第八章 有色金属及合金
引言
? 工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色
金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色
金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等，金属及合
金。
? 有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性
能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。
? 本章重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合
金及轴承合金。
有色金属及合金
? 一、铝及铝合金
? 二、铜及铜合金
? 三、轴承合金
? 四、钛及钛合金 的性能特点
一、铝及铝合金
? 1.铝及铝合金的性能特点
? 2.提高铝及铝合金强度的主要途径
? 3.铝及铝合金的分类及用途
1.铝及铝合金的性能特点
? （ 1）优良的物理性能
? （ 2） 抗大气腐蚀性能好
? （ 3） 加工性能好，比强度高
（ 1） 优良的物理性能
? 密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化
率低纯铝的密度 2.72g/cm3，仅为铁的 1/3，
熔点为 660.4℃,导电性仅次于 Cu,Au、
Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但
导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化
率极低，属于非铁磁材料。
（ 2） 抗大气腐蚀性能好
? 铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝
合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防
止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，
氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作
的容器盛放盐和碱溶液。
（ 3） 加工性能好，比强度高
? 纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高
的塑性（ δ =30～ 50%,ψ =80%），易于压力加工成
型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，
σ n=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到 150～
250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，
而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到
500～ 600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，
成为飞机的主要结构材料。
2.提高铝及铝合金强度的主要途径
? 铝合金 的分类
? 铝合金 的分类
? 提高强度主要途径分类
铝合金相图的一般形式
铝合金 的分类
1、根据合金的成分和生产工艺不同将铝合金分为两类：
变形铝合金和铸造铝合金。
? 成分小于 D点的合金 ——变形铝合金。
? 成分大于 D点的合金，由于凝固时发生共晶反应，
熔点低、流动性好，适于铸造 ——铸造铝合金。
2、在变形铝合金中，成分小于 F点的不能热处理强
化 ——称为不能热处理强化的铝合金，而成分位于
F与 D之间的合金，其固溶体成分随温度而变化，可
进行固溶强化 +时效处理强化 ——称为能热处理强
化的铝合金。
铝合金
的分类
形变铝合金
铸造铝合金
不能热处理
强化铝合金
能热处理
强化铝合金
提高强度途径分类
? 冷变形（加工硬化）
? 变质处理（细化晶粒强化）
? 固溶 +时效处理（时效强化）
（ 1）时效强化
? 固溶处理
将成分位于 D～ F之间的合金加热到固态溶解度线 DF以上某一温
度，获得单相固溶体 α，然后水冷（淬火），获得过饱和固溶体 α称为
固溶处理。
? 时效强化
这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的
某一温度下加热时，使过饱和 α固溶体趋于发生某种程度的分解，使
合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强
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。
? 合金发生时效的条件
? 时效规律
合金发生时效的条件
? 合金能在高温形成均匀的固溶体
? 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而
显著降低。
含 4%Cu的铝合金自然时效曲线
含 4%Cu的铝合金在不同温度下的
人工时效曲线
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。
