第六章 有色金属及其合金
我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。
6.1 铝及其合金
铝及铝合金有下列特性：
⑴比重小、比强度高 纯铝的比重只有2.72g /cm 3，故其合金的比重（约2.5～2.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。⑵有优良的物理、化学性能 铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64％。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。⑶加工性能良好 铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。
由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。
6.1.1 纯铝
纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996％时) 为660.24℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有Fe 、Si 、Cu 、Zn 等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。
⑴高纯铝 纯度为99.93～99.99％，牌号有L 01、L 02、L 03、L 04等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。
⑵工业高纯铝 纯度为98.85～99.9％，牌号有L 0、L 00等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。
⑶工业纯铝 纯度为98.0～99.0％，牌号有L 1、L 2、L 3、L 4、L 5等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。
工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90～120MPa ,24～32HBS , 不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率δ（退火）为32～40％ ，断面收缩率ψ（退火）为70～90％。能通过各种压力加工制成型材。
6.1.2 铝合金
铝中加入合金元素(Si 、Cu 、Mg 、Zn 、Mn 等) 后，就
形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热
性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，
并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强
度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。因此铝合金可用于
制造承受较大载荷的机器零件和构件。 图6.1 铝合金分类示意图
6.1.2.1 铝合金的分类
根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为D '点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于
F
点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，α固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于F 和D '之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于D '点以右的合金，组织里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。
6.1.2.2 铝合金的热处理特点
铝合金是通过时效处理来改变性能的。
下面以Al -Cu 合金二元相图为例来说明（如图
6.2）。 将成分位于D -F 之间的Al -Cu 合金加热
到α相区，经保温得到单相α固溶体，然后迅速水
冷，在室温就得到了过饱和的α固溶体，它的强度
和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于
钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的
α固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu合金相图
、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。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。
例如，含4％Cu 的Al -Cu 合金(如图6.2) 加热到550℃保温一段时间淬火并在水中快冷时，θ相（CuAl 2）来不及析出，得到的是过饱和的α固溶体，强度仅为250MPa ，在室温
下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，4～5天以后，强度可升至 400MPa 。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。
自然时效后的铝合金，在230～250℃短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。
6.1.2.3 变形铝合金
根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如LF 、LY 、LC 、LD 分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。
耐蚀性良好。Mn 的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。Mg 在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有LF 5、LF 21等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。
⑵硬铝合金 主要合金元素是Cu 和Mg ，并加入少量的Mn 构成Al -Cu -Mg -Mn 多元合金系。Cu 和Mg 在时效过程中可形成强化相CuAl 2（θ相）和CuMgAl 2（S 相），S 相
可以提高合金的耐热性。Mn 主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有LY 1、LY 11、LY 12、LY 13等。
①低强度硬铝—Mg 和Cu 的含量较低，而且Cu /Mg 比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有LY 1、LY 10等。
②标准硬铝—Mg 和Cu 的含量较高，Cu /Mg 比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有LY 11等。
③高强度硬铝—Mg 和Cu 的含量高，Cu /Mg 比值较低，强度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有LY 12等。
硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如LY 11的为 505～510℃，LY 12的为 495～503℃。加热温度稍低，固溶体中Mg 和Cu 等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。
⑶超硬铝合金 是Al -Cu -Mg -Zn 系合金。时效过程除了析出θ相和S 相外，还能析出强化作用更大的MgZn （η相）相和Al 2Mg 3Zn 3（T相）。经时效处理后，可得到铝合金中
的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。
常用的超硬铝有LC 4、LC 6等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。
⑷锻铝合金 有Al -Cu -Mg -Si 系普通锻铝合金及Al -Cu -Mg -Ni -Fe 系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。
普通锻铝合金包括LD 2、LD 5、LD 6、LD 10等，主要强化相为Mg 2Si 。LD 2的抗蚀
性接近防锈铝，LD 普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。 10的强度与硬铝相近。
耐热锻铝合金包括LD 8、LD 9等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相7、LD
为Al 9FeNi ，适于制作工作在150～225℃的叶片、叶轮等。
6.1.2.4 铸造铝合金
根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为Al -Si 系、Al -Cu 系、Al -Mg 系、Al -Zn 系四大类，详见表6.2。
表6.2常用铸造铝合金牌号及用途
2、3、4分别代表Al -Si 、Al -Cu 、Al -Mg 、Al -Zn 系，后两位数字是合金的顺序号。如ZL 102代表顺序号为 2的 Al -Si 系铸造合金。
⑴Al -Si 系铸造铝合金 Al -Si 系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（Al -Si 二元合金）和特殊硅铝明（Al -Si -Mg 系、Al -Si -Cu -Mg 系等）。
Al -Si 二元合金相图见图6.3。硅含量为10～
13％的简单硅铝明（ZL 102）铸造后几乎可全部得到
共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二
元Al -Si 共晶组织由α固溶体+粗大的针状硅晶体组
成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，
脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变
共晶组织的形态，在浇注前向820～850℃的合金液中
投人质量为合金液2～3％的变质剂（一般为钠盐混合物：NaF ＋NaCl ），十余分钟后浇注，可使组
织明显细化，得到树枝状的初生α固溶体+细小均匀
的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。 图6.3 Al-Si二元合金相图
