模块十非铁合金.ppt
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1、金属材料与热处理金属材料与热处理2015Apr Apr 20th20th Heat Treatment大连理工大学出版社金属材料与热处理编写组模块十模块十 非铁合金非铁合金 钢和铁通常称为铁合金,钢铁以外的其他金属材料统称为非铁金属材料或有色金属材料,它们的合金称为非铁合金,非铁合金是除了钢铁之外的其他金属与合金的总称。非铁合金种类繁多,应用各异。非铁金属材料约占金属材料总产量的5%左右,处于补充地位,但非铁金属材料的作用却是其他材料无法代替的。近年来,随着航空、航海、汽车、石油 化工及空间技术等工业的发展,非铁金属材料的应用越来越多。例如在航空、航海等交通运输工业中,为了提高运载能力和速度,
2、要求材料强度高、密度小。再如,目前的汽车工业正向着节能、高速的方向发展,这就要求汽车减轻自重。此外,铜合金、钛合金具有很好的耐腐蚀性,适于制造石油化工工业中的耐酸、耐碱的化工零件。非铁金属结构的焊接也引起人们越来越多的关注。机械制造工业中常用的铝合金、铜合金、轴承合金以及目前正大力发展的钛合金和镁合金都是非铁合金。铝合金铝合金铝具有一系列比其他非铁金属、钢铁和塑料等更优良的特性,如密度小,仅为2.7g/cm3,约为铜或钢的1/3;优良的导电性、导热性;良好的耐蚀性;优良的塑性和加工性能等。但纯铝的力学性能不高,不适合做承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能,在纯铝中加入某些合金元素,制成
3、铝合金。铝合金仍保持纯铝的密度小和耐蚀性好的特点,且力学性能比纯铝高得多,经热处理后铝合金的力学性能可以和钢铁材料相媲美。铝合金铝合金一、铝合金的分类铝合金中常加入的元素为Cu、Zn、Mg、Si、Mn以及稀土(RE)等。这些合金元素在固态铝中的溶解度一般都是有限的,所以铝合金的组织中除了形成铝基固溶体外,还有第二相出现。以铝为基体的二元合金大都按共晶相图结晶。加入的合金元素不同,在铝基固溶体中的极限溶解度也不同,固溶度随温度变化以及合金共晶点的位置也各不相同。铝合金铝合金一、铝合金的分类根据成分和加工工艺特点,铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又可分为两类:不能热处理强化的铝合金和
4、能热处理强化的铝合金1变形铝合金2铸造铝合金3不能热处理强化的铝合金4能热处理强化的铝合金 铝合金分类示意图铝合金铝合金二、铝合金的热处理二、铝合金的热处理将能热处理强化的铝合金加热到相区,保温后在水中快冷,得到过饱和的固溶体,这种热处理工艺称为铝合金的固溶处理。固溶处理后的铝合金,其强度、硬度并没有明显提升,而塑性却显著改善。只有在室温下停留相当长的时间,它的强度、硬度才显著提高,同时塑性下降。固溶处理后,铝合金的力学性能随时间而发生显著变化的现象称为时效或时效强化。铝合金铝合金室温下进行的时效称为自然时效,加热条件下进行的时效称为人工时效。人工时效温度越高,时效强化过程越快,但温度过高,铝
5、合金强化 后所得到的最高强度值越低,强化效果越差。铝合金热处理强化的方法是固溶处理+时效。铝合金铝合金三、变形铝合金三、变形铝合金1.变形铝及铝合金的牌号表示方法(GB/T 164742011)变形铝合金采用四位字符体系牌号命名。四位字符体系牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字,第二位为英文大写字母 (C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外)。牌号的第一位数字表示铝及铝合金的组别:1:纯铝(铝含量99.00%)2:以铜为主要合金元素的铝合金3:以锰为主要合金元素的铝合金 4:以硅为主要合金元素的铝合金 5:以镁为主要合金元素的铝合金 6:以镁和硅为主要合金元素 并以Mg 2 Si相为强化相
