第六章有色金属 工程材料
《机械工程材料(第4版)》课程大纲
“工程材料基础”课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Engineering Materials课程编号：MATL300102（10位）学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：课外学时：（课外学时不计入总学时））学分：3适用对象：本科生先修课程：大学物理、材料力学使用教材及参考书：[1] 沈莲，范群成，王红洁.《机械工程材料》.北京：机械工业出版社，2007.[2] 席生岐等。
《工程材料基础实验指导书》.西安：西安交通大学出版社.2014[3] 朱张校等。
《工程材料》.北京：清华大学出版社.2009一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：为机械、能动、航天、化工等学院本科生讲解材料的基础理论和工程应用，使学生了解材料的成分-组织-结构-性能的内在关系，培养学生根据零构件设计的性能指标选择合适材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。
二、课程内容简介（200字左右）工程材料基础是面向机类、近机类及口腔医学专业开设的材料基础理论课程。
课程主要向学生讲授典型零件的失效方式及抗力指标、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的基本知识，使学生掌握材料成分-工艺-组织-性能的内在关系，掌握工程材料实际应用的原则，培养学生“知理论、懂性能、会选材”的基本能力和素质。
课程实验主要包括金相试样制备和显微镜使用、铁碳合金组织的观察与分析、碳钢热处理与性能综合实验。
一、教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。
(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及工程应用的基本知识。
(3) 掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 学生具有根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及编写冷热加工工艺路线的基本能力。
(5) 了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
金属材料及热处理 06 有色金属材料篇(1)PPT课件
除Ag，Ge外，其他均是常见合金化元素 ➢Zn、Mg 、Cu 、Li（正开发）、 Si （铸铝） ，有时也包括Mn ， 可作 主加元素，起固溶强化、弥散强化作用； 作为起弥散强化作用的强化相主要有Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2、 Al2Mg3Zn、Mg2Si、δ（Al3Li）、Al2CuLi等
第3 章 有色金属及其合金
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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概述
金属材料习惯上可分为有色金属和黑色金属（钢 铁）；
有色金属及其合金种类很多，但产量小，总产量 也远远小于钢铁的产量；
纯铝强度低，σb=80-100MPa, σ0.2=30-50MPa, δ=35-40%, HB=25-30,
即使是冷变形60-80%, σb=150-180MPa,但 δ=1-1.5%，难以满足需要，
需合金化。
（1）提高强度的途径
共晶含量少或无， 高温和低温塑性高， 强度高
铸造性好，流动性 好，易填充，不易 冷热裂
热处理可强化铝合金
1.3 铝及铝合金简介
（一）纯铝
纯铝具有密度小、导电导热性好、加工工艺好、耐蚀性好等优点，但
强度低，故，它多用于电线电缆以及强度要求不高的用具或器皿。
（工业纯的、高纯的亦用于科研配置合金）
工程材料-有色金属及其合金PPT
鼓风机用密封件(ZL102) 及抗空架件(ZL301)
.
15
4.铸造铝 – 锌合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的铸造性,经变质处理和
时效处理后,强度高,但耐蚀性差。
大型空压机活塞(ZL401)
.
16
三、 铜及铜合金
（一）.铜的性能特点:密度大;导电及导热 性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高;强 度低;无磁性;无打击火花;加工工艺 性好等。 工业纯铜 T1～T4，
普通青铜 ( 锡青铜 ) ( tin bronze )
特殊青铜 ( 无锡青铜 ) ( tin – free bronze )
.
27
青铜牌号的表示方法
Z Q Sn10 – 1
.
其它合金元 素含量为1% 主加元素锡其含 量为WSn = 10% 青铜
铸造
28
一) 锡青铜 ( tin bronze )
叶片(2A11)等重要零件。
（2）铝锰合金（防锈铝合金） 成分：AL—Mn（主）－Mg Mn,Mg的作用： 提高抗腐蚀性能及塑性，固溶强化
.
