第4章----有色金属及其合金

第4章有色金属及其合金黑色金属：铁、铬、锰及它们的合金。有色金属：除铁、铬、锰以外的83种金属。分为五大类：（1）轻金属——ρ＜4.5g/cm3的有色金属；密度小，化学活性大，与O、S、C和卤素的化合物都相当稳定。包括铝、镁、铍、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛。（2）重金属——ρ＞4.5g/cm3的有色金属；包括铜、镍、铅、锌、钴、锡、汞、镉、铋。（3）贵金属——在地壳中含量少，开采和提取比较困难，价格比较贵。包括金、银和铂族元素（铂、铱、锇、钌、钯、铑）。特点是：密度大（10.4～22.4g/cm3），其中铂、铱、锇是金属元素中最重的几种金属；熔点高（916～3000℃）；化学性质稳定，能抵抗酸、碱，难于腐蚀（除银和钯外）。（4）稀有金属——在自然界中含量少、分布稀散或难从原料中提取的金属。稀有高熔点金属：熔点高，自1830℃（锆）至3400℃（钨），硬度高，抗腐蚀性强，可与一些非金属元素生成非常硬和非常难熔的稳定化合物，如碳化物、氮化物、硅化物和硼化物。包括钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒和铼;稀有分散金属：镓、铟、铊、锗;稀土金属：镧系元素以及与镧系元素性质很相近的钪、钇，共17个元素；它们的原子结构相同，理化性质很近似，在矿石中它们总是伴生在一起。化学性质活泼，与硫、氧、氢、氮等有强烈的亲和力。稀有放射性金属：钋、镭、锕、钍、镤和铀6个天然放射性元素及12个人造超铀元素，如钫、钚、锝、镅等。（5）半金属——指硅、硒、碲、砷、硼5种元素，其物理化学性质介于金属与非金属之间，故称半金属。有色金属的应用：铝、钛合金：比强度高、比刚度大，在航空、航海等工业应用最广，铝的产量已超过有色金属总产量的1/3。铜：军工和电气设备的基本材料；铅：化工方面制耐酸管道、蓄电池等有广泛应用；锌：镀锌钢材广泛应用于工业和生活方面；镍、钴：是制造高温合金与不锈钢的重要战略物资。贵金属：广泛地应用于电气、电子工业、宇宙航空工业，以及高温仪表和接触剂等。稀有高熔点金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物：是生产硬质合金的重要材料。锆：由于中子吸收截面小，还是核燃料的包壳材料。稀土金属：在冶炼中有脱硫、脱氧作用，能纯净金属，且能减少、消除钢的枝晶结构和细化晶粒，能使铸铁中石墨球化。4.1铝及铝合金4.1.1纯铝（1）物理性能外观：银白色；周期表中的位置：第Ⅲ周期主族，Z=13，化合价为+3价；晶体结构：面心立方，无同素异构转变。熔点：660℃；密度：2.72g/cm3，约为铁的1/3。导电、导热性：仅次于金、银和铜。（2）化学性能在大气中极易与氧作用在表面生成一层牢固致密的氧化膜，阻止了氧与内部金属基体的作用，所以铝在大气和淡水中具有良好的耐蚀性，但在酸、碱和盐的水溶液中，表面的氧化膜易破坏，使铝很快被腐蚀。（3）力学性能较低的强度、硬度：σb=80~100MPa，HBS=15~25；很高的塑性：δ=30~50%，ψ=70~90%；力学性能与纯度和加工状态有关，纯度愈高，塑性愈好，但强度愈低。具有良好的低温性能，在0～-253℃塑性和冲击韧性不降低。（4）工艺性能易于铸造，易于切削，还具有很好的焊接性能；由于铝的塑性很好，便于进行各种冷、热压力加工，可加工成厚度为0.0006mm的铝箔和冷拔成极细的细丝。不同状态的工业纯铝的力学性能力学性能材料的加工状态铸态压力加工退火(软质)未退火(硬质)抗拉强度σb/MPa90～12080～110150～250屈服强度σ0.2/MPa－50～80120～240断后伸长率δ(%)11～2532～404～8断面收缩率ψ(%)－70～9050～60布氏硬度HB24～3215～2540～65抗剪强度σr/MPa4260100弯曲疲劳强度σ-1/MPa－5040（5）牌号我国变形铝的牌号表示方法，GB/T3190-1996较GB/T3190-82有很大的变化。GB3190-1996：采用了国际四位数字体系牌号和四位字符体系牌号两种牌号的命名方法。第一位数字：“1”：纯铝；第二位数字或字母：数字0或字母A，原始纯铝，1～9或B～Y，原始纯铝的改型。