时效强化的原因
? 分析表明：在时效过程中溶质原子发生了如下的变
化，首先溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格
畸变加大，使位错运动阻力增大，强度提高，其次
随时间的延长，富集区的原子趋于有序化，趋于形
成第二相，但还没形成第二相，其与原晶格保持共
格关系，晶格畸变进一步增大，使强度进一步提高，
随时间的继续延长，第二相形成并逐渐离与母体的
共格关系，这时晶格畸变减小，强度下降。
（ 2） 细晶强化
? 纯铝和铝合金在浇注前进行变质处理，即在浇铸前向合
金注液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提高合
金强度，称为细化晶粒强化。
? 细晶强化对于变形铝合金的作用
? 细晶强化对于铸造铝合金的作用
细晶强化对于变形铝合金的作用
? 对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂 Ti,B,Nb、
Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核，从
而细化铝的晶粒。
细晶强化对于铸造铝合金的作用
? 对于铸造铝合金：典型的铸造铝合金是铝硅系合金（硅铝明），
这类合金具有优良的铸造性能（熔点低，流动性好，收缩性小）
和焊接性能好，尤以含 11～ 13%Si的二元铝硅合金铸造性能最好。
可见，二元铝硅合金铸造后几乎全部得到（ α +Si）的共晶体，
其中 Si量粗大针叶状，使合金变脆，强度和塑性都很低，不宜
作为工业合金使用，若对其采用变质处理，在浇注前向合金中
加入占合金重量 2～ 3%的变质剂（ 2份 NaF和 1份 NaCl），可将针
状 Si改变为细小粒状 Si，得到细小均匀的共晶体和初生 α 固溶
体的亚共晶组织（ α +Si） +α,显著提高合金的强度和塑性。
铸造铝合金中，变质处理细化晶粒的原因
? 在一般认为是 Na等元素能促进硅的形核，并吸附在
硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液
态合金产生 5～ 10℃ 的过冷度，并使共晶点向右移
动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合
金组织中出现了初生 α 固溶体。
纯铝与铝合金的细晶强化 （变质处理）
示意图
未变质处理 变质处理 后
3.铝及铝合金的分类及用途
? 纯铝
? 铝合金
纯铝
? 按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝
三类
? 高纯铝,99.996%～ 99.93% 用于科研,
代号 L04～ L01；
? 工业高纯铝,99.9%～ 99.85% 用于作 Al合金
原料、铝箱，代号 L0,L00；
? 工业纯铝,99.0%～ 98.0% 作管、线、棒、
代号 L1～ L6，数字大。
铝合金
? (一）变形铝合金
? 防锈铝 合金
? 硬铝 合金
? 超硬铝 合金
? 锻铝 合金
? （二）铸造铝合金
? Al-Si系合金
? Al-Cu系合金
? Al-Mg系合金
? Al-Zn 系 合金
铝合金牌号
? 铝合金的牌号表示方法,Al+主要合金元素符号 +主
要合金元素平均含量，若为铸造铝合金前面加, Z”，
如 ZAlSi12表示平均硅含量为 12%的铸造铝合金。
? 按国家标准规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代
号分别用, LF”,,LY”,,LC”,,LD”等字母及一
组顺序号表示，如 LF5,LY1,LC4,LD5等，而铸造
铝合金的代号用, ZL”两个字母和三个数字表示，
如 ZL102,ZL203,ZL302等
（一 ) 变形铝合金
1.防锈铝合金 ( LF ),
Al – Mn 通过固溶强化提高铝合金的
强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。
例如,LF21。
Al – Mg 通过固溶强化提高铝合金的
强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。
例如,LF2,LF6等。
飞机翼梁 (腹板
为硬铝合金 )
2.硬铝合金 ( LY ),
Al – Cu – Mg 通过
时效强化提铝合金强度,
但耐蚀性不高。 LY1,
LY11,LY12。
3.超硬铝合金 ( LC ),
Al – Zn – Mg – Cu 通过
时效强化和形成的强化相,
使铝合金达到最高的硬度和
强度。但耐蚀性较差。 LC4,
LC9。
飞机主起落架
4.锻铝合金 ( LD ),
Al – Mg – Si – Cu 具有良好的热塑性,
通过固溶处理和人工时效
来提高铝合金的力学性能。
LD5,LD6,LD10。
压气机叶片
活塞 (裙部为铝硅合金 ) ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55×
1.铸造铝 – 硅合金 ( ZL101～ ZL111 ),
（二）铸造铝合金
硅铝明
? 简单硅铝明
? 组织 α +Si共晶体，它的最大优点是铸造性能好，
此外，密度小，抗蚀性，耐热性，焊接性也相当好，
但强度低，这类合金只适用于制造形状复杂但对强
