10.3 有色金属及其合金

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1、材料科学基础主讲教师：王亚男10.3有色金属及其合金除钢铁以外的所有其他金属，称为有色金属。10.3.1铝及铝合金10.3.2铜及铜合金10.3.3滑动轴承合金10.3.4钛及钛合金小结思考题10.3.1铝及铝合金1.纯铝具有三大优点：①质量轻，比强度高；②良好的导电、导热性；③耐腐蚀性好。铝具有FCC晶格，无同素异构转变，表现出极好的塑性，适于冷、热加工成型。牌号：高纯铝：1A99~1A93；工业高纯铝：1A90~1A85；用于科学研究、化工工业等；工业纯铝：1070~1200，数字越大，纯度越低，用于制作铝箔、导线、电缆及日用器皿。纯铝的新旧牌号对照及杂质含量见表10-21。2.铝合金向铝

2、中加入合元Cu、Mn、Si、Mg、Zn等制成铝合金，改变组织，提高性能。用于制造承受大载荷机械零件或构件。（1）铝合金的分类按成分、用途及生产工艺特点可分为：变形铝合金：合金熔化后浇成铸锭，再经压力加工（锻造、轧制、挤压等）制成板材、带材、棒材、管材、线材等各种型材。铸造铝合金：将熔融的合金液直接浇入铸型中获得成型铸件。可用二元相图来表示铝合金的分类：大于D点的合金，有共晶组织存在，流动性好，高温时强度高，可防热裂，适于铸造。小于D点的合金，加热到固溶线以上，得单相固溶体，塑性好，适于变形加工。小于F点的合金，不能热处理强化，因为得不到过饱和固溶体。F与D之间的合金，可得到过饱和的固溶体，可热

3、处理强化。1)固溶处理向Al中加入合金元素，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，提高了铝合金的强度。2)时效强化成分位于FD的铝合金经固溶处理后在室温或较高的温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象，称为时效强化。一般把合金在室温放置过程中发生的时效称为自然时效。把合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。（2）铝合金的强化方法如Al-Cu合金，见图10-22，P260。含4w％Cu的合金，室温时的平衡组织为α+CuAl2（为平衡相θ），加热得到α区，使CuAl2完全溶入α中，快冷得过饱和固溶体。过饱和固溶体不稳定，有自发分解的倾向。当给予一定条件时，

4、便发生分解，即时效。其组织转变过程为：合金淬火→过饱和α固溶体→形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），强度、硬度提高→铜原子富集区有序化（GP[Ⅱ]），进一步强化→形成过渡相θ′，硬度开始下降→析出稳定相θ（CuAl2），强度、硬度进一步降低，即“过时效”。见图10-24，时效温度和时间对硬度的影响。3)第二相（过剩相）强化当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，将有一部分不能溶入固溶体而以第二相（过剩相）存在，第二相多为硬而脆的金属间化合物，在铝中阻碍位错滑移和运动，使合金强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。4)细晶强化通过在铝中加入微量合金元素来细化组织提高力学性能。对铸造铝合金常加入微量元

5、素（变质剂）进行变质处理来细化组织，提高强度，改善塑性、韧性，如铝硅合金中加入微量钠、钠盐。对变形铝合金常加入微量钛、锆、铍及稀土等元素，形成难熔化合物，起细化晶粒作用，提高强度和塑性。5)冷变形强化对不能热处理强化的铝合金，进行冷变形，增加其内部位错密度，阻碍位错运动，提高合金强度。（3）铝合金的热处理1）退火再结晶退火：将已变形的工件加热到再结晶温度以上，保温一定时间后空冷。用于变形铝合金，目的消除加工硬化，改善塑性。低温退火：在再结晶温度以下保温后空冷。用于不可热处理强化的铝合金，目的消除内应力，适当增加塑性，同时保留一定的加工硬化效果。均匀化退火：在高温下长时间保温后空冷。目的消除成分

6、偏析及内应力，提高塑性。2）时效强化处理淬火+时效。淬火的目的是为了得到最大浓度的过饱和固溶体，以便通过时效获得高的强度和硬度。时效参数加热温度：T时效≈（0.5~0.6）T熔（K）保温时间：根据合金种类、时效温度、工件尺寸等具体情况而定。3）回归处理自然时效的铝合金在200~250短时间（几秒至几分钟）加热，然后迅速冷却，使合金性能回到接近淬火状态的水平，这种现象称为回归处理。但放一段时间，强度、硬度又重新升高，即又产生了自然时效。人工时效后的铝合金没有回归现象。牌号旧牌号：汉语拼音字母+顺序号新牌号：四位字符体系（数字XXX）1-纯铝；2-铜；3-锰；4-硅；5-镁；6-镁、硅；7-锌；8

7、-其他元素。常用变形铝合金的新旧牌号对照及杂质成分见表10-22，P263。按性能特点分为四类：（4）变形铝合金牌号：2A+数字（LY+数字），主要是Al-Cu-Mg系，Cu与Mg除固溶强化外，主要形成强化相θ（CuAl2）和S（CuMgAl2），引起晶格畸变，提高合金强度和硬度。合金中Cu、Mg含量低，强化相少，强度低而塑性高；Cu、Mg含量高，强化相多，强度高而塑性低。合金中Cu、Mg比值不同