6、的铝合金7:以锌为主要合金元素的铝合金 8:以其他合金元素为主要合金元素的铝合金 9:备用合金组 铝合金铝合金牌号的最后两位数字没有特殊意义,仅用来区别同一组中不同的铝合金。牌号第二位的字母表示原始铝合金的改型情况,A表示原始铝合金,BY表示原始铝合金的改型合金。铝合金铝合金2.2.常用变形铝合金常用变形铝合金(1)不能热处理强化的铝合金又称为防锈铝合金,旧牌号为LF。防锈铝合金包括Al-Mn和Al-Mg两个合金系。防锈铝合金牌号用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。常 用 的 防 锈 铝 合 金 有 3A21(LF21)、5A02(LF2)、5A03(LF3)等。这类合金具有优良的抗蚀性,良
7、好的焊接性和塑性,适合于压力加工和焊接。但这类合金只能用冷变形来强化。防锈铝合金切削性差,故适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具及其他冷变形零件。铝合金铝合金(2)能热处理强化的铝合金能热处理强化的铝合金是通过淬火、时效等工艺提高其力学性能。铝合金经热处理后可显著提高抗拉强度,但焊接性较差。熔化焊时产生焊接裂纹的倾向较大,焊接接头的力学性能(主要是抗拉强度)严重下降。能热处理强化的铝合金包括硬铝合金(旧牌号为LY)、超硬铝合金(旧牌号为LC)、锻铝合金(旧牌号为LD)等。硬铝合金:硬铝合金属于Al-Cu-Mg系合金,硬铝合金的牌号用“2A”加一组顺序号表示。这类铝合金具有强烈的时效强化
8、作用,经时效处理后具有很高的强度、硬度以及优良的加工性能和耐热性,但塑性、韧性低,耐蚀性差,常用来制作飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等。常用硬铝合金有2A01(LY1)、2A10(LY10)、2A11(LY11)、2A12(LY12)等。其中2A12是使用最广泛的铝合金。铝合金铝合金超硬铝合金:超硬铝合金属于Al-Zn-Cu-Mg系合金,其牌号用“7A”加一组顺序号表示。超硬铝合金是目前室温强度最高的一类铝合金,其强度值达500700 MPa,超过高强度硬铝2A12合金,故称为超硬铝合金。这类铝合金强度高,具有良好的工艺性能,是飞机工业中重要的结构材料。但超硬铝合金耐蚀性差、疲劳极限低、塑性
9、和焊接性差。为提高合金的耐蚀性能,一般在板材表面包铝。常用的超硬铝合金有7A03(LC3)、7A04 (LC4)、7A09(LC9)等。锻铝合金:锻铝合金属于Al-Mg-Si-Cu系合金,这类合金具有良好的热塑性,主要用于制作外形复杂的锻件,故称为锻铝合金。锻铝合金的力学性能与硬铝合金相近,但热塑性及耐蚀性较高,更适合锻造,主要用于制造航空仪表工业中形状复杂、强度要求高的锻件。锻铝合金的牌号用“6A”或“2A”加一组顺序号表示。常用的锻铝合金有6A02(LD2)、2A14(LD10)等。铝合金铝合金3.变形铝合金的热处理退火:为了消除冷变形产生的残余应力,铝合金可进行去应力退火,其加热温度一般
10、为200300。为了消除加工硬化,可进行再结晶退火,加热温度应在再结晶温度以上,一般为350415。淬火与时效:淬火与时效是铝合金的最后热处理。变形铝合金的淬火温度较低,一般在500左右,且淬火温度范围很窄,波动范围为515。形状简单、尺寸小的零件用1030水冷,形状复杂的零件用6080的热水冷却。一般硬铝合金用自然时效,时间为4天以上;超硬铝合金及锻铝合金一般用人工时效。回归处理:对自然时效后的铝合金,为了恢复其塑性,以利于继续加工或适应返修的需要,可进行回归处理,即重新加热到200270,短时保温,使强化相重新溶入固溶体,然后在水中急冷,可使铝合金恢复塑性。铝合金铝合金 四、铸造铝合金1.
