合工大機械工程材料教案第8章 有色金屬及其合金

第八章有色金屬及其合金本章提要本章介紹鋁及其合金、銅及其合金和滑動軸承合金的分類、編號、成分、性能及用途。著重分析鋁銅合金的時效強化，討論鋁合金及銅合金的成分、性能、熱處理特點及應用，簡述滑動軸承合金的工作條件和性能。鐵及其合金稱為黑色金屬，除此以外的稱為有色金屬，包括輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬及放射性金屬。

§8.1鋁及鋁合金一.工業純鋁1.結構與性能密度2.72g/cm3，熔點660.37℃，FCC晶格，無同素異構轉變，特點是：（1）密度小，熔點低，強度、硬度低，塑性、韌性高；（2）優良的導電及導熱性；（3）優良的耐蝕性。2.純鋁的牌號及用途壓力加工產品用L表示，后面的順序號表示雜質含量的多少，分類：1)工業純鋁：L1~L7（99.7~98%），編號大，純度低；2)高純鋁：L04~L01（99.996~99.93%），編號大，純度高。

二.鋁合金1.鋁合金的性能及分類某些鋁合金經熱處理后強度顯著提高，特別是比強度（σb/ρ）很高，重要的航空材料。鋁合金大多為共晶型，除形成有限α固溶體外，還形成金屬間化合物，主要分為形變鋁合金和鑄造鋁合金，圖8-1。2.鋁合金的熱處理以Al-Cu合金為例，圖8-2，討論合金的固溶處理和時效強化。與鋼的熱處理不同，鋁無同素異構轉變，加熱時發生（α+CuAl2）→α，淬火時α（平衡）→α（過飽和），結構不變。固溶處理：將合金加熱至單相固溶體區保溫后快速冷卻，得到過飽和固溶體的熱處理工藝。固溶強化效果不明顯。時效處理：將過飽和固溶體在室溫放置很長時間或者加熱至某一溫度保溫一段時間，隨著時間的延長，強度、硬度升高，這種熱處理工藝稱為時效處理（前者為自然時效，后者為人工時效），這種強化方法稱為時效強化。影響時效強化的因素有（1）固溶體濃度，濃度越大，強化效果越大；（2）時效溫度，溫度越高，時效加快，但降低最高硬度值；（3）時效時間，時間越長，強化效果越好，但超過一定時間，產生軟化。過時效：若時效溫度過高，等溫時間過長，導致合金軟化。Al-4%Cu合金的自然時效和人工時效見圖8-3，4，其基本過程為：（1）在{100}上形成Cu原子富集區，G.P.區，FCC，共格；θ″，正方點陣，共格，硬度最大；（3）θ′，正方點陣，半共格，硬度降低；（4）θ（CuAl2），正方點陣，非共格，明顯過時效。3.形變鋁合金要求有良好的冷熱加工性，不允許有過多的第二相，一般Me﹤5%，高強度合金中，Me=8~14%。分為可熱處理強化鋁合金（硬鋁、超硬鋁及鍛鋁）和不能熱處理強化鋁合金（防銹鋁），分別表示為LY、LC、LD和LF，其后為順序號，表8-1。1)防銹鋁合金主要有Al-Mn，Al-Mg合金，特點為耐蝕性高，塑性和焊接性好，切削加工性差。Al-Mn系防銹鋁主要為LF21，1.0~1.6%Mn，退火狀態為α+MnAl6。Mn作用為固溶強化及彌散強化（少量MnAl6），提高耐蝕性。Al-Mg系防銹鋁常用的為LF2，3，5，6等。Mg作用為固溶強化。2)硬鋁合金（杜拉鋁）典型的是Al-Cu-Mg系合金，特點是時效后強度、硬度很高，加工性能好，但耐蝕性差，易晶間腐蝕，常采用包鋁。加入Cu、Mg形成強化相S（CuMgAl2）、θ（CuAl2）、T（CuMg2Al6）和β（Mg2Al3）（強化效果依次減弱），在Al中有較大溶解度。合金元素總量增加，強化相數量增多，強度提高，Cu﹕Mg=2.61，強化效果最好。(1)低強度硬鋁合金：如LY1~LY10，主要析出θ相，強度低，塑性高，鉚接材料。(2)中強度（標準）硬鋁合金：如LY11，主要為θ，其次為S，強度較高，塑性較好，中等載荷結構件。(3)高強度硬鋁合金：典型LY12，主要為S，其次為θ，強度較高，良好的耐熱性，塑性較差，較高載荷結構件。