度要求不高的铸件，如仪表壳体等。
? 特殊硅铝明
? 在该合金的基础上加入适当合金元素 Cu,Mn,Mg、
Ni等元素，发展成能时效强化的铝合金，称为特
殊硅铝明，具有良好的铸造性和较高的抗蚀性及
足够的强度，如 ZL108,ZL109是我国目前常用的
铸造铝活塞的材料。
2.铸造铝 – 铜合金 ( ZL201～ ZL203 ),
有较高的强度、塑性及耐热性,但铸
造性能和耐蚀性较差。
铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210×
汽缸头
3.铸造铝 – 镁合金 ( ZL301,ZL302 ),
有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸
造性能和耐热性较差。
铝镁合金铸造组织 (化染 ) 150×
鼓风机用密封件 (ZL102)
及抗空架件 (ZL301)
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)
二、铜及铜合金
? 1.铜及铜合金的性能特点
? 2.铜及铜合金的分类及用途
1.铜及铜合金的性能特点
? 优异的物理、化学性能
? 导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高
? 良好的加工性能
? 塑性好；铸造性好
? 某些特殊机械性能
? 优良的减摩性和耐磨性, 高的弹性极限和疲劳极限
2.铜及铜合金的分类及用途
? 纯铜
? 铜合金
? 黄铜
? 青铜
? 白铜
2.铜及铜合金的分类及牌号
? 纯铜 (紫铜 ) T1,T2,T3,Tu1,Tu2
? 铜合金
? 黄铜
? 普通黄铜 H× × 表示含铜 62%,其余为 Zn的黄铜
? 特殊黄铜 HPb59-1表示 59%Cu,1%Pb。余量为 Zn的铅黄
铜
? 青铜
? 锡青铜 QSn6.5-0.4,表示 6.5Sn及 0.4%P的锡 -磷青铜
? 特殊青铜
? 白铜 BMn3-12,是含 3%Ni及 12%Mn的锰白铜
纯铜
我国工业有三个牌号：即一号铜（ 99.95%Cu）、二号铜
（ 99.90%Cu），三号铜（ 99.7%Cu），其代号分另为 T1,T2,T3。
此外，纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，
不大于 0.003%，其代号有 Tu1,Tu2,,u”是, 无, 汉语拼音字首。
纯铜退火状态，强度低，塑性好（ σ b=250～ 270Mpa，
δ =35～ 45%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低
（ σ b=400～ 500Mpa,δ =1～ 3%）。不能用作受力的结构材料，
工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、
电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。
铜合金
? 纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑
性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制
作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶
强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强
度，获得高强度的铜合金。
? 常用的合金元素,Zn,Al,Sn,Mn,Ni,Fe,Be、
Ti,Cr,Zr等。
? 铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大
类。
黄铜
黄铜是以 Zn为主要合金元素的铜合金，具
有良好的机械性能，易加工成型，对大气、
海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重
要有色金属材料。
黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通
黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压
力加工黄铜和铸造黄铜两类。
普通黄铜
? 普通黄铜，就是 Cu-Zn二元合金，当 Zn含量＜ 36%，
时单相 α, Zn含量＞ 36%而＜ 47%时组织 α +β ’两相
工业上所用的黄铜 Zn含量一般不超过 47%。
? 单相黄铜：室温组织为单相 α 的黄铜又称单相黄铜，
强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号
有 H80,H70,H68，其中 H70,H68强度较高，大量
用作枪弹壳和炮弹筒，故有, 弹壳黄铜, 之称。
? 双相黄铜,α +β ’黄铜又称双相黄铜，强度高，塑
性差、常用 H59,H62用作水管、油管、散热器等。
普通 黄铜的组织特征图
单相黄铜 H68 双相黄铜 H59
黄铜的力学性能与含锌量的关系图
500
30
40
50
60
70
0
400
300
200
100
0
10
20
50 40 30 20 10
50
60
70
80
90
100
110
40
HB
?
? ? ?+?’
?