经变质处理后的ZL 102不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。ZL 102多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。
为了提高强度，拓宽硅铝明的用途，在Al -Si 二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成CuAl 2（θ相）、Mg 2Si （β相）、CuMgAl 2（S 相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有ZL 101、ZL 104等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。
⑵Al -Cu 系铸造铝合金 Al -Cu 合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的Al -Cu 铸造合金有ZL 201、ZL 202、ZL 203等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。
⑶Al -Mg 系铸造铝合金 Al -Mg 合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为2.55g /cm 3，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的Al -Mg 合金有ZL 301、ZL 302等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体等。
⑷Al -Zn 系铸造铝合金 Al -Zn 合金铸造性能优良，价格低廉。铸态下有“自行淬火”现象，锌原子被固溶在过饱和固溶体中。经变质和时效处理后，有较高的强度，但是耐蚀性较差，热裂倾向较大。常用Al -Zn 合金有ZL 401、ZL 402等，可用于机动车辆发动机零件及形状复杂的仪表零件。
6.2 铜及其合金
铜及铜合金有下列特性:
⑴优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。⑵良好的加工性能 铜及其某些合金塑性很好；容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。⑶某些特殊机械性能 例如优良的减磨性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），高的弹性极限和疲劳极限（如铍青铜等）。⑷色泽美观。
铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。
但铜的储量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料，只有在特殊需要的情况下，例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。
6.2.1 纯铜
纯铜呈玫瑰红色，因其表面在空气中氧化形成一层紫红色的氧化物而常称紫铜，密度
8.94g /cm 3，熔点为1083℃，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。纯铜是人类最早使用的金属，也是迄今为止得到最广泛应用的金属材料之一。纯铜强度较低，在各种冷热加工条件下有很好的变形能力，不能通过热处理强化，但是能通过冷变形加工硬化。
微量杂质Bi 、Pb 、S 等会与Cu 形成低熔点共晶组织导致“热脆”，如形成熔点为270℃的（Cu +Bi ）和熔点为326℃的（Cu +Pb ）共晶体，并且分布在晶界上，在正常的热加工温度820～860℃下，晶界早期熔化，发生晶间断裂。硫和氧则易与铜形成脆性化合物Cu 2S 和Cu 2O ，冷加工时破裂断开，导致“冷脆”。
工业纯铜中铜的含量为99.5～99.95％，其牌号以“铜”的汉语拼音字首“T ”+顺序号表示，如T 1、T 2、T 3、T 4，顺序数字越大，纯度越低，见表6.3。
表6.3工业纯铜的牌号、成分及用途
6.2.2.1 铜的合金化
纯铜的强度较低，不能直接用作为结构材料，虽然可以通过加工硬化提高其强度和硬度，但是塑性会急剧下降，延伸率仅为变形前（δ≈50％）的4％左右。而且，导电性也大为降低。因此，为了保持其高塑性等特性，对Cu 实行合金化是提高其强度的有效途径。
根据合金元素的结构、性能、特点以及它们与Cu 原子的相互作用情况，Cu 的合金化可通过以下形式达到强化的目的。
⑴固溶强化 Cu 与近20种元素有一定的互溶能力，可形成二元合金Cu -Me 。从合金元素的储量、价格、溶解度及对合金性能的影响等诸方面因素考虑，在铜中的固溶度为10％左右的Zn 、Al 、Sn 、Mn 、Ni 等适合作为产生固溶强化效应的合金元素，可将铜的强度由240MPa 提高到650MPa 。
⑵时效强化 Be 、Si 、Al 、Ni 等元素在Cu 中的固溶度随温度下降会急剧减小，它们形成的铜合金可进行淬火时效强化。
Be 含量为 2％的Cu 合金经淬火时效处理后，强度可高达1400MPa 。
⑶过剩相强化 Cu 中的合金元素超过极限溶解度以后，会析出过剩相，使合金的强度提高。过剩相多为脆性化合物，数量较少时，对塑性影响不太大；数量较多时，会使强度和塑性同时急剧降低。
6.2.2.2 铜合金的分类及编号
根据合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三大类。
⑴黄铜的分类与编号 黄铜是以Zn 为主加元素的铜合金，黄铜具有较高的强度和塑性，良好的导电性、导热性和铸造工艺性能，耐蚀性与纯铜相近。黄铜价格低廉，色泽明亮美丽。
按化学成分可分为普通黄铜及特殊黄铜（或复杂黄铜）；按生产方式可分为压力加工黄铜及铸造黄铜。
普通黄铜的牌号以“黄”的汉语拼音字首“H ”+数字表示，数字表示铜的含量，如H 62表示含Cu 量为62％，其余为Zn 的普通黄铜。
特殊黄铜的代号表示形式是“H +第一合金元素符号+铜含量-第一合金元素含量+第二合金元素含量”，数字之间用“-”分开，如HAl 59-3-2，表示含Cu 59％，含Al 3％，含Ni 2％，余量为Zn 的特殊黄铜。
铸造黄铜的牌号则以“铸”字汉语拼音字首“Z ”+铜锌元素符号“ZCuZn ”表示，具体为“ZCuZn +锌含量+第二合金元素符号+第二合金元素含量”，如ZCuZn 40Pb 2表示含Zn 40％，含Pb 2％，余量为Cu 的铸造黄铜。常用普通黄铜、特殊黄铜、铸造黄铜的牌号及用途见表6.4、表6.5、表6.6。
表6.4普通黄铜牌号及用途
表6.5特殊黄铜牌号及用途
表6.6铸造黄铜牌号及用途
⑵青铜的分类及编号 青铜是以除Zn 和Ni 以外合金元素为主加元素的铜合金。青铜具有良好的耐蚀性、耐磨性、导电性、切削加工性、导热性能、较小的体积收缩率。
按主加合金元素的不同可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等；按生产方式的不同可分为压力加工青铜、铸造青铜。
压力加工青铜牌号以“青”字汉语拼音字首“Q ”开头，后面是主加元素符号及含量，其后是其它元素的含量，数字间以“-”隔开，如QAl 10-3-1.5表示主加元素为Al 且含Fe
为3％，含Mn 1.5％，余量为Cu 的铝青铜。
铸造青铜表示方法是“ZCu +第一主加元素符号+含量+合金元素+含量+„„”如ZCuSn 5Pb 5Zn 5表示主加元素为Sn 且含Sn 5％、Pb 5％、Zn 5％，余量为Cu 的铸造锡青铜。常用青铜的牌号及用途见表6.7。
⑶白铜的分类及编号 白 表6.7常用青铜的牌号及用途
铜是以Ni 为主加元素的铜合金。白铜具有较高的强度和塑性，可进行冷、热变形加工，具有很好的耐蚀性、电阻率较高。根据性能和应用分为耐蚀
用白铜和电工用白铜；按化学成分和组元数目可分普通白铜（或简单白铜）和特殊白铜（或复杂白铜）。特殊白铜又按加入Zn 、Mn 、Al 等不同合金元素，称作锌白铜、锰白铜和铝白铜等。
普通白铜的牌号以“白”字汉语拼音字首“B ”+数字表示，数字代表Ni 的含量，如B 30表示含Ni 30％的普通白铜。
特殊白铜的代号表示形式是“B +第二合金元素符号+镍的含量+第二合金元素含量”，数字之间以“-”隔开，如BMn 3-12表示含Ni 3％、Mn 12％、Cu 85％的锰白铜。常用白铜的牌号及用途见表6.8。
6.2.3 黄铜
6.2.3.1 普通黄铜
普通黄铜是铜锌二元合金。Cu -Zn 二元相图见图6.4。α相是锌溶入铜中形成的固溶体，锌的溶解度随温度变化而变化，在
456℃（溶解度最大为39％Zn ）
以下降温，溶解度略有下降。β相是以电子化合
物CuZn 为基的固溶体，具有体心立方晶格，当温
β相度降至456～468℃以下时，发生有序化转变，
转化为有序固溶体β′相，硬且脆，难以进行冷加工变形。γ相是以电子化合物CuZn 3为基的固溶
体，具有六方晶格，更脆，强度和塑性极差。工
业上使用的黄铜中Zn 的含量一般不超过47％，否
则因性能太差而无使用价值。
仅有α固溶体的黄铜为单相黄铜，有较高的强
度和塑性，可进行冷、热变形加工；它还具有良
好的锻造、焊接性能。常用单相黄铜有H 68、
H 70、H 90等，H 68、H 70因较高强度和塑性， 图6.4 Cu-Zn合金相图
常用作子弹和炮弹的壳体，故又称为“弹壳黄铜”。当Zn 含量超过32％，就出现了α+β′双相黄铜。与单相黄铜相比，双相黄铜塑性下降，强度随Zn 含量提高而升高。
当Zn 含量为45％时强度达到最大值。α+β′双相黄铜具有良好的热变形能力，较高的强度和耐蚀性。常用牌号有H 59、H 62等，可用于散热器、水管、油管、弹簧等。
当Zn 含量＞45％以后，组织全部为β′相，强度急剧下降，塑性继续降低。
6.2.3.2 特殊黄铜
特殊黄铜是在铜锌二元合金基础上加入Pb 、Al 、Mn 等合金元素形成的多元铜合金。
合金元素的加入，特殊黄铜的力学性能、切削加工性能、铸造性能、耐蚀性能等得到了进一步提高，拓宽了应用范围。
Al 、Sn 、Si 、Mn 主要是提高抗蚀性，Pb 、Si 能改善耐磨性，Ni 能降低应力腐蚀 敏感性，合金元素一般都能提高强度。有铅黄铜、铝黄铜、锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜等。
6.2.3.3 铸造黄铜
铸造黄铜含较多的Cu 及少量合金元素，如Pb 、Si 、Al 等。它的熔点比纯铜低，液固相线间隔小，流动性较好，铸件致密，偏析较小，具有良好的铸造成形能力。铸造黄铜的耐磨性、耐大气、海水的腐蚀性能也较好，适于用作轴套、腐蚀介质下工作的泵体、叶轮等。
6.2.3.4 黄铜的脱锌和季裂
黄铜虽然具有良好的耐蚀性，但是在一定的环境下会发生脱锌和季裂现象导致破坏。 ⑴脱锌 脱锌是黄铜在盐液等介质存在时发生电化学腐蚀，表面失去Zn 导致力学性能下降的现象。Zn 的电极电位比铜低，Zn 极易在盐液等介质中溶解，表面残存疏松多孔的海绵铜，其与表层以下的黄铜因电极电位差又构成微电池，黄铜成为阳极加速腐蚀，形成了一定深度的脱Zn 层，抗蚀性和力学性能恶化。为防止发生脱Zn ，生产中常使用低Zn 铜(＜15％) 或加入含量为0.02～0.06％的As 。