11、铸造铝合金的牌号(GB/T1173-2013 铸造铝合金)铸铝牌号由ZAl+合金元素符号+该元素百分含量组成。当合金化元素多于两个时,合金化元素符号按其名义百分含量递减的次序排列,当名义百分含量相等时,则按元素符号字母顺序排列。铝合金铝合金除基体元素的名义百分含量不标注外,其他合金化元素的名义百分含量均标注于该元素符号之后。当合金化元素含量规定为大于或等于1%的某个范围时,采用其平均含量的修约化整值。必要时也可用带一位小数的数字标注。合金化元素含量小于1%时,一般不标注。对杂质限量要求严、性能高的优质合金,在牌号后面标注大写字母“A”。铝合金铝合金铸造铝合金的代号用“铸铝”二字的汉语拼音首位字
12、母“ZL”加三位数字表示,第一位数字表示合金的系别,第二位和第三位数字表示合金的顺序号。ZL1:Al-Si系合金 ZL2:Al-Cu系合金 ZL3:Al-Mg系合金 ZL4:Al-Zn系合金例如ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。铝合金铝合金2.常用铸造铝合金(1)铸造铝硅合金:ZL101铸件强度较高,用于制作飞机仪器上的零件和工作温度低于185的汽化器等。ZL104合金在铸造铝硅合金中是强度最高的,经过金属铸造后5355固溶、35 h水冷、1755人工时效310 h后,其抗拉强度为235MPa,断后伸长率为2%。它可以制造工作温度低于200的高负荷、形状复杂的工件,如发动机气缸体、发动机
13、机壳等。铝合金铝合金ZL108铸件致密,常温及高温强度高,常用于制造要求高温强度及低膨胀系数的零件,如高速内燃机活塞、耐热零件等。ZL109中的Ni可以提高合金的高温强度及热稳定性。体积稳定性好,是现在汽车发动机上应用最广泛的活塞材料。铝合金铝合金(2)其他铸造铝合金 铸造铝合金的种类很多,除了铸造铝硅合金外,还有Al-Cu(ZL201)、Al-Mg(ZL301)、Al-Zn(ZL401)等合金。ZL201是典型的铸造铝铜合金,具有较高的耐热强度。它适于制造内燃机气缸盖、活塞 等高温(300以下)条件下工作的构件。ZL301是典型的铸造铝镁合金,具有较好的耐蚀性能。它适于制造泵体、船舰配件等大
14、气或海水中工作的构件。ZL401是典型的铸造铝锌合金,具有较高的强度。它适于制造汽车、飞机上形状复杂的构件。铝合金铝合金3.3.铸造铝合金的热处理铸造铝合金的热处理(1)退火:不能通过热处理强化的铸造铝合金只进行消除铸造应力和机械加工过程中引起的加工硬化的退火。退火温度一般为280300,保温24 h。经固溶处理和时效处理的铸造铝合金也可进行软化退火,一般加热到29010,保温35 h后出炉空冷。(2)固溶处理:温度选择要比最大溶解度温度略低一些,以防止合金过热。保温时间要比变形铝合金长,一般为数小时至数十小时,以防止粗大的过剩相不能完全溶解。冷却时水温应控制在60100范围内,以防止冷却速度
15、过快,导致零件变形或开裂。铝合金铝合金(3)时效:自然时效12个月才能使合金的强度接近最大值,因此常采用人工时效,人工时效后均在空气中冷却。出于不同的应用目的,人工时效工艺也有所区别。有完全人工时效,以获得最大的强化效果为目的;不完全人工时效,以获得较高的塑性、保持一定程度的强化效果为目的;稳定化时效,以获得良好的稳定组织和性能为目的。铜合金铜合金铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一。由于铜具有优良的性能及美丽的色泽,而被广泛用于电缆、电器和电子设备的导电材料、各种热交换器的传热材料、建筑材料 以及装饰品等。随着科学技术的发展,其使用范围不断扩大。纯铜尽管有很多可贵的性能,但它的强度低