b
常用的黄铜应用
?金奖黄铜 --- H90
?弹壳黄铜 --- H70 ( H68 )
?日用黄铜 --- H62 ( H59 )
法兰阀 闸阀
冷凝器管
特殊黄铜
? 在普通黄铜的基础上加入 Al,Fe,Si,Mn、
Pb,Sn,Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比
普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性
能
黄铜的, 季裂,
? 虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压
力加工（挤压、冲压、弯曲等）成形时，由
于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海
水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象 ——
称为。为了防止这种现象，冷压力加工后的
黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力
的退火（ 250～ 300℃ 保温 1h以上）
青铜
? 青铜是以 Sn,Al,Si,Be,Ti等为主要合金元素的铜合
金按照生产方式：加工青铜和铸造青铜两类。
? 锡青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，是人类历史
上应用最早的铜合金。是 Cu-Sn二元合金，锡青铜在大
气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、
硫酸及氨水中的抗蚀性较差。
? 此外，为了改善锡青铜的性能，还加入 Zn,Pb,P等元
素,Zn的加入提高铸造性能,Pb可提高耐磨性和切削加
工性,P可提高弹性极限等。
? 主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、
轴承、齿轮等。
白铜
? 白铜是以 Ni为主要合金元素的合金。 Ni和 Cu
在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均
为 α 单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，
不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加
工硬化来提高强度。
? 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形
性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中
的关键材料。
白铜 的用途
? 各类铜镍合金均为 α 单相固溶体，具有很好
的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只
能用固溶强化和加工硬化来提高强度。
? 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形
性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中
的关键材料。
三、轴承合金
? 1.轴承合金的性能要求
? 2.轴承合金的分类及用途
? 3.ChSnSb11-6 合金
1.轴承合金的性能要求
? 在工作温度下有足够的抗压强度和疲劳强度，以
承受轴所施加载荷。
? 有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并承
受冲击和振动。
? 磨擦系数小，并能保持住润滑油，以减少对轴颈
的摩损。
? 具有小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性，以
防止轴瓦与轴颈强烈磨擦升温而发生咬合，并抵
抗润滑油的侵蚀。
? 具有良好的磨合能力，以使载荷均匀分布。
? 容易制造，价格低廉。
轴承合金的组织特征
轴承材料通常要满足上述性能的要求都不
能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同
的多相合金。
通常是软基体上均匀分布一定数量和大小
的硬质点，或者硬基体上分布一定数量和大
小的软质点。
硬基体上分布软质点组织特征图
润滑油空间 轴
软质点
硬基体 轴瓦
2.轴承合金的分类及用途
? 常用的轴承合金按其化学成分可以分为锡基、
铅基、铝基、铜基和铁基等数种，前两种锡
基、铅基称为巴氏合金。
? 锡基轴承合金
? 铅基轴承合金
轴承合金的牌号
? 轴承合金一般在铸态下使用，其号为 ZCh +
基本元素符号 + 主加元素符号 + 主加元素
平均含量 +辅加元素元素含量。, 铸,,
,承,
? 如 ZChPbSn5-9。表示含 5%Sn,9%Sb的铅基轴
承合金。
锡基轴承合金
锡基轴承合金是 Sn为主并加入少量 Sb,Cu等
元素的合金，是一种软基体硬质点类型的轴承
合金。如图,α 相是 Sb在 Sn中的固溶体，为软
基体，当 Sb含量大于 7.5%时合金中出现方块形
β ’相，为硬质点（ Sb Sn化合物），由于 β ’相
轻，易造成偏析，所以在合金中加入 Cu，先形
成 Cu3Sn化合物的针状格架，以防止浇注时 β ’相
上浮，有效地减少偏析。同时 Cu3Sn相的硬度比
比 β ’相的高，也起硬质点的作用。
ZChSnSb11-6 合金组织金相图
铅基轴承合金
铅基轴承合金的基本成分是铅和锑。 Pb-Sb合金
在室温下的组织是由 α 和 β 两个相所组成。 α 相是
锑（ Sb）溶于铅中的固溶体，很软，软基体,β 相