⑵季裂 季裂是指经过冷变形加工的黄铜（含Zn ＞20％）制品，由于残余应力的存在，在潮湿的大气或海水中，尤其是在含氨气的环境中，放置一段时间，容易产生应力腐蚀，使黄铜开裂，这种自发破裂的现象称应力腐蚀开裂或季裂。防止黄铜的季裂，可以进行喷丸处理，在表面施加压应力；低温退火（250～300℃加热保温1～3h ）去除残存拉应力；或加适量Al 、Sn 、Si 、Mn 、Ni 等元素来显著降低对应力腐蚀的敏感性。
6.2.4 青铜
工业生产习惯上把黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。
6.2.4.1 锡青铜
以Sn 为主加元素的铜基合金称锡青铜。锡青铜的主要特点是耐蚀、耐磨、强度高、弹性好等。如图6.5为Cu -Sn 二元合金相图局部。
图6.5 Cu-Sn合金相图 图6.6锡青铜组织和力学性能与含锡量的关系
Sn 在铜中可形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据Sn 的含量不同，锡青铜的组织和性能也不同，图6.6是锡青铜的组织和力学性能与含Sn 量的关系。由图可知：
含Sn 5～6％时，合金的组织为α单相固溶体，合金的塑性最高，强度也增加；含Sn 超过6～7％后，由于组织中出现硬而脆的δ相（以化合物Cu 31Sn 8为基的固溶体），塑性显著
下降，强度继续增加，当Sn 的含量超过20％时，由于大量的δ相出现，使合金变脆，合金的强度和塑性均下降。
因此，压力加工锡青铜含Sn 一般低于7～8％，含Sn 大于或等于10％的合金适宜铸造。 由于锡青铜表面生成由Cu 2O ∙2CuCO 3∙Cu (OH ) 2构成的致密薄膜，因此锡青铜在大气、
海水、碱性液和其它无机盐类溶液中有极高的耐蚀性，但在酸性溶液中抗蚀性较差。
锡青铜的结晶温度区间较大，流动性差，易形成枝状偏析和分散缩孔，铸件致密性差。但是锡青铜的线收缩率小，热裂倾向小，可铸造形状复杂、厚薄不均匀的铸件，尤其是构图精巧、纹路复杂的工艺品。
为了改善锡青铜的铸造性能、力学性能、耐磨性能、弹性性能和切削加工性，常加入Zn 、P 、Ni 等元素形成多元锡青铜。
锡青铜可用作轴套、弹簧等抗磨、抗蚀、抗磁零件，广泛应用于化工、机械、仪表、造船等行业。
6.2.4.2 铝青铜
以Al 为主加合金元素的铜基合金称铝青铜，是得到最广泛应用的一种青铜。它的成本比较低，一般铝的含量为8.5～10.5％。铝青铜具有良好的力学性能，耐蚀性和耐磨性，并能进行热处理强化。铝青铜有良好的铸造性能，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的抗蚀性，此外还有冲击时不发生火花等特性。宜作机械、化工、造船及汽车工业中的轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等零件。
6.2.4.3 铍青铜
以Be 为主加合金元素的铜基合金称铍青铜。一般铍的含量为1.7～2.5％。铍青铜可以淬火时效处理，有很高的强度、硬度、疲劳极限和弹性极限，而且耐蚀、耐磨、无磁性、导电和导热性好，受冲击无火花等。在工艺方面，它承受冷、热压力加工的能力很强，铸造性能亦好。主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片、膜盘等，特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条、压力表游丝；高速、高温、高压下工作的轴承、衬套及矿山、炼油厂用的冲击不带火花的工具。铍青铜价格较贵。
6.2.5 白铜
以Ni 为主加合金元素的铜基合金称白铜。
工业上应用的白铜有普通白铜和特殊白铜。普通白铜是Cu -Ni 二元合金；特殊白铜是在Cu -Ni 合金基础上加入Zn 、Mn 、Al 等合金元素，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。
白铜具有高的耐蚀性、优良的冷、热加工工艺性。因此，广泛用于制造精密仪器、仪表 化工机械及医疗器械中的关键零件。
6.3 钛及其合金
钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了它们的应用。
6.3.1 纯钛
纯Ti 是灰白色轻金属，钛的密度小，为4.54g /cm 3, 熔点高，约为1668℃，热膨胀系数小，导热性差。纯Ti 塑性好、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。Ti 在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。Ti 的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。
Ti 在固态下有同素异构转变：882.5℃以下为密排六方晶格，称α-Ti ；882.5℃以上直
β-Ti ，它到熔点为体心立方晶格，称β-Ti 。在882.5℃时发生同素异构转变α-Ti
对强化有很重要的意义。
工业纯Ti 中含有H 、C 、O 、Fe 、Mg 等杂质元素，少量杂质可使钛的强度和硬度显著升高，塑性和韧性明显降低。工业纯钛按杂质含量不同分为TA 1、TA 2、TA 3等三种（见表6.9）, 编号越大杂质越多，可制作在350℃以下工作的、强度要求不高的零件。
6.3.2 钛合金
合金元素溶入α-Ti 中，形成α固溶体，溶入β-Ti 中形成β固溶体。Al 、C 、N 、O 、
β-Ti 转变温度升高, 称为α稳定化元素。Fe 、Mo 、Mg 、Cr 、Mn 、 B 等使α-Ti
V 等使同素异构转变温度下降， 表6.9工业纯钛及部分钛合金的牌号及用途 称为β稳定化元素。Sn 、Zr 等对转变温度的影响不明显，称为中性元素。 根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金。牌号
分别以TA 、TB 、TC 加上编号来表示。钛合金的牌号及用途见表6.9。 ⑴α钛合金 钛中加入Al 、B 等α稳定化元素获得α钛合金。α钛合金的室温强度
低于β钛合金和（α+β）钛合金，但高温（500～600℃）强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。α钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火（变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火）。
α钛合金的典型的牌号是TA 7，成分为Ti -5Al -2.5Sn 。其使用温度不超过500℃，主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。
⑵β钛合金 钛中加入Mo 、Cr 、V 等β稳定化元素得到β钛合金。β钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。在时效状态下，合金的组织为β相和弥散分布的细小α相粒子。
β钛合金的典型牌号为TB 1，成分为Ti -3Al -13V -11Cr ，一般在350℃以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。
⑶(α+β) 钛合金 钛中通常加入β稳定化元素、大多数还加入α稳定化元素所得到的(α+β) 钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50～100％。
TC 4是典型的(α+β) 钛合金，成分为Ti -6Al -4V ，经淬火及时效处理后，显微组织为块状α+β+针状α。其中针状α是时效过程中从β相中析出的。由于强度高，塑性好，在400℃时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力，所以适于制造在400℃以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。
6.3.3 钛及钛合金的热处理
⑴退火 消除应力退火目的是消除工业纯钛和钛合金零件机加工或焊接后的内应力。退火温度一般为450～650℃，保温1～4h ，空冷。
再结晶退火目的是消除加工硬化。纯钛一般采用550～690℃温度，钛合金用750～800℃温度，保温1～3h ，空冷。
⑵淬火和时效 目的是提高钛合金的强度和硬度。
α钛合金和含β稳定化元素较少的(α+β) 钛合金，自β相区淬火时，发生无扩散型的马氏体转变β→α′,α′为马氏体，是β稳定化元素在α-Ti 中的过饱和固溶体，具有密排六方晶格，硬度较低，塑性好，是一种不平衡组织，加热时效时分解成α相和β相的混合物，强度和硬度有所提高。
β钛合金和含β稳定化元素较多的(α+β) 钛合金淬火时，β相转变成介稳定的β相，加热时效后，介稳定β相析出弥散的α相，使合金的强度和硬度提高。
α钛合金一般不进行淬火和时效处理，β钛合金和(α+β) 钛合金可进行淬火时效处理，
提高强度和硬度。
钛合金的淬火温度一般选在α+β两相区的上部范围，淬火后部分α保留下来，细小的β相转变成介稳定β相或α′相或两种均有（决定于β稳定化元素的含量），经时效后获得好的综合机械性能。假若加热到β单相区，β晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。一般淬火温度为760～950℃，保温5～60分钟，水中冷却。
钛合金的时效温度一般在450～550℃之间，时间为几小时至几十小时。
钛合金热处理加热时应防止污染和氧化，并严防过热。β晶粒长大后，无法用热处理方法挽救。
6.4 镁及其合金
镁是地壳中第三种最丰富的金属元素，储量占地壳的2.5％，仅次于铝和铁。镁及镁合金比强度高、耐冲击、具有优良的可切削加工性，并对碱、汽油及矿物油具有化学稳定性，因而可用作输油管道。作为结构材料已越来越发挥重要的作用。
6.4.1 纯镁
纯镁为银白色，其密度为1.74g /cm 3，熔点为650±l ℃，沸点为l100±10℃。纯镁的电极电位很低，因此抗蚀性较差，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁具有密排六方晶格，室温和低温塑性较低，容易脆断，但高温塑性较好，可进行各种形式的热变形加工。
6.4.2 镁合金
纯镁的力学性能较低，实际应用时，一般在纯镁中加入一些合金元素，制成镁合金。镁的合金化原理与铝相似，主要通过加人合金元素，产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩相强化作用，以提高合金的力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能。镁合金中常加入的合金元素有Al 、Zn 、Mn 、Zr 及稀土元素等。
目前工业中应用的镁合金主要集中于Mg -Al -Zn 、Mg -Zn -Zr 和Mg -Re -Zr 等几个合金系，其中前两个合金系是发展高强镁合金的基础。
6.4.3 工业常用镁合金
国产镁合金牌号由相应汉语拼音字头和合金顺序号表示，表6.10为镁合金的牌号、性能及用途。
