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： 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； 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 （4）工艺性能 较低的强度、硬度：σb = 80~100 MPa，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/MPa 90～120 80～110 150～250 屈服强度σ0.2/MPa － 50～80 120～240 断后伸长率 δ(%) 11～25 32～40 4～8 断面收缩率 ψ(%) 70～90 50～60 布氏硬度 HB 24～32 15～25 40～65 抗剪强度 σr/MPa 42 60 100 弯曲疲劳强度 σ-1/MPa 50 40

（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。 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 1A99 1A97 1A95 1A93 1A90 1A85 1A80 1A80A 1070 1070A 1370 旧牌号 原LG5* 原LG4* － 原LG3* 原L G2* 原LG1* 代L1 Al 99.99 99.97 99.95 99.93 99.9 99.85 99.8 99.7 新牌号 1060 1050 1050A 1A50 1350 1145 1035 1A30 1100 1200 1235 8A06 旧牌号 代L2 － 代L3 原LB2* 代L4 原L4-1* 代L5-1 代L5 原L6* Al 99.6 99.5 99.45 99.35 99.3 99 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。 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 1.0 0.92 0.35 相对比抗拉强度 1.6 2.5 0.60 1.8～3.3 相对比屈服强度 1.7 4.2 0.70 2.9～4.3 相对比刚度 0.51 8.5

1. 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。 1. 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 （1）固溶强化： 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，% 32.8 14.9 5.65 1.82 1.65 室温时的溶解度，% 0.05 0.34 0.20

（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。

几种常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定强化相 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-Cu 1.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-Si 1.形成镁、硅原子富集区——GP区 2.形成有序的β＇相 β（Mg2Si） Al-Cu-Mg 1.形成铜、镁原子富集区——GP区 2.形成过渡相S＇ S（Al2CuMg） Al-Mg-Zn 1.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

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。 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。 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/T 3190-2008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。

变形铝及铝合金的牌号表示方法（摘自GB/T16474-1996） 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×××

（1）防锈铝合金 防锈铝合金不能进行热处理强化，只能采用冷变形方法使其强化。 包括Al-Mg系和Al-Mn系合金以及工业纯铝。 Al-Mg系合金(5A02 、5A03 、5A05 )：随Mg含量的↑，合金强度、塑性↑。但超过5%时，抗应力腐蚀性能↓，超过7%，塑性及焊接性能↓。 主要性能特点：优良的抗腐蚀性能、良好的塑性与焊接性能，适宜压力加工和焊接。密度比铝还小，在航空工业上得到了广泛应用。 Al-Mn系合金3A21(LF21) ：应用最广的防锈铝，强度不高；在退火态下塑性高，耐蚀性好，焊接性良好 ，用于要求高的可塑性和良好的焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管等 。

防锈铝合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3190－2008） 新牌号 旧牌号 化学成分（质量分数）（%） Mn Mg Ti Zr 3A21 LF21* 1.0～1.6 0.05 － 0.15 5A01 LF15* 0.30～0.7 6.0～7.0 Cr:0.10～0.20 0.10～0.20 5A02 LF2* 或Cr:0.15～0.40 2.0～2.8 Si+Fe:0.6 5A03 LF3* 0.30～0.6 3.2～3.8 Si:0.50～0.8 5A05 LF5* 4.8～5.5 5B05 LF10* 0.20～0.6 4.7～5.7 5A06 LF6* 0.50～0.8 5.8～6.8 Be:0.0001～0.005 0.02～0.10 5B06 LF14* 0.10～0.30 5A12 LF12* 0.40～0.8 8.3～9.6 Be:0.005 Sb0.004～0.05 0.05～0.15 5A13 LF13* 9.2～10.5 5A30 LF16* 0.50～1.0 4.70～5.5 Cr:0.05～0.20 0.03～0.15 5A33 LF33* 0.10 6.0～7.5 ～0.005 5A43 LF43* 0.15～0.40 0.6～1.4 Zn:0.50～1.5 5056 LF5-1* 0.05～0.20 4.5～5.6 5083 LF4* 0.40～1.0 4.0～4.9

（2）硬铝合金 主要合金元素：Cu、Mg，此外还有Mn。 Al-Cu-Mg-Mn系：强化相Al2Cu（θ）相及Al2CuMg（S）相，有强烈的时效强化作用，使合金经时效处理后具有很高的硬度、强度。 S相可以↑合金的耐热性。Mn主要改善硬铝的抗蚀性，细化合金组织，也有固溶强化和↑耐热性的作用。 特性：具有优良的加工工艺性能，可以加工成板、棒、管、线、型材及锻件等半成品。 硬铝合金分类： 低强度硬铝：LY1(2A01)，铆钉硬铝。 中等强度硬铝： LY11(2A11)，飞机螺旋桨叶片。 高强度硬铝： LY12(2A12)，重要销轴、飞机上的骨架零件如蒙皮、隔框、翼肋、翼梁等 。

缺点：耐蚀性差，特别是在海水等环境中。若要在海水中使用，外部需包上一层纯铝。 热处理特性：强化相的充分固溶温度与三元共晶温度的间隙很窄，淬火加热时的过烧敏感性很大。 所以硬铝在淬火时，加热温度要严格控制，一般波动范围不应超过±5℃。 硬铝合金人工时效状态比自然时效具有更大的晶间腐蚀倾向，所以硬铝合金除高温工作的构件外，一般采用自然时效。

硬铝合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3190－2008） 新牌号 旧牌号 化学成分（质量分数）（%） Cu Mn Mg Ti Zr 2A01 LY1* 2.2～3.0 0.20 0.20～0.50 － 0.15 2A02 LY2* 2.6～3.2 0.45～0.7 2.0～2.4 2A04 LY4* 3.2～3.7 0.50～0.80 2.1～2.6 Be:0.001～0.01 0.05～0.40 2A06 LY6* 3.8～4.3 0.50～1.0 1.7～2.3 0.03～0.15 2A10 LY10* 3.9～4.5 0.30～0.50 0.15～0.30 2A11 LY11* 3.8～4.8 0.40～0.80 Ni:0.10 Fe+Ni:0.7 2B11 LY8* 2A12 LY12* 3.8～4.9 0.30～0.9 1.2～1.80 2B12 LY9* 3.8～4.5 0.30～0.7 1.2～1.6 2A13 LY13* 4.0～5.0 2A16 LY16* 6.0～7.0 0.05 0.10～0.20 2B16 LY16-1 5.8～6.8 0.20～0.40 V:0.05～0.15 0.08～0.20 0.10～0.25 2A17 LY17* 0.40～0.8 0.25～0.45 2A20 LY20* 0.02 B:0.001～0.01 0.07～0.16 2219 LY19* 0.2

典型硬铝的处理工艺 牌号 退火工艺 固溶处理工艺 时效工艺 新牌号 旧牌号 加热温度 /℃ 保温时间/h 冷却方式 冷却介质 时效时间 /h 2A11 LY11 390～410 125～135(板材) 30℃/h冷至250～270℃空冷 495～505 水 室温 不少于四昼夜 空冷 350～370 2A12 LY12 20 190(型材) 6

（3）超硬铝合金 主要合金元素：Zn、Mg、Cu，少量Mn、Cr、Ti、Zr等。 主要强化相：MgZn2(η)相及Al2Mg3Zn3(Τ)相。有很大的溶解度变化，具有显著的时效强化效果。 Zn、Mg：含量过高时，会↓塑性和抗腐蚀性能。 Cu：改善抗应力腐蚀性能，形成Al2Cu(θ)相和Al2CuMg(S)相，起补充强化作用，↑合金强度。 Mn、Cr：↑合金的固溶和时效强化效果，改善抗应力腐蚀性能。

超硬铝合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3190－2008） 新牌号 旧牌号 化学成分（质量分数）（%） Cu Mn Mg Cr Zn Zr 7A03 LC3* 1.8～2.4 0.10 1.2～1.6 0.05 6.0～6.7 Ti:0.02～0.08－ － 7A04 LC4* 1.4～2.0 0.20～0.6 1.8～2.8 0.10～0.25 5.0～7.0 7A09 LC9* 1.2～2.0 0.15 2.0～3.0 0.16～0.30 5.1～6.1 7A10 LC10* 0.50～1.0 0.20～0.35 3.0～4.0 0.10～0.20 3.2～4.2 7A15 LC15* 0.10～0.4 2.4～3.0 0.10～0.30 4.4～5.4 Be:0.005～0.01 Ti: 0.05～0.15 7A19 LC19* 0.08～0.30 0.30～0.50 1.3～1.9 4.5～5.3 Be:0.001～0.004 0.08～0.20 7A52 LC52* 0.05～0.20 0.20～0.50 2.0～2.8 0.15～0.25 4.0～4.8 Ti:0.05～0.18 0.05～0.15 7003 LC12* 0.20 0.30 5.0～6.5 0.05～0.25

性能特点：室温强度最高，其强度超过高强度硬铝2A12（LY12），故称为超硬铝合金。良好的热加工性能，在相同强度水平下，合金的断裂韧性优于硬铝。 主要缺点：抗疲劳性和抗蚀性较差，对应力腐蚀比较敏感。通常在板材表面加上包铝层，零构件进行阳极化防腐处理，并在设计与制造中力求减少零件的沟槽、截面突变和表面划伤。 应用：各种飞行器的主要结构材料。主要用于工作温度不超过120～130℃的受力较大的结构件，如飞机蒙皮、整体壁板、大梁等。 热处理：淬火温度范围比较宽。由于超硬铝自然时效要经50～60天才能达到最大强化效果，时间很长，且应力腐蚀倾向较大，均采用人工时效处理。

典型超硬铝的力学性能 牌号 状态 抗拉 强度 屈服 伸长率 抗剪 疲劳 极限 硬度 弹性 模量 泊松比 新牌号 旧牌号 σb /MPa σ0.2 δ5 (%) τ/MPa σ-1 (HBS) 10/500 E /GPa μ 7A04、7A09 LC4、LC9 O 230 105 17 150 － 60 72 0.31 T6 570 505 11 330 160

