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文檔簡介
一些重要的有色金屬及合金Non-ferrousmetalsandalloys緒論1、有色金屬的重要地位1)在先進工業和尖端技術上的應用宇航、航空、航海、汽車、石油化工、電子、原子能等近代工業的發展,要求發展:高強度;高韌型;1、為什么含石墨的鑄鐵中一般Si含量較高?白口鑄鐵?灰口鑄鐵?球墨鑄鐵?2、什么叫應力腐蝕?密度小(輕質的);耐高溫、耐腐蝕;具有各種特殊物理性能的材料和新的加工工藝。具體表現為:①它是制造各種優質合金鋼及耐熱鋼所需的合金元素;②許多有色金屬、合金具有比重小、比強度(材料的強度與它的表觀密度之比)高、耐熱、耐腐蝕和良好的導電性、導熱性、彈性及一些特殊的物理性質;③應用舉例:
新型發動機用材料
—主要是Ti合金與Ni、Al合金和鋼
形狀記憶合金(TiNi)20℃時的原始狀態形狀記憶合金(TiNi)20℃時的被拉長狀態形狀記憶合金(TiNi)高于50℃時正在收縮中形狀記憶合金(TiNi)基本恢復到原始狀態2)地殼中的含量Al(8.8%);Mg(2.1%);Ti(0.6%);Fe(5.1%);W、Sn、Mo、Sb、Hg、Pb、Zn(在世界位前列);
Cu、Al、Mn(占有重要地位)鈦和稀土位世界第一。因此,中國發展有色金屬和合金,大有可為。3)內容主要包括:鋁以及鋁合金;鈦及鈦合金第一節鋁及其合金一、工業純鋁1、工業純鋁的獨特性能和優點1)鋁很輕,d=2.7g/cm3(dFe=7.8g/cm3;dCu=8.1g/cm3),它是各種輕質結構材料的基本單元;2)導電性、導熱性優良
AgCuAl(以體積計,依次減弱)如果以重量計,比Cu還好。3)塑性好;這與面心立方結構有關,它能實施冷或熱壓力加工制成各種型材;抗大氣腐蝕性能好。在表面能形成極致密的氧化鋁薄膜;強度很低(σb=80MPa—100MPa),冷變形加工后σb=150MPa—250MPa;2、應用電線、電纜以及導熱和抗大氣腐蝕對強度不高的用品與器皿。3、雜質與分類(1)雜質:工業純鋁,與化學純鋁不同,含有雜鋁中有極低雜質元素鐵,就會析出化合物鋁中有雜質元素硅,就會共晶硅析出質,最常見的Fe與Si,Fe與Si含量影響它的導電、導熱性;對塑性極為不利。(2)工業純鋁的牌號依其雜質的限量來編制的
L1、L2、L3(數字越大,純度越高)二、鋁合金的熱處理原理鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時效;退火屬軟化處理,目的是獲得穩定的組織或優良的工藝塑性;淬火時效為強化處理,借助時效強化以提高合金的強度性能。1、Al-4Cu合金組織性能的一般變化1)如下圖為Al-Cu相圖;2)在548℃進行共晶轉變:L→α+θ(CuAl2)3)銅在α相中的極限溶解度為5.65%,隨著溫度的下部分鋁-銅系相圖降,固溶度急劇減小,室溫下為0.05%;θ組成為CuAl2,按化學式計算,θ相中銅的含量為54.08%,但實際為52.5—53.9%;Al-4Cu合金在緩冷時獲得的組織為(α+θ)兩相;鑄造組織的抗拉強度為150MPa。4)如果將該合金加熱到固溶度曲線以上,并迅速淬入干冰(-78℃),形成過飽和固溶體(含4%Cu);抗拉強度為200MPa;若長期在干冰內保存,機械性能沒有明顯變化;5)但若從干冰中取出于室溫下放置,則兩小時后,開始出現硬化現象,硬度與強度增高,并隨時間的增加,而加劇,八天后達最大值,以后不再變化;剛淬火后,HB=722天,HB=1028天,HB=10150℃15℃硬度時間(天)6)如將同一合金置于稍高的溫度環境內,例如50℃,經兩天后硬度就可以達到最高值,但其變化規律仍與室溫相同;7)自然時效和人工時效自然時效:將淬火得到的過飽和固溶體置于室溫或低于100℃的溫度環境下,由于停留時間的增加,硬度和強度增高的現象。人工時效:將合金置于100℃以上的環境中,硬度變化要復雜一些。這種在100℃以上所造成的時效硬化現象。過時效:超過硬度峰值的時效。Al-4Cu合金人工時效硬度的變化2、過飽和固溶體的性質合金時效處理前,先要通過固溶處理以獲得過飽和固溶體;固溶體不僅對溶質原子是過飽和的,而且對空位這種晶體缺陷也是過飽和的,即處于雙重飽和;沉淀析出過程是一種原子擴散過程,而空位的存在是原子擴散所必須具備的條件,因此,固溶體中的空位濃度及其溶質原子間的交互作用性質,必然對沉淀動力學過程產生影響;純鋁和鋁合金淬火得到的過飽和空位是極不穩定的,容易向晶界或其它缺陷地帶遷移,或形成位錯。