是铅溶于 Sb中的固溶体，较硬。
但在实际应用中，通常中加入 6～ 16%Sn，因为 Sn
既能溶于 α 相中提高合金的强度和硬度，又能形成
SnSb硬质点，提高合金的耐磨性。由 α 相的比重大
于 β,容易造成比重偏析，所以有时还加入 1～
2%Cu，防比重偏析，同时有硬的 Cu2Sb相形成，还
能提高合金的耐磨性。
轴承合金应用
内燃机轴瓦 巴氏合金轴瓦
四、钛及钛合金 的性能特点
? （ 1）密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，
纯钛是纯白色轻金属，密度为 4.507g/cm3，介
于 Al和 Fe之间，熔点 1668℃,高于铁，在
882.5℃ 发生同素异构转变,882.5℃ 以上为 β -
Ti（体心立方晶格）,882.5℃ 以下为 α -Ti
（密排六方晶格），钛合金的密度也较小，也
有同素异构转变。
四、钛及钛合金 的性能特点
? （ 2）加工性能好，比强度高，低温韧性好。
? 纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛
合金的强度很高,σ b最高可达 1400Mpa，与某
些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械
性能。
? （ 3）抗腐蚀性能好
? 钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中
其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护
膜，具有优良的抗蚀性。
引言
? 工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色
金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色
金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等，金属及合
金。
? 有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性
能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。
? 本章重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合
金及轴承合金。
有色金属及合金
? 一、铝及铝合金
? 二、铜及铜合金
? 三、轴承合金
? 四、钛及钛合金 的性能特点
一、铝及铝合金
? 1.铝及铝合金的性能特点
? 2.提高铝及铝合金强度的主要途径
? 3.铝及铝合金的分类及用途
1.铝及铝合金的性能特点
? （ 1）优良的物理性能
? （ 2） 抗大气腐蚀性能好
? （ 3） 加工性能好，比强度高
（ 1） 优良的物理性能
? 密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化
率低纯铝的密度 2.72g/cm3，仅为铁的 1/3，
熔点为 660.4℃,导电性仅次于 Cu,Au、
Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但
导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化
率极低，属于非铁磁材料。
（ 2） 抗大气腐蚀性能好
? 铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝
合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防
止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，
氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作
的容器盛放盐和碱溶液。
（ 3） 加工性能好，比强度高
? 纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高
的塑性（ δ =30～ 50%,ψ =80%），易于压力加工成
型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，
σ n=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到 150～
250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，
而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到
500～ 600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，
成为飞机的主要结构材料。
2.提高铝及铝合金强度的主要途径
? 铝合金 的分类
? 铝合金 的分类
? 提高强度主要途径分类
铝合金相图的一般形式
铝合金 的分类
1、根据合金的成分和生产工艺不同将铝合金分为两类：
变形铝合金和铸造铝合金。
? 成分小于 D点的合金 ——变形铝合金。
? 成分大于 D点的合金，由于凝固时发生共晶反应，
熔点低、流动性好，适于铸造 ——铸造铝合金。
2、在变形铝合金中，成分小于 F点的不能热处理强
化 ——称为不能热处理强化的铝合金，而成分位于
F与 D之间的合金，其固溶体成分随温度而变化，可
进行固溶强化 +时效处理强化 ——称为能热处理强
化的铝合金。
铝合金
的分类
形变铝合金
铸造铝合金
不能热处理
