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有色金属及其合金
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 点击:
金属一般分为两大类：一类为黑色金属，包括铁、铬、锰；另一类为，包括除铁、铬、锰以外的所有金属。但习惯上，人们常常把除铁和钢以外的金属及其合金称作为有色金属。
有色金属具有许多优良的性能，如密度小、比强度大、比模量高、耐热、耐腐蚀以及良好的导电性和导热性。同时许多有色金属又是制造各种优质合金钢和耐热钢所必需的合金元素，因此有色金属在金属材料中占有重要韵地位，是现代航天、航空、原子能、计算机、电子、汽车、船舶、石油化工等工业必不可少的材料。例如，铝、镁、钛等金属及其合金，以密度小、比强度与比模量高的特性而在运载火箭、卫星、飞机、汽车、船舶上获得广泛应用，是制造其中许多结构件和零、部件的主要材料；再如，银、铜、铝等有色金属，导电性和导热性优良，是电力、电器工业和仪表工业不可缺少的材料；又如，铜和钛具有良好的抗蚀性，是石油化工和航海工业所必需的优良耐蚀材料。
本章主要介绍目前工程上应用广泛的铝、镁、铜、钛及其合金和镍基合金，重点讨论这些材料的合金化和热处理原理，以及典型金属和合金的成分、组织、性能及相互关系、工艺特性与实际应用，并简单介绍这些有色金属材料的新近发展。
1. 铝及铝合金
铝是地壳中蕴藏量最多的金属元素，其总储量约占地壳重量的7．45％。铝及铝合金的产量在金属材料中仅次于钢铁材料而居第二位。
1.1.纯铝
1.1.1. 纯铝性能和优点：
(1) 铝很轻，它的比重为2.7。铝经常作为各种轻质结构材料。
(2) 导电性和导热性较好，仅次于银、铜和金，居第四位。
(3) 塑性好(Ψ=80%)可通过冷或热的压力加工制成各种型材；如丝、线、箔，片、棒等这种特性与锅具有面心立方品格结构有关。
(4) 抗大气腐蚀性能好，因为在铝的麦面能生成一层极致密的氧化铝薄膜，隔绝铝和氧的接触，而阻止铝表面的进一步氧化。
(5) 强度很低，45MPa，冷变形加工硬化后强度可提高到100Mpa。
1.1.2. 纯铝编号
L+顺序号组成。
我国工业纯铝的牌号是依其杂质的限量来编制的，如L1、L2、L3等，数字越小纯度越高。高纯铝用L0，L00表示，其后所附顺序数字愈大，其纯度愈高，如L04的含铝量不小于99.996%。
1.1.3. 纯铝用途
电线，容器，日用炊具，铝基合金。
1.2.铝的合金化
纯铝强度低，最常加入合金元素有
Cu：固溶强化和沉淀强化。
Mg：固溶强化，抗腐蚀。含量大沉淀强化。
Si：过剩相强化。
Mn：抗腐蚀。
Zn：固溶强化，抗腐蚀。
Li：降低合金元素密度，提高弹性模量。
微量合金元素：Ti,Zr,Cr,V：组织细化强化。
1.3.铝合金分类根据合金成分和生产工艺，将工业用铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金：铝合金铸锭经热变形或冷变形加工后再使用，有良好的成形性能。
铸造铝合金：直接浇铸成形，有良好的铸造性能。
D’和D是两类合金的分界线。
溶质成分低于D点合金，加热至固溶线以上温度可以得到均匀的单相a固溶体，塑性好，变形铝合金。成为位于D’右的合金，有共晶组织，适于作铸造铝合金。
变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化，溶质成分位于F点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变化，不能借助于时效处理强化，称为不可热处理强化的铝合金。溶质成分位于FD之间的合金，其固溶体成分随温度发生变化，可进行时效沉淀强化处理，称为可热处理强化的铝合金。
1.4.铝合金的热处理
铝合金在使用前一般需经热处理，主要工艺方法有退火，淬火和时效。
时效与时效时间外，还受到时效温度，淬火温度，淬火冷却速度和淬火转移时间以及合金中空位、位错等晶体缺陷的影响。
强化相：θ相CuAl2
β相Mg2Si
S相Al2CuMg
W相Al2CuMgSi