⑴铸造镁合金 铸造镁合金 表6.10 镁合金的牌号及用途
包括高强铸造镁合金（如ZM 5、ZM 1和 ZM 2）和耐热铸造镁
合金（如ZM 3等）两类。 ZM 5是应用最广泛的合金之一，其特点是强度较高，塑性良好，易于铸造，适于生产 各类铸件。ZM 5的淬火加热温度一般选择415～420℃，采用热水冷却。冷水淬火易引起晶间开裂。
⑵变形镁合金 该合金有Mg -Mn 系、Mg -Al -Zn 系和Mg -Zn -Zr 系。Mg -Mn 系合金包括MB 1和 MB 8二种，它们不能热处理强化，这些合金工艺性能好，抗蚀性高，适于制作飞机蒙皮、模锻件和要求耐蚀的管件。
106
MB 2属Mg -Al -Zn 系，不能热处理强化，塑性较好，适于加工成各种板、棒和锻件等半成品。
MB 15属Mg -Zn -Zr 系，可进行热处理强化，具有较高的强度，能制造形态复杂的大型锻件。MB 15合金耐蚀性良好，无应力腐蚀破裂倾向。
6.4.4 镁合金的热处理
镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但由于组织结构上的差别，与铝合金相比，呈现以下几个特点：
⑴镁合金的组织一般比较粗大，且常达不到平衡态，因此淬火加热温度较低；⑵合金元素在镁中的扩散速度较慢，需要的淬火加热时间较长；⑶铸造镁合金及加工前未经退火的变形镁合金易产生不平衡组织，淬火加热速度不宜过快，一般采用分级加热的方式；⑷自然时效条件下，过饱和固溶体析出沉淀相的速度极慢，故镁合金需用人工时效处理；⑸镁合金的氧化倾向大，加热炉内需保持一定的中性气氛，普通电炉一般通人SO 2气体或在炉中放置一
定数量的硫铁矿石碎块，并要密封。
镁合金常用的热处理工艺有铸造或锻造后的直接人工时效、退火、淬火不时效及淬火加人工时效等，具体工艺规范根据合金成分特点及性能需求确定。
6.5 轴承合金
轴承根据工作条件不同可分为滚动轴承和滑动轴承两类。是汽车、拖拉机、机床及其它机器中的重要部件。轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。因此轴承合金应具有以下性能：
⑴足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。⑵足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。⑶良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。⑷高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。⑸良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。
轴瓦材料不能选用高硬度的金属，以免轴颈受到磨损；也不能选用软的金属，防止承载能力过低。因此轴承合金应既软又硬，组织特点是，在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。
若轴承合金的组织是软基体上分布硬质点，则运转时软
基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上，使轴和轴瓦的
接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴和轴瓦之间的
摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。另外，软基体能承受冲击
和震动，使轴和轴瓦能很好的结合，并能起嵌藏外来小硬物
的作用，保证轴颈不被擦伤（见图6.7）。 图6.7软基体轴与轴瓦配合示意图
轴承合金的组织是硬基体上分布软质点时，也可达到上述同样目的。
6.5.1 滑动轴承合金的分类及牌号
常用的轴承合金按主要成分可分为锡基、铅基、铝基、铜基等数种，前两种称为巴氏合金，轴承合金一般在铸态下工作，其牌号以“铸”字汉语拼音字首“Z ”开头，表示方法为“Z +基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素符号+辅加元素含量„„”。例如，ZSnSb 12Pb 10Cu 4, 即表示含Sb 12％、含Pb 10％和Cu 4％的锡基轴承合金。
6.5.2 常用滑动轴承合金
6.5.2.1 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）
锡基轴承合金是以锡为基础合金，辅加Sb 、Cu 、Pb
等元素而形成的一种软基体硬质 107
点类型的轴承合金。最常用的牌号是ZSnSb 11Cu 6。
其组织可用Sn -Sb 合金相图来分析（见图6.8）。α
相是Sb 溶解于Sn 中的固溶体，为软基体。β′相是以
化合物SnSb 为基的固溶体，为硬质点。即硬质点β′
相均匀分布在α相软基体上。铸造时，由于β′相较轻，
易发生严重的比重偏析，所以加入Cu ，生成Cu 6Sn 5，
呈树枝状分布，阻止β′相上浮，有效地减轻比重偏析。
Cu 6Sn 5的硬度比β′相高，也起硬质点作用，进一步
提高合金的强度和耐磨性ZSnSb 11Cu 6的显微组织为
α+β′+Cu 6Sn 5。其中α相软基体呈黑色， β′硬质点呈白方块状，Cu 6Sn 5呈白 图6.8 Sn-Sb合金相图
针状或星状。
锡基轴承合金的摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，适于制作最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低（不高于150℃）。常用锡基轴承合金的牌号及用途见表6.11。
表6.11常用锡基轴承合金的牌号及用途
6.5.2.2 铅基轴承合全（铅基巴氏合金）
铅基轴承合金是以Pb 为基础合金，辅加Sb 、Cu 、Sn 等元素而形成的一种软基体硬质点类型的轴承合金。常用牌号是ZPbSb 16Cu 2。
图6.9为该合金的Pb -Sb 相图。α为Sb 在Pb 中的
固溶体，β为Pb 在Sb 中的固溶体。含15～17％Sb 的
Pb -Sb 合金的组织为（α+β）+β。（α+β）共晶体
为软基体，β相为硬质点。但由于基体太软，β相很脆
易破碎，且有严重的比重偏析，性能不好，所以在铅基
轴承合金中再加入锡和铜。锡是为了生成化合物SnSb ，
并得到以SnSb 为基的固溶体作为硬质点；Cu 是为了形
成化合物Cu 6Sn 5，防止比重偏析，同时亦起硬质点作用。 图6.9 Pb-Sb相图
ZPbSb 16Cu 2的显微组织为α+β+Cu 6Sn 5。α+β共晶体为软基体，白方块为以SnSb 为
基的β固溶体，起硬质点作用，白针状晶体为化合物Cu 6Sn 5。这种合金的铸造性能和耐磨
性较好（但比锡基轴承合金低），价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。常用铅基轴承合金的牌号及用途见表6.12。
6.5.2.3 铜基轴承合金 表6.12常用铅基轴承合金的牌号及用途
铜基轴承合金包括铅青铜、锡
青铜等，常用合金牌号为ZCuPb 30、ZCuSn 10P 1等。 ZCuPb 30是硬基体上分布软质
点类型的轴承合金，润滑性能好，
摩擦系数小，耐磨性好，铅青铜还
具有良好的耐冲击能力和疲劳强
度，并能长期工作在较高的温度
250～320℃下，导热性优异。常用于高载荷、高速度的滑动轴承，如航空发动机、高速柴油
108
机轴承等。铅青铜的强度较低，实际使用时也常和铅基巴氏合金一样在钢轴瓦上浇铸成内衬，进一步发挥其特性。
ZCuSn 10P 1是以α固溶体作为软基体，金属化合物β相和Cu 3P 作为硬质点，强度高，
耐磨性好，也可用于高速柴油机轴承。
6.5.2.4 铝基轴承合金
铝基轴承合金是以Al 为基本元素，主加元素为Sb 、Cu 、Sn 等形成的合金。与其他轴承合金相比，它不但是一种新型的减磨材料，还具有生产成本低、密度小、导热性、耐蚀性好、疲劳强度高等优点，主要用于高速、高载条件下工作的汽车、内燃机轴承等。铝基轴承合金主要不足之处是线膨胀系数大，运行时特别是在启动状态下容易与轴咬合，应用中常采用增大轴承间隙，提高接触面平整度或镀锡加以防止。铝基轴承合金硬度较高，相应地要提高轴的硬度，防止轴颈被擦伤。
Sb 3.5～5％，Mg 0.3～0.7％，⑴铝锑镁轴承合金 组成铝锑镁轴承合金元素的含量为：
余量为Al ，是软基体分布硬质点类型的轴承合金，以Al 为溶剂的α固溶体是软的基体，化合物AlSb （β相）是硬的质点，微量Mg 的作用是将针状β相的形态改变成片状，提高塑性、韧性和屈服强度。一般是将该合金浇铸在钢轴瓦上形成内衬使用。
铝锑镁轴承合金的缺点是承压能力较小，允许滑动线速度不大，冷启动性较差，多用于小载荷的柴油机轴承。
⑵高锡铝基轴承合金 高锡铝基轴承合金中所含元素的含量为：Sn 20％，Cu 1％，余量为Al ，是硬质基体上分布软质点类型的轴承合金。由于Al 和Sn 在固态下几乎不互溶，所以显微组织由Al +Sn 组成，Al 是硬基体，Sn 呈球状是软质点，微量Cu 的作用是使基体进一步强化。
高锡铝基合金一般是与钢复合制成双金属结构使用，疲劳强度较高，耐磨性、耐热性、耐蚀性良好，承压能力较高，允许滑动线速度较高，可代替巴氏合金、铜基轴承合金。铝锑镁轴承合金常用在高速大功率的重型机床、内燃机车、拖拉机和滑动轴承上。
⑶铝石墨轴承合金 铝石墨轴承合金所含元素的含量为：Si 6～8％，C 3～6％，余量为Al ，是一种新型的轴承合金。
石墨的减震能力较强，自润滑作用明显，在较高的温度有减摩作用。因此，铝石墨轴承合金在干摩擦或在250℃温度下都能保持良好的耐磨性，常用于活塞和机床的滑动轴承。
习 题
6.1 铝合金性能有哪些特点？铝合金可以分为哪几类？试根据二元铝合金一般相图说明其依据。
6.2 硬铝合金的热处理有什么特点？实际操作时要注意哪些问题？
6.3 铜合金性能有哪些特点？铜合金可以分为哪几类？铜合金的强化有哪几种途径？
6.4 什么是硅铝明？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？硅铝明采用变质处理的目的
是什么？
6.5 画出下列材料的组织，标明组织组成物。
ZL102铸态（未变质处理）、ZL102铸态（变质处理后）、H62退火状态、锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6铸态。
6.6 滑动轴承合金的工作条件和必备的性能如何？
6.7 指出下列合金的名称、化学成分、主要性质和作用：LF21、LY11、LC4、LD6、ZL201、ZL401、ZCuSnl0P1、 ZCuSn5Pb5Sn5。
6.8 分析4％Cu 的Al-Cu 合金固溶处理与45钢淬火两种工艺的不同点及相同点。
6.9 画出经固溶处理后的含4％Cu 的Al-Cu 合金的自然时效曲线图。
6.10 说出下列材料的类别，各举一个应用实例：LY12，ZL102，H62，ZSnSb11Cu6，QBe2。例如：LF11，防锈铝合金，可制造油箱。
109
第六章 有色金属及其合金
我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。
6.1 铝及其合金