强化铝合金
能热处理
强化铝合金
提高强度途径分类
? 冷变形（加工硬化）
? 变质处理（细化晶粒强化）
? 固溶 +时效处理（时效强化）
（ 1）时效强化
? 固溶处理
将成分位于 D～ F之间的合金加热到固态溶解度线 DF以上某一温
度，获得单相固溶体 α，然后水冷（淬火），获得过饱和固溶体 α称为
固溶处理。
? 时效强化
这种过饱和固溶体是不稳定的，在室温放置或在低于固溶度线的
某一温度下加热时，使过饱和 α固溶体趋于发生某种程度的分解，使
合金的强度和硬度明显提高，这种现象称为时效或时效硬化（时效强
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。
? 合金发生时效的条件
? 时效规律
合金发生时效的条件
? 合金能在高温形成均匀的固溶体
? 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而
显著降低。
含 4%Cu的铝合金自然时效曲线
含 4%Cu的铝合金在不同温度下的
人工时效曲线
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。
时效强化的原因
? 分析表明：在时效过程中溶质原子发生了如下的变
化，首先溶质原子发生富集，形成富集区，使晶格
畸变加大，使位错运动阻力增大，强度提高，其次
随时间的延长，富集区的原子趋于有序化，趋于形
成第二相，但还没形成第二相，其与原晶格保持共
格关系，晶格畸变进一步增大，使强度进一步提高，
随时间的继续延长，第二相形成并逐渐离与母体的
共格关系，这时晶格畸变减小，强度下降。
（ 2） 细晶强化
? 纯铝和铝合金在浇注前进行变质处理，即在浇铸前向合
金注液中加入变质剂，可有效地细化晶粒，从而提高合
金强度，称为细化晶粒强化。
? 细晶强化对于变形铝合金的作用
? 细晶强化对于铸造铝合金的作用
细晶强化对于变形铝合金的作用
? 对于纯铝和变形铝合金，常用的变质剂 Ti,B,Nb、
Zr等元素，它们所起的作用就是形成外来晶核，从
而细化铝的晶粒。
细晶强化对于铸造铝合金的作用
? 对于铸造铝合金：典型的铸造铝合金是铝硅系合金（硅铝明），
这类合金具有优良的铸造性能（熔点低，流动性好，收缩性小）
和焊接性能好，尤以含 11～ 13%Si的二元铝硅合金铸造性能最好。
可见，二元铝硅合金铸造后几乎全部得到（ α +Si）的共晶体，
其中 Si量粗大针叶状，使合金变脆，强度和塑性都很低，不宜
作为工业合金使用，若对其采用变质处理，在浇注前向合金中
加入占合金重量 2～ 3%的变质剂（ 2份 NaF和 1份 NaCl），可将针
状 Si改变为细小粒状 Si，得到细小均匀的共晶体和初生 α 固溶
体的亚共晶组织（ α +Si） +α,显著提高合金的强度和塑性。
铸造铝合金中，变质处理细化晶粒的原因
? 在一般认为是 Na等元素能促进硅的形核，并吸附在
硅晶体的表面，阻止硅的长大。同时钠的存在使液
态合金产生 5～ 10℃ 的过冷度，并使共晶点向右移
动，这样不仅形核率增加，细化共晶组织而且使合
金组织中出现了初生 α 固溶体。
纯铝与铝合金的细晶强化 （变质处理）
示意图
未变质处理 变质处理 后
3.铝及铝合金的分类及用途
? 纯铝
? 铝合金
纯铝
? 按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝
三类
? 高纯铝,99.996%～ 99.93% 用于科研,
代号 L04～ L01；
? 工业高纯铝,99.9%～ 99.85% 用于作 Al合金
原料、铝箱，代号 L0,L00；
? 工业纯铝,99.0%～ 98.0% 作管、线、棒、
代号 L1～ L6，数字大。
铝合金
? (一）变形铝合金
? 防锈铝 合金
? 硬铝 合金
? 超硬铝 合金
? 锻铝 合金
? （二）铸造铝合金
? Al-Si系合金
? Al-Cu系合金
? Al-Mg系合金
? Al-Zn 系 合金
铝合金牌号
? 铝合金的牌号表示方法,Al+主要合金元素符号 +主
要合金元素平均含量，若为铸造铝合金前面加, Z”，
如 ZAlSi12表示平均硅含量为 12%的铸造铝合金。
? 按国家标准规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代
号分别用, LF”,,LY”,,LC”,,LD”等字母及一
组顺序号表示，如 LF5,LY1,LC4,LD5等，而铸造
铝合金的代号用, ZL”两个字母和三个数字表示，
如 ZL102,ZL203,ZL302等
（一 ) 变形铝合金
1.防锈铝合金 ( LF ),
Al – Mn 通过固溶强化提高铝合金的
强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。
例如,LF21。
Al – Mg 通过固溶强化提高铝合金的
强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。
例如,LF2,LF6等。
飞机翼梁 (腹板
为硬铝合金 )
2.硬铝合金 ( LY ),
Al – Cu – Mg 通过
时效强化提铝合金强度,
但耐蚀性不高。 LY1,
LY11,LY12。
3.超硬铝合金 ( LC ),
Al – Zn – Mg – Cu 通过
时效强化和形成的强化相,
使铝合金达到最高的硬度和
强度。但耐蚀性较差。 LC4,
LC9。
飞机主起落架
4.锻铝合金 ( LD ),
Al – Mg – Si – Cu 具有良好的热塑性,
通过固溶处理和人工时效
来提高铝合金的力学性能。
LD5,LD6,LD10。
压气机叶片
活塞 (裙部为铝硅合金 ) ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55×
