材料科学与工程基础完美版教案第十章 有色金属及合金

过剩相强化
如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，则在固溶处理 加热时，就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在 铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中 阻碍位错运动，使合金强化，这称为过剩相强化。在生产中常常采用 这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多，分布越 弥散，则强化效果越大。但过剩相太多，则会使强度和塑性都降低。 过剩相成分结构越复杂，熔点越高，则高温热稳定性越好。

锻铝合金 LD5、LD7、LD10等属于这类铝合金。锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu系 和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。其牌号用”LD“表示，”LD是“铝锻二字的 拼音字首。
该合金中的元素种类多但用量少，具有良好的热塑性，良好的铸造 性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重载荷 的锻件和模锻件。锻铝合金通常都要进行固溶处理和人工时效。
二、黄铜 铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好 的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业中有很强 的应用价值。根据化学成分，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。

普通黄铜
普通黄铜是铜锌二元合金。α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度 随温度的下降而增大。α相具有面心立方晶格，塑性好，适于进行冷、 热加工，并有优良的铸造、焊接和镀锡的能力。β′相是以电子化合物 CuZn为基的有序固溶体，具有体心立方晶格，性能硬而脆。 普通黄铜分为单相黄铜和双相黄铜两种类型，从变形特征来看，单 相黄铜适宜于冷加工，而双相黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有 H80、H70、H68等，“H”为黄铜的汉语拼音字首，数字表示平均含铜 量。它们的组织为α，塑性很好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷 轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。而常用双相黄铜的牌 号有H62、H59等，退火状态组织为α＋β＇。由于室温β＇相很脆，冷 变形性能差，而高温β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。通常 双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。

Al-Zn铸造铝合金
Al-Zn合金（ZL401、ZL402）价格便宜，铸造性能优良，经变质处 理和时效处理后强度较高，但抗蚀性差，热裂倾向大。常用于制造汽车、 拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器零件，也可用于制造日用品。 铸造铝合金的铸件，由于形状较复杂，组织粗糙，化合物粗大，并 有严重的偏析，因此它的热处理与变形铝合金相比，淬火温度应高一些， 加热保温时间要长一些，以使粗大析出物完全溶解并使固溶体成分均匀 化。淬火一般用水冷却，并多采用人工时效。

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Al-Cu铸造铝合金 Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松 倾向，耐蚀性较差。 ZL201的室温强度高，塑性比较好，可制作在300℃以下工作的零件， 常用于铸造内燃机汽缸头、活塞等零件。ZL202塑性较低，多用于高温 下不受冲击的零件。ZL203经淬火时效后，强度较高，可作结构材料铸 造受中等载荷和形状较简单的零件。 AL-Mg铸造铝合金 Al-Mg合金（ZL301、ZL302）强度高，比重小（约为2.55），有良 好的耐蚀性，但铸造性能不好，耐热性低。Al-Mg合金可进行时效处理， 通常采用自然时效。多用于制造承受冲击载荷，在腐蚀性介质中工作的， 外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等。
一、纯铜（紫铜） 纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常 称为紫铜。纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金。
工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜的导电能 力下降。铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（Cu＋Pb）和（Cu＋ Bi），共晶温度分别为326℃和270℃，分布在铜的晶界上。
温 度
L+α
变形铝合金 α D 铸造铝合金 不能热处理强化 的铝合金 Al F 铝合金分类示意图 能热处理强 化的铝合金
L
α +β
B，%
对于变形铝合金来说，位于F点以左成分的合金，在固态始终是单相 的，不能进行热处理强化，被称为热处理不可强化的铝合金。成分在F和 D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相，可 通过热处理使合金强度提高，所以称为热处理强化铝合金。 铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，分为Al－Si系、Al－Cu系、 Al－Mg系和Al－Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首 “ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列，1为Al－Si系合金；2 为Al－Cu系合金；3为Al－Mg系合金；4为Al－Zn系合金。第二、三位数 表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号 铝硅系铸造铝合金。 变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝 四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，硬铝、超硬铝、锻铝属于可 热处理强化的铝合金。