10
性能：抗蚀性高，塑性好，不能热处理强化，可冷变形强化。 应用：油箱、 油管（罐）、铆钉（3A21）等。
（3）铝锌合金（超硬铝）
成分：Al－Zn－Cu－Mg
纯铝的牌号：四位字符（以1开头，第二位表示纯铝的成分 状况，第三、四位表示铝的质量分数小数点后两位数。）
二、铝合金：
向铝中加入合金元素 → 铝合金 。
常加的合金元素 ：主：Cu,Mg,Si,Zn,Mn等；
微：Ti,Z. r,Cr,B等；
4
共晶点
合金元素
1 铝合金的分类
变形铝合金 （D以左）
工程材料之有色金属及其合金
第二节有色金属及其合金钢铁材料有色金属…-铝.镁・铜.铅.锌等及其合金一、铜及铜合金纯铜:紫铜铜合金:黄铜、青铜、白铜1) 2)1v紫铜紫铜的性能紫铜的代号及用途紫铜即工业纯铜,因其具有玫瑰红色,表面形 成氧化膜后呈紫色而名面心立方晶体结构,无同素异构转变 比重8・96 ,熔点1083°C ;优覆的导电性和导 热性,其导电性位居第二（仅次于银）；逆磁性 物质（磁化系数为很小的负数）；很好的耐蚀性裂的现象II. III.IV.V. VI. 极好的塑性,机械性能较低（表9・6） 热脆性:含有铅、铿,当进行热加工时（一般为820~8609）,造成脆性断裂冷脆:含有硫■氧,铜在冷加工时易于产生破L 代号: Tl(99・95%Cu).T2(99・90%Cu). T3(99・7%Cu)、T4(99.5%Cu)oIL用途：船上主要用作柴油机的润滑油管■锅炉水管等和密封垫片紫铜在冷变形后通过再结晶退火＜即将紫铜加热到600~6509 ,然后在水中冷却＜一方面去除其表面的灰黑色氧化皮(CuO) ”另一方面紫铜得到软化(消除加工硬化现象)1.在船上采用喷灯加热至发红而后水冷, 达到软化的目的。
2、黄铜黄铜一铜锌合金,根据化学成分的不同,分为普通黄铜和特殊黄铜。
（1）普通黄铜:①成分和组织②编号和用途.性能⑵特殊黄申锡黄铜①猛黄铜普通黄铜是由铜和锌组成的二元合金黄铜含锌量一般不超过47 %单相黄铜:锌<39% f形成a固溶体（塑性很好 > 适于冷、热加工）两相黄铜:含锌量在39~45%时f黄铜的组织为a+卩（卩相是以化合物CuZn为基的在温度较低时则很脆 < 不宜冷加工）I. 编号:n H 1+两位数字（H80 ,即表示含铜80% 的黄铜几铸造黄铜,再加上”Z” 色械性能:与锌的含量有直接关系。
如图9・7所III.锌的含量达30%时■黄铜的塑性最大；IV.含锌量达到45%时，黄铜的强度最大V.铸造性能：优覆VI.耐蚀性:在大气、尤其是有机氟化物（氟利昂12-CF2C12）中VII.应用：用于制作冷凝管.水泵零件、散热片等 ,如表9-8所示。
《有色金属材料》课件
建筑行业领域
在建筑行业领域，有色金属材料如铜 合金、不锈钢和铝制品等被广泛应用 于建筑装饰、屋面和门窗等。这些有 色金属材料具有美观、耐久和易于维 护的特点，能够提高建筑物的品质和 价值。
VS
例如，铜合金在建筑装饰中具有高贵 典雅的外观和耐腐蚀的特点，常用于 制造门把手、窗框和楼梯扶手等部件 。不锈钢具有高强度和良好的耐腐蚀 性能，常用于制造建筑结构件和栏杆 等。铝制品轻便美观，具有良好的加 工性能和耐候性能，常用于制造门窗 和幕墙等。
通过测量金属材料的重量和体积，计算其密度，以评 估其质量。
热膨胀系数测试
在加热或冷却过程中，测量金属材料的长度变化，以 评估其热稳定性。
电导率测试
测量金属材料在单位温度和单位长度下的电阻值，以 评估其导电性能。
化学性能测试
耐腐蚀性测试
01
通过暴露金属材料在不同的环境条件下，观察其表面腐蚀程度
，以评估其耐腐蚀性能。
高端装备制造领域
有色金属材料在高端装备制造领域的应用不断拓展，如航空航天、高 速铁路等。
现了铁和钢。
近代
随着工业革命的兴起，铝、铜、 镍等有色金属材料得到了广泛应
用。
现代
随着科技的不断进步，有色金属 材料的应用领域不断扩大，如钛 合金、镁合金等新型有色金属材 料在航空航天、汽车等领域得到
了广泛应用。
PART 02
有色金属材料的生产工艺
冶炼工艺
01
02
03
熔炼
将矿石、废金属和添加剂 在高温下熔化成液态，通 过化学反应去除杂质，形 成纯净的有色金属溶液。
抗氧化性测试
02
在高温条件下，观察金属材料表面氧化程度，以评估其抗氧化
性能。
金属材料工程
金属材料工程文章摘要：金属材料是以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
关键词：金属材料学、金属材料工程、金属材料性能金属材料都包括什么金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
意义:人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
种类:金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%〜4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
性能:一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
工程材料学有色金属
第二节 铜及铜合金
一、工业纯铜
牌号 T1－T4 铜含量为99.95－99.5％。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。
成分 铜为主体 + 为杂质，其中常见元素 T1
有Pb、Bi、O、S、P等，它们降低了材料 T2
的导电、导热性能,特别是高温或低温下 明显降低了材料的塑性。
T3 T4
99.95% 99.90% 99.70% 99.5%
用途 T1、T2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。
用于真空电气元件的纯铜，还需要经过还原气氛保护熔炼得到 的无氧铜，以及用P或Mn进行脱氧铜。
13
第二节 铜及铜合金
二、黄铜（Cu-Zn合金)
一、工业纯铝