T相Mg3Zn3Al2
η相Mg2Zn
时效强化过程：
第1阶段：形成溶质原子(铜)的富集区——GP[I]区。随着GP[I]区的形成，将引起以铝为基的α固溶体的严惩畸变，使位错运动受到阻碍，提高了例金的强度。
第2阶段：GP区有序化——GP[II]区。随着时间的延续，溶质原子(铜)继续向GP[I]区扩散富集并有序化而形成GP[II]区。GP[II]区的化学d成分接近CuAl2具有正方晶格，常用θ''表示。与形成GP[I]区相比，形成GP[II]区，将引起以铝为基的α固溶体的更严重的畸变，使位错运动受到更大的阻碍，从而进一步提高了例合金的强度。
第3阶段：溶质原子(铜)继续富集，以及θ'相的形成。随着时间的延续，铜原子继续富集，在第2阶段中所形成的θ''将逐渐达到的CuAl2化学成分，并部分地与母相α固溶体的晶格脱离联系，而形成一种过渡相——θ'。随着θ'相的形成，α固溶体的晶格畸变将减轻，对位错的阻碍亦将减少，于是合金向软化。
第4阶段，稳定的θ相的形成与长大。时效过程的最后阶段是形成稳定的θ相。在此阶段，θ相与母相α相固溶体的晶格完全脱离联系，使α固溶体的晶畸变大为减轻，时效所产生的强化效果便显著减弱，合金发生软化，这种现象称为“过时效”。
1.4.1. 变形铝合金的热处理特点
变形铝合金中除防锈铝外，硬铝、超硬铝和锻铝均可进行时效强化热处理，根据强化相不同，最佳的强化效果工艺条件也不同。
1.4.2. 铸造铝合金的热处理特点
铸造铝合金热处理的目的是改善铸件的组织和稳定尺寸，同时改善切削性能。
与变形铝合金相比，其热处理有两个特点：
(1) 固溶处理和时效处理保温时间长；
(2) 淬火液的温度要求较高，以避免开裂。
1.5.变形铝合金
1.5.1. 防锈铝LF Al-Mn系，Al-Mg系
1.5.2. 硬铝LY 与防锈铝相比，多了Cu，强化，腐蚀性变差
1.5.3. 超硬铝LC T相和η相 强化作用
1.5.4. 锻铝LD 热塑性好
1.5.5. 铝锂合金 质轻
1.6.铸铝ZL
铸造性好，可铸出复杂形状，抗腐蚀性好，切削加工性好。
(1)铝硅系铸铝合金
(2) 铝铜系铸铝合金
(3) 铝镁系铸铝合金
(4) 铝稀土系铸铝合金
(5) 铝锌系铸铝合金
2. 镁及镁合金
镁是地壳中含量第3的金属元素。
2.1.纯镁
质轻 ：密度为1.74g/cm3
抗腐蚀性差 ：在空气中易氧化
强度低 ：不作结构材料
塑性差：延伸率仅为10%左右
2.2.镁合金
强化途径：固溶强化，时效强化，细晶强化和过剩相强化。
加入合金元素：Al,Zn,Mn,Zr及稀土元素。
镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金。
变形镁合金：MB1，MB2-MB8，MB15。Mg-Zn系，Mg-Al-Zn系，Mg-Zn-Zr系。
铸造镁合金：ZM。
高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金。
热处理特点：
(1) 组织粗大，淬火加热温度低
(2) 合金元素在镁中扩散速度慢，淬火加热时间长
(3) 易产生不平衡组织，淬火加热速度不宜过快。
(4) 人工时效，析出沉淀相速度快。
(5) 镁氧化倾向大，炉内要有保护气氛。
3. 铜及铜合金
3.1.纯铜(紫铜 )
(1)导电导热性好
(2)抗腐蚀性
(3)强度低，塑性好。
(4)优良加工性和焊接性能。
(5)牌号：T1(>99.95%)，T2，T3，T4
3.2.铜合金
强化途径：固溶强化，时效强化和过剩相强化。
主要加入合金元素：Zn,Al,Sn,Mn,Ni。
根据化学成分分三类：
黄铜：锌为主要元素。
黄铜性能有三个特点：
(1) 强度和延伸率与其中的含锌量有密切关系。图
(2) 黄铜的铸造性能好。
(3) 黄铜的抗蚀性好。
青铜：除锌和镍的其它元素为主要合金元素。
白铜：镍为主要元素
4. 钛及钛合金
含量居第4位，因熔点高，化学性质活泼，冶炼困难，未能作为结构材料使用。
抗腐蚀性 好。
4.1.钛的合金化
(1)扩大α相区
(2)扩大β相区
4.2.钛合金分类
根据钛合金在退火状态下的相组成，将其分为a型和B型和(a+B)型。