铝及铝合金有下列特性：
⑴比重小、比强度高 纯铝的比重只有2.72g /cm 3，故其合金的比重（约2.5～2.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。⑵有优良的物理、化学性能 铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64％。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。⑶加工性能良好 铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。
由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。
6.1.1 纯铝
纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996％时) 为660.24℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有Fe 、Si 、Cu 、Zn 等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。
⑴高纯铝 纯度为99.93～99.99％，牌号有L 01、L 02、L 03、L 04等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。
⑵工业高纯铝 纯度为98.85～99.9％，牌号有L 0、L 00等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。
⑶工业纯铝 纯度为98.0～99.0％，牌号有L 1、L 2、L 3、L 4、L 5等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。
工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90～120MPa ,24～32HBS , 不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率δ（退火）为32～40％ ，断面收缩率ψ（退火）为70～90％。能通过各种压力加工制成型材。
6.1.2 铝合金
铝中加入合金元素(Si 、Cu 、Mg 、Zn 、Mn 等) 后，就
形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热
性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，
并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强
度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。因此铝合金可用于
制造承受较大载荷的机器零件和构件。 图6.1 铝合金分类示意图
6.1.2.1 铝合金的分类
根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为D '点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于
F
点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，α固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于F 和D '之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于D '点以右的合金，组织里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。
6.1.2.2 铝合金的热处理特点
铝合金是通过时效处理来改变性能的。
下面以Al -Cu 合金二元相图为例来说明（如图
6.2）。 将成分位于D -F 之间的Al -Cu 合金加热
到α相区，经保温得到单相α固溶体，然后迅速水
冷，在室温就得到了过饱和的α固溶体，它的强度
和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于
钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的
α固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu合金相图
、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。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。
例如，含4％Cu 的Al -Cu 合金(如图6.2) 加热到550℃保温一段时间淬火并在水中快冷时，θ相（CuAl 2）来不及析出，得到的是过饱和的α固溶体，强度仅为250MPa ，在室温
下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，4～5天以后，强度可升至 400MPa 。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。
自然时效后的铝合金，在230～250℃短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。
6.1.2.3 变形铝合金
根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如LF 、LY 、LC 、LD 分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。
耐蚀性良好。Mn 的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。Mg 在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有LF 5、LF 21等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。
⑵硬铝合金 主要合金元素是Cu 和Mg ，并加入少量的Mn 构成Al -Cu -Mg -Mn 多元合金系。Cu 和Mg 在时效过程中可形成强化相CuAl 2（θ相）和CuMgAl 2（S 相），S 相
可以提高合金的耐热性。Mn 主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有LY 1、LY 11、LY 12、LY 13等。
①低强度硬铝—Mg 和Cu 的含量较低，而且Cu /Mg 比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有LY 1、LY 10等。
②标准硬铝—Mg 和Cu 的含量较高，Cu /Mg 比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有LY 11等。
③高强度硬铝—Mg 和Cu 的含量高，Cu /Mg 比值较低，强度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有LY 12等。
硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如LY 11的为 505～510℃，LY 12的为 495～503℃。加热温度稍低，固溶体中Mg 和Cu 等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。
⑶超硬铝合金 是Al -Cu -Mg -Zn 系合金。时效过程除了析出θ相和S 相外，还能析出强化作用更大的MgZn （η相）相和Al 2Mg 3Zn 3（T相）。经时效处理后，可得到铝合金中
的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。
常用的超硬铝有LC 4、LC 6等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。
⑷锻铝合金 有Al -Cu -Mg -Si 系普通锻铝合金及Al -Cu -Mg -Ni -Fe 系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。
普通锻铝合金包括LD 2、LD 5、LD 6、LD 10等，主要强化相为Mg 2Si 。LD 2的抗蚀
性接近防锈铝，LD 普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。 10的强度与硬铝相近。
耐热锻铝合金包括LD 8、LD 9等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相7、LD
为Al 9FeNi ，适于制作工作在150～225℃的叶片、叶轮等。
6.1.2.4 铸造铝合金
根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为Al -Si 系、Al -Cu 系、Al -Mg 系、Al -Zn 系四大类，详见表6.2。
表6.2常用铸造铝合金牌号及用途
2、3、4分别代表Al -Si 、Al -Cu 、Al -Mg 、Al -Zn 系，后两位数字是合金的顺序号。如ZL 102代表顺序号为 2的 Al -Si 系铸造合金。
⑴Al -Si 系铸造铝合金 Al -Si 系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（Al -Si 二元合金）和特殊硅铝明（Al -Si -Mg 系、Al -Si -Cu -Mg 系等）。
Al -Si 二元合金相图见图6.3。硅含量为10～
13％的简单硅铝明（ZL 102）铸造后几乎可全部得到
共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二
元Al -Si 共晶组织由α固溶体+粗大的针状硅晶体组
成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，
脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变
共晶组织的形态，在浇注前向820～850℃的合金液中
投人质量为合金液2～3％的变质剂（一般为钠盐混合物：NaF ＋NaCl ），十余分钟后浇注，可使组
织明显细化，得到树枝状的初生α固溶体+细小均匀
的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。 图6.3 Al-Si二元合金相图
经变质处理后的ZL 102不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。ZL 102多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。
