08 第八章 有色金属材料.pptx

第1页：机械工程材料第八章封面

机械工程材料：第八章“有色金属及其合金”课件，讲解铝、镁、铜、钛及其合金与轴承合金、硬质合金。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：有色金属的定义与分类

有色金属

除铁、铬、锰及其合金以外的所有金属材料称为有色金属。

分类：轻金属（铝、镁、钛、铍，低密度、高比强度）；贵金属（金、银、铜，导电导热耐腐蚀）；其他金属（高熔点合金 Ni、W、Ta、Mo，稀土金属、原子能材料等）。

应用：航空航天、电子、真空、原子能等高科技领域或特殊环境和要求下应用。

第4页：工业纯铝的结构与性能

8.1.1 工业纯铝：

• 结构特点：FCC 结构，无同素异构转变
• 物理性能：资源丰富，地壳总量 8.2%；银白光泽；密度 2.72 g·cm^-3，熔点 660℃；导电导热性好，仅次于 Cu、Ag
• 化学性能：优异的化学稳定性
• 力学性能：强度较低，室温约 50 MPa；极好的塑性和韧性，无冷脆
• 应用：合金组元、化工原料、包覆材料、电力电子、电磁屏蔽、科学实验

第5页：铝合金的合金化及特点

8.1.2 铝合金的合金化：结构材料合金化的主要目的是改善工艺和使用性能，最高强度可达 400~700 MPa，耐热性达 300℃。

• 主要元素：Cu、Mg、Si、Mn、Zn、Li；其它元素：Ni、B、Zr、Cr、Ti、RE
• 主要合金化元素起固溶强化作用，同时通过时效强化效应起到第二相强化效果；其它合金化元素主要起第二相强化效应

第6页：铝合金相图及合金分类

铝合金相图及合金分类：依据铝合金相图，按是否可通过固溶处理获得过饱和固溶体，将铝合金划分为变形铝合金与铸造铝合金。建议对照原课件相图核校最大固溶度点与共晶点位置。

第7页：铝合金的五种强化方式

铝合金的强化方式主要有五种：

1. 固溶强化
2. 时效（沉淀）强化
3. 过剩（第二相）强化
4. 形变强化
5. 细化组织强化

问题：试说明如何实现上述五种强化过程。

第8页：铝合金的热处理方法

8.1.3 铝合金的热处理：目的在于提高综合性能、稳定合金组织。

• 退火：低温退火（去应力退火）、再结晶退火、均匀化退火
• 淬火（固溶处理）
• 时效：人工时效、自然时效；单级时效、多级时效

问题：说明各种热处理方法的温度、对组织结构的影响和相应工艺过程的作用。

第9页：铝合金的时效处理与强化

铝合金的时效处理与强化：铝无同素异构转变，不能利用马氏体相变强化，因此时效的冷却方式影响很重要。

• 缓慢冷却：第二相主要沿基体相晶界析出且易于长大粗化，强化效果不好甚至会脆化
• 固溶并快速冷却（淬火）获得过饱和固溶体，在室温停留或较低温度下保温；时效温度下过饱和固溶体不稳定，会逐渐在基体内部脱溶析出第二相，析出温度低使第二相极为细小且均匀弥散分布，具有显著的强化效果，即时效强化

第10页：铝合金相图与合金分类图

铝合金相图及合金分类：源文件本页主体为相图图片，未提取到具体成分坐标文字。建议对照原课件相图补充变形铝合金与铸造铝合金的分界成分。

第11页：铸造铝合金的分类与应用

铸造铝合金：按主要合金元素分为 Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn 四系。

• Al-Si 系：铝硅明，需变质处理，铸造性能好；牌号 ZL10X
• Al-Cu 系：高温性能好、耐蚀性差；牌号 ZL20X
• Al-Mg 系：抗冲击、耐腐蚀，但耐热性差；牌号 ZL30X
• Al-Zn 系：尺寸稳定、便宜，但力学性能和耐蚀性一般；牌号 ZL40X