3)超硬鋁合金典型的是Al-Zn-Mg-Cu系合金，特點是時效后強度、硬度更高，熱加工性能好，但塑性及耐蝕性差，采用包鋁。Al-Zn-Mg形成穩定性更高的強化相η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3），其次還有γ（MgZn5）和β（Mg2Al3）。Zn、Mg含量增加，強度提高，但塑性和耐蝕性下降。超硬鋁有LC4，強化相主要為η+T，其次為S，強度較高；LC6，η+T更多，強度更高。4)鍛鋁合金典型為Al-Mg-Si-Cu系合金，特點為熱塑性及耐蝕性高。Al-Mg-Si形成Mg2Si，加Cu形成W（Cu4Mg5Si4Alx）、θ（CuAl2）和S（CuMgAl2），主要為Mg2Si和W。常用的有LD2、LD5、LD6、LD10等。4.鑄造鋁合金鑄造鋁合金除了要有足夠的機械性能及耐蝕性外，還要有優良的鑄造性能。共晶合金的鑄造性能最好，但由于有大量脆性相，使脆性增加，因此實際使用的并非都是共晶合金，只是比形變鋁合金的合金元素高一些，一般Me=8~25%。用ZL（鑄鋁）表示，第一位數表示合金系（1：Al-Si，2：Al-Cu，3：Al-Mg，4：Al-Zn），后兩位數為順序號，表8-2。1)鋁硅系鑄造鋁合金（鋁硅明）航空業應用最廣的材料，特點是有良好的鑄造、耐蝕和機械性能，相圖8-5。(1)簡單鋁硅合金（簡單鋁硅明）：典型的ZL102，11~13%Si，屬于過共晶（共晶點11.7%Si），組織為少量塊狀初晶Si+（α+粗大針狀Si），強度、塑性及韌性差。變質處理，即加入2~3%的鈉鹽變質劑可得到α+（α+Si）的細小組織，如圖8-6，具有良好的鑄造、耐熱、耐蝕和焊接性能，但不能時效強化，強度較低。(2)含Mg的特殊鋁硅合金（特殊鋁硅明）：在Al-Si合金中加入Mg，形成Mg2Si。常用的有ZL101、ZL104，經過變質處理加人工時效，組織為細小亞共晶+Mg2Si，使強度提高。(3)含Cu的特殊鋁硅合金（特殊鋁硅明）：加入Cu形成θ（CuAl2）。常用的有ZL107，經過變質處理加人工時效，使強度明顯提高。(4)含Cu、Mg的特殊鋁硅合金（特殊鋁硅明）：同時加入Cu、Mg，除形成Mg2Si、θ外，還形成W（Cu4Mg5Si4Alx）、S（CuMgAl2）相。常用的有ZL103、105、110，強度更高且具有高的耐熱性（使用溫度小于250℃）。2)鋁銅系鑄造鋁合金特點是耐熱性在鋁合金中最高。缺點是鑄造性和耐蝕性差，隨著Cu增加，鑄造性能越好，耐蝕性增加，但強度降低（共晶點33.2%Cu，見圖8-2），因此Cu﹤14%。常用的合金中，ZL201為Al-Cu-Mn系，除形成θ外，還形成耐熱性更高的T（CuMn2Al12），使用溫度小于300℃；ZL202、203為Al-Cu系，前者含8~10%Cu，鑄造性能較好。3)鋁鎂系鑄造鋁合金特點是密度最小，耐蝕性最好，強度最高，有較好的韌性。缺點是鑄造性差，熱強性低，使用溫度小于200℃。常用的有ZL301、302。ZL301的室溫組織為α+Mg5Al8。因為時效時直接析出平衡相，強化效果較差，故一般溫油或溫水淬火后使用，綜合力學性能較高。4)鋁鋅系鑄造鋁合金特點是強度較高，有良好的鑄造、切削加工性能。缺點是耐蝕性差。常用ZL401（含Zn鋁硅明），屬于Al-Zn-Si系。

§8.2銅及銅合金一.純銅（紫銅）1.結構與性能密度8.94g/cm3，熔點1083℃，無磁性，FCC晶格，無同素異構轉變，特點是：（1）優良的導電、導熱及耐蝕性（不耐硝酸和硫酸）；（2）高的塑性及可焊性。2.純銅的牌號及用途按氧含量和生產方法不同分類，表8-3：1)韌銅（工業純銅）：0.02~0.10%O，用T（銅）表示，T1~T4，順序號越大，純度越低；2)無氧銅：﹤0.003%O，用TU（無氧銅）表示，TU1、TU2；3)脫氧銅：﹤0.01%O，用TU+脫氧劑化學符號表示，TUP、TUMn（磷脫氧銅和錳脫氧銅）。

