机械工程材料第九章非铁(有色)

第九章非铁（有色）金属及合金第一节铝及其合金第二节铜及其合金第三节钛及其合金第四节滑动轴承合金第五节新型及特种用途材料一、铝及其合金的性能特点（一）纯铝1.密度小（2.78g/cm3），熔点低(660.4℃)。2.塑性好，可压力加工成各种型材。3.具有良好的导电、导热性和抗大气腐蚀性。4.强度和硬度都很低。难以作为工程结构材料使用。第一节铝及其合金工业纯铝——L1～L5用做散热器、器皿、导线、铝箔等。变形铝合金——通过压力加工制成铝型材。铸造铝合金——Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等系列。（二）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。二、铝合金的强化（一）时效强化(适于可热处理强化变形铝合金）1.固溶处理将合金加热到单相，经过保温后淬火得到过饱和固溶体的处理。2.时效处理将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。含4%Cu的铝合金自然时效曲线（二）细晶强化（适合铸造铝合金)方法1改善冷却条件，提高冷却速度，增加过冷度。方法2变质处理在Al-Si合金中加入Na（盐）或Ti、Bα粗大针状共晶Si初晶α(α+β)共晶初晶Si（三）形变强化（加工硬化）对不能热处理强化的防锈铝合金施以冷压力加工，产生加工硬化而强化。（四）固溶强化铝合金都有，如加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn等可形成有限固溶体。三、铸造铝合金及其热处理Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号􀁺Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号􀁺Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号1、Al-Si系合金（硅铝明）工业上使用最广泛的铸造铝合金。简单硅铝明：ZAlSi12（ZL102）。复杂（或特殊）硅铝明：加入其它合金元素的铝硅铸造合金。ZAlSi5Cu1Mg（ZL105）应用：飞机、仪表及电机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。2、Al-Cu系合金ZAlCu5Mn（ZL201）、ZAlCu4（ZL203）这类合金的耐热性好，强度较高；铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。应用：主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。3、Al-Mg系合金ZAlMg10（ZL301）、ZAlMg5Si1（ZL303）铸造铝合金中密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金；但铸造性能差，耐热性低。常用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等4、Al-Zn系合金ZAlZn11Si7（ZL401）、ZAlZn6Mg（ZL402）性能、用途和热处理见表9-2和表9-3（自学）最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。主要用于制造形状复杂、受力较小的汽车、飞机、仪器零件。牌号：四位字符（2A20）第一位为数字，表示铝合金组别；第二位：A/(0)原始合金第三、四位：区分同一组的不同合金。分类：①防锈铝（铝锰合金）LF+序号②硬铝（铝铜合金）LY+序号③超硬铝合金（铝锌合金）LC+序号④锻铝合金（铝镁合金）LD+序号四、变形铝合金（一）防锈铝合金（Al-Mn、Al-Mg）Mn、Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。常用牌号3A21（LF2）、5A05应用：油箱、油管、铆钉、飞机蒙皮。（二）硬铝合金（Al-Cu-Mg）常用牌号2A11（LY11）、2A12（LY12）强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。用于制造螺旋桨叶片、支柱、飞机翼梁、翼肋，目前最重要的飞机结构材料。（三）超硬铝合金（Al-Mg-Zn-Cu）常用牌号7A04（LC4）、7A09(LC9)变形铝合金中室温强度最高的一类铝合金，热态塑性好，但耐蚀性差。主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架等。（四）锻造铝合金Al-Mg-Si-Cu系合金常用牌号6A02可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机、叶轮、导风轮等、压气机叶片。􀁺Al-Cu-Mg-Ni-Fe系耐热锻铝合金常用牌号有2A70(LD7)、2A80(LD8)、2A90(LD9)等。用于制造150~225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。、一、工业纯铜主要特点：导电、导热性好；强度低、塑性好；在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。牌号：T1－T3（数字大、杂质高）主要用途：电工元件第二节铜及其合金纯铜管二、黄铜以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。分类：（按化学成分）简单黄铜与复杂黄铜1.简单黄铜或普通黄铜：只含Zn的黄铜牌号H96（含铜96%）法兰阀闸阀黄铜铸件H62双相黄铜退火α白+β'黑H70单相黄铜退火αβ'α铜锌合金相图可以看出黄铜有α和α+β’两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。􀁺单相黄铜(Zn含量较少）塑性好。􀁺常用牌号有H80、H70（弹壳黄铜）、H68。􀁺适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。􀁺两相黄铜热塑性好,强度高。􀁺常用牌号有H59、H62。􀁺适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。汽车机油泵衬套2.复杂黄铜或特殊黄铜除Zn外，还含有其它合金元素Al、Fe、Si、Cr、Ni、Sn、Mn等元素的黄铜。牌号:HSn62–1（海军黄铜）含Sn量WSn=1%含铜量WCu=62%主加元素特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。三、青铜青铜——原指Cu-Sn合金，现在指Cu中加Al、Si、Pb、Be、Mn等为主加元素的铜基合金。