文档介绍：第十章有色金属及合金 Non-Ferrous Metal
在工业生产中,通常把钢铁材料称为黑色金属,而把其它的金属材料称为有色金属。
与钢铁等黑色金属材料相比,有色金属具有许多优良的特性,是现代工业中不可缺少的材料,在国民经济中占有十分重要的地位。例如,铝、镁、钛等具有相对密度小,比强度高的特点,因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业;银、铜、铝等具有优良导电性和导热性的材料广泛应用于电器工业和仪表工业;铀、钨、钼、镭、钍、铍等是原子能工业所必需的材料,等等。
第一节铝及其合金 Aluminum & Aluminum alloy
一、纯铝
纯铝是一种银白色的轻金属,熔点为660℃,具有面心立方晶格,没有同素异构转变。它的密度小();导电性好,仅次于银、铜和金;导热性好,比铁几乎大三倍。纯铝化学性质活泼,在大气中极易与氧作用,在表面形成一层牢固致密的氧化膜,可以阻止进一步氧化,从而使它在大气和淡水中具有良好的抗蚀性。
纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用“铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。高纯铝的牌号有LG1、LG2、LG3、LG4和LG5,“G”是高字的汉语拼音字首,后面的数字越大,纯度越高,%~%之间。工业纯铝的牌号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、和L6。后面的数字表示纯度,数字越大,纯度越低。
二、铝合金的分类
根据铝合金的成分、组织和工艺特点,可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。
变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工(轧制、挤压、模锻等)制成半成品或模锻件,所以要求有良好的塑性变形能力。
铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型件,所以要求合金具有良好的铸造流动性。
变形铝合金
不能热处理强化的铝合金
铸造铝合金
能热处理强化的铝合金
温度
Al F B,%
铝合金分类示意图
α+β
α
L+α
D
L
对于变形铝合金来说,位于F点以左成分的合金,在固态始终是单相的,不能进行热处理强化,被称为热处理不可强化的铝合金。成分在F和D之间的铝合金,由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相,可通过热处理使合金强度提高,所以称为热处理强化铝合金。
铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同,分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首“ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列,1为Al-Si系合金;2为Al-Cu系合金;3为Al-Mg系合金;4为Al-Zn系合金。第二、三位数表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金,ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金。
变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金,硬铝、超硬铝、锻铝属于可热处理强化的铝合金。
三、铝合金的强化
铝合金的强化方式主要有以下几种:
固溶强化
纯铝中加入合金元素,形成铝基固溶体,造成晶格畸变,阻碍了位错的运动,起到固溶强化的作用,可使其强度提高。
时效强化
合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝没有同素异构转变,所以其热处理相变与钢不同。铝合金经加热到某一温度淬火后,可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时,其强度和硬度随时间的延长而增高,但塑性、韧性则降低,这个过程称为时效。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。
铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段:
第一阶段:在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象,形成铜原子富集区(GP[Ⅰ]区),从而使α固溶体产生严重的晶格畸变,位错运动受到阻碍,合金强度提高。
第二阶段:随时间延长,GP[Ⅰ]区进一步扩大,并发生有序化,便形成有序的富铜区,称为GP[Ⅱ]区,其成分接近CuAl2(θ相),成为中间状态,常用θ″表示。θ″的析出,进一步加重了α相的晶格畸变,使合金强度进一步提高。 第三阶段:随着时效过程的进一步发展,铜原子在GP[Ⅱ]区继续偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时,形成与母相保持共格关系的过渡相θ′。θ′相出现的初期,母相的晶格畸变达到最大,合金强度达到峰值。
第四阶段:时效后期,过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落,形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2,称为θ相。此时,θ相与基体的共格关系完全破坏,共格畸变也随之消失,随着θ相质点的聚集长大,合金明显软化,强度、硬度降低。
过剩相强化
如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度,则在固溶处理加热时,就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现,称为过