为了提高强度，拓宽硅铝明的用途，在Al -Si 二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成CuAl 2（θ相）、Mg 2Si （β相）、CuMgAl 2（S 相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有ZL 101、ZL 104等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。
⑵Al -Cu 系铸造铝合金 Al -Cu 合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的Al -Cu 铸造合金有ZL 201、ZL 202、ZL 203等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。
⑶Al -Mg 系铸造铝合金 Al -Mg 合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为2.55g /cm 3，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的Al -Mg 合金有ZL 301、ZL 302等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体等。
⑷Al -Zn 系铸造铝合金 Al -Zn 合金铸造性能优良，价格低廉。铸态下有“自行淬火”现象，锌原子被固溶在过饱和固溶体中。经变质和时效处理后，有较高的强度，但是耐蚀性较差，热裂倾向较大。常用Al -Zn 合金有ZL 401、ZL 402等，可用于机动车辆发动机零件及形状复杂的仪表零件。
6.2 铜及其合金
铜及铜合金有下列特性:
⑴优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。⑵良好的加工性能 铜及其某些合金塑性很好；容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。⑶某些特殊机械性能 例如优良的减磨性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），高的弹性极限和疲劳极限（如铍青铜等）。⑷色泽美观。
铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。
但铜的储量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料，只有在特殊需要的情况下，例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。
6.2.1 纯铜
纯铜呈玫瑰红色，因其表面在空气中氧化形成一层紫红色的氧化物而常称紫铜，密度
8.94g /cm 3，熔点为1083℃，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。纯铜是人类最早使用的金属，也是迄今为止得到最广泛应用的金属材料之一。纯铜强度较低，在各种冷热加工条件下有很好的变形能力，不能通过热处理强化，但是能通过冷变形加工硬化。
微量杂质Bi 、Pb 、S 等会与Cu 形成低熔点共晶组织导致“热脆”，如形成熔点为270℃的（Cu +Bi ）和熔点为326℃的（Cu +Pb ）共晶体，并且分布在晶界上，在正常的热加工温度820～860℃下，晶界早期熔化，发生晶间断裂。硫和氧则易与铜形成脆性化合物Cu 2S 和Cu 2O ，冷加工时破裂断开，导致“冷脆”。
工业纯铜中铜的含量为99.5～99.95％，其牌号以“铜”的汉语拼音字首“T ”+顺序号表示，如T 1、T 2、T 3、T 4，顺序数字越大，纯度越低，见表6.3。
表6.3工业纯铜的牌号、成分及用途
6.2.2.1 铜的合金化
纯铜的强度较低，不能直接用作为结构材料，虽然可以通过加工硬化提高其强度和硬度，但是塑性会急剧下降，延伸率仅为变形前（δ≈50％）的4％左右。而且，导电性也大为降低。因此，为了保持其高塑性等特性，对Cu 实行合金化是提高其强度的有效途径。
根据合金元素的结构、性能、特点以及它们与Cu 原子的相互作用情况，Cu 的合金化可通过以下形式达到强化的目的。
⑴固溶强化 Cu 与近20种元素有一定的互溶能力，可形成二元合金Cu -Me 。从合金元素的储量、价格、溶解度及对合金性能的影响等诸方面因素考虑，在铜中的固溶度为10％左右的Zn 、Al 、Sn 、Mn 、Ni 等适合作为产生固溶强化效应的合金元素，可将铜的强度由240MPa 提高到650MPa 。
⑵时效强化 Be 、Si 、Al 、Ni 等元素在Cu 中的固溶度随温度下降会急剧减小，它们形成的铜合金可进行淬火时效强化。
Be 含量为 2％的Cu 合金经淬火时效处理后，强度可高达1400MPa 。
⑶过剩相强化 Cu 中的合金元素超过极限溶解度以后，会析出过剩相，使合金的强度提高。过剩相多为脆性化合物，数量较少时，对塑性影响不太大；数量较多时，会使强度和塑性同时急剧降低。
6.2.2.2 铜合金的分类及编号
根据合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三大类。
⑴黄铜的分类与编号 黄铜是以Zn 为主加元素的铜合金，黄铜具有较高的强度和塑性，良好的导电性、导热性和铸造工艺性能，耐蚀性与纯铜相近。黄铜价格低廉，色泽明亮美丽。
按化学成分可分为普通黄铜及特殊黄铜（或复杂黄铜）；按生产方式可分为压力加工黄铜及铸造黄铜。
普通黄铜的牌号以“黄”的汉语拼音字首“H ”+数字表示，数字表示铜的含量，如H 62表示含Cu 量为62％，其余为Zn 的普通黄铜。
特殊黄铜的代号表示形式是“H +第一合金元素符号+铜含量-第一合金元素含量+第二合金元素含量”，数字之间用“-”分开，如HAl 59-3-2，表示含Cu 59％，含Al 3％，含Ni 2％，余量为Zn 的特殊黄铜。
铸造黄铜的牌号则以“铸”字汉语拼音字首“Z ”+铜锌元素符号“ZCuZn ”表示，具体为“ZCuZn +锌含量+第二合金元素符号+第二合金元素含量”，如ZCuZn 40Pb 2表示含Zn 40％，含Pb 2％，余量为Cu 的铸造黄铜。常用普通黄铜、特殊黄铜、铸造黄铜的牌号及用途见表6.4、表6.5、表6.6。
表6.4普通黄铜牌号及用途
表6.5特殊黄铜牌号及用途
表6.6铸造黄铜牌号及用途
⑵青铜的分类及编号 青铜是以除Zn 和Ni 以外合金元素为主加元素的铜合金。青铜具有良好的耐蚀性、耐磨性、导电性、切削加工性、导热性能、较小的体积收缩率。
按主加合金元素的不同可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等；按生产方式的不同可分为压力加工青铜、铸造青铜。
压力加工青铜牌号以“青”字汉语拼音字首“Q ”开头，后面是主加元素符号及含量，其后是其它元素的含量，数字间以“-”隔开，如QAl 10-3-1.5表示主加元素为Al 且含Fe
为3％，含Mn 1.5％，余量为Cu 的铝青铜。
铸造青铜表示方法是“ZCu +第一主加元素符号+含量+合金元素+含量+„„”如ZCuSn 5Pb 5Zn 5表示主加元素为Sn 且含Sn 5％、Pb 5％、Zn 5％，余量为Cu 的铸造锡青铜。常用青铜的牌号及用途见表6.7。
⑶白铜的分类及编号 白 表6.7常用青铜的牌号及用途
铜是以Ni 为主加元素的铜合金。白铜具有较高的强度和塑性，可进行冷、热变形加工，具有很好的耐蚀性、电阻率较高。根据性能和应用分为耐蚀
用白铜和电工用白铜；按化学成分和组元数目可分普通白铜（或简单白铜）和特殊白铜（或复杂白铜）。特殊白铜又按加入Zn 、Mn 、Al 等不同合金元素，称作锌白铜、锰白铜和铝白铜等。
普通白铜的牌号以“白”字汉语拼音字首“B ”+数字表示，数字代表Ni 的含量，如B 30表示含Ni 30％的普通白铜。
特殊白铜的代号表示形式是“B +第二合金元素符号+镍的含量+第二合金元素含量”，数字之间以“-”隔开，如BMn 3-12表示含Ni 3％、Mn 12％、Cu 85％的锰白铜。常用白铜的牌号及用途见表6.8。
6.2.3 黄铜
6.2.3.1 普通黄铜
普通黄铜是铜锌二元合金。Cu -Zn 二元相图见图6.4。α相是锌溶入铜中形成的固溶体，锌的溶解度随温度变化而变化，在
456℃（溶解度最大为39％Zn ）
以下降温，溶解度略有下降。β相是以电子化合
物CuZn 为基的固溶体，具有体心立方晶格，当温
β相度降至456～468℃以下时，发生有序化转变，
转化为有序固溶体β′相，硬且脆，难以进行冷加工变形。γ相是以电子化合物CuZn 3为基的固溶
体，具有六方晶格，更脆，强度和塑性极差。工
业上使用的黄铜中Zn 的含量一般不超过47％，否
则因性能太差而无使用价值。
仅有α固溶体的黄铜为单相黄铜，有较高的强
度和塑性，可进行冷、热变形加工；它还具有良
好的锻造、焊接性能。常用单相黄铜有H 68、
H 70、H 90等，H 68、H 70因较高强度和塑性， 图6.4 Cu-Zn合金相图
常用作子弹和炮弹的壳体，故又称为“弹壳黄铜”。当Zn 含量超过32％，就出现了α+β′双相黄铜。与单相黄铜相比，双相黄铜塑性下降，强度随Zn 含量提高而升高。
当Zn 含量为45％时强度达到最大值。α+β′双相黄铜具有良好的热变形能力，较高的强度和耐蚀性。常用牌号有H 59、H 62等，可用于散热器、水管、油管、弹簧等。
当Zn 含量＞45％以后，组织全部为β′相，强度急剧下降，塑性继续降低。
6.2.3.2 特殊黄铜
特殊黄铜是在铜锌二元合金基础上加入Pb 、Al 、Mn 等合金元素形成的多元铜合金。
合金元素的加入，特殊黄铜的力学性能、切削加工性能、铸造性能、耐蚀性能等得到了进一步提高，拓宽了应用范围。
Al 、Sn 、Si 、Mn 主要是提高抗蚀性，Pb 、Si 能改善耐磨性，Ni 能降低应力腐蚀 敏感性，合金元素一般都能提高强度。有铅黄铜、铝黄铜、锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜、镍黄铜等。
6.2.3.3 铸造黄铜
铸造黄铜含较多的Cu 及少量合金元素，如Pb 、Si 、Al 等。它的熔点比纯铜低，液固相线间隔小，流动性较好，铸件致密，偏析较小，具有良好的铸造成形能力。铸造黄铜的耐磨性、耐大气、海水的腐蚀性能也较好，适于用作轴套、腐蚀介质下工作的泵体、叶轮等。
6.2.3.4 黄铜的脱锌和季裂
黄铜虽然具有良好的耐蚀性，但是在一定的环境下会发生脱锌和季裂现象导致破坏。 ⑴脱锌 脱锌是黄铜在盐液等介质存在时发生电化学腐蚀，表面失去Zn 导致力学性能下降的现象。Zn 的电极电位比铜低，Zn 极易在盐液等介质中溶解，表面残存疏松多孔的海绵铜，其与表层以下的黄铜因电极电位差又构成微电池，黄铜成为阳极加速腐蚀，形成了一定深度的脱Zn 层，抗蚀性和力学性能恶化。为防止发生脱Zn ，生产中常使用低Zn 铜(＜15％) 或加入含量为0.02～0.06％的As 。