16、,导电导热性、弹性和切削性能远远满足不了工业发展的需要。因此,铜合金得到了广泛的应用。铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜 和白铜三大类。铜合金铜合金一、黄铜一、黄铜黄铜是以锌为主要元素的铜合金。最简单的黄铜是铜锌二元合金,简称普通黄铜。在铜锌二元合金基础上加入其他合金元素的黄铜,称为特殊黄铜。黄铜按其生产工艺可分为压力加工黄铜和铸造黄铜。铜合金铜合金1.普通黄铜 (1)普通黄铜的牌号普通黄铜的牌号:H+数字,数字表示铜含量。例如,H62表示含62%Cu、38%Zn的普通黄铜。(2)普通黄铜的组织铜锌二元合金主要有、相。相是锌在铜中的固溶体,固溶体有良好的力学性能和冷、热加工性。相是以CuZn为基
17、体的固溶体,当温度降到456468时,相发生有序化转变,得到有序相。高温无序的相塑性好,而有序的相难以冷变形,所以含相的黄铜只能采用热加工 成形。相是以电子化合物Cu5Zn8为基体的固溶体,硬且脆,难以进行塑性加工。铜合金铜合金(3)普通黄铜的性能随着Zn含量的增加,黄铜的导电、导热性及密度降低,而线膨胀系数提高。当Zn含量小于32%时,锌完全溶于固溶体中,起固溶强化作用。黄铜的强度和塑性随Zn含量的增加而升高,直到30%时,黄铜的断后伸长率达到最高值。当Zn含量超过32%时,由于合金组织中出现了脆性的相,使塑性下降,而强度继续增高。在Zn含量为45%时强度达到最大值。再增加Zn含量,则全部组
18、织为相,导致脆性增加,强度急剧下降。所以,工业用黄铜的锌含量均小于50%。铜合金铜合金单相黄铜具有良好的塑性,能承受冷、热加工。但黄铜在锻造等热加工时易出现中温脆性,一般在200700。因此,热加工时温度应高于 700。双相(+)黄铜,由于相在室温下脆性很大,冷变形能力很差,但加热到有序化温度以上,相转变为相,具有良好的塑性变形能力。因此,双相(+)黄铜适宜于热加工,故又称为热加工黄铜。铜合金铜合金2.特殊黄铜为了改善和提高黄铜的耐蚀性能、力学性能和切削加工性能等,可在普通黄铜中加入少量的Si、Al、Pb、Sn、Mn、Fe和Ni等元素形成特殊黄铜。(1)特殊黄铜的牌号特殊黄铜的牌号用字母“H”
19、+主添加元素的化学符号+铜含量+添加元素的含量表示。例如,HMn58-2表示含58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。铜合金铜合金(2)锡黄铜锡黄铜是在普通黄铜中加入0.5%1.5%的Sn所形成的。Sn可提高合金的强度和硬度以及在海水中的耐蚀性,此外还能改善黄铜的切削加工性能。锡黄铜主要以管材、棒材、板材形式大量用于舰艇制造工业,如冷凝管、船舶零件、船舰焊接件的焊条等,故有海军黄铜之称。但其有应力腐蚀破裂倾向,可采用低温(440470)退火提高应力腐蚀抗力。常用的锡黄铜有HSn62-1等。铜合金铜合金(3)硅黄铜在普通黄铜中加入1.5%4%的Si所形成的。硅黄铜能显著提高黄铜在大气及海水中的耐蚀性能以