第12页：常用铸造铝合金牌号

常用铸造铝合金牌号：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体数据。常用牌号包括 ZL102、ZL201、ZL301 等，建议对照原课件表格补充成分、热处理状态与力学性能。

第13页：铝合金组织与性能图

源文件本页未提取到文字内容，仅有图片，应为铝合金的组织照片或性能图表。位于铸造铝合金与变形铝合金两页之间，建议对照原课件图片补充本页要点说明。

第14页：变形铝合金的分类与应用

变形铝合金：以性能和使用特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝（可热处理强化）。

• 防锈铝：Al-Mn、Al-Mg 合金；牌号 LF
• 硬铝：Al-Cu-Mg，强度可达 420 MPa；牌号 LYxx
• 超硬铝：Al-Cu-Mg-Zn，强度可达 680 MPa；牌号 LCYxx
• 锻铝：Al-Mg-Si-Zn，合金元素多、含量低，强度与硬铝类似；牌号 LDxx

问题：时效铝合金的耐腐蚀性一般较差，说明原因。

第15页：镁及镁合金

8.2 镁及镁合金：下表对比镁合金与铝合金的主要特征。

第16页：工业纯铜的性能与应用

8.3.1 工业纯铜：

• 结构特点：FCC 结构，无同素异构转变
• 物理性能：紫红色（紫铜）；密度 8.9 g·cm^-3，熔点 1083℃；导电导热性好，仅次于 Ag；无磁性，碰撞无火花
• 化学性能：常规条件化学性质稳定；在海水、铵盐、碳酸盐、氧化酸环境下不耐蚀
• 力学性能：强度较高，室温约 200 MPa；极好的塑性和韧性，无冷脆
• 应用：电力电子（电缆、电刷、电线）、防磁机械、换热管、深冷设备等

第17页：铜的合金化及分类

8.3.2 铜的合金化及分类：

• 固溶强化元素：Zn、Sn、Al、Mn、Ni（固溶度 >9.4%）
• 显著沉淀元素：Be、Ti、Zr、Cr
• 按成型方法：铸造铜合金（主要指含高锡、高锰、高铅铜合金）、变形铜合金（其余均为变形铜合金）
• 按化学成分：黄铜以锌为主要合金元素，白铜以镍为主要合金元素，青铜以除锌、镍以外的其它元素为主要合金化元素

问题：指出铜合金的强化方法？

第18页：黄铜的特性及其应用

黄铜：以锌为主要合金化元素，包括普通黄铜和特殊黄铜。

• 普通黄铜为 Cu-Zn 二元合金，牌号如 H62、H90
• 主要特点：色彩美丽；单相黄铜机械性能好，易于冷成形加工；对大气、海水很耐蚀；可用于防护层、冷凝器、弹壳

第19页：黄铜的热处理与使用注意事项

普通黄铜的热处理：单相黄铜不能进行热处理强化，但低温形变后必须进行去应力退火（260~280℃）；双相黄铜一般也不进行热处理，可进行热加工，加工后也必须去应力退火。

使用注意事项：

• 脱锌腐蚀：加砷或镁抑制脱锌腐蚀
• 应力腐蚀：去应力退火、表面喷丸或表面改性防止应力腐蚀

第20页：特殊黄铜

特殊黄铜：除锌外还加入 Al、Sn、Mn、Ni 等元素的黄铜，有锰黄铜、铅黄铜、铝黄铜等，牌号如 HMn58-2、HPb59-1。

• Al、Sn、Mn、Ni 提高抗蚀性和耐磨性
• Mn 提高耐热性
• Pb 改善切削性能和润滑性
• 普通黄铜主要应用：弹壳、耐蚀件、装饰；特殊黄铜主要应用：螺旋桨、压紧螺帽、重要耐蚀件

第21页：白铜的特性及其应用

白铜：以 Ni 为主加元素，包括简单白铜和特殊白铜，按用途分为耐蚀白铜和电工白铜。牌号如 B30（简单白铜，含 Ni 30%）、BFe5-1（特殊白铜，含 Ni 5%、Fe 1%）。

