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第6章 有色金属及其合金
钢铁通常称为黑色金属（ferrous metal），除钢铁以外的，象铝、铜、镁、锌等金属及合金称为有色金属（non-ferrous metal）。与黑色金属相比，有色金属的产量和使用量都很低，价格也昂贵。但由于它们比黑色金属具有某些独特的性能，因而成为现代工艺技术中不可缺少的重要材料。
第一节 铝及其合金
一、纯铝
铝（aluminium，aluminum）的特点是密度小，为2.72g/cm３，仅为铁或铜密度的1/3左右。导电、导热性能好，仅次于银和铜。铝的化学性质很活泼，在空气中铝表面能与氧结合而形成一层致密Al2O3保护膜，阻止铝进一步被氧化。因此，铝在空气和水中有较好的耐蚀性，但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。
铝具有面心立方晶格，塑性好(δ＝50?，ψ＝80?)，能通过冷或热的压力加工制成线、板、带、管等型材，但强度不高，σb＝80MPa，冷加工后，σb＝(150～250)MPa。 所以纯铝主要用来制作电线、电缆、散热器及要求不锈耐蚀而强度要求不高的日用品或配制合金。
工业纯铝（commercial purity aluminium）不象化学纯铝那样纯，它或多或少存在有杂质(如Fe、Si等)。铝中所含杂质数量愈多，其导电性、导热性、 抗大气腐蚀性以及塑性就愈低。
我国工业纯铝的牌号是以杂质的限量来编制的，如L1、L2、L3……。L是“铝”字汉语拼音字首，其后所附顺序号愈大，其纯度愈低。 二、铝合金
纯铝的强度很低，不宜作结构材料，为提高其强度，最有效的办法是加入合金元素，如Si、Cu、Mg、Mn等，制成铝合金（aluminium alloy，aerolite）。这些铝合金强度较高，仍具有密度小，特别是很高的比强度( 即强度极限与密度的比值)以及好的导热性及耐蚀性等。 (一)铝合金的分类
根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。
由图可见，当成分小于D／点的合金，加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于压力加工，故称为形变铝合金。形变铝合金中成分小于F点的，其固溶体的成分不随温度的变化而变化， 因不能进行热处理强化，称为热处理不能强化的铝合金；成分位于F 与D／之间的合金，其固溶体成分随温度的变化而改变，因而可用热处理来强化，故称为热处理能强化的铝合金。成分大于D／点的合金，具有低熔点共晶组织，流动性好，适于铸造，称为铸造铝合金，但不适于压力加工。
形变铝合金还可按照其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝等。
铸造铝合金还可按照其中主要合金元素的不同分为：Al－Si、Al－Cu、Al－Mg、Al－Zn等。
(二)铝合金的热处理特点
铝合金不仅可以通过冷变形加工硬化方法提高其强度，还可以通过热处理－“时效硬化”（ age hardening）方法进一步提高其强度。
铝合金的热处理机理与钢不同。钢经淬火后硬度、强度立即提高，塑性则降低。而成分位于F与D／之间的铝合金加热到α相区，保温、水冷淬火，可在室温得到过饱和的α固溶体，其强度和硬度并不能立即升高，而塑性却显著改善，这种过程称为淬火或固溶处理。由于淬火后获得的过饱和固溶体是不稳定的，有析出第二相( 强化相)的趋势。在室温下放置一段时间或低温加热，原子有能力在晶格中移动，逐渐向稳定状态转变，使强度、硬度明显升高，塑性则降低。这种固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象称为“时效强化”或“时效硬化”。在室温下所进行的时效称为自然时效，在加热的条件下所进行的时效称为人工时效。 (三)形变铝合金 1.防锈铝合金
主要合金元素是Mn和Mg。这类合金锻造退火后是单相固溶体，故抗腐蚀性能好，塑性好，防锈铝牌号用“铝防”汉语拼音字首“LF”加顺序号表示。如LF5、LF11、LF21等。 这类合金主要用于载荷不大的压延、焊接，或耐蚀结构件，如油箱、导管、线材、轻载荷骨架以及各种生活器具等。
各种防锈铝合金均属不能热处理强化的铝合金，若要提高合金强度，可施以冷压力加工，它可产生加工硬化。 2.硬铝合金
硬铝（duraluminium ）基本上是Al-Cu-Mg合金，还含有少量的Mn，各种硬铝都可以进行时效强化，但抗蚀性差，特别在海水中尤甚，因此需要防护的硬铝部件其外部都包一层高纯度铝，制成包铝硬铝材。
硬铝牌号用“铝硬”汉语拼音字首“LY ”加顺序号，如LY1(铆钉硬铝)、LY11(标准硬铝)及LY12(高强度硬铝)等。
硬铝是比强度高的结构材料，在航空工业及仪器制造中获得了广泛的应用。 3.超硬铝合金(SD alloy)
是Al-Cu-Mg-Zn合金，即在硬铝的基础上加Zn制成的。 这类合金是目前强度最高的铝合金，比强度更高，故称超硬铝。缺点也是抗蚀性很差，可提高人工时效温度或包铝。
超硬铝合金的牌号用“铝超”汉语拼音字首“LC”加顺序号表示。如LC4、LC6等，多用于制造受力大的重要构件，如飞机大梁等。 4.锻铝合金