⑵季裂 季裂是指经过冷变形加工的黄铜（含Zn ＞20％）制品，由于残余应力的存在，在潮湿的大气或海水中，尤其是在含氨气的环境中，放置一段时间，容易产生应力腐蚀，使黄铜开裂，这种自发破裂的现象称应力腐蚀开裂或季裂。防止黄铜的季裂，可以进行喷丸处理，在表面施加压应力；低温退火（250～300℃加热保温1～3h ）去除残存拉应力；或加适量Al 、Sn 、Si 、Mn 、Ni 等元素来显著降低对应力腐蚀的敏感性。
6.2.4 青铜
工业生产习惯上把黄铜、白铜以外的铜合金都称为青铜。
6.2.4.1 锡青铜
以Sn 为主加元素的铜基合金称锡青铜。锡青铜的主要特点是耐蚀、耐磨、强度高、弹性好等。如图6.5为Cu -Sn 二元合金相图局部。
图6.5 Cu-Sn合金相图 图6.6锡青铜组织和力学性能与含锡量的关系
Sn 在铜中可形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据Sn 的含量不同，锡青铜的组织和性能也不同，图6.6是锡青铜的组织和力学性能与含Sn 量的关系。由图可知：
含Sn 5～6％时，合金的组织为α单相固溶体，合金的塑性最高，强度也增加；含Sn 超过6～7％后，由于组织中出现硬而脆的δ相（以化合物Cu 31Sn 8为基的固溶体），塑性显著
下降，强度继续增加，当Sn 的含量超过20％时，由于大量的δ相出现，使合金变脆，合金的强度和塑性均下降。
因此，压力加工锡青铜含Sn 一般低于7～8％，含Sn 大于或等于10％的合金适宜铸造。 由于锡青铜表面生成由Cu 2O ∙2CuCO 3∙Cu (OH ) 2构成的致密薄膜，因此锡青铜在大气、
海水、碱性液和其它无机盐类溶液中有极高的耐蚀性，但在酸性溶液中抗蚀性较差。
锡青铜的结晶温度区间较大，流动性差，易形成枝状偏析和分散缩孔，铸件致密性差。但是锡青铜的线收缩率小，热裂倾向小，可铸造形状复杂、厚薄不均匀的铸件，尤其是构图精巧、纹路复杂的工艺品。
为了改善锡青铜的铸造性能、力学性能、耐磨性能、弹性性能和切削加工性，常加入Zn 、P 、Ni 等元素形成多元锡青铜。
锡青铜可用作轴套、弹簧等抗磨、抗蚀、抗磁零件，广泛应用于化工、机械、仪表、造船等行业。
6.2.4.2 铝青铜
以Al 为主加合金元素的铜基合金称铝青铜，是得到最广泛应用的一种青铜。它的成本比较低，一般铝的含量为8.5～10.5％。铝青铜具有良好的力学性能，耐蚀性和耐磨性，并能进行热处理强化。铝青铜有良好的铸造性能，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的抗蚀性，此外还有冲击时不发生火花等特性。宜作机械、化工、造船及汽车工业中的轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等零件。
6.2.4.3 铍青铜
以Be 为主加合金元素的铜基合金称铍青铜。一般铍的含量为1.7～2.5％。铍青铜可以淬火时效处理，有很高的强度、硬度、疲劳极限和弹性极限，而且耐蚀、耐磨、无磁性、导电和导热性好，受冲击无火花等。在工艺方面，它承受冷、热压力加工的能力很强，铸造性能亦好。主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片、膜盘等，特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条、压力表游丝；高速、高温、高压下工作的轴承、衬套及矿山、炼油厂用的冲击不带火花的工具。铍青铜价格较贵。
6.2.5 白铜
以Ni 为主加合金元素的铜基合金称白铜。
工业上应用的白铜有普通白铜和特殊白铜。普通白铜是Cu -Ni 二元合金；特殊白铜是在Cu -Ni 合金基础上加入Zn 、Mn 、Al 等合金元素，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。
白铜具有高的耐蚀性、优良的冷、热加工工艺性。因此，广泛用于制造精密仪器、仪表 化工机械及医疗器械中的关键零件。
6.3 钛及其合金
钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，同时资源丰富，所以有着广泛应用前景。但目前钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了它们的应用。
6.3.1 纯钛
纯Ti 是灰白色轻金属，钛的密度小，为4.54g /cm 3, 熔点高，约为1668℃，热膨胀系数小，导热性差。纯Ti 塑性好、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。Ti 在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。Ti 的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。
Ti 在固态下有同素异构转变：882.5℃以下为密排六方晶格，称α-Ti ；882.5℃以上直
β-Ti ，它到熔点为体心立方晶格，称β-Ti 。在882.5℃时发生同素异构转变α-Ti
对强化有很重要的意义。
工业纯Ti 中含有H 、C 、O 、Fe 、Mg 等杂质元素，少量杂质可使钛的强度和硬度显著升高，塑性和韧性明显降低。工业纯钛按杂质含量不同分为TA 1、TA 2、TA 3等三种（见表6.9）, 编号越大杂质越多，可制作在350℃以下工作的、强度要求不高的零件。
6.3.2 钛合金
合金元素溶入α-Ti 中，形成α固溶体，溶入β-Ti 中形成β固溶体。Al 、C 、N 、O 、
β-Ti 转变温度升高, 称为α稳定化元素。Fe 、Mo 、Mg 、Cr 、Mn 、 B 等使α-Ti
V 等使同素异构转变温度下降， 表6.9工业纯钛及部分钛合金的牌号及用途 称为β稳定化元素。Sn 、Zr 等对转变温度的影响不明显，称为中性元素。 根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金。牌号
分别以TA 、TB 、TC 加上编号来表示。钛合金的牌号及用途见表6.9。 ⑴α钛合金 钛中加入Al 、B 等α稳定化元素获得α钛合金。α钛合金的室温强度
低于β钛合金和（α+β）钛合金，但高温（500～600℃）强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。α钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火（变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火）。
α钛合金的典型的牌号是TA 7，成分为Ti -5Al -2.5Sn 。其使用温度不超过500℃，主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。
⑵β钛合金 钛中加入Mo 、Cr 、V 等β稳定化元素得到β钛合金。β钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。在时效状态下，合金的组织为β相和弥散分布的细小α相粒子。
β钛合金的典型牌号为TB 1，成分为Ti -3Al -13V -11Cr ，一般在350℃以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。
⑶(α+β) 钛合金 钛中通常加入β稳定化元素、大多数还加入α稳定化元素所得到的(α+β) 钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50～100％。
TC 4是典型的(α+β) 钛合金，成分为Ti -6Al -4V ，经淬火及时效处理后，显微组织为块状α+β+针状α。其中针状α是时效过程中从β相中析出的。由于强度高，塑性好，在400℃时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力，所以适于制造在400℃以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。
6.3.3 钛及钛合金的热处理
⑴退火 消除应力退火目的是消除工业纯钛和钛合金零件机加工或焊接后的内应力。退火温度一般为450～650℃，保温1～4h ，空冷。
再结晶退火目的是消除加工硬化。纯钛一般采用550～690℃温度，钛合金用750～800℃温度，保温1～3h ，空冷。
⑵淬火和时效 目的是提高钛合金的强度和硬度。
α钛合金和含β稳定化元素较少的(α+β) 钛合金，自β相区淬火时，发生无扩散型的马氏体转变β→α′,α′为马氏体，是β稳定化元素在α-Ti 中的过饱和固溶体，具有密排六方晶格，硬度较低，塑性好，是一种不平衡组织，加热时效时分解成α相和β相的混合物，强度和硬度有所提高。
β钛合金和含β稳定化元素较多的(α+β) 钛合金淬火时，β相转变成介稳定的β相，加热时效后，介稳定β相析出弥散的α相，使合金的强度和硬度提高。
α钛合金一般不进行淬火和时效处理，β钛合金和(α+β) 钛合金可进行淬火时效处理，
提高强度和硬度。
钛合金的淬火温度一般选在α+β两相区的上部范围，淬火后部分α保留下来，细小的β相转变成介稳定β相或α′相或两种均有（决定于β稳定化元素的含量），经时效后获得好的综合机械性能。假若加热到β单相区，β晶粒极易长大，则热处理后的韧性很低。一般淬火温度为760～950℃，保温5～60分钟，水中冷却。
钛合金的时效温度一般在450～550℃之间，时间为几小时至几十小时。
钛合金热处理加热时应防止污染和氧化，并严防过热。β晶粒长大后，无法用热处理方法挽救。
6.4 镁及其合金
镁是地壳中第三种最丰富的金属元素，储量占地壳的2.5％，仅次于铝和铁。镁及镁合金比强度高、耐冲击、具有优良的可切削加工性，并对碱、汽油及矿物油具有化学稳定性，因而可用作输油管道。作为结构材料已越来越发挥重要的作用。
6.4.1 纯镁
纯镁为银白色，其密度为1.74g /cm 3，熔点为650±l ℃，沸点为l100±10℃。纯镁的电极电位很低，因此抗蚀性较差，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁具有密排六方晶格，室温和低温塑性较低，容易脆断，但高温塑性较好，可进行各种形式的热变形加工。
6.4.2 镁合金
纯镁的力学性能较低，实际应用时，一般在纯镁中加入一些合金元素，制成镁合金。镁的合金化原理与铝相似，主要通过加人合金元素，产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩相强化作用，以提高合金的力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能。镁合金中常加入的合金元素有Al 、Zn 、Mn 、Zr 及稀土元素等。
目前工业中应用的镁合金主要集中于Mg -Al -Zn 、Mg -Zn -Zr 和Mg -Re -Zr 等几个合金系，其中前两个合金系是发展高强镁合金的基础。
6.4.3 工业常用镁合金
国产镁合金牌号由相应汉语拼音字头和合金顺序号表示，表6.10为镁合金的牌号、性能及用途。
⑴铸造镁合金 铸造镁合金 表6.10 镁合金的牌号及用途
包括高强铸造镁合金（如ZM 5、ZM 1和 ZM 2）和耐热铸造镁
