第八章 非铁金属材料  铝及铝合金  铜及铜合金  钛及钛合金 （有色金属）

引言 非铁金属材料是指钢铁材料以外的各种金属材料，又称为 有色金属，而把钢铁材料称为黑色金属材料。 这些金属及其合金具有许多特殊的性能，例如比强度高 （ Al 、 Ti 合金）、导电性或导热性好 ( 如 Cu 及 Cu 合金）、耐 腐蚀性及耐热性高（ Ti 合金）等。 工程中常用的非铁金属材料有铝、铜、钛、镁、锌等金属 及其合金，以下仅介绍几种工程材料中最常用的非铁金属的 性能特点及使用状况。

第一节 铝及铝合金 一、纯 Al 1 ．纯 Al 的特性 ① 结构： 面心立方（ FCC ） ② 物理、化学性能： 轻质：密度 d ＝ 2.7g/cm 3 ；熔点： 660 ℃ 导电、导热性一般。 耐腐蚀：铝表面可生成致密的氧化膜，的抵抗大气 腐蚀，但不耐酸、碱、盐液腐蚀。 ③力学性能：极好的塑性 （ δ ＝ 35 ～ 40 ％， ψ≈80 ％） 强度、硬度较低 （ 25 ～ 30HB ， σ b ≈80-100Mpa ） 可通过 “ 加工硬化 ” 提高强度

2 、纯 Al 的牌号和用途 （ 1 ）工业纯铝（ Al ＝ 99 ～ 99.85% ） 铸造纯铝 : 如 ZAl99.5 （ GB/T8063 － 1994 ） Z ―― 铸造 Al ―― 铝的元素符号 99.5 ―― Al 的含量 99.5 wt ％ 变形铝：如 lA99 （ GB/T16474 － 1996 ） l ―― 表示组别 （ 1 ：纯 Al ， 2 ：含 Cu 3 ：含 Mn ， 4 ：含 Si ， 5 ：含 Mg ） A ―― 原始铝或铝合金 （ B ： Al 合金） 99 ―― 铝的含量 99 wt ％ （ 2 ）高纯 Al （ Al > 99.85% ） 牌号： L01 、 L02 、 L03 、 L04 编号愈大，表示纯度愈高 用途： 电子器件、科学研究 用途：电线、电缆、器皿等

二、铝合金 1 、定义：由于纯 Al 的强度低，通常加入合金元素来提高纯 Al 的 强度，添加了合金元素的材料统称为 Al 合金。 2 、 Al 合金的相图 Al 合金中的主要添加元素： Cu 、 Mg 、 Zn 、 Si 、 Mn 和 Re 铝和大部分金属元素的相图如图 所示。 它们与 Al 常构成共晶相图，如 右图所示 。 不同元素在 Al 中的固溶度不同， 即在右图中的 D 、 F 点位置不同

3 ．常见 Al 合金 （ 1 ）变形 Al 合金：指由 Al 合金铸锭经冷热加 工后形成的型材。 成分：相图中， D 点以左的合金在加热时形 成单相固溶体。塑性较好，适合于压力加工。 性能：成分在 F 点以右、 D 点以左的合金，固 溶体成分沿 DF 溶解度线变化，可以通过热处 理来提高强度（固溶强化），常称为硬 Al 。 成分在 F 点以左的合金，成分不随温度变 化，始终为单相固溶体，这类合金具有较好 的耐蚀性能，常称为防锈 Al 。 （ 2 ）铸造 Al 合金：指由液态直接浇铸成工件的 Al 合金。 成分：位于相图 D 点以右的合金，该类合金在结晶时获得 共晶组织。 性能：塑性较差，铸造好 。 铸造 Al 合金 变形 Al 合金

三．铝合金的热处理 工艺：固相线以下 20 － 40 ℃，保温几个小时至几十个小时 目的：使成分均匀化，消除加工硬化，消除内应力，改善性能。 2 、时效强化 1 、退火 （ 1 ）时效强化概念 以 Al － Cu 合金为例说明：将过饱和固溶体在 室温下放置一段后，在固溶体中有细小的 Al － Cu 化合物析出使强度提高。这种随时间的 延长，材料的强度和硬度提高的现象称为 “ 时 效强化 ” 。 室温下时效强化 ―― 自然时效处理， 加热下时效强化 ―― 人工时效处理 两种工艺退火时效

（ 2 ）时效强化机理 时效强化是由于析出相引起晶体晶格畸变，阻碍位错运动引起的。 类同于 弥散强化

四、常用铝合金（以下内容学生自己看） 1. 铸造铝合金 牌号： ZLxxx 表示， ZL 为铸铝，后为三位数字，第一个数字表 示合金类型，即主合金元素 (1 － Si 2 － Cu 3 － Mg 4 － Zn 等 ) ，后两位的顺序号表示其它合金元素。 主要用途：铸造铝合金用于制造形状复杂的零件，例如仪表、 内燃机活塞、飞机等壳体零件。主要利用质轻、比强度高 的特点。 热处理特点：铸造中采用钠盐变质处理来细化晶粒。然后进行 时效强化等处理。