青铜包括：压力加工锡青铜铸造锡青铜特殊青铜详见表9-9青铜牌号的表示方法ZQSn10–1其它合金元素含量为1%主加元素锡其含量为WSn=10%青铜铸造第三节钛及其合金密度较小（4.5g/cm3），比强度（抗拉强度／密度）高。极高的抗腐蚀性能。塑性、低温韧性好。价格昂贵。一、钛及其合金性能特点同素异构转变——882℃时，密排六方α-Ti→β-Ti（体心立方）。（一）纯钛􀁺纯钛主要用于350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。钛管换热器钛钢复合反应釜钛制蒸馏塔二、常用钛合金按退火组织：α型钛合金（TA+数字）β型钛合金（TB+数字）α+β型钛合金（TC+数字）钛合金泵美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造（一）工业纯钛99.0~99.5%Ti牌号——工业纯钛TA1～TA3主要用于飞机蒙皮、构件和耐蚀的化学装置，海水淡化装置等。（二）型钛合金主加元素：Al、Sn、Zr，牌号：TA6（Ti-5Al）、TA7（Ti-5Al-2.5Sn）室温为单相相（密排六方结构）。不能通过热处理提高强度。室温强度低于另两类钛合金。但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。（三）（+）型钛合金相——体心立方结构，塑性比好。牌号：TC4（Ti-6Al-4V）、TC2（Ti-3Al-1.5Mn）主要用于制造400℃以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。（四）型钛合金牌号：TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）通常作350℃以下工作的结构件和紧固件。如制造压气机叶片、轴、轮盘等重载荷零件。钛离心泵第四节（滑动）轴承合金用来制造滑动轴承轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件。􀁺与滚动轴承相比，滑动轴承具有承载面积大、工作平稳、无噪音及拆装方便等优点。1.良好的减摩和耐磨性。→有色金属+硬质点2.足够的抗压强度和疲劳强度。3.良好的磨合性。以防止轴与轴瓦之间咬合→软基体4.耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数。5.良好的工艺性能。一、对性能要求内燃机轴瓦􀁺为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点。当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点(基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。􀁺软基体(或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用,以避免擦伤轴颈。锡基轴承合金是在锡锑合金基础上添加一定数量的铜，又称为锡基巴氏合金。二、锡基轴承合金牌号：ZSnSb11－6铸造基本元素主加元素WCu为6％WSb为11％性能：减摩性、耐蚀性、导热性和韧性都比较好，但疲劳强度比较低，工作温度不能超过150℃。适于制作中等载荷的汽车、拖拉机等高速轴的轴瓦。ZSnSb11-6铸态α黑+β′白方块（SnSb）+Cu3Sn（白色枝晶）包括：Al-Sn、Al-Sb、Al-C（石墨）（一）Al-Sn60~95%Al，是在硬基体Al上分布软质点（Sn）。在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。（二）Al-Sb4%Sb+0.3~0.7%Mg软基体α固溶体上分布硬质点（AlSb）三、铝基轴承合金（三）Al-C（石墨）石墨起减磨和润滑作用。铝基轴承合金价格低廉，密度小，导热性好，疲劳强度高，抗蚀性好，并且原料丰富，目前已广泛用于高速、高负荷下工作的轴承。青铜和黄铜都可使用，详细见表8-12。四、铜基轴承合金Cu基轴承合金——做大载荷、高速轴承。Pb青铜：ZCuPb30，Cu硬基体＋Pb软质点。Sn青铜：ZCuSn10P1，α软基体＋（δ＋Cu3P）硬质点。第五节新型及特种用途材料一、非晶态合金二、纳米材料三、梯度材料四、形状记忆合金五、储氢合金一、非晶态合金（金属玻璃）性能：高强度、硬度和断裂韧性、良好的软磁性及耐蚀性制备方法：1.由气相直接凝聚成非晶态固体。2.由液态快淬获得非晶态固体。3.由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料。缺点：目前只能制成粉末、丝、带、片等，而且容易晶化。二、纳米材料纳米，是一个长度单位，单位符号是nm。纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并蓬勃发展的一种高新技术。它的内容是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子，而创造新物质。纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描探针显微镜（SPM）等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。制备方法：惰性气体沉积法、还原法、化学气相沉积法。纳米材料分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子：指的是粒子尺寸为1～100nm的超微粒子；纳米固体材料：指的是由纳米超微粒子制成的固体材料。三、梯度材料依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。显著特点是克服了两种材料结合部位的性能不匹配，同时材料两侧具有不同的功能。制备方法有化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法等。应用：航天飞机的超声速燃烧冲压式发动机（金属陶瓷）四、记忆合金形状记忆效应：一定形状的合金在某种条件下经塑性变形，然后加热至该材料的某一临界温度以上时又恢复其原来形貌的现象。如Ti-Ni、Au-Cd、Cu-Zn-Sn在马氏体相变中具有形状记忆效应，即马氏体相变具有可逆性。属于热弹性马氏体相变。形状记忆效应有三种形式：单向形状记忆效应、双向形状记忆效应、全方位形状记忆效应五、储氢材料－－以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又能释放氢的金属。实用的储氢材料应具备如下条件：1、吸氢能力大，且吸氢、释氢速度快。2、金属氢化物的生成热要适当。3、化学稳定性好。4、价格便宜。储氢材料：1.镁系合金最早的储氢材料，储氢量大、