典型超硬铝的处理工艺 牌号 退火工艺 固溶处理工艺 时效工艺 新牌号 旧牌号 加热温度 /℃ 保温时间 /h 冷却方式 加热温度/℃ 冷却介质 时效时间 /h 冷却 7A04 LC4 350～410 2～3 ≤30℃/h冷至150℃空冷 465～480 不高于40℃水 120～125(板材) 空冷 135～145(型材) 290～320 分级时效120±2 升温至160±2 3

（4）锻铝合金 少量Mn：↑淬火温度上限，阻止再结晶退火时晶粒粗化。 Cu、Mg：保证形成足够数量的S（Al2CuMg）相。 Al-Mg-Si-Cu系：[ 6A02(LD2)、6061(LD30)、6070(LD2-2 )] 主要强化相：Mg2Si（β）相和W（Cu4Mg5Si4Alx）相，当铜含量较高时，还有θ(Al2Cu)相和S(Al2CuMg)相。 少量Mn：↑淬火温度上限，阻止再结晶退火时晶粒粗化。 性能特点：具有优良的锻造工艺性能，故称为锻铝合金。强度与硬铝相当。 用途：主要用于要求中等强度、较高塑性及抗蚀性的锻件和模锻件，如各种叶轮、接头、框架、支杆等零件。 Al-Cu-Mg-Fe-Ni系：属耐热锻铝合金。[2A70(LD7)] 主要耐热相：S（Al2CuMg）相和FeNiAl9相。 Cu、Mg：保证形成足够数量的S（Al2CuMg）相。 Fe、Ni：加入比例应接近1∶1，以形成FeNiAl9相。 用途：主要用于在150～225℃条件下工作的零件。如内燃机活塞、压气机叶轮、鼓风机叶轮等 。

锻铝合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3190－2008） 新 牌号 旧 化学成分（质量分数）（%） Si Cu Mn Mg Ni 2A14 LD10* 0.6～1.2 3.9～4.8 0.40～1.0 0.40～0.8 0.10 － 2A50 LD5* 0.7～1.2 1.8～2.6 2B50 LD6* Cr:0.01～0.20 Ti:0.02～0.10 2A70 LD7* 0.35 1.9～2.5 0.20 1.4～1.8 0.9～1.5 Fe:0.9～1.5 2B70 LD7-1 0.25 1.8～2.7 1.2～1.8 0.8～1.4 Fe:0.9～1.4 2A80 LD8* 0.50～1.2 Fe:1.0～1.6 2A90 LD9* 0.50～1.0 3.5～4.5 1.8～2.3 Fe:0.50～1.0 4A11 LD11* 11.5～13.5 0.5～1.3 0.8～1.3 0.50～1.3 6A02 LD2* 0.20～0.8 或Cr 0.15～0.35 0.45～0.9 6B02 LD2-1* 0.70～1.1 0.10～0.40 0.10～0.30 Ti:0.01～0.04 6061 LD30* 0.15～0.40 0.15 0.8～1.2 Cr:0.04～0.35 6063 LD31* 0.20～0.6 6070 LD2-2* 1.0～1.7

锻铝合金均采用淬火+人工时效进行强化，且淬火后应立即进行时效处理，淬火后在室温停留时间愈长，人工时效强化效果愈差。 锻铝合金的热处理规范 牌号 退火工艺 固溶处理工艺 时效工艺 新牌号 旧牌号 加热温度 /℃ 保温时间 /h 冷却方式 冷却介质 时效时间 冷却 6A02 LD2 350～370 2～3 空冷 515～525 水 150 6～15 2A50 LD5 350～400 505～515 150～165 2B50 LD6 505～525 2A14 LD10 390～410 490～505

（5）铝理合金 新型变形铝合金。 优点：密度低、比强度高、比刚度大、疲劳性能良好、抗蚀及耐热性好等。 牌号：8090，Al-Li-Cu-Mg系合金。 锂在铝中有较高的溶解度，并随温度而明显变化，所以铝锂合金具有明显的时效强化效应，属于可热处理强化铝合金。 强化相：δ′(Al3Li)相、T1(Al2CuLi)相、S′(Al2CuMg)相和θ′(Al2Cu)相等多种。 性能特点：具有很好的强度、塑性和韧性。 应用：在航空和航天领域获得了实际应用。

铝锂合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3190－1996） 新牌号 旧牌号 化学成分（质量分数）（%） Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr 其他 Al 单个 合计 8090 － 0.20 0.30 1.0～1.6 0.10 0.6～1.3 0.25 Li:2.2～2.7 0.04～0.16 0.05 0.15 余量 GB/T3190－2008表1新增了10个牌号，表2新增2个牌号。 铝锂合金的物理性能和力学性能 合金牌号 取样方向 热处理 制 度 密度 g·cm-3 弹性模量 GPa 抗拉强度 MPa 屈服强度 伸长率 % 断裂韧性 (MPa·m-2) 8090 板材,L T851 2.55～2.56 81 500 455 7 33

4.1.4 铸造铝合金 工艺性能要求：具有优良的铸造工艺性能。 4.1.4 铸造铝合金 工艺性能要求：具有优良的铸造工艺性能。 共晶合金具有最佳铸造性能，但组织中出现大量硬脆的化合物，使合金的脆性急剧增大。 实际使用的铸造合金并非都是共晶合金，只是合金元素含量比变形铝合金高一些。 铸造铝合金的力学性能虽然不如变形铝合金，但由于可制成各种形状复杂的零件，并可通过热处理改善铸件的力学性能，并且熔炼工艺和设备比较简单，成本低，仍在许多工业领域获得广泛应用。

铸造铝合金中常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Zn、Ni及稀土等。 以所含主要合金元素分为四类：Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系。 牌号表示方法： “Z”+“Al”+主要合金元素符号+主要合金元素名义百分含量（+辅助合金元素符号+辅助合金元素名义百分含量） 合金元素名义百分含量：以1%为一个单位，合金元素含量小于1%时，一般不标注；优质合金在牌号后标注大写字母“A”。 代号表示方法： “ZL”+三位数字。 第一位数字：合金系，1～4依次代表Al～Si、Al～Cu、Al～Mg、Al～Zn合金系。 另两位数字：顺序号。

1、Al-Si系铸造铝合金 俗称：“硅铝明”。 典型牌号：ZAlSi12（ZL102），含Si量10～13%，相当于共晶成分（Al－Si二元共晶点成分为11.7%）， 优点：铸造性好，但强度低。 变质处理：用Na盐混合物等进行变质处理，可细化组织，↑合金的力学性能。 由于Si在Al中的溶解度变化很小，所以该合金不能热处理强化。 但添加了合金元素Cu、Mg、Mn、Zn、Ni等，得到特殊硅铝明，可通过固溶+时效处理进行强化。如ZL101、ZL104、ZL105、ZL106。 用途：用于形状复杂，负荷不大的零件，如仪表、水泵的壳体。

变质前，共晶体（粗针状Si + α基体 ）+ 初晶α 变质后，共晶体（细点状Si + α基体 ）+ 初晶α ZL102的铸态组织，未变质，×500 变质处理后，×100 变质前，共晶体（粗针状Si + α基体 ）+ 初晶α 变质后，共晶体（细点状Si + α基体 ）+ 初晶α

（2） Al-Cu系铸造铝合金 含Cu量不低于4%，由于Cu在Al中有较大固溶度，且随温度改变而改变，可“固溶+时效”强化↑力学性能。 主要特点：具有较高的热强性能，但密度较大、耐蚀性及铸造性均不如Al-Si系铸造合金。 用途：主要用于制造在200～300℃条件下工作的要求较高强度的零件，如增压器的导风叶轮、静叶片等。 ZAlRE5Cu3Si（ZL207）：以稀土为主要合金元素的铸造铝合金，它是铸造铝合金中耐热性最好的合金，具有优良的铸造工艺性能，适宜铸造在400℃以下长期使用的复杂零件。

（3）Al-Mg系铸造铝合金 （4）Al-Zn系铸造铝合金 性能特点：具有最小的密度和较高的强度，比其他铸造铝合金的抗蚀性好，且抗冲击和切削加工性良好，但流动性差，铸造性不好，耐热性较差。 典型牌号：ZL301、ZL302 用途：主要用于受冲击、耐海水或大气腐蚀、外形简单、承受较大负荷的零件，也可以用来代替某些耐酸钢及不锈钢零件，如船舶零件，氨用泵体等。 （4）Al-Zn系铸造铝合金 性能特点：最便宜的一类铸造铝合金，由于含有较多的锌，密度较大，耐蚀性差，但其工艺性能良好，在铸态下即具有较高的强度，可以在不经热处理的铸态下直接使用。 典型牌号：ZL401、ZL402 用途：机动车辆发动机零件及形状复杂的仪表零件。

铸造铝合金的牌号和化学成分（摘自GB/T1173—1995） 类 别 合金牌号 代号 主要元素（质量分数）（%）  Si Cu Mg Zn Mn Ti 铝 硅 合 金 ZAlSi7Mg ZL101 6.5～7.5 － 0.25～0.45 ZAlSi12 ZL102 10.0～13.0 ZAlSi9Mg ZL104 8.5～10.5 0.17～0.35 0.2～0.5 ZAlSi5Cu1Mg ZL105 4.5～5.5 1.0～1.5 0.4～0.6 ZAlSi8Cu1Mg ZL106 7.5～8.5 0.3～0.5 0.10～0.25 ZAlSi7Cu4 ZL107 3.5～4.5 ZAlSi2Cu2Mg1 ZL108 11.0～13.0 1.0～2.0 0.4～1.0 0.3～0.9 ZAlSi2Cu1Mg1Ni1 ZL109 0.5～1.5 0.8～1.3 ZAlSi5Cu6Mg ZL110 4.0～6.0 5.0～8.0 铜 ZAlCu5Mn ZL201 4.5～5.3 0.6～1.0 0.15～0.35 ZAlCu4 ZL203 4.0～5.0 ZAlRE5Cu3Si ZL207 1.6～2.0 3.0～3.4 0.15～0.25 0.9～1.2 镁 ZAlMg10 ZL301 9.5～11.0 ZAlMg5Si1 ZL303 0.1～0.4 ZAlMg8Zn1 ZL305 7.5～9.0 0.1～0.2 锌 ZAlZn11Si7 ZL401 6.0～8.0 0.1～0.3 9.0～13.0 ZAlZn6Mg ZL402 0.5～0.65 5.0～6.5

