材料科学概论课件：有色金属及合金.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,有色金属及合金,从人类文明的发展历史来看，最早出现的金属材料并非钢铁，而是铜，早在我国夏商时期人们就已经开始用青铜铸造武器、鼎、编钟等，铜正是有色金属材料家族中的一员在工业生产中，通常称钢铁为黑色金属，而称铝、镁、铜、锌、镍、铅,等及其合金为有色金属或非铁合金,石器时代,公元前,10,万年,新材料时代,1990,年,钢时代,1800,年,水泥时代,公元,0,年,铁器时代,公元前,1000,年,青铜器时代,公元前,3000,年,硅时代,1950,年,人类社会发展的历史阶段常,常用当时主要使用的材料来,划分从古代到现在人类使,用材料的历史共经历了七个,时代：,黑色金属,和,有色金属,这名字，常常使人误会，以为黑色金属一定是黑的，其实 不然黑色金属只有三种：铁、锰、铬而它们三个都不是黑色的！纯铁是银白色的；,锰,是银白色的；铬是灰白色的因为铁的表面常常生锈，盖着一层黑色的,四氧化三铁,与棕褐色的,氧化铁,的混合物，看去就是黑色的所以人们称之为“黑色金属”常说的“黑色冶金工业”，主要是指,钢铁工业,因为最常见的,合金钢,是,锰钢,与,铬钢,，这样，人们把,锰,与,铬,也算成是“黑色金属”了 。

在有色金属中，还有各种各样的分类方法比如，按照比重来分，铝、镁、锂、钠、钾等的比重小于,4.5,，叫做,“,轻金属,”,，而铜、锌、镍、汞、锡、铅等的比重大于,4.5,，叫做,“,重金属,”,像金、银、铂、锇、铱等比较贵，叫做,“,贵金属,”,，镭、铀、钍、钋、锝等具有放射性，叫做,“,放射性金属,”,，还有像铌、钽、锆、镥、金、镭、铪、铀等因为地壳中含量较少，或者比较分散，人们又称之为,“,稀有金属,”,铜及铜合金,人类的发展历经了石器时代、青铜时代、铁器时代和如今的新材料时代，铜是历史上出现最早的有色金属，我国从夏朝开始就已经掌握了铜的冶炼技术，我们的祖先用铜来制造容器、兵器、乐器和配饰等，铜一直在人类历史上扮演着重要角色图,1-108,为一些我们所熟悉的古代青铜制品铜分为,紫铜,、,黄铜,和,青铜,越王勾践剑 编钟 司母戊大方鼎,Cu,的晶体结构是面心立方，熔点,1083.4,1,、紫铜,紫铜就是工业纯铜，其熔点为,l083,，在固态时具有面心立方晶格结构，无同素异构转变密度是,8.98,cm3,，为镁的,5,倍，比普通钢还重约,15,它具有玫瑰色，但表面形成氧化物后呈紫色，故一般称为紫铜。

纯铜的突出优点是,导电及导热性好,，其导电性在各种元素中仅次于银而居第二位（,Ag,Cu,At,Al),，故纯铜的主要用途就是制作电工导体在力学和工艺性方面，纯铜的特点是具有极好的塑性，可以承受各种形式的冷、热压力加工，因此，铜制品大多是经过适当形式的压力加工制成的在,化学性能,方面，铜是,比较稳定,的金属纯铜在大气、水、水蒸气、热水中基本上不遭受腐蚀，在含有硫酸和,SO2,的气体中或海洋性气体中，铜能生成一层结实的保护膜，腐蚀速度也不太大但铜在氨、氨盐以及氧化性的硝酸和浓硫酸中的抗蚀性很差，在海水中会受腐蚀在冷变形过程中，铜有,明显的加工硬化,现象，当冷变形程度超过,40,时，铜的,b,可由变形前的,240MPa,上升到,400,500MPa,，而,则由原来的,45,下降至,5,所以，在纯铜的冷变形过程中，必须进行适当的中间退火，以恢复材料的塑性此外，可利用这一现象大大提高铜制品的强度紫铜加工产品的牌号、成分及主要用途,紫铜和紫铜管件,纯铜的各种性能受其中杂质的影响很大纯铜中的杂质主要有铅、铋、氧、硫及磷等，这些杂质的存在均使其导电性下降此外，,铅和铋,能与铜形成熔点很低的共晶体,(Cu,Bi),（熔点为,270,）、共晶体,(Cu,Pb)(,熔点为,326),，并分布在铜的晶界上，当铜进行热加工时,(,温度为,820,860),，这些共晶体就会熔化，破坏晶界的结合而造成脆性断裂，这种现象叫,热脆,性。

