职业院校工程材料（主编陈积伟）教案：第8章 有色金属及合金.doc

有色金属及合金 【重点内容】1.铝及铝合金的特性、分类与牌号及铝合金的强化； 2. 铜及铜合金的特性、分类与牌号； 3.轴承合金的性能与牌号； 根据合金的成分和生产工艺不同将铝合金分为两类：变形铝合金和铸造铝合金。 成分小于D点的合金——变形铝合金成分大于D点的合金， 图8－1 铝合金相图的一般形式 由于凝固时发生共晶反应，熔点低、流动性好，适于铸造——铸造铝合金。 在变形铝合金中，成分小于F点的不能热处理强化——称为不能热处理强化的铝合金，而成分位于F与D之间的合金，其固溶体成分随温度而变化，可进行固溶强化+时效处理强化——称为能热处理强化的铝合金。 提高铝与铝合金强度的主要途径是冷变形（加工硬化）、变质处理（细化晶粒强化）和固溶+时效处理（时效强化）。 （1）铝合金的时效强化 将成分位于D～F之间的合金加热到固态溶解度线DF以上某一温度，获得单相固溶体α，然后水冷（淬火），获得过饱和固溶体α称为固溶处理。 这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的某一温度下加热时，使过饱和α固溶体趋于发生某种程度的分解，使合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强化）。 在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。 图8-2 Al-Cu合金部分相图 图8-3 Al-Cu合金的自然时效时效曲线 显然合金能发生时效强化的必要条件是：高温能形成均匀固溶体且快冷（淬火）时不发生晶体结构和成分的变化；固溶体中溶质含量随温度降低而显著降低。 图8-4 含4% Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线 上图为含4% Cu的Al合金在不同温度下的时效曲线，可见，室温时效时，在时效初期的几个小时内，强度不发生明显变化，这一时间称为孕育期，比时合金塑性很高，极容易进行铆接、弯曲和校直等操作，时效温度愈高，孕育期愈短，时效速度愈快，达到最高强度的时间愈短，最大强度值愈低，强化效果愈小。当温度低于-50℃时，孕育期很长，甚至可以保持相对稳定，即低温可以抑制时效的进行。 为什么固溶处理后经过时效能够使铝合金的强度提高？ 分析表明：在时效过程中溶质原子发生了如下的变化，首先溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格畸变加大，使位错运动阻力增大，强度提高，其次随时间的延长，富集区的原子趋于有序化，趋于形成第二相，但还没形成第二相，其与原晶格保持共格关系，晶格畸变进一步增大，使强度进一步提高，随时间的继续延长，第二相形成并逐渐离与母体的共格关系，这时晶格畸变减小，强度下降。 （2）纯铝与铝合金的细晶强化 纯铝和铝合金在浇注前进行变质处理，即在浇铸前向合金注液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提高合金强度，称为细化晶粒强化。 对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂Ti、B、Nb、Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核，从而细化铝的晶粒。 对于铸造铝合金：典型的铸造铝合金是铝硅系合金（硅铝明），这类合金具有优良的铸造性能（熔点低，流动性好，收缩性小）和焊接性能好，尤以含11～13%Si的二元铝硅合金铸造性能最好，见图8-5。可见，二元铝硅合金铸造后几乎全部得到（α+Si）的共晶体，其中Si量粗大针叶状，使合金变脆，强度和塑性都很低，不宜作为工业合金使用，若对其采用变质处理，在浇注前向合金中加入占合金重量2～3%的变质剂（2份NaF和1份NaCl），可将针状Si改变为细小粒状Si，得到细小均匀的共晶体和初生α固溶体的亚共晶组织（α+Si）+α（如图8-6），显著提高合金的强度和塑性。 在铸造Al合金中，变质处理细化晶粒的原因一般认为是Na等元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液态合金产生5～10℃的过冷度，并使共晶点向右移动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合金组织中出现了初生α固溶体。 图8-5 ZL102合金变质前的显微组织 图8-6 ZL192合金变质后的显微组织 3. 铝及铝合金的分类及用途 （1）纯铝： 按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类 高纯铝：99.996%～99.93% 用于科研， 代号L04～L01； 工业高纯铝：99.9%～99.85% 用于作Al合金原料、铝箱，代号L0、L00； 工业纯铝：99.0%～98.0% 作管、线、棒、代号L1～L6，数字大。 （2）铝合金： 变形铝合金和铸造铝合金 变形铝合金根据性能的不同又分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。 铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，又分为Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn等合金。 铝合金的牌号表示方法：Al+主要合金元素符号+主要合金元素平均含量，若为铸造铝合金前面加“Z”，如ZAlSi12表示平