1．性能特点
①比重小、比强度高 铝的密度(比重)为2.7g/cm3，仅为钢的 三分之一，铝合金经处理后，单位质量材料能承受的载荷 远大于高强度钢。
②优良的物理、化学性能 铝的导电性和导热性仅次于Ag、Cu、 Au，但单位重量的导电能力却是铜的200％。铝表面可生成 致密的氧化膜，可以有效的抵抗大气腐蚀，但不耐酸、碱、
号越大纯度越高。主要用来制作铝箔、电容器、科研材料。 工业纯铝 L1、L2、L3、L4、L5，纯度从99%－98％，编号越大
纯度越低。主要用来制作电线、电缆、器皿等。纯铝的强度 较低，一般不用来制作机械构件。
按GB/T8063－1994对铸造纯铝规定为ZAl99.5，数字表示 铝含量的百分数。
按GB/T16474－1996对变形纯铝规定为1A93，数字表示铝 含量的百分数99.93％中小数点后的数字。
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第一节 铝及铝合金
工程材料学有色金属及其合金培训
技术创新与产业升级
总结词
技术创新与产业升级是有色金属及其合金发展的必然趋 势，有助于提升产业竞争力。
详细描述
随着新技术的不断涌现，如3D打印、精密铸造等，为有 色金属及其合金的应用提供了更多的可能性。同时，产 业升级有助于提高生产效率、降低成本，进一步拓展市 场空间。
环境友好型材料的应用
总结词
环境友好型材料的应用是有色金属及其合金发展的重 要方向，符合绿色发展的要求。
建筑结构材料
铝、镁合金等有色金属及其合金 用于制造建筑结构部件，如桥梁 、高层建筑和大型公共设施的支
撑结构。
建筑装饰材料
铜、铝等有色金属及其合金用于制 造建筑装饰材料，如门窗、栏杆和 天花板等。
建筑机械和工具
有色金属及其合金用于制造建筑机 械和工具，如钢筋加工机械、建筑 模板和脚手架等。
电子工业领域
塑性加工与热处理
塑性加工
塑性加工是通过压力或模具使金属发 生塑性变形，以获得所需形状和性能 的工艺过程。常见的塑性加工方法有 轧制、挤压、锻造等。
热处理
热处理是通过加热、保温和冷却等工 艺手段，改变金属的内部组织结构， 以达到改善其性能的目的。热处理过 程中需控制加热温度、时间和冷却速 度等参数。
更高要求的工程应用。
轻量化
在保证性能的前提下，降低材 料的重量，有利于减少能源消 耗和环境污染。
智能化
利用传感器和智能技术，使材 料能够感知和响应外部环境的 变化，实现自适应和自修复等 功能。
环保化
发展低能耗、低排放、低污染 的材料制备和应用技术，减少
对环境的负面影响。
02
有色金属及其合金的 特性
复合材料制备技术
复合材料
复合材料是由两种或两种以上材料组成的新 型材料，各组分材料在性能上相互补充、协 同作用，具有优异的使用性能。
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With increasing time, the strength or hardness increases,
reaches a maximum, and finally diminishes.
This reduction in strength and hardness that occurs after long
协合Concorde Facts
If you fly from London to New York, you arrive one hour before you left. Roughly three million people have flown on the Concordes. One way ticket costs roughly $5,000. As of 1994, Concordes have flown over 100,000 hours.
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可通过热处理获得很高的强度。 铸铝合金的铸造性能极好。
A standard Boeing 747 Jumbo contains 75 tonnes of aluminium. A380 employs 66% aluminium in the airframe, and the projected range of short and medium haul aircraft where up to 76% of body weight is aluminium,
（2）纯铝及铝合金牌号（国际牌号）
四位数字体系和四位字符体系牌号第一个数字表示铝及铝 合金的类别，其含义如下：
1）1XXX系列 2）2XXX系列 3）3XXX系列 4）4XXX系列 5）5XXX系列 6）6XXX系列 7）7XXX系列 8）8XXX系列 工业纯铝； Al-Cu、Al-Cu-Mn合金； Al-Mn合金； Al-Si合金； Al-Mg合金； Al-Mg-Si合金； Al-Zn合金； 其它。
汽车上的铝合金
Audi A8
All-aluminium car
Audi R8 V12
This approach is used for example in the Audi A8 all aluminium car, the doors, boot lid, bonnet and roof being fixed to the extruded space frame. The monocoque structure is made up with large aluminium sheet pressings, usually in a 5000 series alloy, that are riveted together using technology well tried and tested in the aerospace sector. A good example of this approach is the Jaguar XJ all aluminium car.