1.铸造铝 – 硅合金 ( ZL101～ ZL111 ),
（二）铸造铝合金
硅铝明
? 简单硅铝明
? 组织 α +Si共晶体，它的最大优点是铸造性能好，
此外，密度小，抗蚀性，耐热性，焊接性也相当好，
但强度低，这类合金只适用于制造形状复杂但对强
度要求不高的铸件，如仪表壳体等。
? 特殊硅铝明
? 在该合金的基础上加入适当合金元素 Cu,Mn,Mg、
Ni等元素，发展成能时效强化的铝合金，称为特
殊硅铝明，具有良好的铸造性和较高的抗蚀性及
足够的强度，如 ZL108,ZL109是我国目前常用的
铸造铝活塞的材料。
2.铸造铝 – 铜合金 ( ZL201～ ZL203 ),
有较高的强度、塑性及耐热性,但铸
造性能和耐蚀性较差。
铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210×
汽缸头
3.铸造铝 – 镁合金 ( ZL301,ZL302 ),
有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸
造性能和耐热性较差。
铝镁合金铸造组织 (化染 ) 150×
鼓风机用密封件 (ZL102)
及抗空架件 (ZL301)
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)
二、铜及铜合金
? 1.铜及铜合金的性能特点
? 2.铜及铜合金的分类及用途
1.铜及铜合金的性能特点
? 优异的物理、化学性能
? 导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高
? 良好的加工性能
? 塑性好；铸造性好
? 某些特殊机械性能
? 优良的减摩性和耐磨性, 高的弹性极限和疲劳极限
2.铜及铜合金的分类及用途
? 纯铜
? 铜合金
? 黄铜
? 青铜
? 白铜
2.铜及铜合金的分类及牌号
? 纯铜 (紫铜 ) T1,T2,T3,Tu1,Tu2
? 铜合金
? 黄铜
? 普通黄铜 H× × 表示含铜 62%,其余为 Zn的黄铜
? 特殊黄铜 HPb59-1表示 59%Cu,1%Pb。余量为 Zn的铅黄
铜
? 青铜
? 锡青铜 QSn6.5-0.4,表示 6.5Sn及 0.4%P的锡 -磷青铜
? 特殊青铜
? 白铜 BMn3-12,是含 3%Ni及 12%Mn的锰白铜
纯铜
我国工业有三个牌号：即一号铜（ 99.95%Cu）、二号铜
（ 99.90%Cu），三号铜（ 99.7%Cu），其代号分另为 T1,T2,T3。
此外，纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，
不大于 0.003%，其代号有 Tu1,Tu2,,u”是, 无, 汉语拼音字首。
纯铜退火状态，强度低，塑性好（ σ b=250～ 270Mpa，
δ =35～ 45%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低
（ σ b=400～ 500Mpa,δ =1～ 3%）。不能用作受力的结构材料，
工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、
电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。
铜合金
? 纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑
性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制
作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶
强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强
度，获得高强度的铜合金。
? 常用的合金元素,Zn,Al,Sn,Mn,Ni,Fe,Be、
Ti,Cr,Zr等。
? 铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大
类。
黄铜
黄铜是以 Zn为主要合金元素的铜合金，具
有良好的机械性能，易加工成型，对大气、
海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重
要有色金属材料。
黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通
黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压
力加工黄铜和铸造黄铜两类。
普通黄铜
? 普通黄铜，就是 Cu-Zn二元合金，当 Zn含量＜ 36%，
时单相 α, Zn含量＞ 36%而＜ 47%时组织 α +β ’两相
工业上所用的黄铜 Zn含量一般不超过 47%。
? 单相黄铜：室温组织为单相 α 的黄铜又称单相黄铜，
强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号
有 H80,H70,H68，其中 H70,H68强度较高，大量
用作枪弹壳和炮弹筒，故有, 弹壳黄铜, 之称。
? 双相黄铜,α +β ’黄铜又称双相黄铜，强度高，塑
性差、常用 H59,H62用作水管、油管、散热器等。
普通 黄铜的组织特征图
单相黄铜 H68 双相黄铜 H59
黄铜的力学性能与含锌量的关系图
500
30
40
50
60
70
0
400
300
200
100
0
10
20
50 40 30 20 10
50
60
70
80
90
100
110
40
HB
?
? ? ?+?’
?