常用铸造铝合金成分应用列表

2. 形变铝合金 由冶金厂进行处理并加工成各种型材，包括铝板、铝带、铝 棒、线材、管材。常见的形变铝合金有： 防锈铝 牌号 LFxx 主要用于耐大气腐蚀的环境中，常用来制造 航空油箱、油管、以及器皿、日用品、门窗装饰品等。 GB/T GB 抗拉强度 3A21LF2 1 Al-Mn190MPa 5A02LF2Al-Mg230MPa 5A06LF6Al-Mg320MPa

硬铝 牌号 LYxx 通常为 Al- Cu-Mg 合金。主要在于进一 步提高其强度和硬度，用来 制造飞机的大梁和蒙皮等， 也用来制造机械构件。 GB/T GB 抗拉强度 2A01LY1Al-Cu- Mg 2A11LY MPa 2A12LY MPa 超硬铝 牌号 LCxx 通常为 Al-Cu-Mg-Si 合金。主要在 于有高其强度和硬度，这时 的 σ b 可达到 680MPa ，高于 优质碳素结构钢，主要用来 制造飞机上受力大的零件。 GB/T GB 抗拉强度 7A04LC4Al-Cu- Mg-Zn 600MPa 7A09LC9660MPa

第二节 铜及铜合金 一、纯 Cu 1. 纯 Cu 的特性 （ 1 ）结构： FCC （ 2 ）物性： d = 8.9g/cm 3 Tm = 1083 ℃ 导电、导热性好 （ 3 ）力性：塑性优良 （ δ= 50% ， ψ=70% ） 强度、硬度不高（ σ b = 200 – 250 MPa ， 40-50HB ） 可进行冷加工 2. 工业纯 Cu （ 1 ）牌号：代号为 T1 、 T2 、 T3 ， T4 T ： “ 铜 ” 汉语拼音首字母 数字：表示 Cu 的纯度大小，数字愈大表示纯度愈低。铜 含量为 － 99.5 ％。纯铜有玫瑰红色，表面形成 氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜 （ 2 ）用途：用于电工导体材料，制作电线、电缆、电气开关、导电垫圈、 螺杆等。 T3 、 T4 为一般用铜材，制作油管、油嘴等。 T % T % T % T4 99.5%

二. 铜合金 1. 黄铜（ Cu – Zn 合金） （ 1 ）定义：以 Zn 为主要合金元素的铜合金称为黄铜，这种 Cu-Zn 合金的颜 色呈淡黄色，故得此名 。 说明：当 Zn < 32.5 wt% 为单相 α 固溶体，称单相黄铜。 当 Zn > 32.5 wt% 为 α+β ’ 双相固溶体， 称双相黄铜。 （ 2 ）相图

（ 3 ）黄铜的分类, 性能及用途 普通黄铜 a. 单相黄铜 成分： Zn < 32.5 wt%, 单相 α 固溶体 性能：极好的冷塑性变形能力 用途：制造冷拉丝材、管材及复杂深冲零件 b. 双相黄铜 成分： Zn > 32.5 wt% 双相 α+β （ β 是以电子化合物 CuZn 为基的固溶体， BCC ） 性能：高温下有好的塑性，但当温度低于 450 ℃，由于 β→β ’ ， 塑性下降，强度增高. 用途：螺钉、垫圈等 c. 黄铜牌号： H90 、 H85 、 H62 等 H ：黄铜, 数字： Cu 的百分含量

（ 3 ）黄铜的分类, 性能及用途 特殊黄铜 成分：在黄铜基础上，再加入微量 Sn 、 Pb 、 Al 、 Si 、 Mn 等 元素，以改善黄铜性能。 性能：在保持普通黄铜性能的基础上，改善黄铜的自裂和脱 Zn ， 提高抗腐蚀能力。 自裂：加工应力和腐蚀介质引起自裂。 脱 Zn ：盐类水溶液腐蚀引起的。 用途：钟表零件、汽车用零件。 牌号： “H”+ 主要合金元素符号 + Cu 含量 -- 添加合金元素含量 如： HPb59—1 表示铅黄铜， Cu = 59 wt % 、 Pb = 1 wt % 化学腐蚀

2 ．青铜 1 、定义：以 Sn 或 Al 或 Be 为主要合金元素的铜合金统称为青铜。因为这种 Cu 合金的颜色为青灰色，故得此名。 （ 1 ）锡青铜（ Cu-Sn 合金） 成分： Sn = 3 –14 wt % 性能： Sn < 7 wt % （单相）塑性好，适用于冷加工成型。 Sn = wt % （包晶） 强度高，适用于铸造成型。 用途：铸造形状复杂，截面厚薄相差较大的制器。