4.2 铜及铜合金 4.2.1 纯铜 （1）物理性能： 铜是人类最早使用的金属之一。 外观：紫红色，又称紫铜。 4.2 铜及铜合金 纯铜管 4.2.1 纯铜 （1）物理性能： 铜是人类最早使用的金属之一。 外观：紫红色，又称紫铜。 在元素周期表中的位置：第Ⅳ周期、第Ⅰ副族。 原子序数：29。 常见化合价：+2价和+1价。 晶体结构：面心立方，无同素异构转变。 密度：8.93g/cm3，熔点：1084℃。 电、热、磁性能：导电、导热性优良，仅次于金、银，居于第三位。无磁性，抗外磁场干扰能力强。

（2） 化学性质 纯铜具有很高的化学稳定性，在大气、淡水和冷凝水中，有优良的耐腐蚀性。 在大多数非氧化性的酸溶液（如氢氟酸、盐酸等）中几乎不被腐蚀。 但在海水中的耐蚀性较差。 在氧化性的HNO3、浓H2SO4以及各种盐溶液（如氨盐、氯化物、碳酸盐等）中耐腐蚀性差。 在含有CO2的湿空气中会形成铜绿[CuCO3·Cu(OH)2或2CuCO3·Cu(OH)2]。 100℃，会形成黑色的CuO。 高于100℃，会形成红色的Cu2O。

（3）力学性能： 塑性极好，但强度较低。 σb：230~240MPa， 硬度：HB40~45， 伸长率δ：可达50% 断面收缩率ψ：达70%。 具备优良的加工成形性，冷、热压力加工均可。 冷加工后： σb：400~500MPa， 硬度：HB100~120， 伸长率δ：只有6%。 强化方法：只能以冷作硬化的方式进行强化。 热处理：只限于再结晶软化退火。 实际退火温度一般为500-700℃。 退火铜应在水中快速冷却，以使退火加热时形成的氧化皮爆脱，得到纯洁的表面。

（4） 杂质对纯铜性能的影响 铅和铋：造成热脆。微量的铅或铋均能与铜形成低熔点共晶组织（Cu+Pb）、（Cu+Bi），共晶温度分别为326℃、270℃。热加工时，分布在晶界上的低熔点共晶组织熔化，将使晶粒间的结合强度降低。 消除铅、铋的有害影响：少量钙、铈或锆，与铅和铋形成高熔点化合物，分布于铜的晶粒内。 氧和硫：能引起冷脆，与铜形成Cu2O和CuS，以粒状共晶体形式分布于铜晶粒内或晶界上。由于共晶温度高，对铜的热加工没有影响，但对铜的冷加工有不利影响。 氢病：含氧铜，在含有氢气或一氧化碳等还原性气氛中加热时，氢及一氧化碳等气体会扩散渗入铜中与氧起反应，形成不溶于铜的水蒸汽或二氧化碳，在局部地区产生很大的压力，而造成显微裂纹，使铜在随后的加工和使用过程中发生破裂。 故含氧铜的退火应在氧化气氛中进行加热。

（5）加工纯铜的牌号 根据氧含量和生产方法的不同，加工纯铜分为工业纯铜、无氧铜、磷脱氧铜和银铜四类。 工业纯铜：氧含量约为0.02～0.10%； “T”(铜)+顺序号。 磷脱氧铜：含氧量小于0.01%；“TP”（铜+磷）+顺序号。 无氧铜：含氧量极低，小于0.002%。“TU”(铜+无)+顺序号。 银铜： “T”+ “Ag”+银的含量。

加工铜的牌号、化学成分（摘自GB/T5231－2001） 组别 序号 牌 号 化学成分% 名称 代号 Cu+Ag P Ag Bi Sb As Pb   纯铜 1 一号铜 T1 99.95 0.001 － 0.01 0.002 0.003 2 二号铜 T2 99.90 0.005 3 三号铜 T3 99.70 无氧铜 4 零号 TU0 [C10100] Cu 99.99 0.000 3 0.002 5 0.000 1 0.000 4 0.000 5 5 一号 TU1 99.97 6 二号 TU2 0.004 磷脱氧铜 7 脱氧铜 TP1 0.004～0.012 8 TP2 99.9 0.015～0.040 银铜 9 0.1银铜 TAg0.1 99.5 0.06～0.12

（6）用途 工业纯铜：一般用作导电、导热、耐蚀器材，如电线、电缆、散热器、冷凝器及各种管道等； 无氧铜：主要用作电真空仪器仪表器件； 磷脱氧铜：主要用作汽油或气体输送管、排水管、冷凝管等。 银铜：主要用于耐热、导电器材。如：电机整流子片、发电机转子用导体、点焊电极、通信线。 铜中加入少量的银，可显著↑再结晶温度和蠕变强度，而很少↓铜的导电、导热性和塑性。 银铜一般采用冷作硬化来提高强度。它具有很好的耐磨性、电接触性和耐蚀性。

4.2.2 铜合金 1. 铜的合金化： 纯铜的强度不高，要满足制作结构件的要求，必须进行合金化，才能得到高强度铜合金。 4.2.2 铜合金 1. 铜的合金化： 纯铜的强度不高，要满足制作结构件的要求，必须进行合金化，才能得到高强度铜合金。 合金化原理：固溶强化、时效强化及过剩相强化。 固溶强化的主要元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni等，在铜中的溶解度均>9.4%，有显著固溶强化效果。最大的固溶效果可使铜的σb由240MPa上升到650 MPa。 时效强化的元素：Be、Ti、Zr、Cr等，溶解度随温度的降低而剧烈减小，具有时效强化效果。 过剩相强化相：如黄铜和青铜中的CuZn相、Cu31Sn3相、Cu9Al4相均有较高的过剩相强化作用。

2. 铜合金的分类及牌号 （1）变形铜合金 （2）铸造铜合金 b、按化学成份分类： （1）黄铜：以Zn为主要合金元素。 ①普通黄铜： 2. 铜合金的分类及牌号 a、按成型方法分类： （1）变形铜合金 （2）铸造铜合金 b、按化学成份分类： （1）黄铜：以Zn为主要合金元素。 ①普通黄铜： H+铜含量；例：H62 ，平均Cu含量62%，余量为Zn。 ②特殊黄铜： H+主要合金元素符号+铜含量+－+添加元素含量。 例：HMn58-2 、含Cu量为58%，含Mn量2%， 余量为Zn。 （2）白铜：以Ni为主要合金元素。 ① 普通白铜： B+镍含量；例： B30，平均Ni含量30%，余量为Cu。 ②特殊白铜： B+主要添加合金元素符号+Ni含量+－+添加元素含量； 例：BMn40-1.5 Ni 40% Mn 1.5% 余量为Cu。

加工黄铜的牌号和化学成分（摘自GB/T5231－2001） 组别 牌 号 化学成分，%（余量Zn） 名称 代号 普通 黄铜 80黄铜 H80 Cu79.0~81.0 68黄铜 H68 Cu67.0~70.0 62黄铜 H62 Cu60.5~63.5 镍 65-5镍黄铜 HNi65-5 Cu64.0~67.0, Ni5.0~6.5 56-3镍黄铜 HNi56-3 Cu54.0~58.0, Ni2.0~3.0, Fe0.15~0.5, Al0.3~0.5 铁 59-1-1铁黄铜 HFe59-1-1 Cu57.0~60.0, Fe0.6~1.2, Mn0.5~0.8, Sn0.3~0.7, Al0.1~0.5 58-1-1铁黄铜 HFe58-1-1 Cu56.0~58.0, Fe0.7~1.3, Pb0.7~1.3 铅 62-0.8铅黄铜 HPb 62-0.8 Cu60.0~63.0, Pb0.5~1.2 61-1铅黄铜 HPb 61-1[C37100] Cu58.0~62.0, Pb0.6~1.2 铝 77-2铝黄铜 HAl 77-2[C68700] Cu76.0~79.0, Al1.8~2.5 59-3-2铝黄铜 HAl 59-3-2 Cu57.0~60.0, Al2.5~3.5, Ni2.0~3.0 锰 58-2锰黄铜 HMn58-2 Cu57.0~60.0, Mn1.0~2.0 57-3-1锰黄铜 HMn57-3-1 Cu55.0~58.5, Mn2.5~3.5,Al0.5~1.5 锡 70-1锡黄铜 HSn70-1 Cu69.0~71.0, Sn0.8~1.3, As0.03~0.06 60-1锡黄铜 HSn60-1 Cu59.0~61.0, Sn1.0~1.5 加砷 85A加砷黄铜 H85A Cu84.0~86.0, As0.02~0.08 68A加砷黄铜 H68A Cu67.0~70.0, As0.03~0.06 硅黄铜 80-3硅黄铜 HSi80-3 Cu79.0~81.0, Si2.5~4.0

加工白铜的牌号及化学成分（摘自GB/T5231－2001） 组别 牌 号 化学成分，% 名称 代号 普通白铜 0.6白铜 B0.6 Ni+Co0.57~0.63, 余量Cu 19白铜 B192) Ni+Co18.0~20.0, 余量Cu 25白铜 B25 Ni+Co24.0~26.0, 余量Cu 30白铜 B30 Ni+Co29~33, 余量Cu 铁 白铜 5-1.5-0.5铁白铜 BFe5-1.5-0.5[C70400] Ni+Co4.8~6.2, Fe1.3~1.7, Mn0.30~0.8, 余量Cu 10-1-1铁白铜 BFe10-1-1 Ni+Co9.0~11.0, Fe1.0~1.5, Mn0.5~1.0, 余量Cu 30-1-1铁白铜 BFe30-1-1 Ni+Co29.0~32.0, Fe0.5~1.0, Mn0.5~1.2, 余量Cu 锰 40-1.5锰白铜 BMn40-1.53) Ni+Co39.0~41.0, Mn1.0~2.0, 余量Cu 43-0.5锰白铜 BMn43-0.53) Ni+Co42.0~44.0, Mn0.10~1.0, 余量Cu 锌 18-18锌白铜 BZn18-18[C75200] Ni+Co16.5~19.5, Cu63.5~66.5, 余量Zn 15-20锌白铜 BZn15-20 Ni+Co13.5~16.5, Cu62.0~65.0, 余量Zn 铝 13-3铝白铜 BAl13-3 Ni+Co12.0~15.0, Al2.3~3.0, 余量Cu 6-1.5铝白铜 BAl16-1.5 Ni+Co5.5~6.5, Al1.2~1.8, 余量Cu