是Al-Cu-Mg-Si系合金，合金元素的种类虽多， 但每种元素的含量都较少，因而具有良好的热塑性及耐蚀性，强度可与硬铝相媲美。淬火时效后均可提高强
度。
锻铝合金的牌号用“铝锻”汉语拼音字首“LD”加顺序号表示，如LD5、LD7等。由于锻造性能良好，主要用于飞机或内燃机车上承受重负荷的锻件或模锻件。
(四)铸造铝合金(cast aluminium alloy)
铸造铝合金种类很多，其中铝硅合金具有良好的铸造性能，足够的强度，而且密度小，用得最广，约占铸造铝合金总产量的50?以上，含Si（10～13）?的Al-Si合金是最典型的铝硅合金，属于共晶成分，通常称为“硅铝明”。
铸造铝合金的牌号由“铸”字的汉语拼音字首“Z”＋Al＋其它主要元素符号及百分含量来表示，如ZAlSi12表示含12?Si的铸造Al-Si合金。而合金的代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL ”加三位数字表示。第一位数字表示合金类别，第二、 三位则表示合金的顺序号。例ZL102表示2号Al-Si系铸造铝合金。 铸造铝合金一般用于制作质轻、耐蚀、形状复杂及有一定机械性能的零件。如铝金活塞、仪表外壳、水冷式发动机缸件、曲轴箱等。
第二节 铜及其合金
一、纯铜 纯铜（pure copper，fine copper）是玫瑰色红色的金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故称紫铜。它是工业上常用的纯铜。其密度为8.9g/cm３，熔点为1083℃。在固态时具有面心立方晶格，无同素异构转变，属逆磁性材料，具有抗磁性。
纯铜的突出优点是导电及导热性好，广泛地应用在电气工业方面，如作电线、电缆、电刷、散热器、冷却器等。其导电性在各种元素中仅次于银而居第二位，故纯铜的主要用途就是制作电工导体。此外它还具有较高的抗蚀性。
在力学和工艺性能方面，纯铜的特点是具有极好的塑性，可以承受各种形式的冷热压力加工，可碾压成极薄的板，拉成极细的铜线、压力加工成线材、管材、棒材及板材。铜的抗拉强度较低，σb=200MPa，不宜作结构材料，铸造性能差，熔化时易吸收一氧化碳和二氧化硫等气体，形成气孔。
工业纯铜按含杂质的量可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T ”是铜的汉语拼音字首，数字为编号，数字愈大则纯度愈低。 二、铜合金
在纯铜中加入合金元素制成铜合金。按照化学成分的不同，可分为黄铜、青铜和白铜。 (一)黄铜
以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜(brass)。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两类。 1.普通黄铜
普通黄铜是铜锌二元合金。
普通黄铜具有相当好的抗腐蚀性，它的加工性能也很好。普通黄铜的牌号用“H”加数字表示。“H”是“黄”字汉语拼音字首，数字表示平均含铜量。如H68表示含Cu68?，余量为Zn的普通黄铜。
当普通黄铜中的含锌量Zn〈39?时，在常温下加工时的塑性较好，一般都用冲压法制造各式容器，如弹壳、散热器、垫片等零件。
当普通黄铜中的含Zn量>39?时(如H59)，塑性降低，因此这类合金都是在热状态下进行冲压加工。
2.特殊黄铜
为了改善黄铜的某些性能，往往向其中加入少量其它元素，如Al、Mn、Sn、Si、Pb等元素可溶入Cu中形成固溶体，提高合金强度及改善耐腐蚀性。这种黄铜称为特殊黄铜。根据主要添加元素命名为锰黄铜、铅黄铜、锡黄铜等。
特殊黄铜的牌号是在“H”之后标以主加元素的化学符号， 并在其后表明铜及合金元素含量的百分数，如HPb59-1表示含Cu59?，含Pb1?余为Zn的铅黄铜。这种黄铜具有良好的切削加工性，适用热冲压和切削方法制作的零件。 部分黄铜的牌号、成分、性能及用途见表22-4。 如果是铸造黄铜，牌号前还应加一“Z”字， 其牌号由铜及主要合金元素的化学符号和百分数组成。 (二)青铜(bronze) 1.普通青铜
是铜和锡的二元合金，也叫锡青铜(tin bronze)。锡青铜是历史上最悠久的一种铸造合金，主要特点是有良好的耐磨性，常作为耐磨材料使用。其次在蒸汽、海水、碱溶液中具有很高的耐蚀性能(但耐酸性差)，同时锡青铜还具有足够的抗拉强度和一定的塑性，可制造在一般条件下工作的各种耐磨、耐蚀零件。但锡青铜铸件的致密程度较低，若制成容器在高压下易于漏水。
青铜的牌号以“青”字的汉语拼音字首“Q ”加锡元素和数字表示。如QSn6.5-0.4表示含Sn为6.5?含其它元素(P)0.4?，余为Cu的锡青铜。这种锡青铜强度高，弹性、耐磨性好，多用来制造弹簧及耐磨零件。又如ZCuSn10Pb1表示铸造锡青铜，平均含Sn为10?，含Pb为1?，余为铜，这种锡青铜可以作重要的轴承、齿轮、轴套等减摩零件。 2.特殊青铜
锡是价格昂贵而稀缺的金属，为节约用锡，有时用其它元素象Al、Pb、Mn等代替Sn，因此又叫无锡青铜。如铝青铜、铅青铜、锰青铜等，作为锡青铜的代用品。加入的合金元素可以改善合金的机械性能、耐腐蚀性、耐磨性以及热强性等。其牌号表示方法与锡青铜类似，如QAl7表示Al为7?，余为Cu的铝青铜，这种无锡青铜可以作重要的弹簧。
(三)白铜
以镍为主要添加元素的铜基合金称为白铜（cupronickel）。主要用在精密机械、医疗器材、电工器材方面。