二.銅的合金化和銅合金的分類及編號1.銅的合金化純銅強度較低，加工硬化較為顯著，但塑性大為降低，合金化是有效途徑。1)固溶強化：優先選擇與銅固溶度大的合金元素，如Zn、Al、Sn、Mn、Ni等。2)時效強化：選擇固溶度隨溫度變化大的合金元素，如Be。3)過剩相強化：第二相的彌散強化作用。2.銅合金的分類及編號根據加入合金元素的不同，分為黃銅、青銅和白銅。1)黃銅以Zn為主加元素的銅合金稱為黃銅，分為Cu-Zn二元合金的普通（簡單）黃銅和在Cu-Zn基礎上加入其他合金元素形成的特殊（復雜）黃銅，各種黃銅牌號見表8-4、5、6。普通黃銅牌號：H（黃）+銅質量分數，如H80。特殊黃銅牌號：H（黃）+第一合金元素+銅質量分數—第一合金元素質量分數—第二合金元素質量分數，如HAl59-3-2。鑄造黃銅牌號：ZCuZn+鋅（第一合金元素）質量分數+第二合金元素+第二合金元素質量分數，如ZCuZn40Pb2。2)青銅Cu-Sn合金是應用最早的青銅，現將除Zn、Ni以外的合金元素為主加元素的銅合金稱為青銅，如錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等，各種青銅牌號見表8-7。壓力加工青銅牌號：Q（青）+主加元素及含量+輔加元素含量，如QAl5。鑄造青銅牌號：ZCu+合金元素及含量，如ZCuSn10。3)白銅以Ni為主加元素的銅合金稱為白銅，分為普通（簡單）白銅和特殊（復雜）白銅，也可分為耐蝕用白銅和電工用白銅，各種白銅牌號見表8-8。普通白銅牌號：B（白）+鎳質量分數，如B30。特殊白銅牌號：B（白）+第二合金元素+Ni質量分數+第二合金元素質量分數，如BMn3-12。

三.黃銅1.普通黃銅普通黃銅是Cu-Zn合金，工業上使用的黃銅Zn﹤50%，相圖8-7。α：Zn在Cu中的置換固溶體，具有很大的溶解度，FCC，塑性好。β：以電子化合物CuZn為基的固溶體，BCC，塑性好。當溫度低于456~468℃以下時，轉變為有序固溶體β′，硬而脆。γ：以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體，復雜立方（γ黃銅結構），塑性較差。當溫度低于270℃以下時，轉變為有序固溶體γ′，硬而脆。Zn對黃銅機械性能的影響如圖8-8所示。當Zn﹤30~32%時，單相α固溶體，強度和塑性較高；當Zn﹥32%時，雙相α+β′，塑性降低，Zn=45%時強度最大；當Zn﹥47%時，雙相β′+γ′，強度和塑性急劇降低。1)α（單相、冷加工）黃銅：100~62.4%Cu，良好的冷、熱加工性，常用的H80、H70、H68。2)α+β（雙相、熱加工）黃銅：56.0~62.4%Cu，良好的熱加工性，常用的H59、H62。2.特殊黃銅在Cu-Zn基礎上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni等形成，分別稱為鋁黃銅、鐵黃銅等，目的是提高機械、耐蝕及工藝性能。3.鑄造黃銅鑄造黃銅含較多的銅及少量的合金元素，目的是降低熔點，減小液固相線間隔，提高鑄造性能。鑄造黃銅除具有一定的機械性能外，還具有良好的耐蝕性。4.黃銅的脫鋅和季裂是黃銅常見的腐蝕破壞形式。1)脫鋅：在酸性和鹽類溶液中，表面層的鋅由于電極電位低而遭受電化學腐蝕，被逐漸溶解。2)季裂：典型的應力腐蝕開裂，采用260~300℃去應力退火可以消除。