以TA，TB，TC表示。
α型 ：主加元素为Al，其次是Sn,Zr。具有高温稳定性。
β型 ：主加元素Mo,V,Mn,Cr,Fe。具有高强度。
(a+β)型 ：介于两种之间(end)
有色金属具有许多优良的性能，如密度小、比强度大、比模量高、耐热、耐腐蚀以及良好的导电性和导热性。同时许多有色金属又是制造各种优质合金钢和耐热钢所必需的合金元素，因此有色金属在金属材料中占有重要韵地位，是现代航天、航空、原子能、计算机、电子、汽车、船舶、石油化工等工业必不可少的材料。例如，铝、镁、钛等金属及其合金，以密度小、比强度与比模量高的特性而在运载火箭、卫星、飞机、汽车、船舶上获得广泛应用，是制造其中许多结构件和零、部件的主要材料；再如，银、铜、铝等有色金属，导电性和导热性优良，是电力、电器工业和仪表工业不可缺少的材料；又如，铜和钛具有良好的抗蚀性，是石油化工和航海工业所必需的优良耐蚀材料。
本章主要介绍目前工程上应用广泛的铝、镁、铜、钛及其合金和镍基合金，重点讨论这些材料的合金化和热处理原理，以及典型金属和合金的成分、组织、性能及相互关系、工艺特性与实际应用，并简单介绍这些有色金属材料的新近发展。
1. 铝及铝合金
铝是地壳中蕴藏量最多的金属元素，其总储量约占地壳重量的7．45％。铝及铝合金的产量在金属材料中仅次于钢铁材料而居第二位。
1.1.纯铝
1.1.1. 纯铝性能和优点：
(1) 铝很轻，它的比重为2.7。铝经常作为各种轻质结构材料。
(2) 导电性和导热性较好，仅次于银、铜和金，居第四位。
(3) 塑性好(Ψ=80%)可通过冷或热的压力加工制成各种型材；如丝、线、箔，片、棒等这种特性与锅具有面心立方品格结构有关。
(4) 抗大气腐蚀性能好，因为在铝的麦面能生成一层极致密的氧化铝薄膜，隔绝铝和氧的接触，而阻止铝表面的进一步氧化。
(5) 强度很低，45MPa，冷变形加工硬化后强度可提高到100Mpa。
1.1.2. 纯铝编号
L+顺序号组成。
我国工业纯铝的牌号是依其杂质的限量来编制的，如L1、L2、L3等，数字越小纯度越高。高纯铝用L0，L00表示，其后所附顺序数字愈大，其纯度愈高，如L04的含铝量不小于99.996%。
1.1.3. 纯铝用途
电线，容器，日用炊具，铝基合金。
1.2.铝的合金化
纯铝强度低，最常加入合金元素有
Cu：固溶强化和沉淀强化。
Mg：固溶强化，抗腐蚀。含量大沉淀强化。
Si：过剩相强化。
Mn：抗腐蚀。
Zn：固溶强化，抗腐蚀。
Li：降低合金元素密度，提高弹性模量。
微量合金元素：Ti,Zr,Cr,V：组织细化强化。
1.3.铝合金分类根据合金成分和生产工艺，将工业用铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金：铝合金铸锭经热变形或冷变形加工后再使用，有良好的成形性能。
铸造铝合金：直接浇铸成形，有良好的铸造性能。
D’和D是两类合金的分界线。
溶质成分低于D点合金，加热至固溶线以上温度可以得到均匀的单相a固溶体，塑性好，变形铝合金。成为位于D’右的合金，有共晶组织，适于作铸造铝合金。
变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化，溶质成分位于F点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变化，不能借助于时效处理强化，称为不可热处理强化的铝合金。溶质成分位于FD之间的合金，其固溶体成分随温度发生变化，可进行时效沉淀强化处理，称为可热处理强化的铝合金。
1.4.铝合金的热处理
铝合金在使用前一般需经热处理，主要工艺方法有退火，淬火和时效。
时效与时效时间外，还受到时效温度，淬火温度，淬火冷却速度和淬火转移时间以及合金中空位、位错等晶体缺陷的影响。
强化相：θ相CuAl2
β相Mg2Si
S相Al2CuMg
W相Al2CuMgSi
T相Mg3Zn3Al2
η相Mg2Zn
时效强化过程：
第1阶段：形成溶质原子(铜)的富集区——GP[I]区。随着GP[I]区的形成，将引起以铝为基的α固溶体的严惩畸变，使位错运动受到阻碍，提高了例金的强度。