但對于Al-Cu合金,銅原子與空位間存在一定的結合能,即銅原子與空位結合在一起,使空位能夠比較穩定地處于固溶體中,不容易向缺陷地帶遷移和消失。這種攜帶空位的銅原子在形成新相時的擴散過程,要比沒有空位時容易得多。3、時效過程中的組織變化時效過程是第二相從過飽和固溶體中沉淀的過程,是固態相變的一種,通過新相的形核和長大的方式完成轉變。1)相變時系統自由能的變化當因相中出現新相時,系統自由能的總變化為:ΔG=-VΔGv+Sσ+Vε上式:ΔG為系統自由能的總變化;V為新相的總體積;ΔGv為單位體積新舊二相自由能之差,應為負值;S為相界面的總面積;σ為單位面積相界面的界面能;ε為單位體積新相形成時的彈性應變能(由于新舊兩相的比容或晶體結構不同造成的)。2)以Al-Cu合金為,分析它的相變過程
G.P.區形成:在室溫下即可生成;它是銅原子在鋁晶體的六面體{100}上聚集,形成了圓片狀的脫溶區(厚度不超過幾個原子距離、直徑小于(10nm);它沒有獨立的晶體結構,完全保持母相的晶格,并與母相共格;由于銅原子較鋁原子小,G.P.區產生一定的彈性收縮。θ’’相:如果將Al-4Cu合金在較高的溫度下進行時效,G.P.區的直徑急劇長大,而且銅原子和鋁原子逐漸形成規則的排列,即所謂正方有序化結構。
θ’’過渡相在基體的{100}面上形成為圓片狀組織,厚度為8--20?,直徑為150--400?。
θ’’過渡相與基體完全共格,但在Z軸方向上的晶格常數比基體晶格常數的兩倍小一些,產生約4%的錯配度。因此,它造成一個彈性共格應變場,對位錯運動產生阻礙作用。θ’相:繼續增加時效時間或提高時效溫度,例如將Al-4Cu合金時效溫度提高到200℃,過渡相轉變為θ’,它屬于正方點陣,其中a=b=4.04?,c=5.80?,名義成分為CuAl2。其大小則決定于時效時間和溫度,直徑約為100--6000?,厚度為100--150?。
由于在Z軸方向的錯配度過大(約30%),在(010)和(100)面上的共格關系遭到破壞,θ’與基體成半共格關系。此時,它的應變能減小,意味著晶格畸變的減少,合金的硬度和強度下降,開始進入過時效階段。θ相:進一步提高時效溫度和延長時效時間,θ’過渡到平衡相θ,由于此時析出相與基體完全失去共格關系,故θ相的出現,意味著合金的硬度和強度顯著下降。以上可以看出:時效析出強化的原理三、鋁合金1、分類(1)鋁合金相圖的一般類型如下圖所示。ⅡⅠ溫度成分Me,%D’
AlFba鋁合金相圖的一般類型(2)根據成分與生產工藝分二大類形變鋁合金和鑄造鋁合金變形鋁合金:凡是位于D’左邊的合金,在加熱時能形成單相固溶體,塑性較好,適于壓力加工。
形變鋁合金:防銹鋁、硬鋁、超硬鋁及鍛鋁。鑄造合金:D’以右合金,有共晶組織,適于鑄造而不適合于壓力加工。
鑄造鋁合金:按主要合金元素不同分:Al-Si,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn。(3)編號按國家標準的規定:1)鑄造鋁合金:“ZL”+3個數字,如ZL102ZL203;防銹鋁用“LF”+一組順序號;硬鋁,“LY”
超硬鋁,“LC”+一組順序號表示;鍛鋁:“LD”2、鑄造鋁合金2.1定義:用來制作鑄件的鋁合金稱為鑄造鋁合金;要求該合金有良好的鑄造性能;因而,必須有適當數量的共晶體;2.2若干鋁合金相圖特點