Aerospace Al-Alloys（航空铝合金）
主要使用两类铝合金
2xxx alloys (Al + Cu, Mg) UTS~500MPa 7xxx alloys (Al + Mg, Zn, (Cu)) UTS~600MPa
B C A F H E
Alloys used in typical wing structure
The Concorde is powered by four Rolls Royce/ Snecma Olympus 593 Turbo Jet Engines. They produce 18.7 tons of thrust. The four engines burn roughly 7,000 gallons of fuel per hour.
（5）铝合金的强化途径
变形强化 时效强化（热处理） 变质处理（细晶强化）
铝合金的时效强化
铝合金的时效强化＝固溶处理（淬火）＋时效处理
(1) 固溶处理： 将成分位于相图中D～F之间的 合金加热到 α 相区, 经保温获得单相 α 固溶体后迅速水冷，可在室温得到过饱和 的 α 固溶体, 这种处理方式称固溶处理 (2) 时效处理：固溶处理后得到的组织是不稳 定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的 倾向。在室温下放置或低温加热时，强度 和硬度会明显升高。这种现象称为时效或 时效硬化。在室温下进行的称自然时效； 在加热条件下进行的称人工时效。
time periods is known as overaging.
Schematic diagram showing strength and hardness as a function of the logarithm of aging time at constant temperature during the precipitation heat treatment.
7050 航空铝合金制造过程 Processing Sequence - 7050 Plate
Cast
Direct chill
The most notable accident was on July 25th, 2000. The crash occurred due to a tire that blew up and got sucked into an engine and ignited a fuel tank.
Precipitates
时效规律
时效温度越高, 强度峰值 越低, 强化效果越小; 时效温度越高, 时效速度 越快, 强度峰值出现所需时 间越短; 低温使固溶处理获得的过 饱和固溶体保持相对的稳 定性, 抑制时效的进行。
Overaging in Precipitation Hardening （沉淀硬化的过时效）
Concorde Facts
•加速度：Accelerates 0 to 225 mph in 30 seconds. •窄机身：Compared to a Boeing 747 with a fuselage(机身) width of 20 feet, the Concorde has a fuselage of only 9 feet. •摩擦热膨胀：During flight at top speed, air friction heats the plane so much that the fuselage expands 7 inches in length. •超音速：The plane covered 3,900 miles in 213 minutes.
第六章 有色金属及合金
黑色金、Ca------金属 重金属：Cu、Pb、Zn、Ni、Sn-----
有色金属
贵金属：Au、Ag、Pt-----稀有金属：W、Mo、Ta、Nb、Zr-----
半金属：Si、As、B------
1、铝及铝合金
（1）特点
Jaguar XJ
Jaguar XJ Aluminium Bodyshell
Audi A2 all-aluminum Audi Space Frame (ASF) manufacuture
Audi A2
The A8's Audi Space Frame, weighing only 249 kilograms (some 200 fewer than a steel bodyshell of the same type), set new standards in its market segment, but is surpassed in this respect by the A2's aluminium body, which weighs only 156 kilograms including add-on parts - 43 percent less than a comparable conventional steel body
不同系列的铝合金的热处理性能和可焊接性能
（3）纯铝
1XXX： 3，4位表示铝的质量分数的小数点后两位;
2位A、B或者数字表示: A 表示原始态，
B或其它表示改型情况。 主要用于制作电线、电缆、器皿、包装及配制合金
（4）铝合金
铝中加入合金元素后，可获得铝合金。铝合金具有 较高的强度，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。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器 零件和构件 。
A) Slats - 2618 B) D-Nose Skins - 2024 C) Top Panel - 7150 D) Bottom Panel - 2024
G D
E) Spars / Ribs - 7010 F) Flap Support - 7175 G) Flap Track - 7075 H) Landing Gear - 2024
密度小、比强度高 ：纯铝的密度为 2.7g/cm3, 仅为铁的1/3。铝合金的 密度与纯铝相近。铝合金（强化后）的强度与低合金高强钢的强度相 近，铝合金比强度比一般高强钢高得多。 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%。 铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力， 铝及铝合金磁化率极低，接近于非铁磁性材料。
协合与波音747的比较（Comparison）
Boeing 747 Concorde Hold roughly 300-400 乘客人数：The passengers and a much Concordes hold 100 larger crew to service the passengers plus 9 passengers. crew including a pilot, co-pilot, and flight engineer. 巡航高度：Cruising Alt: Cruising Alt: 35,000 ft 60,000 ft 巡航速度：Cruising Cruising Spd: Mach 0.84 Spd: Mach 2 结构：Adjustable nose Stationary fuselage. for low speed flight.