第2阶段：GP区有序化——GP[II]区。随着时间的延续，溶质原子(铜)继续向GP[I]区扩散富集并有序化而形成GP[II]区。GP[II]区的化学d成分接近CuAl2具有正方晶格，常用θ''表示。与形成GP[I]区相比，形成GP[II]区，将引起以铝为基的α固溶体的更严重的畸变，使位错运动受到更大的阻碍，从而进一步提高了例合金的强度。
第3阶段：溶质原子(铜)继续富集，以及θ'相的形成。随着时间的延续，铜原子继续富集，在第2阶段中所形成的θ''将逐渐达到的CuAl2化学成分，并部分地与母相α固溶体的晶格脱离联系，而形成一种过渡相——θ'。随着θ'相的形成，α固溶体的晶格畸变将减轻，对位错的阻碍亦将减少，于是合金向软化。
第4阶段，稳定的θ相的形成与长大。时效过程的最后阶段是形成稳定的θ相。在此阶段，θ相与母相α相固溶体的晶格完全脱离联系，使α固溶体的晶畸变大为减轻，时效所产生的强化效果便显著减弱，合金发生软化，这种现象称为“过时效”。
1.4.1. 变形铝合金的热处理特点
变形铝合金中除防锈铝外，硬铝、超硬铝和锻铝均可进行时效强化热处理，根据强化相不同，最佳的强化效果工艺条件也不同。
1.4.2. 铸造铝合金的热处理特点
铸造铝合金热处理的目的是改善铸件的组织和稳定尺寸，同时改善切削性能。
与变形铝合金相比，其热处理有两个特点：
(1) 固溶处理和时效处理保温时间长；
(2) 淬火液的温度要求较高，以避免开裂。
1.5.变形铝合金
1.5.1. 防锈铝LF Al-Mn系，Al-Mg系
1.5.2. 硬铝LY 与防锈铝相比，多了Cu，强化，腐蚀性变差
1.5.3. 超硬铝LC T相和η相 强化作用
1.5.4. 锻铝LD 热塑性好
1.5.5. 铝锂合金 质轻
1.6.铸铝ZL
铸造性好，可铸出复杂形状，抗腐蚀性好，切削加工性好。
(1)铝硅系铸铝合金
(2) 铝铜系铸铝合金
(3) 铝镁系铸铝合金
(4) 铝稀土系铸铝合金
(5) 铝锌系铸铝合金
2. 镁及镁合金
镁是地壳中含量第3的金属元素。
2.1.纯镁
质轻 ：密度为1.74g/cm3
抗腐蚀性差 ：在空气中易氧化
强度低 ：不作结构材料
塑性差：延伸率仅为10%左右
2.2.镁合金
强化途径：固溶强化，时效强化，细晶强化和过剩相强化。
加入合金元素：Al,Zn,Mn,Zr及稀土元素。
镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金。
变形镁合金：MB1，MB2-MB8，MB15。Mg-Zn系，Mg-Al-Zn系，Mg-Zn-Zr系。
铸造镁合金：ZM。
高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金。
热处理特点：
(1) 组织粗大，淬火加热温度低
(2) 合金元素在镁中扩散速度慢，淬火加热时间长
(3) 易产生不平衡组织，淬火加热速度不宜过快。
(4) 人工时效，析出沉淀相速度快。
(5) 镁氧化倾向大，炉内要有保护气氛。
3. 铜及铜合金
3.1.纯铜(紫铜 )
(1)导电导热性好
(2)抗腐蚀性
(3)强度低，塑性好。
(4)优良加工性和焊接性能。
(5)牌号：T1(>99.95%)，T2，T3，T4
3.2.铜合金
强化途径：固溶强化，时效强化和过剩相强化。
主要加入合金元素：Zn,Al,Sn,Mn,Ni。
根据化学成分分三类：
黄铜：锌为主要元素。
黄铜性能有三个特点：
(1) 强度和延伸率与其中的含锌量有密切关系。图
(2) 黄铜的铸造性能好。
(3) 黄铜的抗蚀性好。
青铜：除锌和镍的其它元素为主要合金元素。
白铜：镍为主要元素
4. 钛及钛合金
含量居第4位，因熔点高，化学性质活泼，冶炼困难，未能作为结构材料使用。
抗腐蚀性 好。
4.1.钛的合金化
(1)扩大α相区
(2)扩大β相区
4.2.钛合金分类
根据钛合金在退火状态下的相组成，将其分为a型和B型和(a+B)型。
以TA，TB，TC表示。
α型 ：主加元素为Al，其次是Sn,Zr。具有高温稳定性。
β型 ：主加元素Mo,V,Mn,Cr,Fe。具有高强度。
(a+β)型 ：介于两种之间(end)