b
常用的黄铜应用
?金奖黄铜 --- H90
?弹壳黄铜 --- H70 ( H68 )
?日用黄铜 --- H62 ( H59 )
法兰阀 闸阀
冷凝器管
特殊黄铜
? 在普通黄铜的基础上加入 Al,Fe,Si,Mn、
Pb,Sn,Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比
普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性
能
黄铜的, 季裂,
? 虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压
力加工（挤压、冲压、弯曲等）成形时，由
于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海
水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象 ——
称为。为了防止这种现象，冷压力加工后的
黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力
的退火（ 250～ 300℃ 保温 1h以上）
青铜
? 青铜是以 Sn,Al,Si,Be,Ti等为主要合金元素的铜合
金按照生产方式：加工青铜和铸造青铜两类。
? 锡青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，是人类历史
上应用最早的铜合金。是 Cu-Sn二元合金，锡青铜在大
气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、
硫酸及氨水中的抗蚀性较差。
? 此外，为了改善锡青铜的性能，还加入 Zn,Pb,P等元
素,Zn的加入提高铸造性能,Pb可提高耐磨性和切削加
工性,P可提高弹性极限等。
? 主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、
轴承、齿轮等。
白铜
? 白铜是以 Ni为主要合金元素的合金。 Ni和 Cu
在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均
为 α 单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，
不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加
工硬化来提高强度。
? 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形
性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中
的关键材料。
白铜 的用途
? 各类铜镍合金均为 α 单相固溶体，具有很好
的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只
能用固溶强化和加工硬化来提高强度。
? 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形
性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中
的关键材料。
三、轴承合金
? 1.轴承合金的性能要求
? 2.轴承合金的分类及用途
? 3.ChSnSb11-6 合金
1.轴承合金的性能要求
? 在工作温度下有足够的抗压强度和疲劳强度，以
承受轴所施加载荷。
? 有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并承
受冲击和振动。
? 磨擦系数小，并能保持住润滑油，以减少对轴颈
的摩损。
? 具有小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性，以
防止轴瓦与轴颈强烈磨擦升温而发生咬合，并抵
抗润滑油的侵蚀。
? 具有良好的磨合能力，以使载荷均匀分布。
? 容易制造，价格低廉。
轴承合金的组织特征
轴承材料通常要满足上述性能的要求都不
能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同
的多相合金。
通常是软基体上均匀分布一定数量和大小
的硬质点，或者硬基体上分布一定数量和大
小的软质点。
硬基体上分布软质点组织特征图
润滑油空间 轴
软质点
硬基体 轴瓦
2.轴承合金的分类及用途
? 常用的轴承合金按其化学成分可以分为锡基、
铅基、铝基、铜基和铁基等数种，前两种锡
基、铅基称为巴氏合金。
? 锡基轴承合金
? 铅基轴承合金
轴承合金的牌号
? 轴承合金一般在铸态下使用，其号为 ZCh +
基本元素符号 + 主加元素符号 + 主加元素
平均含量 +辅加元素元素含量。, 铸,,
,承,
? 如 ZChPbSn5-9。表示含 5%Sn,9%Sb的铅基轴
承合金。
锡基轴承合金
锡基轴承合金是 Sn为主并加入少量 Sb,Cu等
元素的合金，是一种软基体硬质点类型的轴承
合金。如图,α 相是 Sb在 Sn中的固溶体，为软
基体，当 Sb含量大于 7.5%时合金中出现方块形
β ’相，为硬质点（ Sb Sn化合物），由于 β ’相
轻，易造成偏析，所以在合金中加入 Cu，先形
成 Cu3Sn化合物的针状格架，以防止浇注时 β ’相
上浮，有效地减少偏析。同时 Cu3Sn相的硬度比
比 β ’相的高，也起硬质点的作用。
ZChSnSb11-6 合金组织金相图
铅基轴承合金
铅基轴承合金的基本成分是铅和锑。 Pb-Sb合金
在室温下的组织是由 α 和 β 两个相所组成。 α 相是
锑（ Sb）溶于铅中的固溶体，很软，软基体,β 相
是铅溶于 Sb中的固溶体，较硬。
但在实际应用中，通常中加入 6～ 16%Sn，因为 Sn
既能溶于 α 相中提高合金的强度和硬度，又能形成
SnSb硬质点，提高合金的耐磨性。由 α 相的比重大
于 β,容易造成比重偏析，所以有时还加入 1～
2%Cu，防比重偏析，同时有硬的 Cu2Sb相形成，还
能提高合金的耐磨性。
轴承合金应用
内燃机轴瓦 巴氏合金轴瓦
四、钛及钛合金 的性能特点
? （ 1）密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，
纯钛是纯白色轻金属，密度为 4.507g/cm3，介
于 Al和 Fe之间，熔点 1668℃,高于铁，在
882.5℃ 发生同素异构转变,882.5℃ 以上为 β -
Ti（体心立方晶格）,882.5℃ 以下为 α -Ti
（密排六方晶格），钛合金的密度也较小，也
有同素异构转变。
四、钛及钛合金 的性能特点
? （ 2）加工性能好，比强度高，低温韧性好。
? 纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛
合金的强度很高,σ b最高可达 1400Mpa，与某
些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械
性能。
? （ 3）抗腐蚀性能好
? 钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中
其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护
膜，具有优良的抗蚀性。