最后两位数字：最低铝百分含量中小数点后面的两位。新牌号1A991A971A951A931A901A851A801A80A10701070A1370旧牌号原LG5*原LG4*－原LG3*原LG2*原LG1*－－－代L1－Al99.9999.9799.9599.9399.999.8599.899.899.799.799.7新牌号106010501050A1A501350114510351A301100120012358A06旧牌号代L2－代L3原LB2*－－代L4原L4-1*代L5-1代L5－原L6*Al99.699.599.599.599.599.4599.3599.3999999.35余量（6）用途1A99～1A85：工业高纯铝，科学试验、化学工业和其他特殊需求。1A70A、1060、1050A、1035、1200：工业纯铝，配制铝合金，也能加工成板、箔、管、线等形状，用于制作垫片及电容器、电子管隔离罩、电线保护套管、电缆电线线芯、飞机通风系统零件、化工容器、日用炊具等产品，是目前有色金属中应用最多的一种材料。4.1.2铝合金概述铝合金仍保持纯铝的密度小和抗腐蚀性好的特点，且力学性能比纯铝高得多。经过热处理后铝合金的力学性能可以和钢铁材料相比美。铝合金与钢铁材料的相对力学性能比较力学性能材料名称低碳钢低合金钢高合金钢铸铁铝合金相对比重1.01.01.00.920.35相对比抗拉强度1.01.62.50.601.8～3.3相对比屈服强度1.01.74.20.702.9～4.3相对比刚度1.01.01.00.518.51.分类（1）铸造铝合金：D点以右的合金。有共晶组织存在，液态金属流动性较好，适于铸造成形。（2）变形铝合金：D点以左的合金，有单相固溶体区，可得到均匀的单相固溶体，塑性变形能力很好，适合进行变形加工。变形铝合金又可分为两类：不能热处理强化的铝合金：F点以左的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能通过时效处理强化合金。能热处理强化的铝合金：F、D之间的合金，固溶体的成分将随温度而变化，可以进行时效处理强化。2.铝合金的合金化原理固态铝无同素异构转变，无热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化、过剩相强化和细化组织强化。（1）固溶强化：Zn、Mg、Li、Cu、Mn、Si等合金元素能与Al形成有限固溶体，且有较大溶解度，能起固溶强化作用。常用合金元素在铝中的溶解度元素名称锌镁铜锰硅极限溶解度，%32.814.95.651.821.65室温时的溶解度，%0.050.340.200.050.05（2）时效强化：工艺：①固溶处理：加热到单相区，保温后水中急冷(淬火处理，无晶体结构的变化)，形成过饱和的固溶体。强度提高不明显，塑性明显↑；②时效：过饱和固溶体放置在室温或加热到一较低的温度，随时间的延长，合金强度和硬度明显↑，塑性、韧性则↓。例：4%Cu-Al合金：退火态：σb=180～220MPa，δ=18%；固溶处理：σb=240～250MPa，δ=20～22%；时效处理：σb=400～420MPa，δ=18%。由此可见：铝合金的时效强化效果非常明显。自然时效：在室温下进行的时效。人工时效：低温加热条件下进行的时效。-CuAl2铝合金时效强化的基本过程过饱和固溶体分解过程，以4%Cu-Al为例，包含4个阶段。第一阶段：Cu原子偏聚，形成富铜区—G.P区，保持母相的晶体结构，并与母相有共格关系，引起严重的晶格畸变，阻碍位错运动，合金的强度、硬度↑。第二阶段：富铜区有序化，形成正方晶格、成分接近CuAl2的θ＂相，但仍与母相共格，加重晶格畸变，对位错运动的阻碍进一步↑，因此时效强化作用更大。第三阶段：θ〃相→过渡相θ＇相，θ＇相仍为正方晶格，成分为CuAl2，与基体保持半共格关系，共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用↓，故合金的硬度开始↓。第四阶段：θ＇相→平衡的θ相（CuAl2），θ相为体心立方晶格，与基体的共格关系完全破坏，共格畸变消失，合金的强度、硬度明显↓，出现了过时效。