Cu、Mg、Mn、Zn和Si等五種常見合金元素都能與鋁形成共晶體:但Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn系中形成的共晶體中含有硬脆的化合物,因而隨著這些共晶體的出現,合金性能迅速變壞;對于Al-Cu和Al-Mg系,共晶體不多,因此鑄造性能不好。Al-Zn共晶點的Zn成分為95%,當選用共晶點附近成分時,它成為Zn合金了。實驗證明:Al-Si合金中隨著共晶體數量的增加,鑄造性能、機械性能都越來越好;因此,以Al-Si為基礎而發展起來的一類鑄造合金是最重要的。2.3Al-Si系鑄造鋁合金(硅鋁明)Al-Si系鑄造鋁合金稱為硅鋁明合金:簡單硅鋁明:不含其他合金元素;特殊硅鋁明:除硅外含有其它合金元素;(1)簡單硅鋁明1)鑄造特點含硅11—13%的合金鑄造后全部為共晶體,因此該成分的合金鑄造時流動性好,熱裂傾向小;但是致密度不高,主要該合金吸氣,導致結晶時能生成大量縮孔,因此,該合金適合于鑄造形狀復雜,但致密度要求不高的鑄件。2)組織特點粗大的硅的針狀晶體和α固溶體構成的共晶體。粗鋁-硅二元相圖共晶點的溫度為577℃共晶點成分為:11.7wt%粗針狀硅嚴重降低合金的塑性;變質處理:Na、Ti、B等①Na:溶入合金溶液的活性鈉一方面促進硅的形核,另一方面能在初生的硅晶體表面阻礙硅晶體的生長;變為亞共晶結晶可能是Na右移共晶點。②Ti:TiAl3、TiB2先于α固溶體析出,成為α固溶體的非自發結晶中心。該合金的優點:鑄造性能好,焊接性能好,比重小,抗蝕性、耐熱性好;缺點:強度不夠高,鑄件密度小,不能淬火時效強化。未變質的Al-12%Si合金組織,X500Al-12%Si合金變質后的組織,X500(2)特殊硅鋁明變質后的硅鋁明,其強度提高不多,滿足不了負荷較大的零件的要求;為了強化,可以在少許降低其中含硅量的同時,向合金中加入能形成強化相CuAl2(θ相)、Mg2Si(β相)、Al2CuMg(S相)等合金元素,這樣的合金除變質處理外,還能進行淬火時效,進一步提高硅鋁明的強度;加入的元素為:Cu、Mg等,形成強化相;實例:1)Zl101中含Si較少(6—8%),但含少量Mg,Mg除變質外,可以進行淬火及人工時效處理(強化相Mg2Si),這樣獲得的合金強度σb=200—230MPa(原先為160—170MPa);2)Zl107鑄鋁:加入少量Cu(減少Si)
強化相為CuAl2;3)同時加入Cu與Mg:Al-Si-Cu-Mg系鑄造鋁合金這類合金采用多元少量原則,有多種合金元素存在,形成的強化相較多:CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg,Zl110、Zl105和Zl108就是這樣的合金。在這類合金中,上述強化相的共同作用使合金在淬火時效后獲得很高的強度及硬度。應用:制造形狀復雜、性能要求高,如在較高溫度下工作的零件(用在汽車、拖拉機及各種內燃機的發動機上)。2.4其它的一些合金系Al-Cu系鑄造鋁合金:鑄造性能不好,抗蝕性差,比強度低;Al-Mg系:耐蝕性好;強度高;Al-Zn系:自行淬火,時效強化。3、形變鋁合金3.1防銹鋁合金(LF)Al-Cu合金系的主要強化相為CuAl2,它本身有較強的時效強化能力和熱穩定性,因而該合金系適合高溫工作。Al-Cu合金淬火+時效處理后,硬度的變化Al-Mg合金相圖,表明它可以進行時效強化處理β相為Mg5Al6淬火+時效處理后的Al-Mg合金的性能存在著一個Mg的最佳含量;含鎂太高,淬火加熱時難于完全固溶,從而使合金的強度與塑性下降。簡單的Al-Zn二元鑄造合金由于沒有突出的優點未獲實際應用。Al-Zn-Si合金是為了改善Al-Zn合金的鑄造工藝性;
Zn在鋁中有很高的溶解度,在鑄造冷卻中不發生分解,故獲得相當的固溶強化;具有自淬火效應,這對于制造形狀復雜、要求高尺寸穩定性的零件十分有利。(1)主要合金元素Mn:在鋁中通過固溶強化提高合金的強度以及抗蝕能力;含Mn的防銹鋁均具有比純鋁更好的抗蝕性。Mg:對合金的抗蝕性損傷較小,固溶強化效果較好,使合金比重降低。(2)幾種防銹鋁合金的主要特點:
Al-Mn(1.0—1.6%):抗蝕性好,強度高,可焊性好,切削性能差些(太軟)。
Al-Mg(2-10%):比重小,強度高,相當好的抗蝕性,在冷變形或退火狀態下使用。
錳起固溶強化作用;錳小于1.6%,強度較高,塑性較好,工藝性能也好;大于1.6%時,由于MnAl6形成,合金變形時容易開裂;錳提高合金的再結晶溫度
這些合金均是單相固溶體,不能熱處理強化,可以施以冷壓力加工強化。3.2硬鋁合金(LY)(1)成分:Al-Cu-Mg,還含有少量的
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