特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加 入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。 特殊黄铜的编号方法是：“H＋主加元素符号＋铜含量＋主加元素含 量”。特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品供应）和铸造黄 铜两类，其中铸造黄铜在编号前加“Z”。 例如：HPb60-1表示平均成分 为60%Cu，1%Pb，余为Zn的铅黄铜。 锡黄铜：锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，也可使 黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。 铅黄铜：铅能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。铅对黄铜的强 度影响不大，略为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削 加工性能及耐磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬 套。
第十章 有色金属及合金
Non-Ferrous Metal
在工业生产中，通常把钢铁材料称为黑色金属，而把其它的金属材料 称为有色金属。 与钢铁等黑色金属材料相比，有色金属具有许多优良的特性，是现代 工业中不可缺少的材料，在国民经济中占有十分重要的地位。例如，铝、 镁、钛等具有相对密度小，比强度高的特点，因而广泛应用于航空、航天、 汽车、船舶等行业；银、铜、铝等具有优良导电性和导热性的材料广泛应 用于电器工业和仪表工业；铀、钨、钼、镭、钍、铍等是原子能工业所必 需的材料，等等。
铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段： 第一阶段：在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象， 形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），从而使α固溶体产生严重的晶格畸 变，位错运动受到阻碍，合金强度提高。 第二阶段：随时间延长，GP[Ⅰ]区进一步扩大，并发生有序化， 便形成有序的富铜区，称为GP[Ⅱ]区，其成分接近CuAl2（θ相），成 为中间状态，常用θ″表示。θ″的析出，进一步加重了α相的晶格畸变， 使合金强度进一步提高。 第三阶段：随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP[Ⅱ]区继续 偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时，形成与母相保持共格关系的过渡 相θ′。θ′相出现的初期，母相的晶格畸变达到最大，合金强度达到峰 值。 第四阶段：时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落，形成 与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相。此时，θ相与 基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，随着θ相质点的聚 集长大，合金明显软化，强度、硬度降低。
根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T” 为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。 纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于 0.003%。牌号有TU1、TU2，主要用来制作电真空器件及高导电性铜线。 这种导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，不宜直接 用作结构材料。

硬铝合金 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的Mn。各种硬铝合金都 可以进行时效强化，属于可以热处理强化的铝合金，亦可进行变形强化。 其牌号用“LY”表示，“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首。 硬铝主要分为三种：低合金硬铝，合金中Mg、Cu含量低；标准硬 铝，合金元素含量中等；高合金硬铝，合金元素含量较多。
第二节 铜及铜合金
Copper & Copper Alloy

铜及铜合金具有以下性能特点。
1．有优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、 导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁 性物质。 2．有良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造 铜合金有很好的铸造性能。 3．有某些特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄 铜）；高的弹性极限及疲劳极限（铍青铜等）。 4．色泽美观。 由于有以上优良性能，铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工 业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。
纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用 “铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。高纯铝的牌号有LG1、 LG2、LG3、LG4和LG5，“G”是高字的汉语拼音字首，后面的数字越 大，纯度越高，它们的含铝量在99.85%～99.99%之间。工业纯铝的牌 号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、和L6。后面的数字表示纯度， 数字越大，纯度越低。
二、铝合金的分类 根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为铸造铝合金 与变形铝合金两大类。 变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工（轧制、挤压、模锻等） 制成半成品或模锻件，所以要求有良好的塑性变形能力。 铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁 的成型件，所以要求合金具有良好的铸造流动性。
五、铸造铝合金 铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可分为四类：Al-Si铸造铝合 金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu铸造铝合金，如ZL201、ZL203等；AlMg铸造铝合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn铸造铝合金，如ZL401、 ZL402等。 Al-Si铸造铝合金 Al-Si铸造铝合金通常称为铝硅明，铝硅明包括简单铝硅明（Al-Si二 元合金）和复杂铝硅明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）。其牌号为ZL10～ 系列，含11～13%Si的简单铝硅明（ZL102）铸造后几乎全部是共晶组 织。 内燃机中的活塞，是在高速、高温、高压、变负荷下工作的，所以 要求制造活塞的材料必须比重小、高耐磨、高的耐蚀性、耐热性，还要 求活塞材料的线膨胀系数接近汽缸体的线膨胀系数。复杂铝硅明基本上 能满足这一要求，它是制造活塞的理想材料。