相反，,硫、氧与铜,也形成,(Gu,Cu2S),共晶体,(,熔点为,1067),和,(Cu,C u2O),共晶体,(,熔点为,1065),，均高于铜的热加工温度，虽然不会引起热脆性，但由于,(Gu,Cu2S),、,(Cu,C u2O),均为脆性化合物，在冷加工时易产生破裂，造成,“,冷脆,”,现象铜的合金化,纯铜的强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但却使塑性大大下降，因此常用合金化的方法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，最常用的固溶强化元素是锌、锡、铝、镍等鎵、铟、钯、铂等元素在铜中的溶解度虽大，但比较稀少，故不常用；镁、硅等元素在铜中的溶解度随温度的降低而降低，因此，它们加入铜后，可使合金具有时效强化的性能；当铜中加入元素超过最大溶解度以后，便会出现过剩相，它们多为硬而脆的金属化合物，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大大降低,含锌量低于,50,、以锌为唯一的或主要的合金元素的铜合金称为,黄铜,黄铜可分为简单黄铜和复杂黄铜两类只含锌不含其他合金元素的黄铜称为简单黄铜简单黄铜的牌号由,“,H,”,(,“,黄,”,的汉语拼音首字母,),起首，后面是表示合金中含铜百分数的两位数字。

例如,H80,，即表示含铜,80,的黄铜若属于铸造简单黄铜，则再冠以,“,Z,”,字母，例如,ZH62,除锌以外，还含有一定数量的其他合金元素的黄铜称为复杂黄铜或特殊黄铜当含锌量小于,39%,时，锌能溶于铜内形成单相,a,，称单相黄铜，塑性好，适于冷热加压加工,当含锌量大于,39%,时，有,a,单相还有以铜锌为基的,b,固溶体，称双相黄铜，,b,使塑性小而抗拉强度上升，只适于热压力 加工加入合金元素的,目的,是为了改善黄铜的机械性能、抗蚀性或某些工艺性能,(,如铸造性能、切削加工性等,),常加入的合金元素有铅、锡、铝、锰、铁、钴、镍等复杂黄铜的编号方法是：代号,“,H,”,主加元素符号铜含量主加元素含量例如：,HPb59-1,表示铜的质量分数为,59%,，含主加元素铅的质量分数为,1%,，余量为锌的铅黄铜黄铜在性能方面有以下几个特点：,(1),黄铜的强度和延伸率与其中的含锌量有着极为密切的关系随着含锌量的不同，黄铜的强度和延伸率变化很大2),铸造性能很好3),抗蚀性较好，与紫铜相近含硅、铁、锡、镍等合金元素的黄铜由于机械性能好,抗腐蚀性强，一般用于造船业中，而含铅的黄铜则由于切削加工性好，耐腐蚀，耐磨而主要用于制造轴瓦和衬套。

青铜,青铜是铜和锡、铝、铍、硅、锰、铬、镉、锆和钛等元素组成的合金的统称青铜根据成分可分为锡青铜和特殊青铜在特殊青铜中，根据主加元素又分别命名为铝青铜、铍青铜等青铜中比较重要的是锡青铜、铝青铜、铍青铜及硅青铜青铜的编号方法是：代号,“,Q,”,(,“,青,”,的汉语拼音首字母,),主加元素符号主加元素含量锡青铜,以锡为主要或基本合金元素的铜基合金称为锡青铜这是人类历史上应用最早的一种合金，我国古代遗留下来的一些古剑、钟鼎和古镜之类便是由这些合金制成的锡青铜的编号方法是用,“,Q,”,“,Sn,”,Sn,元素的含量其他加入元素的含量锡青铜在凝固时的体积收缩量很小，充型性好，能获得完全符合铸模内形的铸件，但铸件的致密程度较低宜于制作在海水、海风、大气和承受高过热蒸汽的用具和零件锡青铜还具有无磁性、冲击时无火花、无冷脆现象和具有极高耐磨性等特性黄铜中加入锡，可明显提高合金的耐热性，特别是提高抗海水腐蚀的能力，故锡黄铜有“海军黄铜”之称铝青铜,铝青铜以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜铝青铜的编号方法采是用,“,Q,”,“,A1,”,Al,元素的含量其他加人元素的含量，如,QAl7,含铝,5,7,时，铝青铜的塑性很好，适于冷加工；含铝,10,左右时，强度最高，常以铸态使用。

