工程材料 教学课件 ppt 作者 王正品 第8章　有色金属及其合金

第8章 有色金属及其合金,主编,第8章 有色金属及其合金,1.人类发展进程中，铜和钢哪个材料先出现？ 2.出土的铜镜表面为什么是绿色的？ 3.汽车能否全部用铝合金来制造？ 4.纯铝比较软，用什么方法强化能使其成为飞机制造中的可用材料？ 5.哪些材料具有生物相容性和合适的性能，可以用于制作植入性医疗器械？ 8.1 铝及铝合金 8.2 铜及铜合金 8.3 钛及钛合金,8.1 铝及铝合金,8.1.1 纯铝的基本特性 8.1.2 铝的合金化及分类 8.1.3 铝合金的时效强化 8.1.4 铝合金的细化组织强化 8.1.5 各类铝合金简介,8.1.1 纯铝的基本特性,(1)密度小，比强度高 铝的密度为2.7×103kg/m3，除镁和铍外，它是最轻的金属。 (2) 导电、导热性好 铝的电导率约为铜的60，如果按单位质量计，铝的电导率则超过了铜，在远距离传输时经常代替铜。 (3)耐蚀性好 铝可与大气中的氧迅速作用，在表面生成一层Al2O3薄膜，保护内部材料不受环境侵害。 (4)塑性好，强度低 铝具有面心立方晶体结构，结晶后无同素异构转变，表现出极好的塑性，适于冷加工成形。 (5)低温性能好 0-253之间，塑性、冲击韧度不降低。 (6)工艺性能好 铸造、切削、压力加工性能好。 (7) 耐热性差 200时强度下降1/3，热胀系数大，是铁的2倍。,8.1.2 铝的合金化及分类,1.铝的合金化及组织特点 2.铝合金的分类,1.铝的合金化及组织特点,图8-1 铝与主加元素形成的二元相图,2.铝合金的分类,根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常将铝合金分为变形铝合金( wrought aluminum alloys)和铸造铝合金( casting aluminum alloys)(图8-1)。 所谓变形铝合金，是指合金经过熔化后浇成铸锭，再经压力加工(锻造、轧制、挤压等)制成板材、带材、棒材、管材、线材以及其他各种型材，要求具有较高的塑性和良好的工艺成形性能。组织中不能含有过多的脆性第二相，其成分通常不超过最大固溶度D点。根据成分和相变特点，变形铝合金又可分为不可热处理强化铝合金(合金元素含量F点)和可热处理强化铝合金(D点合金元素含量F点)。不可热处理强化的(non-heat-treatable)铝合金为单相组织，其耐蚀性好。可热处理强化的(heat-treatable)铝合金通过固溶+时效处理，显著提高强度和硬度。,8.1.3 铝合金的时效强化,1.铝合金的时效强化现象 2.过饱和固溶体的性质 3.铝合金的时效序列 4.影响时效强化的主要因素,1.铝合金的时效强化现象,纯铝为面心立方结构，无同素异构转变。因此，其热处理强化与钢不同。例如共析钢在淬火加热时，由(+Fe3C)转变为单相(成分和结构都发生了变化)，淬火时又转变为马氏体(结构改变、成分不变)，强度、硬度显著提高，塑性和韧性下降。马氏体在回火时，强度、硬度下降，塑性和韧性提高。 铝合金在固溶处理(solution heat treatment)之前也是由+第二相组成，但是经固溶加热转变的单相及快速冷却获得的过饱和都没有结构的变化，因而不会带来由于马氏体切变所产生的大量的位错或者孪晶的强化。并且由于硬脆的第二相消失，经固溶处理后塑性明显升高，而置换型固溶体的固溶强化效果不大，因而强度、硬度提高不明显。 然而，经固溶处理后的铝合金，再重新加热到一定温度并保温时，强度和硬度显著提高，而塑性明显降低，这种现象称为时效强化(age-hardening)。,2.过饱和固溶体的性质,以w(Cu)=4%的Al-Cu合金为例，其室温的平衡组织为+，加热到固溶线以上，获得单相，快速冷却到室温，得到过饱和固溶体(supersaturated solid solution )。过饱和的w(Cu)3.5%。 在快速冷却过程中，也获得了空位的过饱和。空位浓度与温度的关系为： C=Aexp-WkT 式中，为空位浓度；W为形成1mol空位所做的功；k为玻耳兹曼常数；为温度；A为系数。 