（ 2 ）铝青铜 （ Cu—Al 合金） 成分： Al = 5—7 wt % ； 性能： Al = 5—7 wt % 适用于冷加工 Al = 7—12 wt % 适用于铸造，与锡青铜相比，强度、硬度 和耐腐蚀性更好。 用途：齿轮、涡轮、弹簧及船用耐蚀零件 （ 3 ）鈹青铜 （ Cu － Be 合金） 成分： Be = 1.7—2.5 wt % 性能：可通过热处理和加工硬化获得高的强度和硬度，最高 σ b = 1500 MPa. 此外，具有高的弹性极限和疲劳极限，高的耐腐 蚀性和好的导电性能。 用途：制造耐磨件，如齿轮、衬套和电接触器

三、白铜 2 、牌号： 表示形式： Q + 主要合金元素 + 主要合金元素含量－其它合金元素含量。 如： QSn 6.5 – 0.1 Q – 青铜 Sn – 主要含量为 Sn Sn = 6.5 wt % 0.1 – 其它合金元素含量为 0.1 wt % 白铜是 Cu － Ni 系合金，以及 Cu-Ni-Zn 、 Cu-Ni-Mn 系合金的统称。 这类铜合金不仅具有较好的强度和优良 的塑性，而且耐腐蚀性很好。主要用来制 造在海水环境中工作的仪器和零件。

第三节 钛及钛合金 一. 纯钛 1 ．纯 Ti 的特性 结构： Ti 有两种结构，室温下为 α -Ti ， 密排六方结构 ℃为 β-Ti ， BCC 结构。 ℃： α-Ti  β-Ti 物性： d = 4. 5g/cm 3 Tm = 1668 ℃， 导热性较差， 热膨胀系数小 （热应力小）；抗氧化、耐酸碱性强。 力性：比强度高，是很好的热强材料 σ b = Mpa 牌号： 2. 工业纯 Ti 的牌号： TA1 、 TA2 、 TA3 T – Ti 的汉语拼音首字母，； A － α 相 数字 – 表示杂质量的多少，数字愈大，杂质量愈多。

二. 钛合金 1 ． α 钛合金 成分： Ti 中加入稳定 α 相的合金元素，如 Al 、 C 、 B ，这些元素不但能溶于 α- 钛中形成 α 固溶体，还能扩大相图中 α 相区（提高转变温度）， Al 为主要合金元素， Al<6wt% 。 性能： α 钛合金的焊接性能好，但不能通过热处理强化。 在室温下的强度不及 β 及（ α+β ）钛合金，但在 ℃时，强度高 于 β 及（ α+β ）钛合金，牌号：（与工业纯 Ti 相同） TA4-TA8 三类主要的钛合金： α 钛合金、 β 钛合金、（ α+β ）钛合金 T – Ti ， A- α 钛合金，数字 – 杂质的等级（纯度）

2 ． β 钛合金 定义：组织为 β 固溶体的合金称为 β 钛合金 成分： Ti 中加入稳定 β 相的合金元素，如 Cr 、 Mo 、 V ，这些元素 溶入 β-Ti 后能扩大 β 相区（降低转变温度） 。 热处理：淬火 + 时效处理 组织： β + 弥散细小 α 性能：比 α 钛合金具有更好的强度 牌号：如： TB1 － 7 T – Ti ， B - β 钛合金，数字 – 杂质的等级（纯度）

3 ． α ＋ β 钛合金 概念：组织为（ α+β ）两相固溶体的合金称为（ α+β ）钛合金 成分： Ti 中同时加入 α 和 β 相的稳定元素。 热处理：淬火 + 时效 性能：良好的综合力学性能，即强度较高，塑性良好。 牌号：如： TC1 － 7 T – Ti ， C - （ α+β ）钛合金，数字 – 杂质的等级（纯度） 用途：同时具有良好的低温韧性和高温强度，适用于制造火箭外 壳、航空零件。

三、钛合金的热处理 钛合金从高温到低温有 bcc 向 hcp 的相变，不同的元素在 α 和 β 钛中 的溶解度也不相同，可以通过淬火来提高强度。 退火：缓慢冷却得到平衡的单或两相组织。 淬火 : （ 1 ）从 β 向 α 相变以切变方式形成部分马氏体， (2) 溶入 β 相 的合金元素形成过饱和固溶体。 (3) 使 α 的析出过程被抑制，增加了 β( 室温强度高） 相的含量。 时效：淬火后长时间加热保温，被抑制的 α 相在 β 相中弥散析出 而强化 β 相； α 相中的过饱和元素形成相的析出。这两种弥散析出都 提高材料的强度。