实际应用的铝青铜含铝量一般为,5,一,11,铝青铜的流动性很好，铸造组织致密，但收缩率很大加入铁、锰、镍等合金元素有助于提高铝青铜的强度、抗蚀性、耐磨性、可加工性和机械能铍青铜,以铍为基本合金元素的铜基合金称为铍青铜其含铍量约为,1.7,2.5,铜里添加少量铍，就会使合金性能发生很大的变化铍青铜不仅强度、硬度、弹性和耐磨性很高，而且抗蚀性、导热性、导电性、耐寒性也非常好，此外，还有无磁性、受冲击时不产生火花等特性在工艺性方面，它承受冷、热压力加工的能力很强，铸造性能也好铍青铜主要用于制作各种重要用途的弹簧、弹性元件、钟表齿轮和航海罗盘仪器中的零件、防爆工具和电焊机电极等其主要缺点是价格太贵，妨碍了它在工业中的大量应用铍青铜的编号方法是：,“,Q,”,“,铍,”,铍元素的含量铍青铜是沉淀硬化型合金，固溶时效处理后具有很高强度、硬度、弹性极限和疲劳极限，弹性滞后小，并具有耐蚀（铍青铜合金在海水中耐蚀速度：（,1.1-1.4,）,10-2mm/,年腐蚀深度：（,10.9-13.8,）,10-3mm/,年腐蚀后，铍青铜合金强度、延伸率均无变化，故在海水中可保持,40,年以上，铍铜合金是海底电缆中继器构造体不可替代的材料。

在硫酸介质中：铍青铜在小于,80%,浓度的硫酸中（室温）年腐蚀深度为,0.0012-0.1175mm,，浓度大于,80%,则腐蚀稍加快,硅青铜,硅在铜中的最大溶解度为人,4.6%,，室温时下降到,3,硅青铜具有比锡青铜高的机械性能和低的价格，而且铸造性能和冷、热压力加工性能都很好向硅青铜中加入镍，可形成金属间化合物,Ni2Si,，使硅青铜能够通过淬火时效进一步提高合金的机械性能含镍硅青铜还具有很高的导电性、抗蚀性和耐热性，因而广泛用于航空工业,(,作导向衬筒等重要零件,),和长距离架空的线和送电线向硅青铜、尤其是含镍的硅青铜中加入,1.0,1.5,锰可以显著提高合金的强度和耐磨性，向硅青铜加入适当数量的铅可以大大提高合金的耐磨性，能代替磷青铜与铅青铜制作高级轴瓦硅青铜的编号方法采用,“,Q,”,“,硅,”,硅元素的含量其他特殊青铜,铅青铜,主要用作耐磨材料；锰青铜具有较高的热强性、塑性和耐蚀性；,铬青铜,是耐热铜合金，能够进行热处理强化，导电、导热、耐蚀、耐磨性也都很好；,镉青铜,的导电能力约为纯铜的,85,，但强度比纯铜高一倍，故适于作大跨度的电线、电缆等此外，镉青铜还具有良好的耐磨性和耐蚀性；,锆青铜,的导电性为纯铜的,81,82,，还有高的机械性能、耐热性和高的弹性模量，并且易于加工成材。

铝及铝合金,铝是地球上蕴藏量最丰富的金属，约占地壳质量的,8%,左右，仅次于氧和硅，位居金属元素的第一位，是铁含量的,1.5,倍，铜的近,4,倍历史上，铝的出现是比较晚的，,1825,年，丹麦化学家和矿物学家厄斯泰德用钾汞和氯化铝一起加热第一次制得了不纯的铝，,1827,年德国化学家维勒在此基础上又制得了相对纯一些的铝100,多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要贵重的奖杯铝杯，赠送给门捷列夫法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独自使用一套铝制餐具这都说明在,100,多年前，铝是一种极其昂贵的“稀有金属”1886,年，两位年轻人美国的霍尔和法国的埃罗分别独立地发明了电解铝的方法，使铝的产量迅速增长，并大量投入到工业生产中，时至今日，铝及铝合金制品可以说是在我们的生活中无处不在氧（,46.6%,）、硅（,27.7%,）、铝（,8.1%,）、铁（,5.0%,）、钙（,3.6%,）、钠（,2.8%,）、钾（,2.6%,）、镁（,2.1%,）,工业纯铝,一般，将铝含量在,99.0%,以上的称之为工业纯铝，它具有以下独特性能和优点：,(1),质轻，它的密度为,2.7g/cm3,，大约是钢的,l,3,。