温度越高，空位浓度越大。 成分和空位的过饱和都是极不稳定的状态，都有自发降低的趋势。空位易向晶界或其他缺陷处迁移，或者空位相互之间产生集聚形成新的缺陷，如位错环等。而Cu原子与空位之间存在一定的结合能，即Cu原子与空位结合在一起，使空位能够比较稳定地处于固溶体中，不易向缺陷地带迁移；空位使Cu原子的迁移更容易，携带空位的Cu原子将以极高的速度聚集，称为偏聚(segregation)。,3.铝合金的时效序列,(1)孕育期 过饱和固溶体在发生分解前，有一段准备过程，这段时间，组织、性能都不发生变化，合金的塑性很高，极易进行铆接、弯曲、矫直等操作。 (2)GP区 从过饱和固溶体中最先出现的是GP区，它是Cu原子在Al基固溶体的111面上偏聚，形成的Cu原子的富集区(segregated regions)。 (3)相 随着时效温度的升高或时效时间的延长，Cu原子在GP区上进一步偏聚并有序化，结构转变为正方点阵，与基体仍保持共格关系，尺寸也在长大，称为相。 (4)相 随着时效温度的升高或时效时间的延长，Cu原子在上继续偏聚，尺寸继续长大，当铜和铝的原子比为12时，形成相。 (5)相 随着时效温度的升高或时效时间的延长，相从铝基固溶体中完全脱溶，生成独立相CuAl2，称为相。,3.铝合金的时效序列,图8-2 时效强化曲线示意图,4.影响时效强化的主要因素,(1)合金元素的性质 要获得好的时效强化效果，首先，合金元素要能与铝形成固溶体，并且固溶度随着温度下降的变化程度要大；其次，析出相的结构与基体要有一定的差异，保持共格关系时能引起大的晶格畸变。 (2)固溶处理工艺 在不发生过热、过烧的前提下，加热温度越高、保温时间越长，越有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体，但是，晶粒也越大，一般加热温度选择低于固相线5左右。 (3)时效处理工艺 时效温度越高，在时效强化曲线上达到最大强化值所需的时间越短，但是强化的最大值越低，如图8-3所示。,图8-3 时效温度对时效强化效果的影响,8.1.4 铝合金的细化组织强化,1.铸造铝合金的变质处理 2.变形铝合金的变质处理,1.铸造铝合金的变质处理,图8-4 Al-Si相图,1.铸造铝合金的变质处理,图8-5 ZL102合金变质前后的铸态组织 a) 变质前 b) 变质后,2.变形铝合金的变质处理,在变形铝合金的半连续铸造中，已广泛使用变质处理，来细化基体晶粒。常用的元素为Ti、B、Zr、V、Nb、Mo、W等。当Ti和B同时加入铝或铝合金熔液中，会生成TiB2和TiAl3质点，它们的结构与铝相似，且有良好的润湿性，可成为基体的非自发形核核心，从而细化铝的晶粒。,8.1.5 各类铝合金简介,1.铸造铝合金 2.变形铝合金,1.铸造铝合金,铸造铝合金用来制作铸件,要求具有良好的铸造性能。其牌号由ZL+三位数字构成，ZL为“铸”、“铝”两字汉语拼音第一个字母，代表铸造铝合金。三位数字的第一位表示合金系别，1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系。第二位和第三位表示合金的顺序号。如ZL101ZL111为1号到11号Al-Si系铸造铝合金；ZL201、ZL202为1号和2号Al-Cu系铸造铝合金；ZL301、ZL302为1号和2号Al-Mg系铸造铝合金；ZL401、ZL402为1号和2号Al-Zn系铸造铝合金。,2.变形铝合金,()l-Cu系合金(×××) Al-Cu系合金经时效处理，可获得很高的硬度和强度。 ()Al-Mg和Al-Mn系合金(××××××) Al-Mg和Al-Mn系合金的特点是耐蚀性好，塑性和焊接性好，因不能热处理强化，其强度低，硬度低，切削性差。 ()Al-Si系合金(×××) 铝硅铸造铝合金的铸造性能好。 ()Al-Mg-Si系合金(×××) Al-Mg-Si系合金可用锻压的方法生产形状复杂的零件。 ()Al-Zn-Mg系合金(×××) Al-Zn-Mg系合金可形成的强化相为MgZn、Al2Mg3Zn等。