合金（如ZM 3等）两类。 ZM 5是应用最广泛的合金之一，其特点是强度较高，塑性良好，易于铸造，适于生产 各类铸件。ZM 5的淬火加热温度一般选择415～420℃，采用热水冷却。冷水淬火易引起晶间开裂。
⑵变形镁合金 该合金有Mg -Mn 系、Mg -Al -Zn 系和Mg -Zn -Zr 系。Mg -Mn 系合金包括MB 1和 MB 8二种，它们不能热处理强化，这些合金工艺性能好，抗蚀性高，适于制作飞机蒙皮、模锻件和要求耐蚀的管件。
106
MB 2属Mg -Al -Zn 系，不能热处理强化，塑性较好，适于加工成各种板、棒和锻件等半成品。
MB 15属Mg -Zn -Zr 系，可进行热处理强化，具有较高的强度，能制造形态复杂的大型锻件。MB 15合金耐蚀性良好，无应力腐蚀破裂倾向。
6.4.4 镁合金的热处理
镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但由于组织结构上的差别，与铝合金相比，呈现以下几个特点：
⑴镁合金的组织一般比较粗大，且常达不到平衡态，因此淬火加热温度较低；⑵合金元素在镁中的扩散速度较慢，需要的淬火加热时间较长；⑶铸造镁合金及加工前未经退火的变形镁合金易产生不平衡组织，淬火加热速度不宜过快，一般采用分级加热的方式；⑷自然时效条件下，过饱和固溶体析出沉淀相的速度极慢，故镁合金需用人工时效处理；⑸镁合金的氧化倾向大，加热炉内需保持一定的中性气氛，普通电炉一般通人SO 2气体或在炉中放置一
定数量的硫铁矿石碎块，并要密封。
镁合金常用的热处理工艺有铸造或锻造后的直接人工时效、退火、淬火不时效及淬火加人工时效等，具体工艺规范根据合金成分特点及性能需求确定。
6.5 轴承合金
轴承根据工作条件不同可分为滚动轴承和滑动轴承两类。是汽车、拖拉机、机床及其它机器中的重要部件。轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。因此轴承合金应具有以下性能：
⑴足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。⑵足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。⑶良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。⑷高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。⑸良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。
轴瓦材料不能选用高硬度的金属，以免轴颈受到磨损；也不能选用软的金属，防止承载能力过低。因此轴承合金应既软又硬，组织特点是，在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。
若轴承合金的组织是软基体上分布硬质点，则运转时软
基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上，使轴和轴瓦的
接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴和轴瓦之间的
摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。另外，软基体能承受冲击
和震动，使轴和轴瓦能很好的结合，并能起嵌藏外来小硬物
的作用，保证轴颈不被擦伤（见图6.7）。 图6.7软基体轴与轴瓦配合示意图
轴承合金的组织是硬基体上分布软质点时，也可达到上述同样目的。
6.5.1 滑动轴承合金的分类及牌号
常用的轴承合金按主要成分可分为锡基、铅基、铝基、铜基等数种，前两种称为巴氏合金，轴承合金一般在铸态下工作，其牌号以“铸”字汉语拼音字首“Z ”开头，表示方法为“Z +基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素符号+辅加元素含量„„”。例如，ZSnSb 12Pb 10Cu 4, 即表示含Sb 12％、含Pb 10％和Cu 4％的锡基轴承合金。
6.5.2 常用滑动轴承合金
6.5.2.1 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）
锡基轴承合金是以锡为基础合金，辅加Sb 、Cu 、Pb
等元素而形成的一种软基体硬质 107
点类型的轴承合金。最常用的牌号是ZSnSb 11Cu 6。
其组织可用Sn -Sb 合金相图来分析（见图6.8）。α
相是Sb 溶解于Sn 中的固溶体，为软基体。β′相是以
化合物SnSb 为基的固溶体，为硬质点。即硬质点β′
相均匀分布在α相软基体上。铸造时，由于β′相较轻，
易发生严重的比重偏析，所以加入Cu ，生成Cu 6Sn 5，
呈树枝状分布，阻止β′相上浮，有效地减轻比重偏析。
Cu 6Sn 5的硬度比β′相高，也起硬质点作用，进一步
提高合金的强度和耐磨性ZSnSb 11Cu 6的显微组织为
α+β′+Cu 6Sn 5。其中α相软基体呈黑色， β′硬质点呈白方块状，Cu 6Sn 5呈白 图6.8 Sn-Sb合金相图
针状或星状。
锡基轴承合金的摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，适于制作最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低（不高于150℃）。常用锡基轴承合金的牌号及用途见表6.11。
表6.11常用锡基轴承合金的牌号及用途
6.5.2.2 铅基轴承合全（铅基巴氏合金）
铅基轴承合金是以Pb 为基础合金，辅加Sb 、Cu 、Sn 等元素而形成的一种软基体硬质点类型的轴承合金。常用牌号是ZPbSb 16Cu 2。
图6.9为该合金的Pb -Sb 相图。α为Sb 在Pb 中的
固溶体，β为Pb 在Sb 中的固溶体。含15～17％Sb 的
Pb -Sb 合金的组织为（α+β）+β。（α+β）共晶体
为软基体，β相为硬质点。但由于基体太软，β相很脆
易破碎，且有严重的比重偏析，性能不好，所以在铅基
轴承合金中再加入锡和铜。锡是为了生成化合物SnSb ，
并得到以SnSb 为基的固溶体作为硬质点；Cu 是为了形
成化合物Cu 6Sn 5，防止比重偏析，同时亦起硬质点作用。 图6.9 Pb-Sb相图
ZPbSb 16Cu 2的显微组织为α+β+Cu 6Sn 5。α+β共晶体为软基体，白方块为以SnSb 为
基的β固溶体，起硬质点作用，白针状晶体为化合物Cu 6Sn 5。这种合金的铸造性能和耐磨
性较好（但比锡基轴承合金低），价格较便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦，例如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。常用铅基轴承合金的牌号及用途见表6.12。
6.5.2.3 铜基轴承合金 表6.12常用铅基轴承合金的牌号及用途
铜基轴承合金包括铅青铜、锡
青铜等，常用合金牌号为ZCuPb 30、ZCuSn 10P 1等。 ZCuPb 30是硬基体上分布软质
点类型的轴承合金，润滑性能好，
摩擦系数小，耐磨性好，铅青铜还
具有良好的耐冲击能力和疲劳强
度，并能长期工作在较高的温度
250～320℃下，导热性优异。常用于高载荷、高速度的滑动轴承，如航空发动机、高速柴油
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机轴承等。铅青铜的强度较低，实际使用时也常和铅基巴氏合金一样在钢轴瓦上浇铸成内衬，进一步发挥其特性。
ZCuSn 10P 1是以α固溶体作为软基体，金属化合物β相和Cu 3P 作为硬质点，强度高，
耐磨性好，也可用于高速柴油机轴承。
6.5.2.4 铝基轴承合金
铝基轴承合金是以Al 为基本元素，主加元素为Sb 、Cu 、Sn 等形成的合金。与其他轴承合金相比，它不但是一种新型的减磨材料，还具有生产成本低、密度小、导热性、耐蚀性好、疲劳强度高等优点，主要用于高速、高载条件下工作的汽车、内燃机轴承等。铝基轴承合金主要不足之处是线膨胀系数大，运行时特别是在启动状态下容易与轴咬合，应用中常采用增大轴承间隙，提高接触面平整度或镀锡加以防止。铝基轴承合金硬度较高，相应地要提高轴的硬度，防止轴颈被擦伤。
Sb 3.5～5％，Mg 0.3～0.7％，⑴铝锑镁轴承合金 组成铝锑镁轴承合金元素的含量为：
余量为Al ，是软基体分布硬质点类型的轴承合金，以Al 为溶剂的α固溶体是软的基体，化合物AlSb （β相）是硬的质点，微量Mg 的作用是将针状β相的形态改变成片状，提高塑性、韧性和屈服强度。一般是将该合金浇铸在钢轴瓦上形成内衬使用。
铝锑镁轴承合金的缺点是承压能力较小，允许滑动线速度不大，冷启动性较差，多用于小载荷的柴油机轴承。
⑵高锡铝基轴承合金 高锡铝基轴承合金中所含元素的含量为：Sn 20％，Cu 1％，余量为Al ，是硬质基体上分布软质点类型的轴承合金。由于Al 和Sn 在固态下几乎不互溶，所以显微组织由Al +Sn 组成，Al 是硬基体，Sn 呈球状是软质点，微量Cu 的作用是使基体进一步强化。
高锡铝基合金一般是与钢复合制成双金属结构使用，疲劳强度较高，耐磨性、耐热性、耐蚀性良好，承压能力较高，允许滑动线速度较高，可代替巴氏合金、铜基轴承合金。铝锑镁轴承合金常用在高速大功率的重型机床、内燃机车、拖拉机和滑动轴承上。
⑶铝石墨轴承合金 铝石墨轴承合金所含元素的含量为：Si 6～8％，C 3～6％，余量为Al ，是一种新型的轴承合金。
石墨的减震能力较强，自润滑作用明显，在较高的温度有减摩作用。因此，铝石墨轴承合金在干摩擦或在250℃温度下都能保持良好的耐磨性，常用于活塞和机床的滑动轴承。
习 题
6.1 铝合金性能有哪些特点？铝合金可以分为哪几类？试根据二元铝合金一般相图说明其依据。
6.2 硬铝合金的热处理有什么特点？实际操作时要注意哪些问题？
6.3 铜合金性能有哪些特点？铜合金可以分为哪几类？铜合金的强化有哪几种途径？
6.4 什么是硅铝明？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？硅铝明采用变质处理的目的
是什么？
6.5 画出下列材料的组织，标明组织组成物。
ZL102铸态（未变质处理）、ZL102铸态（变质处理后）、H62退火状态、锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6铸态。
6.6 滑动轴承合金的工作条件和必备的性能如何？
6.7 指出下列合金的名称、化学成分、主要性质和作用：LF21、LY11、LC4、LD6、ZL201、ZL401、ZCuSnl0P1、 ZCuSn5Pb5Sn5。
6.8 分析4％Cu 的Al-Cu 合金固溶处理与45钢淬火两种工艺的不同点及相同点。
6.9 画出经固溶处理后的含4％Cu 的Al-Cu 合金的自然时效曲线图。
6.10 说出下列材料的类别，各举一个应用实例：LY12，ZL102，H62，ZSnSb11Cu6，QBe2。例如：LF11，防锈铝合金，可制造油箱。
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