20、及应力腐蚀破裂抗力,改善合金的铸造性能,并能与钢铁焊接。HSi80-3硅黄铜显微组织为+,它具有较高的力学性能和优良的耐蚀性能,适宜冷、热加工或压铸,而且在超低温(-183)时仍具有较高的强度和韧性,主要用于舰船制造和其他工业中的耐蚀零件和接触蒸汽的配件的制造等。(4)铅黄铜铅黄铜分单相及双相+两类,HPb74-3是单相铅黄铜,Pb呈细小质点分布在晶界;,铅黄铜有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性以及良好的切削加工性能,因此,适用于冷变形和切削加工,可用于制造钟表机芯的基础部件以及汽车、拖拉机等机械零件,如衬套、螺钉、电器插座等。而HPb59-1是双相(+)铅黄铜。HPb59-1为易切削黄铜,其强度
21、高、热加工性能好,适用于制造各种零件和标准件。铜合金铜合金(5)锰黄铜锰黄铜是在黄铜中加入一定量的、有细化晶粒作用的锰所形成的。它能在不降低塑性的条件下提高合金的强度、硬度和在海水及热蒸汽中的耐蚀性。因而,锰含量为1%4%的锰黄铜得到了广泛的应用。例如,HMn58-2用于制造海船零件及电信器材。铜合金铜合金3.铸造黄铜铸造黄铜的牌号:ZCu+主加元素化学符号及其含量。例如,ZCuZn38表示Cu为基体元素,Zn为主要合金元素,“38”为锌的平均含量,即表示含38%Zn的铸造黄铜。铸造黄铜有良好的铸造性能,即流动性高,偏析倾向小,适用于铸造复杂和精致的铸造制品。常用铸造黄铜有ZCuZn38、ZC
22、uZn25Al6Fe3Mn3、ZCuZn40Mn3Fe1。ZCuZn38用于制造一般结构件及耐蚀零件;ZCuZn25Al6Fe3Mn3、ZCuZn40Mn3Fe1广泛用于造船等工业,ZCuZn40Mn3Fe1锰黄铜可用于制造螺旋桨。铜合金铜合金4.黄铜的热处理由于铜无同素异构转变,且铜锌二元合金相图中铜的溶解度随温度降低而增大,故普通黄铜不能热处理强化。黄铜的热处理主要采用再结晶退火和去应力退火。(1)再结晶退火:可分为中间再结晶退火和最终再结晶退火。中间再结晶退火的目的是消除冷变形强化,恢复塑性,以利于下一道冷加工工序的进行。最终再结晶退火是指成品最终一次退火,其目的是使产品的性能满足使用条
23、件和要求,改善再结晶组织及均匀性。(2)去应力退火:去应力退火通常是在制品加工完成后进行的,主要作用是去除铸件、焊接件及冷成形制 品的内应力,以防止制品变形与开裂及提高弹性。铜合金铜合金二、青铜二、青铜 青铜是人类历史上最早应用的一种合金。青铜最早指的是铜锡合金,但在工业上应用了大量的含Al、Si、Be、Mn和Sn的铜基合金,这些也称青铜。为了加以区别,通常把铜锡合金称为锡青铜(普通青铜),其他称为无锡青铜(特殊青铜)。1.青铜的牌号及表示方法:青铜牌号的表示方法:Q+第一个主加元素的化学符号及其含量+其他合金元素的含量。例如,QSn4-3表示含4%Sn、3%Zn的锡青铜,QAl5表示含5%A
24、l的铝青铜。铸造青铜牌号:牌号前加ZCu。如ZCuPb30表示铸造铅青铜,Pb的含量为30%铜合金铜合金2.锡青铜 以Sn为主加元素的铜合金,有较高强度、耐蚀性、良好的铸造性。(1)锡青铜的组织及性能铜锡二元合金主要有、等相。相是Sn溶于铜中所形成的固溶体,具有良好的塑性,适用于进行冷、热压力加工,相是Cu30Sn8化合物,室温极硬脆,不能进行塑性加工。在一般铸造条件下,Sn含量小于5%6%时,锡青铜的室温组织是树枝状单相固溶体。强度随Sn含量增加而增加,当Sn含量大于5%6%时,则出现相,锡青铜的室温组织是+(+)共析体组织,锡青铜的塑性开始降低。当Sn含量大于10%时,锡青铜的塑性显著下降
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