（ 3）青铜：除Zn 、Ni以外的其它元素为主要合金元素的铜合金。 按所含主要合金元素的种类分：锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜、锆青铜、铬青铜等。 加工青铜的代号： Q+主要合金元素符号+主要合金元素含量－+添加元素含量。 例： QSn4-3：平均Sn含量为4%，Zn含量为3%，余量为Cu的加工锡青铜； QAl9-2：Al含量为9%，含Mn量为2%，Cu为余量的加工铝青铜。 QBe2：Be含量为2%，余量为Cu的加工铍青铜。

加工青铜的牌号和化学成分（摘自GB/T5231－2001） 组别 牌 号 化学成分，%（余量Cu） 名称 代号 锡青铜 1.5-0.2锡青铜 QSn1.5-0.2[C50500] Sn1.0~1.7, P0.03~0.35 8-0.3锡青铜 QSn8-0.3[C52100] Sn7.0~9.0, P0.03~0.35 铝青铜 5铝青铜 QA15 Al4.0~6.0 9-5-1-1铝青铜 QA19-5-1-1 Al8.0~10.0, Ni4.0~6.0, Mn0.5~1.5, Fe0.5~1.5 铍青铜 2铍青铜 QBe2 Be1.80~2.1, Ni0.2~0.5 1.9铍青铜 QBe1.9 Be1.85~2.1, Ni0.2~0.4, Ti0.10~0.25 硅青铜 3-1硅青铜 Qsi3-1 Si2.7~3.5, Mn1.0~1.5 1-3硅青铜 QSi1-3 Si0.6~1.1, Ni2.4~3.4, Mn0.1~0.4 锰青铜 1.5锰青铜 QMn1.5 Mn1.20~1.80 5锰青铜 QMn5 Mn4.5~5.5 锆青铜 0.2锆青铜 QZr0.2 Zr0.15~0.30 0.4锆青铜 QZr0.4 Zr0.30~0.50 铬青铜 0.5铬青铜 QCr0.5 Cr0.4~1.1 1铬青铜 QCrl[C18200] Cr0.6~1.2 镉青铜 1镉青铜 QCdl[C16200] Cd0.7~1.2 镁青铜 0.8镁青铜 QMg0.8 Mg0.70~0.85 铁青铜 2.5铁青铜 QFe2.5[C19400] Fe2.1~2.6, Zn0.05~0.20, P0.015~0.15 碲青铜 0.5碲青铜 QTe0.5[C14500] Te0.40~0.7

4.2.3 黄铜 以Zn为主要合金元素的铜合金，铜中加入Zn后，颜色由紫红色→黄色，随Zn含量的增加，黄铜的颜色由黄红色→淡黄色。 4.2.3 黄铜 以Zn为主要合金元素的铜合金，铜中加入Zn后，颜色由紫红色→黄色，随Zn含量的增加，黄铜的颜色由黄红色→淡黄色。 特性：具有良好的力学性能，易加工成形，对大气、海水有相当好的耐蚀性。还具有价格低廉，色泽美丽等优点，是应用最广的重要有色金属材料。 黄铜制品

1. 普通黄铜 Cu–Zn二元合金。 工业上使用的黄铜的Zn含量均在50%以下。 室温组织：α和β＇相。 1. 普通黄铜 Cu–Zn二元合金。 工业上使用的黄铜的Zn含量均在50%以下。 室温组织：α和β＇相。 α相：Zn溶解于铜中的固溶体，晶格类型与纯铜相同，为面心立方晶格。 α相的性能：抗蚀性、塑性均与纯铜接近。 β相：以CuZn（电子化合物）为基的固溶体，电子浓度为3/2，呈体心立方晶格。 β相的性能： 高温下：β相为无序固溶体，塑性极高，适于热压力加工。 低温下：β相为有序固溶体，又称β相＇相，塑性差，脆性大，冷加工困难。

随Zn含量的增加，黄铜的导电、导热性降低。 力学性能与Zn含量的关系： 当Zn含量＜32%时，Zn完全溶于α固溶体中，起固溶强化作用，使黄铜的强度和塑性随Zn含量的↑而↑。 当Zn含量＞32%时，由于组织中出现脆性的β ‘相，使塑性↓，而强度继续↑。 当Zn含量达45～47%时，由于组织中几乎全部由β‘相组成，其强度和塑性急剧↓，没有使用价值。 Zn含量对黄铜力学性能的影响

α单相黄铜：含Zn量＜32%，为α单相组织。抗蚀性好，室温下的塑性好，但强度低，适于冷压力加工。 实际生产中使用的黄铜，按其组织分为： α单相黄铜：含Zn量＜32%，为α单相组织。抗蚀性好，室温下的塑性好，但强度低，适于冷压力加工。 α+β ＇两相黄铜：含Zn量在32～45%范围内，为α+ β ＇两相组织。适于热压力加工，热加工温度应选择在该合金所处的β相区。 (a) 单相黄铜　 α   Cu-Zn合金的显微组织 (b) 双相黄铜　α+β’

黄铜的耐蚀性： 在干燥大气及一般介质中，耐蚀性比铁及钢好。 黄铜的“自裂”（季裂）：在潮湿的大气中，含Zn量大于7%（尤其是大于20%）经过冷加工的黄铜，特别是在含有氨的情况下，会产生自动破裂的现象。 黄铜自裂的实质：经冷加工变形的黄铜制品残留有内应力，在周围介质的作用下，产生了应力腐蚀，又称“应力破裂”。 防止方法：在260～300℃的低温下，进行1～3小时的去应力退火，以降低或消除内应力。

工业上应用较多的普通黄铜为H62、H68、H80。 H62：被誉为“商业黄铜”，广泛用于制作水管、油管、散热器垫片及螺钉等。 H68：强度较高，塑性特别好，适于经冷冲压或深冲拉伸制造各种形状复杂的零件，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。 H80：色泽美观，故多用于装饰品。

2. 特殊黄铜 特殊黄铜：在普通黄铜的基础上，再加入铝、锰、硅、铅等元素的黄铜。 镍黄铜：镍―↑力学性能和耐蚀性。 2. 特殊黄铜 特殊黄铜：在普通黄铜的基础上，再加入铝、锰、硅、铅等元素的黄铜。 镍黄铜：镍―↑力学性能和耐蚀性。 铁黄铜：铁―细化晶粒和↑力学性能。 铅黄铜：铅―在黄铜中不溶解，而呈独立相存在于组织中，↑耐磨性和切削加工性能。 铝黄铜：铝―↑强度、硬度和耐蚀性。 锰黄铜：锰―↑力学性能和耐热性，同时↑在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。 锡黄铜：锡―↑耐蚀性，广泛用于船舶零件。 硅黄铜：硅―↑力学性能和耐磨性，同时↑铸造流动性和耐蚀性。

4.2.4 青铜 1. 锡青铜 Cu-Sn合金，青灰色，是人类历史上最早应用的合金。 Cu-Sn合金的力学性能与Sn含量和组织之间的关系： 4.2.4 青铜 1. 锡青铜 Cu-Sn合金，青灰色，是人类历史上最早应用的合金。 Cu-Sn合金的力学性能与Sn含量和组织之间的关系： Sn含量在＜6%时，Sn溶于铜中形成α单相固溶体，α相呈面心立方晶格，具有良好冷、热变形能力，合金的强度随Sn含量的的↑而↑。 Sn含量＞6%后，合金组织中出现了硬脆相δ（Cu31Sn8），塑性急剧↓。但一定量的δ相可以起过剩相强化作用，强度继续↑。 锡含量对锡青铜力学性能的影响 含Sn量达到25%左右时，合金中含有的δ相数量过多，强度急剧↓ 因此工业上所用的锡青铜含锡量大多在3～12%范围内。 压力加工锡青铜含Sn量＜9%； 铸造锡青铜含Sn量＜12%。

锡青铜的耐蚀性：比纯铜和黄铜都高。在潮湿大气、蒸汽、淡水、海水中都具有良好的耐蚀性。广泛用于制作蒸汽锅炉、海船的零件。 锡青铜中还可以加入其他合金元素以改善性能。 Zn，改善流动性，并可通过固溶强化作用↑合金的强度； Pb，改善耐磨性和切削加工性能； P，改善流动性，提高强度、疲劳极限、弹性极限和耐磨性，用作轴承、轴套、齿轮等耐磨零件和弹性零件等。

2. 铝青铜 铝青铜：铜与铝形成的合金。 铝含量对铝青铜力学性能的影响： Al含量在4～5%以下：随Al含量↑，强度和塑性明显↑； 2. 铝青铜 铝青铜：铜与铝形成的合金。 铝含量对铝青铜力学性能的影响： Al含量在4～5%以下：随Al含量↑，强度和塑性明显↑； Al含量＞4～5%时，塑性开始↓，但强度继续↑； Al含量＞ 10～11%时，合金中出现含有脆性相的共析体，不仅塑性很低，而且强度也↓。 所以工业用铝青铜的铝含量均不超过12%。 铝含量对铝青铜力学性能的影响

特性：与黄铜和锡青铜比较，具有更高的强度、硬度，在大气、海水、碳酸以及大多数有机酸中的耐腐蚀性也高于黄铜和锡青铜，但在过热蒸汽中不稳定。同时，具有耐磨性好，在冲击下不产生火花等特点。 用途：无锡青铜中用途最广的一种。主要用于制造耐磨、耐蚀和弹性零件，如齿轮、蜗轮、轴套、摩擦片、弹簧以及船舶制造中的特殊设备等。 缺点：塑性较差，具有“自发退火”现象，即在生产条件下，冷却较慢时有脆性相析出。

加入其他合金元素可以改善性能。 Fe，可以减小自发退火倾向，更能细化晶粒，↑再结晶温度，还能↑强度、硬度和耐磨性； Mn，能↑强度而不↓塑性，具有良好的冷、热加工工艺性和优良的耐蚀性； Ni，不仅能↑室温强度，而且能↑热强性，并具有优良的耐磨性和耐蚀性。 同时加入Ni、Fe或Mn，能发挥这些元素的综合作用，获得优良的综合性能。