四.青銅典型的是錫青銅，現將除黃銅和白銅以外的銅合金都稱為青銅。1.錫青銅以Sn為主加元素的銅合金稱為錫青銅，圖8-9為其二元相圖。α：Sn在銅中的置換固溶體，有較大溶解度，FCC，塑性好。β：以電子化合物Cu5Sn為基的固溶體，在586℃發生共析轉變β→（α+γ），BCC，塑性好。γ：以電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體，在526℃發生共析轉變γ→（α+δ），復雜立方（γ黃銅結構），硬而脆。δ：在350℃發生共析轉變δ→（α+ε），其他同上。ε：以電子化合物Cu3Sn為基的固溶體，HCP，極硬而脆。在實際冷卻條件下，δ→（α+ε）由于轉變很慢很難進行完全，室溫下只能得到α+δ組織，導致韌性及塑性和強度降低。Sn對青銅機械性能的影響如圖8-10。當Sn﹤5~6%時，α固溶體，強度和塑性較高；當Sn﹥5~6%時，出現δ相，使塑性降低；當Sn﹥20%時，δ過多，強度和塑性急劇降低。因此，一般加入3~14%Sn，其中，壓力加工錫青銅﹤5~7%Sn，鑄造錫青銅10~14%Sn。錫青銅的特點是耐蝕性高，超過純銅和黃銅，缺點是結晶溫度間隔寬，鑄造性能差，為此加輔加元素Pb、Zn等改善。2.鋁青銅以Al為主加元素的銅合金稱為鋁青銅，相圖見圖8-11。α：Al在銅中的置換固溶體，溶解度較大，FCC，強度和塑性較高。β：以電子化合物Cu3Al為基的固溶體，在565℃發生共析轉變β→（α+γ2），BCC。γ2：以電子化合物Cu32Al19為基的固溶體，硬而脆。Al對青銅機械性能的影響見圖8-12。當Al﹤7~8%時，α固溶體，強度、塑性較好；當Al﹥7~8%時，塑性急劇降低；當Al﹥10~11%時，出現脆性γ2，強度和塑性都顯著降低。因此，一般Al﹤12%，壓力加工鋁青銅﹤5~7%Al，鑄造鋁青銅﹥7%Al。鋁青銅特點是強度、硬度、耐磨性和耐蝕性均優于黃銅和錫青銅，結晶溫度區間小，流動性能好，缺點是易形成Al2O3雜質、切削加工性和焊接性差。3.鈹青銅以Be為主加元素的銅合金稱為鈹青銅，相圖見8-13。α：Be在銅中的置換固溶體，溶解度較小，FCC，塑性好。γ1：以電子化合物CuBe為基的無序固溶體，在605℃發生共析轉變γ1→（α+γ2），BCC，塑性好。γ2：以電子化合物CuBe為基的有序固溶體，BCC，硬而脆。Be對青銅機械性能的影響見圖8-14。當Be﹥2%時，塑性急劇下降，因此常用含量1.7~2.5%Be。特點是彈性極限和疲勞強度極高，導電、導熱性高，耐蝕、耐磨性好，無磁性，接觸時不濺射火花，適合做高精密彈性元件；具有強烈的時效硬化效應，時效處理后的強度及硬度很高，可以達到σb≈1250~1500MPa，HB350~400。缺點是價格昂貴，有毒。4.硅青銅以Si為主加元素的銅合金稱為硅青銅，具有良好的冷、熱加工性能，鑄造性能，價格低廉。硅對青銅力學性能的影響如圖8-15。當Si﹥3%時，塑性將快速下降。

五.白銅白銅是以Ni為主加元素的銅合金，Cu-Ni合金為勻晶系，固態下為無限固溶體，具有良好的強度、硬度、塑性及韌性，具有良好的冷、熱加工性，高耐蝕性。

§8.3滑動軸承合金一.滑動軸承的工作條件及性能要求滑動軸承與滾動軸承相比，具有承載面積大，工作平穩，無噪音，裝拆方便等優點。它由軸承體和軸瓦組成，軸瓦一般是在鋼制軸瓦內側澆注或者軋制一層耐磨合金（內襯）。用于制造軸瓦內襯的耐磨合金稱為滑動軸承合金。工作條件：高速運轉時，軸瓦和軸之間產生強烈摩擦，承受周期性負荷和沖擊力，使材料磨損。性能要求：1)耐磨性高，具有較小的摩擦系數（減摩）；2)疲勞強度和抗壓強度高；3)足夠的塑性及韌性；4)導熱性和耐蝕性好。一般采用在軟基體上均勻分布一定大小的硬質點的合金，如圖8-16，或者反之。

二.滑動軸承合金的分類與編號常用Sn、Pb、Al、Cu、Fe基軸承合金。其中，錫基和鉛基合金又稱為巴氏合金。牌號：Z（鑄）（Ch（承））+基本元素+主加元素+主加元素含量+輔加元素+輔加元素含量。

三.常用的滑動軸承合金1.錫基軸承合金（錫基巴氏合金）以Sn-Sb合金為基的合金，是軟基體上分布硬質點的合金，歷史悠久。Sn-Sb合金相圖見圖8-17。α：Sb溶于Sn中的置換固溶體，硬度為30HB，作為軟基體。β′：以SnSb為基的固溶體，硬度為110HB，作為硬質點。比重輕上浮，為防止比重偏析，加入Cu形成高熔點Cu3Sn。常用牌號ZSnSb11Cu6，室溫組織為α+β′+Cu3S