• 耐蚀白铜（主要为简单白铜，B5、B19、B30）：高化学稳定性，冷热加工性好，抗腐蚀疲劳性好；用于海水及蒸汽环境中精密仪表零件、高温高压管道
• 电工白铜：高电阻、高热电势、极小的电阻温度系数；用于电阻器、热电偶及其补偿线、加热器等；常用材料 B16、BMn3-12（锰铜）、BMn40-1.5（康铜）

第22页：青铜合金及其应用

青铜：以除 Zn、Ni 以外的元素为主要合金化元素，牌号如 QBe2、QSn10-2、QAl19-4。

• 锡青铜：Sn 含量决定性能；Sn 5~7% 时塑性好，适于冷热加工，做耐蚀件；Sn >10% 时塑性差、铸造流动性差，但线收缩很小，适于铸造形状复杂而外形尺寸要求高的工艺品
• 铝青铜、铍青铜：Al 约 12%，Be 1.7~2.5%；时效强化效果显著；力学性能优秀，并具有特殊的电磁、耐腐蚀性能；用于高强度、高耐磨耐蚀和弹性零件

第23页：纯钛的性质及应用

8.4.1 纯钛：

• 结构特点：HCP（α）—BCC（β）同素异构转变
• 物理性能：银白色；密度 4.54 g·cm^-3，熔点 1680℃；导热性差，线膨胀小
• 化学性能：活泼，可与 C、H、O、N 反应，高温耐蚀性差；但在大气、海水、中性及氧化性介质中耐蚀
• 力学性能：强度较高，室温约 260 MPa，可相变强化；弹性模量低、抗冲击；塑性韧性好，高低温性能好
• 应用：航空航天航海、化工等领域结构材料

第24页：钛的合金化及分类

8.4.2 钛的合金化及分类：

• 与 α、β 相完全固溶的元素：Zr、Hf 等
• α 相稳定元素（扩大 α 相区）：Al、Ni、Sn、O、C
• β 相稳定元素（扩大 β 相区）：Nd、Mo、V、W
• 产生 β 共析型相图的元素：Ag、Cu、Fe、Cr、Mn、Si
• 按退火状态分为 α 型（TA4~8）、β 型（TB1~2）、α+β 型（TC1~10）

第25页：钛合金相图与分类图

钛的合金化及分类：源文件本页主体为相图图片，未提取到具体文字。建议对照原课件相图补充 α、β 相区范围与各类钛合金的成分位置。

第26页：钛合金的热处理

8.4.3 钛合金的热处理：

• 退火：去应力退火（450~650℃），再结晶退火（750~800℃）
• 淬火：从 β 相快速冷却，发生无扩散的马氏体相变，β(BCC) → α′(HCP)；马氏体为 β 稳定元素在 α 钛中的过饱和置换式固溶体，强化效果不如钢的马氏体相变强化
• 时效（450~650℃）：强化主要靠亚稳 β 相和由过饱和 α′ 相分解析出高度弥散的固溶体 α 相来实现

第27页：钛合金的性能特点和应用

8.4.4 钛合金的性能特点和应用：

• α 型钛合金：不能热处理强化；室温强度较低，耐蚀、成形、焊接性好；热强性和蠕变强度最高；用于飞机构件、发动机叶片、超低温容器等
• β 型钛合金：合金元素 Mn、Cr、Mo、V，可淬火时效强化；室温强度可达 σ_b 1300 MPa，δ 为 5%；塑性韧性好，耐热性差，一般不常应用，多作紧固件
• (α+β) 型钛合金：兼有 α 和 β 型钛合金的优点，综合机械性能好，耐热、耐寒、耐蚀，强度高

第28页：滚动轴承与滑动轴承的比较

8.5.1 轴承合金：思考题——比较滚动轴承与滑动轴承服役条件、选材性能特点的异同。可从承载面积、摩擦形式、润滑状态与材料组织要求等角度分析，建议对照原课件给出的对比要点作答。

