2022年2022年工程材料教案有色金属及其合金教学内容 .pdf
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1、此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流课程名称:工程材料第周,第讲次摘要授课题目(章、节)本讲目的要求及重点难点:【目的要求】1.熟悉纯铝及常用铝合金的成分、牌号、性能与用途;2.熟悉纯铜及常用铜合金的分类、牌号、性能及用途;3.熟悉常用的轴承合金。【重点】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;【难点】铝合金的热处理特点;铝合金的牌号与强化、铜合金分类与牌号。内容【本讲课程的引入】工业生产中,通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属,如钢与铸铁,把非铁金属及其合金称为有色金属,如铅、金属、镍、锌、钛、铜等,
2、金属及合金。有色金属及合金与钢铁材料相比,具有许多特殊性能,是现代工业生活中不名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流可缺少的金属材料。重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。【本课程的内容】第一节 铝及其合金铝及其合金在工业上是仅次于钢的一种重要金属,尤其是要航空、航天、电力工业及日常生活用品中得到广泛的应用。一 工业纯铝1. 铝及铝合金的性能特
3、点(1)密度小,熔点低,导电性、导热性好,磁化率低。纯铝的密度 2.72g/cm3,仅为铁的 1/3 ,熔点为 660.4 ,导电性仅次于 Cu、Au 、Ag 。铝合金的密度也很小,熔点更低,但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低,属于非铁磁材料。(2)抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大,在大气中,铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜,防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中,氧化膜易破坏,因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。(3)加工性能好,比强度高,纯铝为面心立方晶格,无同素异构转变,具有较高的塑性( =30 50% ,=80% ) ,易于压力加工成型, 并有良好的低
4、温性能,纯铝的强度低, n=70Mpa,虽经冷变形强化,强度可提高到150 250 Mpa ,但也不能直接用于制作受力的结构件,而铝合金通过冷成型和热处理,其抗拉强度可达到 500 600 Mpa ,相当于低合金钢的强度,比强度高,成为飞机的主要名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流结构材料。2用途: 广泛用于制造电线、电缆、散热器、器皿用具等。3牌号: 工业
5、纯铝依据纯度有7 个牌号,分别为L1L7,顺序号越大,纯度越低,其纯度分别为99.7% 99.6% 99.5% 。铝含量大于 99.93% 叫高纯铝,其有 5 个牌号,分别为 LG1LG5,顺序号越大,则纯度越高,例LG5铝含量大于 99.996% 。为增加铝的强度,通常加入Cu、Si、Mg 、Mn 、Zn 等元素而制成铝合金。二 铝合金(一)铝合金的分类铝合金都有如图 9-1 所示的一般相图。成分在D 点以左的合金,加热到固溶线 DF 以上,将会得到单相的固溶体,塑性很好,适于压力加工,故合金含量小于 D 点的铝合金叫做:图 9-1 铝合金状态图的一般类型不能热处理强化能热处理强化AlWM1
6、00%F形状合金温 度+ ML铸造合金L + 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流1形变铝合金: 此种合金亦可分为两类:不能热处理强化的铝合金: 成分在 F 点以左的合金, 因其成分不随温度的变化而变化,故不能借助于热处理进行强化;能热处理强化的铝合金: 成分在 D-F 之间的合金,其固溶体的成分随温度而变化,故可借助于固溶强化提高其强度。2 铸造铝合金:成
7、分位于 D 点以右的合金, 由于有共晶组织存在, 流动性好,适于铸造,故称为铸造铝合金。铸造铝合金也有成分随温度而变化的相,故也能用热处理加以强化, 但距 D点越远,合金中的相的相对含量越少,强化效果越不明显。(二)铝合金的热处理1铝合金的热处理特点:固溶处理:将可热处理强化的铝合金加热到单相区某一温度,得到单相固溶体,随后水冷,获得单相过饱和固溶体组织的一种处理工艺。上述工艺亦即铝合金的淬火,但其和钢的淬火不同,高碳钢淬火后,强度、硬度立即提高,而塑性则急剧下降;铝合金淬火后,强度和硬度并不高,塑性仍很好。时效强化: 淬火后的铝合金放置在低于固溶线以下的某一温度,随时间的延长,其强度、硬度显
8、著提高,而塑性下降,此谓之时效强化。例如含铜 4%的铝合金:平衡状态下:b=180 200MPa =18% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流淬火后:b=240 250MPa =20 22% 室温下放置 45 天:b=420MPa =18% 时效形式 有两种:自然时效和人工时效。(1)铝合金的时效强化将成分位于 DF 之间的合金加热到固态溶解度线DF 以上
9、某一温度, 获得单相固溶体,然后水冷(淬火),获得过饱和固溶体称为固溶处理。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。Al Cu 合金部分相图图 9-2 Al-Cu合金部分相图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 17 页 - - - - - - - - -
10、此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流含4%Cu 的铝合金自然时效曲线图 9-3 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 9-4 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
11、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。含 4%Cu 的铝合金在不同温度下的人工时效曲线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流2时效强化原理: 淬火状态下,铜原子均匀分布在过饱和固溶体里,如图9-5a, 晶格畸变并不严重,故强度、硬度升高不多,塑性仍好;第一阶段: 形成溶质原子 Cu 的富集区
12、( Cu 原子在固溶体 100 晶面上偏聚)- GpI区,随着 GpI区形成,引起固溶体严重畸变,使位错运动受到阻碍。第二阶段: 随着时间的延续,溶质原子继续向GpI区扩散富集,并有序化而形成 GpI I区。GpI I的化学成分接近于CuAl2 ,具有正方晶格(以” 表示) ,随着 GpI I区形成,将引起固溶体更严重的畸变,使位错运动受到更大阻碍。第三阶段: 溶质原子 Cu 继续富集,第二阶段形成的 ” 相逐渐达到 CuAl2 的成分,并部分地与母相固溶体的晶格脱离,形成一种过渡相 ,随着的形成,固溶体的晶格畸变程度减轻,合金趋于软化。第四阶段: 稳定的相- CuAl2 形成,并与母相固溶体
13、完全脱离联系,使固溶体的晶格畸变大为减轻,时效产生的强化效果显著减弱,合金软化,这种现象称为 “ 过时效 ” 。实际上的时效不一定会出现上述四个阶段,如自然时效只出现1、2 阶段,温度较高的人工时效则主要包括3、4 阶段。如图 9-3 、9-4 。下面我们将具体介绍一下铝合金的牌号、性能和用途。(三)形变铝合金根据合金的特性,形变铝合金可分为四类:1防锈铝: 主要有 AL-Mn 、AL-Mg合金,其抗腐蚀性好;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 17 页 -
14、- - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有侵权请联系网站删除只供学习与交流牌号: LF5、LF11、LF21,见表 9-1 。2硬铝: 属于 AL-Cu-Mg-Mn系合金。牌号: LY1、LY11 等。3超硬铝: AL-Cu-Mg-Zn系合金,其强度在铝合金中是最高的。牌号: LC4、LC5 4锻铝: AL-Cu-Mg-Si系合金,具有良好的锻造性能。牌号: LD2、LD6 等。如上各牌号的铝合金,其应用见表9-1 。(四)铸造铝合金铸造铝合金可分为四类:1AL-Si 系:代号 ZL101 、ZL102 2AL-Cu 系:代号 ZL201 、ZL202 3AL-Mg系:代号 Z
15、L301 、ZL302 4AL-Zn 系:代号 ZL401 、ZL402 其牌号、性能、用途见表9-2 。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510 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固溶体。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 17 页 - - - - - - - - - 此文档仅供收集于网络,如有
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