强度和塑性达到最优化；进一步增加锌，由于β′相的出现，合金塑性开始下降，而合金的 σb 却继续升高，当含锌量增加到 45%时，强度达到最大值，而塑性急剧下降；当含锌量达到 47%时，全部为β′相，强度和塑性均很低，已无实用价值。因此工业上使用的黄铜实际含锌量大多不超过 47%，这样工业黄铜的组织只可能是α 单相或两相( α +β )，分别称之为α 黄铜(或单相黄铜)及( α +β )黄铜(或两相黄铜)。由 Cu-Zn 合金相图中可见，其固、液相线间距较小，故黄铜铸造时流动性较好，偏析小，铸件的致密度高，铸造性能良好。 Cu-Zn 合金在高温下为单相组织，故在生产中多以锻、轧态使用，并以形变作为强化手段。 2. 黄铜的牌号、分类及用途黄铜牌号是以字母 H 为首(H 为“黄”的汉语拼音第一个大写字母)，其后注明含铜量的百分数。常用黄铜的分类、牌号、成分、性能和用途见表 9-4

《金属学及热处理》课程教学资源（实用规划教材）第九章 有色金属及其合金

《金属学及热处理》课程教学资源（实用规划教材）第九章有色金属及其合金