第29页：轴承合金与滑动轴承的工作条件

轴承合金

指用于制造滑动轴承轴瓦及其内衬的合金。

滑动轴承合金的工作条件：轴高速旋转时承受轴颈周期性负荷；保证轴的准确定位；轴与轴瓦间有强烈摩擦磨损效应（边界润滑）；启动、停车及重载时承受一定的冲击作用。

第30页：轴承合金的性能要求与组织特征

轴承合金性能要求：足够的抗压强度和疲劳强度；良好的减摩性（耐磨）、磨合性、抗冷焊性；一定的塑性和韧性；良好的导热性和小的膨胀系数。

组织结构特征：

• 采用对钢铁互溶性小的元素组成（Sn、Pb、Al、Cu、Zn 等），对钢的粘着性和擦伤性小
• 组织特点：软基体上均匀分布硬质点，或硬基体上均匀分布软质点，实现硬相承载、软相润滑（或间接润滑）
• 含有适量低熔点元素，起展平、润滑作用

第31页：锡基与铅基轴承合金

常用轴承合金—巴氏合金：

• 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）：Sn-Sb 基，软基体硬质点类；牌号 ZchSnSb11-6（Sn 11%，辅加 Cu 6%）；摩擦系数小、线膨胀小、导热性耐蚀性好、工艺性好，抗疲劳性较差，使用温度 <110℃；用于汽轮机、涡轮机、内燃机、压气机高速轴瓦
• 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）：Pb-Sb 基，软基体硬质点类；牌号 ZchPbSn16-16-2（Sn 16%、Sb 16%、Cu 2%，余量为 Pb）；性能较锡基合金低但成本较低；用于中低载荷轴瓦、汽车拖拉机曲轴轴承

第32页：铝基及其他轴承合金

常用轴承合金（续）：

• 铝基轴承合金：Al-Sn、Al-Sb、Al-石墨基合金；比重小、导热性耐蚀性好、疲劳强度高；用于高速重载轴承
• 其他轴承：Cu 基粉末冶金轴承材料、Zn 基轴承材料、非金属材料轴承（水基润滑）

第33页：硬质合金的提出与制备

8.5.2 硬质合金：现代高效率加工对工具材料提出高速切削、高效加工成型的要求，高速钢不能满足，需要极高耐磨性（HRC69~81）、高红硬性（900~1000℃）和高使用寿命。

硬质合金：用粉末冶金方法制成，将原料粉末充分均匀混合、加压成形、加热烧结，在低于材料熔点以下的某温度烧结极细金属或金属与非金属粉末。

第34页：硬质合金的作用与钢结硬质合金

硬质合金分类：用于难熔难冶炼材料的生产加工，包括金属陶瓷硬质合金及钢结硬质合金。

钢结硬质合金

将极细的高熔点金属碳化物粉末（TiC、WC 等）与合金钢粉末混合加压成形，再高温烧结而成。

• 基本保持金属陶瓷硬质合金的特点
• 退火后可进行切削加工
• 可进行淬火回火处理
• 可以锻造、焊接

第35页：金属陶瓷硬质合金

金属陶瓷硬质合金

将高熔点金属碳化物粉末（TiC、WC 等）与粘结剂（Co、Ni）混合加压成形并高温烧结而成。

• 特点：硬度高（HRC69-81），热硬性好（900~1000℃）；与高速钢刀具相比，切削速度提高 4~7 倍，寿命提高 5~80 倍
• 钨钴类：YG3、YG6、YG8，数字表示钴的百分含量
• 钨钴钛类：YT5、YT15、YT30，数字表示 TiC 的百分含量；与 YG 类相比耐磨性好、耐热性更高，但强韧性低
• YW 类：含有 TaC，热硬性更高，主要用于切削耐热钢、不锈钢、高锰钢和高速钢等切削性能差的钢材

第36页：第八章总结

第八章总结：

• 熟悉铝、铜合金的分类，熟悉相应牌号
• 比较钢材与铝合金强化方式异同，并说明原因
• 了解 Mg 合金、Ti 合金、轴承合金、硬质合金的基本常识（结构特点、性能特点、应用领域等）
• 熟悉一些新的概念：时效、人工时效、时效强化、黄铜、应力腐蚀、变质处理、固溶处理