3. 铍青铜 Cu-Be合金称为铍青铜。 工业用铍青铜的铍含量一般在0.2～2.1%之间。Be在固态铜中的溶解度随温度↓而急剧↓，室温时仅能溶解0.16%，铍青铜是典型的时效硬化型合金。 特性：经淬火时效处理后，具有很高的强度、硬度，接近中强度钢的水平，同时弹性极限、疲劳极限也高。铍青铜的耐磨性、耐蚀性、导电导热性能优良，无磁性，受冲击时不产生火花。 用途：在工业中被广泛用作各种重要的弹性元件、耐磨零件及防爆电器、工具等。 热处理：在保护气氛或真空中加热到780～800℃，保温8～25分钟，水冷，320℃时效，要求硬度和耐磨性为主的零件，时效时间1～2小时，对于弹性元件，时效时间2～3小时。

4.2. 5 白铜 白铜：含Ni低于50%的铜镍合金。 Cu与Ni无限互溶，各种Cu-Ni合金均为单相组织，不能热处理强化，只能固溶强化和加工硬化。 Ni含量对合金力学性能和物理性能的影响： 随着Ni含量的↑，合金的硬度、抗拉强度、热电势和电阻率均↑，合金的伸长率和电阻温度系数↓。 镍含量对铜镍合金力学性能的影响 镍含量对铜镍合金物理性能的影响

简单白铜：Cu-Ni二元合金。 特性：高的抗腐蚀疲劳性，高的抗海水冲蚀性和抗有机酸的腐蚀性。优良的冷、热加工性能。 用途：广泛地用来制造在蒸汽、淡水和海水中工作的精密仪器、仪表零件和冷凝器以及热交换器管等。 B19 ，含 19%Ni 的普通白铜，做船舶仪器零件等。 特殊白铜：Cu-Ni二元合金+其他合金元素的铜基合金。 锰白铜：具有极高的电阻，非常小的电阻温度系数，被广泛用于制造电阻器、热电偶、热电偶补偿导线以及变阻器、加热器等。 BMn40-1.5又称“康铜”，BMn43-0.5又名“考铜”，具有良好的耐热性和耐蚀性，与Cu、Fe和Ag等配偶时，有高的热电势，制造工作温度低于500～600℃的热电偶和工作温度低于500℃变阻器及加热器。 锌白铜：锌有固溶强化作用，并能提高耐蚀性。锌含量为13～30%，其中以BZn15-20锌白铜应用最广，呈银白色，有相当好的耐蚀性和力学性能，且密度小，成本低。

4.2.6 铸造铜合金 部分青铜和黄铜可以在铸态下使用，其牌号表示方法为： 4.2.6 铸造铜合金 部分青铜和黄铜可以在铸态下使用，其牌号表示方法为： ZCu+主要合金元素符号+主要合金元素名义百分含量（+辅助合金元素符号+辅助合金元素名义百分含量） 合金元素名义百分含量，以1%为一个单位，合金元素含量小于1%时，一般不标注。 铸造锡青铜：含锡量、含铅量可较加工青铜高，耐磨、耐腐蚀性较高，主要用于同时需要耐磨和耐蚀的零件。 铸造铅青铜：自润滑性好，常用作滑动轴承零件。 如 ZCuZn38，含38% Zn 。 ZCuSn10Zn2，含Sn10%，Zn2% 。

铸造铜合金的牌号和化学成分（摘自GB/T1176-1987） 合金名称 牌号 化学成分，% 3-8-6-1锡青铜 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 Sn2.0~4.0, Zn6.0~9.0, Pb4.0~7.0, Ni0.5~1.5, 余量Cu 10-2锡青铜 ZCuSn10Zn2 Sn9.0~11.0, Zn1.0~3.0, 余量Cu 10-10铅青铜 ZCuPb10Sn10 Pb8.0~11.0, Sn9.0~11.0, 余量Cu 30铅青铜 ZCuPb30 Pb27.0~33.0, 余量Cu 8-13-3铝青铜 ZCuAl8Mn13Fe3 Al7.0~9.0, Mn12.0~14.5, Fe2.0~4.0,余量Cu 9-4-4-2铝青铜 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 Al8.5~10.0, Fe4.0~5.0, Ni4.0~5.0, Mn0.8~2.5, 余量Cu 10-3铝青铜 ZCuAl10Fe3 Al8.5~11.0, Fe2.0~4.0, 余量Cu 38黄铜 ZCuZn38 Cu60.0~63.0, 余量Zn 25-6-3-3铝黄铜 ZCuZn25Al6Fe3Mn3 Cu60.0~66.0, Al4.5~7.0, Fe2.0~4.0, Mn1.5~4.0, 余量Zn 26-4-3-3铝黄铜 ZCuZn26Al4Fe3Mn3 Cu60.0~66.0, Al2.5~5.0, Fe1.5~4.0, Mn1.5~4.0, 余量Zn 38-2-2锰黄铜 ZCuZn38Mn2Pb2 Cu57.0~60.0, Mn1.5~2.5, Pb1.5~2.5, 余量Zn 40-2锰黄铜 ZCuZn40Mn2 Cu57.0~60.0, Mn1.0~2.0, 余量Zn 40-3-1锰黄铜 ZCuZn40Mn3Fe1 Cu53.0~58.0, Mn3.0~4.0, Fe0.5~1.5, 余量Zn 33-2铅黄铜 ZCuZn33Pb2 Cu63.0~67.0, Pb1.0~3.0, 余量Zn 16-4硅黄铜 ZCuZn16Si4 Cu79.0~81.0, Si2.5~4.5, 余量Zn

4.3 镁及镁合金 4.3.1 纯镁 镁在地壳中的储藏量：第三位，仅次于铝和铁。 4.3 镁及镁合金 4.3.1 纯镁 镁在地壳中的储藏量：第三位，仅次于铝和铁。 几乎与铝同时发现，但纯镁的化学性质很活泼，冶炼技术困难，在工业上的应用比较晚。 1、物理性能 外观：银白色； 密度：1.74g/cm3，是工业用金属中最轻的一种。 熔点：650±1℃，沸点：1100±10℃， 熔化热：8.71kJ/mol。 在元素周期表中的位置：第三周期、第二主族； 原子序数：12； 常见化合价：+2价； 晶体结构：密排六方。

2、化学性能 电极电位：很低。电化学排序处于常用金属的最后一位，因此抗蚀性较差，在潮湿大气、淡水、海水和绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。 在氢氟酸水溶液和碱类以及石油产品中具有比较高的抗腐蚀性。 化学活性：很高。在空气中易氧化，所形成的氧化膜疏松多孔，对膜下层金属无明显保护作用。 在高温下镁的氧化更为剧烈，若散热不充分，可发生燃烧。

3、力学性能 在室温下的滑移系少，塑性较低，冷变形能力很差。强度不高，与纯铝接近，一般不作结构材料使用。 4、用途： 主要配制镁合金和其它合金，其次用作化工与冶金的还原剂，余下的则用于烟火工业、钢铁脱硫等。 5、牌号 Mg+数字 数字：Mg的质量分数。 6、制备 工业上主要采用熔盐电解法或热还原法制备镁，其中熔盐电解镁占全世界镁生产总量的80%。

纯镁的牌号和化学成分（摘自GB/T5153－2003） 新牌号 旧牌号 化学成分（质量分数）（%） Mg Al Mn Si Fe Nir Ti 其他 单个 合计 Mg99.95 － ≥99.95 ≤0.01 ≤0.004 ≤0.005 ≤0.003 ≤0.001 ≤0.05 Mg99.50 Mg1 ≥99.50 ≤0.50 Mg99.00 Mg2 ≥99.00 ≤1.0

4.3.2、镁合金 1、镁的合金化 合金化原理：基本上与铝相似，加入合金元素，产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩相强化作用，以↑合金的力学性能、抗腐蚀性和耐热性。 常用合金元素：Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素等。 Al： 在镁中的极限固溶度12.1%，在室温时的固溶度2.0%左右。有较大的固溶强化作用，Mg-Al合金可以进行时效强化，其强化相是Mg4Al3（γ）相。 Zn： 在镁中的最大固溶度约6.2%，其固溶度随温度↓而显著↓，也有固溶强化作用，Mg-Zn合金亦能时效强化，其强化相是MgZn。但Zn的强化效果不如Al。 Mn： 能↑合金的熔点，加入Mn主要是为了↑合金的耐热性、抗蚀性及焊接性能。

Zr： 少量Zr，可细化晶粒，减少热裂倾向，↑力学性能；↑镁合金的熔点，改善高温性能和耐蚀性。 但Zr的化学活性高，易与其他元素如Al、Si、Fe、Sn、Ni、Mn等元素形成难熔金属间化合物，而丧失Zr的细化晶粒作用，因此加Zr的镁合金不能同时加入其他元素，但可与Zn同时加入镁中。 稀土元素：显著↑镁合金的耐热性，细化晶粒，减少热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能，一般无应力腐蚀倾向。 杂质：以Fe、Cu和Ni危害性最大，其含量应严格控制。

2、镁合金的热处理 固溶+时效处理 但由于镁合金的组织结构上的差别，与铝合金相比具有以下特点： (1)淬火加热温度较低，加热速度不宜过快，保温时间较长。 原因：①组织粗大，达不到平衡状态，合金熔点要比平衡状态低些，加热温度较高或加热速度过快，都易产生过烧；②合金元素在镁中的扩散速度非常慢，过剩相的溶解速度也比较慢，所以镁合金的加热保温时间要比铝合金长得多。 (2)淬火冷却可采用空冷或在70～100℃水中冷却。 原因：合金元素在镁基固溶体中的扩散速度小，在淬火冷却过程中强化相自过饱和固溶体中析出的倾向比铝合金小得多。相反若采用冷水淬火，则会引起工件变形，还会沿晶界产生晶间裂纹。

（3）切忌用硝盐浴炉加热，一般在真空热处理炉、箱式电炉或井式电炉中加热。 原因：化学活性很高，在高温下镁合金易发生氧化或燃烧，特别是在高温的硝盐浴中会发生剧烈的化学作用而引起爆炸。在箱式电炉或井式电炉中加热时，需通入SO2气体或在炉内加入黄铁矿（FeS2）产生SO2气体作为保护气氛，由于SO2气体有毒，加热设备应加以密封，在操作时还应有防护设备。 （4）镁合金一般都采用人工时效处理。 原因：镁合金过饱和固溶体析出强化相的速度极慢，自然时效后达不到应有的强化效果。 热处理工艺方法有四种： 铸后或锻后直接人工时效、退火、淬火不时效、淬火+人工时效。 具体工艺规范根据合金成分特点及性能要求确定。