,2.变形铝合金,表8-1 我国新旧材料类别及牌号的对比关系,8.2 铜及铜合金,8.2.1 工业纯铜的基本特性 8.2.2 铜的合金化及分类 8.2.3 各类铜合金简介,8.2.1 工业纯铜的基本特性,纯铜(copper)，其密度为8.94 g/cm3，属于重金属，熔点为1083，比热容386.0J/(kg·K)(0100)，熔化热为13.02kJ/mol，热导率为387W/(m·K)(0100),20的电阻率为1.694·cm。铜无同素异构转变，无磁性。铜之所以获得广泛应用，是因为它具有一系列重要特性。 纯铜最显著的特点是导电、导热性好，仅次于银，广泛用于制作各种导电、电热器材。纯铜化学稳定性高，耐蚀性好，纯铜的标准电位比氢高，在大气、淡水及许多非氧化性酸溶液中具有良好的耐蚀性，但在海水中耐蚀性较差，同时在氧化性的硝酸、硫酸及各类盐中极易被腐蚀。纯铜的塑性极好，延伸率达50%，断面收缩率达70%，可进行冷、热压力加工。但是纯铜的强度、硬度低，抗拉强度只有200240MPa,屈服强度为6070MPa，硬度为35。,8.2.2 铜的合金化及分类,纯铜的强度不高，采用冷作硬化的方法提高强度，会引起塑性的急剧降低。因此要进一步提高铜的强度，并保持较高的塑性，就必须在铜中加入合金元素，通过固溶强化、时效强化和过剩相强化提高合金的强度。 铜合金中的主要固溶强化元素为Zn、Sn、Mn、Al、Ni等，这些元素在铜中的固溶度均大于9.4%，可显著地产生固溶强化效应，强度可由240MPa提高到650MPa。主要时效强化元素为Be、Ti、Zr、Cr等，这些元素在铜中的固溶度随温度的降低急剧减小，有助于产生时效强化，其中Be的作用最强。此外，通过一些合金元素的加入，产生过剩相强化也是铜合金提高强度的常用手段。,8.2.3 各类铜合金简介,1.黄铜 2.青铜 3.白铜,1.黄铜,(1)普通黄铜 w(Zn)32%的合金称为黄铜，铸态组织为呈树枝状的单相，形变及再结晶退火后得到等轴晶粒，具有退火孪晶，如图8-7a所示。 (2)特殊黄铜 特殊黄铜中除锌外，常加入的合金元素有Si、Al、Pb、Sn、Mn、Fe、Ni等，形成锰黄铜、铝黄铜、铅黄铜、锡黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜等。,1.黄铜,图8-6 铜锌二元相图富铜端,图8-7 再结晶退火后的显微组织 a) 黄铜 b) (+)黄铜,图8-8 铸态黄铜的性能与锌含量和 组织的关系,(2)特殊黄铜 特殊黄铜中除锌外，常加入的合金元素有Si、Al、Pb、Sn、Mn、Fe、Ni等，形成锰黄铜、铝黄铜、铅黄铜、锡黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜等。,表8-2 常用黄铜的化学成分及力学性能,2.青铜,(1)锡青铜 如图8-9所示锡青铜的力学性能受锡含量的影响显著。 (2)铝青铜 铝青铜具有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，是青铜中应用最广泛的一种。 (3)铍青铜 铍青铜是w(Be)=1.7%2.5%的铜合金。,2.青铜,图8-9 锡含量对锡青铜力学 性能的影响,(1)锡青铜 如图8-9所示锡青铜的力学性能受锡含量的影响显著。,图8-10 铝含量对铝青铜力学性能的影响,表8-3 常用青铜的化学成分和力学性能,8.3 钛及钛合金,8.3.1 纯钛的基本特性 8.3.2 钛的合金化及热处理原理 8.3.3 钛合金类型、牌号及应用 一、名词解释 二、选择题 三、 是非题 四、 综合题,8.3.1 纯钛的基本特性,1.钛的性能特点 2. 高纯钛的性能及杂质的影响 3.工业纯钛的牌号、性能及应用,1.钛的性能特点,(1)具有同素异构转变 钛(titanium)有两种同素异构体：-Ti和-Ti，其晶体结构分别为体心立方晶格和密排六方晶格。 (2)熔点高、密度小、比强度高、导热性差、热胀系数小、弹性模量低 钛的主要