4%Cu-Al合金时效强化的基本过程（即时效序列）可以概括为：过饱和固溶体形成富铜区(GP区)富铜区有序化(形成θ＂相)形成过渡沉淀相θ＇析出稳定相θ(CuAl2)+平衡固溶体。Al-Cu二元合金的时效原理及其一般规律，对于其他工业合金亦是适用的。几种常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定强化相合金系时效过程的过渡阶段稳定相析出阶段Al-Cu1.形成铜原子富集区——GP区；2.GP区有序化——θ＂相；3.形成过渡相θ＇θ（CuAl2）Al-Mg-Si1.形成镁、硅原子富集区——GP区2.形成有序的β＇相β（Mg2Si）Al-Cu-Mg1.形成铜、镁原子富集区——GP区2.形成过渡相S＇S（Al2CuMg）Al-Mg-Zn1.形成镁、锌原子富集区——GP区2.形成过渡相M＇M（MgZn2）影响时效强化效果的因素除合金元素及强化相的种类外，还有固溶处理和时效处理工艺条件等。固溶处理工艺：在不过热、过烧的前提下，固溶处理温度高，保温时间长，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体；其次，冷却速度越快，所获得的溶体过饱和程度越大，时效后时效强化效果越大。时效温度与硬度关系曲线最佳时效温度：时效时间固定，合金成分相同时，能够获得最大的强化效果的时效温度。统计表明，最佳时效温度Ta与合金熔点Tm的关系为：Ta=（0.5～0.6）Tm时效时间：自然时效时，5-15小时内强化速度最快，4-5天后达到最大值。人工时效时，时效的温度越高，时效速度越快，所获得的最大强度值越低。不同时效温度下，达到的最大强度值不同，出现最大强度值的时间也不同。含4%Cu的Al-Cu合金的时效曲线当时效温度超过150℃，保温一定时间后，合金开始软化，称为“过时效”。（3）过剩相强化过剩相：当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相。过剩相的特性及作用：多数为硬而脆的金属间化合物，它们在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用，使强度、硬度↑，而塑、韧性↓。铝合金中的过剩相在一定限度内，数量愈多，其强化效果愈好，但当过剩相数量超过该限度时，合金将变脆而导致强度急剧↓。（4）细化组织强化手段：添加微量合金元素。可细化的组织：固溶体基体和过剩相组织。不能热处理强化或强化效果不大的铝合金：常采用加入微量合金元素（称为变质剂）进行变质处理来细化合金组织，以↑合金强度和塑性。在铝硅铸造合金中加入微量钠或钠盐或锑做变质剂进行变质处理，细化组织，可以显著地↑塑性和强度。在铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等元素，能使杂质铁形成的板块状或针状化合物AlFeSi细化，↑塑性。变形铝合金中添加微量钛、锆、铍以及稀土等元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时，作为非自发晶核，细化晶粒，↑合金的强度和塑性。4.1.3变形铝合金四类变形铝合金：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。其中防锈铝合金为不能热处理强化的铝合金，其余三类为能热处理强化的铝合金。GB3190-1996采用了国际四位数字体系牌号和四位字符体系牌号两种牌号的命名方法。GB/T3190-2008与GB3190-1996相比，新增加130个铝及铝合金牌号与成分，并将化学成分表一分为二：表1适用国际牌号，采用了四位数字体系，共收录牌号159个；表2适用为我国特有的四位字符体系牌号，共收录牌号114个。组别牌号系列组别牌号系列纯铝（铝含量不小于99.00%）1×××以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金6×××以铜为主要合金元素的铝合金2×××以锰为主要合金元素的铝合金3×××以锌为主要合金元素的铝合金7×××以硅为主要合金元素的铝合金4×××以其他为主要合金元素的铝合金8×××以镁为主要合金元素的铝合金5×××备用合金组9×××变形铝及铝合金的牌号表示方法（摘自GB/T16474-1996）（1）防锈铝合金防锈铝合金不能进