3、变形镁合金 我国变形镁合金的牌号表示方法，GB/T 5153－2003与GB/T 5153－1985相比有较大的变化。 英文字母+数字+英文字母 前面的英文字母：主要的合金元素代号； 数字：主要合金元素的大致含量； 最后的英文字母：标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有很小差别的不同合金。 合金元素代号 元素代号 A E K L M N R Z 元素名称 铝 稀土 锆 锂 锰 镍 铬 锌

从化学成分上，分为四类。 Mg-Al-Zn系： 典型牌号：AZ40M（MB2）、AZ41M（MB3）、AZ61M（MB5）、AZ62M（MB6）、AZ80M（MB7）。 Al：主要元素，有显著的固溶强化作用，能↑合金的强度； Zn和Mn：辅助元素， Zn—补充强化和改善塑性；少量Mn—改善合金的抗蚀性。 热处理：可热处理强化，在含Al量较低时热处理强化效果不显著。 含Al量较低的AZ40M、AZ41M等：在退火态下使用； 含Al量较高的AZ62M、AZ80M等：在淬火态(强度和塑性都较高)、或淬火+人工时效态(相同强度时，硬度比较高)下使用。 主要特点：强度高，并有良好的铸造性能。但抗蚀性不如Mg－Mn系合金。 是应用最早、使用最广的一类镁合金。

Mg-Mn系： 典型牌号： M2M （MB1） 主要合金元素：Mn—改善纯镁的抗蚀性。 主要特性：优良的抗蚀性，无应力腐蚀倾向，焊接性能良好，但强度较低。 Mg-Mn-RE系： 典型牌号： ME20M（MB8） 在Mg-Mn系合金M2M基础上加入少量稀土元素Ce形成。 主要特性：较高的强度和较好的高温性能，ME20M的工作温度可达200℃，M2M只能用作在150℃以下工作的零件。 热处理：Mg-Mn系合金和Mg-Mn-RE系合金热处理强化效果甚微，故只进行退火处理，以消除加工硬化，提高合金的塑性。

Mg-Zn-Zr系：后发展起来的高强度镁合金。 典型牌号：ZK61M（MB15）。 主要合金元素：Zn和Zr。 Zn：起固溶强化作用及通过热处理↑合金的屈服极限，其Zn含量以6%左右为宜。 Zr：细化合金组织，↑强度，改善合金的塑性和抗蚀性，并能↑合金的耐热性。Zr含量在0.5～0.8%时，效果最佳。 热处理：具有较高的热处理强化效果，均在热处理状态下使用。 ZK61M的人工时效：可在热加工后直接进行，也可在淬火后进行。 主要特性：在室温下有很高的强度，特别是屈服极限很高，还有良好的抗蚀性和抗应力腐蚀稳定性，以及良好的热加工工艺性。但铸造性能不够理想，熔炼工艺较复杂。

变形镁合金的新、旧牌号对照及化学成分（摘自GB/T5153－2003） 组别 新 牌号 旧 化学成分（质量分数）（%） Mg Al Zn Mn Ce Zr MgAlZn AZ31B － 余量 2.5～3.5 0.60～1.4 AZ31S 2.4～3.6 0.50～1.5 0.15～0.40 AZ31T 0. 05～0.40 AZ40M MB2 3.0～4.0 0.20～0.80 0.15～0.50 AZ41M MB3 3.7～4.7 0.80～1.4 0.30～0.60 AZ61A 5.8～7.2 0.40～1.5 AZ61M MB5 5.5～7.0 AZ61S 5.5～6.5 AZ62M MB6 5.0～7.0 2.0～3.0 0.20～0.50 AZ63B 5.3～6.7 0.15～0.60 AZ80A 7.8～9.2 0.12～0.50 AZ80M MB7 AZ80S 0.12～0.40 AZ91D 8.5～9.5 0.45～0.90 0.17～0.40 MgMn M1C ≤0.01 0.50～1.3 M2M MB1 ≤0.20 ≤0.30 1.3～2.5 M2S 1.2～2.0 MgZnZr ZK61M MB15 ≤0.05 5.0～6.0 ≤0.10 0.30～0.90 ZK61S 4.8～6.2 0.45～0.80 MgMnRE ME20M MB8 1.3～2.2 0.15～0.35

4、铸造镁合金 GB/T1177—1991规定了我国铸造镁合金的牌号表示方法: ZMg+主要合金元素符号+主要合金元素百分含量 从化学成分上，分为MgZnZr系、MgREZnZr系和MgAlZn系三个组别。

MgZnZr系： 主要合金元素： Zn、Zr；辅助元素：铈， Ag 典型牌号：ZMgZn5Zr（ZM1），ZMgZn4REZr（ZM2）ZMgZn8AgZr（ZM7）。 Zn：固溶强化，通过热处理↑合金的屈服极限； Zr：细化合金组织，↑强度，改善塑性和抗蚀性，↑耐热性。 稀土（铈）：↑合金的耐热性。 Ag：主要起固溶强化作用。 热处理：具有较高的热处理强化效果。 ZM1和ZM2：铸造后进行人工时效处理，ZM2的高温力学性能良好，但常温时力学性能比ZM1低。 ZM7：含Zn量最高，又有Ag的固溶强化作用，所以是所有铸造镁合金中强度最高的合金，同时具有好的塑性，可用于飞机轮毂等受力构件。

MgREZnZr系：耐热镁合金。 典型牌号：ZMgRE3ZnZr(ZM3)、ZMgRE3Zn2Zr(ZM4)、ZMgRE2ZnZr(ZM6)。 均可用于250℃以下工作的各种零件。 ZMgRE3ZnZr(ZM3)、ZMgRE3Zn2Zr(ZM4)： 稀土主要成分：铈(Ce)，镁－稀土(铈)合金的耐热性虽好，但室温强度很低，加入少量Zr和Zn能提高室温强度。 ZMgRE3ZnZr(ZM3)：只在铸态或退火态下使用， ZMgRE3Zn2Zr(ZM4)：可在铸造后进行人工时效后使用。 ZMgRE2ZnZr(ZM6)：耐热高强度铸造镁合金 稀土的主要成分：钕(Nd)，Nd在镁中的固溶度较Ce大，因此具有较大的热处理强化效果。 530±5℃加热，保温12小时，空冷，200℃人工时效16小时，强度及塑性均优于ZM3、ZM4。

MgAlZn系： 典型牌号：ZMgAl8Zn（ZM5）、ZMgAl10Zn（ZM10）。 热处理：含Al量高，热处理强化效果较显著，在热处理状态下使用。 ZMgAl8Zn（ZM5）：铸造性能好，在固溶处理后强度高，塑性好，是广泛使用的一种铸造镁合金，主要用作形状复杂的大型铸件和受力较大的飞机及发动机零件。 ZMgAl10Zn（ZM10）：含Al量最高，是耐蚀性最好的镁合金。

铸造镁合金牌号及化学成分（摘自GB/T1177—1991） 合金组别 合金牌号 合金 代号 化学成分（质量分数）（%） Zn Al Zr RE Mn Ag   MgZnZr ZMgZn5Zr ZM1 3.5～5.5 － 0.5～1.0 ZMgZn4REZr ZM2 3.5～5.0 0.75～1.75 ZMgZn8AgZr ZM7 7.5～9.0 0.6～1.2 MgREZnZr ZMgRE3ZnZr ZM3 0.2～0.7 0.4～1.0 2.5～4.0 ZMgRE3Zn2Zr ZM4 2.0～3.0 ZMgRE2ZnZr ZM6 2.0～2.8 MgAlZn ZMgAl8Zn ZM5 0.2～0.8 0.15～0.5 ZMgAl10Zn ZM10 9.0～10.2 0.1～0.5

5、镁及镁合金产品的应用 汽车、摩托车、飞机零件 （减震、节能、提高驾乘舒适度） 轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体

轿车用镁合金齿轮箱

镁合金曲轴发动机后盖； 镁合金前、后轮毂； 镁合金后扶手； 镁合金锁扣。 镁合金曲轴发动机左、右箱体盖； 全镁概念摩托车，12个零部件 用镁合金替代（减重6Kg）

镁合金高比强度、良好电磁屏蔽和散热能力，优越的装饰及易于回收的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。

全镁合金手机、笔记本电脑等产品

办公用品

兵器（减重）

飞行器结构件

压力容器

4.4 钛及钛合金 4.4.1 纯钛 蕴藏量：居金属元素的第四位（铝、铁、镁）。 18世纪末发现， 20世纪50年代得到迅速发展和应用。 4.4 钛及钛合金 4.4.1 纯钛 蕴藏量：居金属元素的第四位（铝、铁、镁）。 18世纪末发现， 20世纪50年代得到迅速发展和应用。 1、物理性能 元素周期表中的位置：Ⅳa(第四周期、第四副族)。 原子序数：22 密度：4.509g/cm3，介于铝和铁之间。 熔点：1668±10℃，比铁的熔点还高。 晶体结构：在固态下具有同素异构转变。 882.5℃ α-Ti β-Ti 密排六方 体心立方 当发生转变时有5.5%的体积变化。

2、化学性能 与氧和氮能形成稳定性极高的、致密的氧化物和氮化物保护膜，不仅在大气、潮湿气体中有极高的抗蚀性，在淡水和海水中也有极高的抗蚀性。 在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢、镍基合金都好。 在室温下对不同浓度的硝酸、铬酸均有极高的稳定性，在碱溶液及大多数有机酸中都有高的抗蚀性。 但在任何浓度的氢氟酸中，均能迅速溶解。 在550℃以下抗蚀性好。 但在550℃以上，能与氧、氮、碳等气体强烈反应（如在N2中加热能燃烧），造成严重污染，并使钛迅速脆化，无法使用。

钛中常见的杂质（氧、碳、氮等）的存在，会使钛的强度升高，塑性降低。 3、力学性能 高纯钛的强度不高，塑性很好。 钛中常见的杂质（氧、碳、氮等）的存在，会使钛的强度升高，塑性降低。 抗拉强度σb/MPa 235 屈服强度σ0.2/MPa 140 断后伸长率δ(%) 54 硬度(HBS) 60~74 弹性模量(拉伸) E/GPa 106

4、钛的制备与加工钛的牌号 TiO2氯化→TiCl4，用镁或钠还原→海绵钛（粒状），自耗电极电弧炉中熔炼→工业纯钛（纯度达99.5% ）。 海绵钛→TiI4，热分解→高纯钛或碘法钛（纯度99.9%）。 加工钛的牌号和化学成分（摘自GB/T3620.1－1994） 合金 牌号 化学成分组 化学成分（质量分数）（%） 主要成分 杂质 不大于 Ti Fe C N H O 其他元素 单一 总和 TAD 碘法钛 余量 0.03 0.01 0.015 0.05 － TA0 工业纯钛 0.15 0.10 0.1 0.4 TA1 0.25 0.20 TA2 0.30 TA3 0.40

5、纯钛的应用 碘法钛：化学稳定性好，但强度很低，很少作为结构材料使用。 工业纯钛：含有较多量的氧、氮、碳及多种其他杂质元素（如铁、硅等），强度大大提高，力学性能和化学性能与不锈钢相似。实质上是一种低合金含量的钛合金。 工业纯钛的特点： 强度不高，但塑性好，易于加工成形，冲压、焊接、可切削加工性能良好； 在大气、海水、湿氯气及氧化性、中性、弱还原性介质中具有良好的耐蚀性，抗氧化性优于大多数奥氏体不锈钢； 但耐热性较差，使用温度不宜太高。

TA0→TA1→TA2→TA3，间隙杂质元素逐渐↑，强度↑,但塑性、韧性↓。 工业纯钛主要用作工作温度350℃以下，受力不大但要求塑性的冲压件和耐蚀结构零件。 例如：飞机的骨架、蒙皮、发动机附件；船舶用耐海水腐蚀的管道、阀门、泵及水翼、海水淡化系统零部件，化工上的热交换器、泵体、蒸馏塔、冷却器、搅拌器、三通、叶轮、紧固件、离子泵、压缩机气阀以及柴油发动机活塞、连杆、叶簧等。 TA1、TA2在WFe为0.095%、WO为0.08%、WH为0.0062%时，具有很好的低温韧性和高的低温强度，可用作－253℃以下的低温结构材料。

4.4.2 钛的合金化 1、钛合金中合金元素的分类： 按与α钛和β钛的相互作用，以及对同素异构转变温度的影响分为α相稳定元素、β相稳定元素及中性元素三类。 （1）α稳定元素：Al、Ga、B，还有C、O、N。 ↑α-Ti→β-Ti转变温度，扩大α相区并增加α相在热力学上的稳定性。 在α钛中有较大的固溶度，在α+β双相合金中优先溶于α相，是强化α相的主要组元。 其中只有铝在配制合金的生产中得到广泛应用。Al可固溶强化α相，少量溶于β相，↑α+β的时效能力，↑合金的室温、高温强度，改善抗氧化性。 各类钛合金中，几乎都添加了Al，但含量不超过7%。

（2）β稳定元素： （3）中性元素：Sn、Zr、Hf等 ↓α-Ti→β-Ti转变温度，扩大β相区并增加β相在热力学上的稳定性。 在β钛中可无限互溶或有较大的溶解度，在α+β双相合金中优先溶于β相内，是强化β相的主要组元。 β钛同晶元素：Mo、V、Nb、Ta等，与钛性质相似，原子半径差别较小，在β钛中可无限互溶。 Β共析元素：Cr、Fe、Mn、Co、Cu、Ni、Si、W等，与β钛的原子半径差别较大，在β钛中仅形成有限固溶体。但在同样含量时，固溶强化效果大于β同晶元素。 （3）中性元素：Sn、Zr、Hf等 在α钛和β钛中均有很大溶解度，并且在实用含量范围内，对α-Ti→β-Ti转变温度影响不大。

2、钛合金的分类及牌号 钛合金是按退火状态的组织分类的： （1）α型钛合金 不含或只含极少量的β稳定元素； 退火态组织：单相α固溶体或α固溶体+微量金属间化合物。 牌号：TA+顺序号。 （2）β型钛合金 含有大量的β稳定元素； 退火态组织：单相β固溶体。 牌号：TB+顺序号。 （3）α+β型钛合金 含有α稳定元素Al，还含有一定量的β稳定元素； 退火态组织：α+β固溶体。 牌号：TC+顺序号。

加工钛合金的牌号和化学成分（摘自GB/T3620.1－1994） 合金牌号 化学成分组 主要成分 TA4 Ti-3Al Al2.0～3.3 TA5 Ti-4Al-0.005B Al：3.3～4.7，B0.005 TA7 Ti-5Al-2.5Sn Al：4.0～5.5，Sn：2.0～3.0 TA9 Ti-0.2Pd Pd0.12～0.25 TA10 Ti-0.3Mo-0.8Ni Mo0.2～0.4， Ni0.6～0.9 TB2 Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr Al2.0～3.3，Mo4.7～5.7，V4.7～5.7，Cr7.5～8.5 TB3 Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe Al2.7～3.7，Mo9.5～11.0，V7.5～8.5，Fe0.8～1.2 TB4 Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr Al3.0～4.5，Mo6.0～7.8，V9.0～10.5，Fe1.5～2.5，Zr0.5～1.5 TC1 Ti-2Al-1.5Mn Al1.0～2.5，Mn0.7～2.0 TC4 Ti-6Al-4V Al5.5～6.8，V3.5～4.5 TC9 Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si Al5.8～6.8,Mo2.8～3.8,Sn1.8～2.8，Si0.2～0.4 TC10 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe Al5.5～6.5，V5.5～6.5，Sn1.5～2.5， Cu0.35～1.0，Fe0.35～1.0 TC11 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si Al5.8～7.0，Mo2.8～3.8，Zr0.8～2.0，Si0.20～0.35 TC12 Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1Nb Al4.5～5.5，Mo3.5～4.5，Cr3.5～4.5，Zr1.5～3.0，Sn1.5～2.5， Nb0.5～1.5

3、合金化原则 合金化原理：多元固溶强化为主，时效弥散强化为辅。 （1）α型钛合金 主加：α稳定元素Al； 辅加：中性元素Sn和Zr。 主要作用：固溶强化，在↑强度的同时，不明显↓合金的塑性； Sn和Zr：能显著↑合金的抗蠕变能力。 （2）β型钛合金 主加：β稳定元素，如Mo、V、Cr、Fe等，以保证合金在退火状态或淬火状态下为β单相组织； 辅加：一定数量的α稳定元素Al。

（3）α+β型钛合金 同时加入β稳定元素（如V、Mn、Cr、Fe、Mo、Si、Nb、Cu等）和α稳定元素Al，有时还加入中性元素Sn、Zr。 加入的β稳定元素，不仅可固溶强化β相，提高β相的强度，而且有利于进行时效弥散强化。 V：在↑强度的同时，还能保持良好的塑性； Mo：减少氢脆倾向； V和Mo：还能↑抗蠕变能力和热稳定性。 Cu：↑热稳定性和热强性； Si：有效↑热强性和抗蠕变能力，但↓热稳定性，含量应控制，不超过0.40%。 Al、Sn、Zr：固溶强化α相，↑α相的强度，↑时效组织的弥散度，显著↑时效强化的效果。

4.4.3 钛合金的热成型 1、熔炼 熔炼炉：真空自耗电弧炉，等离子炉。 为避免合金元素的偏析，需进行一至二次的重熔，以获得成分均匀的铸锭。 4.4.3 钛合金的热成型 1、熔炼 熔炼炉：真空自耗电弧炉，等离子炉。 为避免合金元素的偏析，需进行一至二次的重熔，以获得成分均匀的铸锭。 2、热加工 注意事项： 加热需在真空或保护气氛中进行。（极易吸收H、O、N，↓塑性并损害工件的力学性能）。 在加热大截面或高合金化的锭坯时，应采用分段加热的方式（导热系数低）。 在高温下锻造时，需选用好的润滑剂（钛的摩擦系数大，易与模具粘结）。 采用等温锻造方法可以锻出形状复杂、精度高的锻件。

4.4.4 钛合金的热处理 1、热处理原理 热处理强化的基本原理：既与铝合金相似，属于淬火时效强化类型；又与钢的热处理相似，也有马氏体相变。 4.4.4 钛合金的热处理 1、热处理原理 热处理强化的基本原理：既与铝合金相似，属于淬火时效强化类型；又与钢的热处理相似，也有马氏体相变。 钛合金淬火后能不能得到介稳定相，是判断钛合金能否热处理强化的先决条件。 钛合金中的介稳定相：α＇相、α ＂相、ω相和过冷的β ＇ 。

α＇相、 α＂相：自β相区淬火时，发生无扩散型相变→针状过饱和固溶体。 α ＇相为六方晶格，α＂相为斜方点阵，硬度略比α平衡相高，α＂相比α＇相低些。 马氏体相变：β→α＇的相变和β→α＂的相变。 与钢中马氏体转变相似，有晶格类形的变化，有Ms点。但α＇相和α＂相是置换型固溶体，硬度低，塑性好，强化效果不大。而钢中的马氏体是间隙固溶体，强化效果显著。 β＇相：合金元素含量很高， Ms点降到室温以下，从β或α+β相区淬火时， 被保留下来的过饱和固溶体，为介稳定β相或过冷β相。β＇相极不稳定，在一定条件下会发生分解，在分解的不同阶段将析出α＇、α＂、ω相和稳定的α相，引起合金性能的变化。β＇相具有很好的塑性，但强度、硬度低。 ω相：β‘→α的中间过渡相，具有畸变的体心立方点阵，并与残留的β’共格，具有很高的硬度和脆性，不能加以应用，在生产中避免和消除ω相的出现。

α型和含β相稳定元素少的α+β型：淬火只能到得α＇和α＂相，强化效果不大，不采用淬火工艺，只在退火态下使用。 β型和含β相稳定元素多的α+β型：淬火可到得β＇相，时效后，析出α相，可使合金强化。

2、热处理工艺 钛合金的热处理方式有退火、固溶及时效、形变热处理、化学热处理等。 （1）退火 退火目的：使组织和相成分均匀，↓硬度，↑塑性，消除压力加工、焊接或机械加工所引起的内应力。 退火方式：消除应力退火，完全退火，双重退火。 消除应力退火温度：T＜TR（合金的再结晶温度） 完全退火温度：T＞ TR 双重退火：包括高温及低温两次退火处理，使合金组织更接近平衡状态，保证在高温及长期应力作用下的组织和性能的稳定性，特别适用于耐热钛合金。 采用真空退火是防止氧化及污染的有效措施，也是消除钛合金中氢脆的主要手段之一。

（2）淬火 （3）时效 加热温度： α+β型：一般选在（α+β）两相区的上部范围，而不是加热到β单相区，以防止晶粒粗大，引起韧性降低。 β型钛合金：既可以选择在（α+β）两相区的上部范围，也可选择在β单相区的低温段。 保温时间：主要根据工件的截面厚度而定； 冷却方式：水冷，也可空冷。 （3）时效 时效温度：应避开ω相脆化区，若温度太低，就难于避开ω相，温度太高，则α析出相粗大，合金强度降低。 450～480℃时效：出现最大的强化效果，但塑性低； 实际时效温度：500～600℃，以获得更好的塑性。 时效时间：根据合金类型一般在2～12小时。

4.4.5 常用加工钛合金的特性及应用 1、α型钛合金 特点：不能热处理强化，通常在退火状态下使用。具有良好的热稳定性和热强性以及优良的焊接性，在惰性气体保护下可以进行各种方法的焊接。 缺点：室温强度较低，塑性变形能力较其他类型钛合金差。 应用： TA4：中等强度范围的结构材料。 TA5、TA6：400℃以下在腐蚀介质中工作的零件及焊接件，如飞机蒙皮、骨架零件、压气机壳体、叶片、船舶零件等。 TA7：500℃以下长期工作的结构件和各种模锻件，短时使用可到900℃。亦可用作超低温（-253℃）部件（如超低温用的容器）。

2、β型钛合金 特点：在淬火态具有很好的塑性，可以冷成型；淬火+时效后，具有很高的强度；可焊性好；以及在高的屈服强度下具有高的断裂韧性值。 缺点：热稳定差。 应用：在350℃以下工作的零件，主要用于制造各种整体热处理（固溶、时效）的板材冲压件和焊接件；如压气机叶片、轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等 。

3、α+β型钛合金 特点：具有较高的力学性能和优良的高温变形能力，能较顺利地进行各种热加工，并能通过淬火+时效处理，使合金的强度大幅度提高。 缺点：合金的热稳定性差，焊接性能不如α型钛合金。 TC1和TC2：为Ti-Al-Mn系合金，由于Mn含量低，在合金组织中β相数量少，故不能热处理强化，通常只在退火态下使用。退火后塑性接近于工业纯钛并有优良的低温性能，强度比工业纯钛高，可作低温材料使用。 TC3、TC4和TC10合金：Ti－Al－V系合金。具有良好的综合力学性能，没有脆性的第二相，组织稳定性高，可在较宽的温度范围使用，因此获得广泛应用。

TC4（Ti-6Al-4V）：应用最广，其产量占世界各国钛合金总产量的60%，可用作火箭发动机外壳、航空发动机压气机盘和叶片、结构件和紧固件等。 TC10：在TC4基础上加入2%Sn、0.5%Cu和0.5%Fe，强度和热强性较高。 TC9、TC11和TC12合金：Ti－Al－Mo系合金。 Mo：代替V主要目的是减少钛合金的氢脆倾向； 同时加入Sn、Zr：提高合金的时效强化效果； 加入少量Si、Nb：提高合金的热强性，使钛合金的室温强度达到了1200MPa，500℃时的抗拉强度达到了870MPa，可以用作500℃以下长期工作的零件，如用作飞机喷气发动机的压气机盘和叶片。

4.4.6 铸造钛及钛合金 钛及钛合金也可以直接浇注成铸件。 牌号： ZTi+合金元素符号+合金元素的名义含量 代号： 4.4.6 铸造钛及钛合金 钛及钛合金也可以直接浇注成铸件。 牌号： ZTi+合金元素符号+合金元素的名义含量 代号： ZT+A、B或C（分别表示α型、β型和α+β型钛合金）+顺序号 顺序号与同类型加工钛合金的表示方法相同。 铸造钛及钛合金一般都在退火状态下使用。

铸造钛及钛合金的牌号和化学成分（摘自GB/T15073－1994） 化学成分（质量分数）（%） 主要成分 杂质 不大于 牌号 代号 Ti Al Sn Mo V Nb Fe Si C N H O 其他 元素 单一 总和 ZTi1 ZTAl 基 － 0.25 0.10 0.03 0.015 0.40 ZTi2 ZTA2 0.30 0.15 0.05 0.35 ZTi3 ZTA3 ZTiAl4 ZTA5 3.3～4.7 0.04 0.20 ZTiAl5 Sn2.5 ZTA7 4.0～6.0 2.0～3.3 0.50 ZTiMo32 ZTB32 30.0～34.0 ZTiAl6V4 ZTC4 5.5～6.8 3.5～4.5 ZTiAl6Sn4.5 Nb2Mo1.5 TC21 5.5～6.5 4.0～5.0 1.0～2.0 1.5～2.0

钛及钛合金铸件的力学性能（摘自GB/T6614－1994） 牌号 代号 抗拉强度 σb/MPa 规定残余伸长应力 σ0.2/MPa 断后伸长率 δ5（%） 硬度 （HBS） 不小于 不大于 ZTi1 ZTAl 345 275 20 210 ZTi2 ZTA2 440 370 13 235 ZTi3 ZTA3 540 470 12 245 ZTiAl4 ZTA5 590 490 10 270 ZTiAl5Sn2.5 ZTA7 795 725 8 335 ZTiMo32 ZTB32 2 260 ZTiAl6V4 ZTC4 895 825 6 365 ZTiAl6Sn4.5Nb2Mo1.5 TC21 980 850 5 350

4.5 轴承合金 滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。 4.5.1 工作条件及性能要求 4.5　轴承合金 滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。 4.5.1 工作条件及性能要求 工作条件 ：与轴颈之间有强烈的摩擦磨损，并承受轴传递的交变载荷和冲击。 性能要求 ： 良好的承压能力、冲击韧性好疲劳强度。 一定的硬度、良好的耐磨性和减摩性好。 导热、抗蚀性好。 强度塑性良好配合，与轴颈的磨合性能优秀。 轴瓦 组织要求：软基体上分别硬质点或硬基体上分布软质点。

4.5.2 滑动轴承合金的分类与牌号 分类：锡基、铅基、铜基、铝基合金等。 锡基、铅基合金——巴氏合金。 使用状态：铸态。 牌号： 4.5.2 滑动轴承合金的分类与牌号 分类：锡基、铅基、铜基、铝基合金等。 锡基、铅基合金——巴氏合金。 使用状态：铸态。 牌号： Z+基体元素符号+主加元素符号+主加元素质量分数+辅加元素符号+辅加元素质量分数…… 例如：ZSnSb12Pb10Cu4， WSb=12%，WPb=10%，WCu=4%的锡基轴承合金。

4.5.3 常用的滑动轴承合金 Sn基轴承合金 α软基体 + 硬质点（白方块是β-SnSb ＋白针状Cu6Sn5 ） Pb基轴承合金 4.5.3 常用的滑动轴承合金 Sn基轴承合金 　ZSnSb11-6（含11%Sb，6%Cu）。 　α软基体 + 硬质点（白方块是β-SnSb ＋白针状Cu6Sn5 ） Pb基轴承合金 　ZPbSb16-16-2 　(α＋β)共晶软基体 + 硬质点 ZSnSb11-6的组织，×100 Cu基轴承合金 —— 做大载荷、高速轴承。 　Pb青铜，ZQPb30，Cu硬基体＋Pb软质点。 　Sn青铜，ZQSn10-1，软基体＋硬质点。

部分锡基和铅基轴承合金的牌号、成分、力学性能及用途 组别 代号 化学成分，% 力学性能 熔点 ℃ 用途 Sn Sb Pb Cu σb/MPa δ/% HBS 锡基轴承合金 ZSnSb11Cu6 余量 10.0～12.0 - 5.5～6.5 90 6.0 27 241 2000马力以上的高速汽轮机，500马力的涡轮机，高速内燃机轴承 ZSnSb8Cu4 7.0～8.0 3.0～4.0 80 10.6 24 － 一般大机械轴承及轴衬，重载、高速汽车发动机轴承 ZSnSb4Cu4 4.0～5.0 7.0 20 涡轮机及内燃机高速轴承及轴衬 铅基轴承合金 ZPbSb16Sn16Cu2 15.0～17.0 1.5～2.0 78 0.2 30 240 汽车、轮船发动机等轻载高速轴承 ZPbSb6Sn6 ～6.5 67 12.7 16.9 较重载荷高速机械轴衬 ZPbSb15Sn10 9.0～11.0 14.0～16.0 60 1.8 中等压力的高温轴承

习题 一、名词解释：硅铝明 白铜 二、填空题 1、1A99表示铝的质量分数为 %的纯铝，而1035表示铝的质量分数为 %的纯铝。 一、名词解释：硅铝明 白铜 二、填空题 1、1A99表示铝的质量分数为 %的纯铝，而1035表示铝的质量分数为 %的纯铝。 2、2A12是以 为主要合金元素的铝合金，而7A04则是 为主要合金元素的铝合金。 3、3A21是 合金，可以制造航空 等零件；6A02则属 合金，可以制造形状复杂的 。 4、黄铜是 合金，白铜是 合金，而紫铜则是 。 5、人类历史上最早应用的合金是 ，它是 合金，颜色呈 。 6、BMn40-1.5又称 ，BMn43-0.5又名 ，它们具有良好的 和 ，广泛用于制造 、 等部件。 7、TA类钛合金是 型钛合金，TB类钛合金是 型钛合金，而TC类钛合金则是 型钛合金。 三、问答题 1、黄铜的力学性能与Zn含量有怎样的关系？为什么要选用H68作枪弹壳？ 2、与铝合金相比，镁合金的热处理有哪些特点？