5.3　非鐵金屬材料

除鐵基合金以外的其它金屬及其合金稱為非鐵金屬材料（又稱有色金屬材料）。非鐵金屬材料具有許多鋼鐵材料所不及的優(yōu)良特性，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。本節(jié)扼要介紹目前工程上廣泛應(yīng)用的鋁、銅、鈦及其合金，以及滑動軸承合金。

5.3.1鋁及鋁合金

5.3.1.1純鋁

純鋁具有銀白色金屬光澤，密度為2.72g/cm³，熔點為660.4℃，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀和銅。純鋁在空氣中易氧化，表面形成一層能阻止內(nèi)層金屬繼續(xù)被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大氣腐蝕性能。純鋁具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。純鋁具有極好的塑性和較低的強(qiáng)度（純度為99.99%時，R_m=45 N/mm²，A=50%），良好的低溫性能（到-235℃塑性和沖擊韌度也不降低），冷變形加工可提高其強(qiáng)度，但塑性降低。純鋁具有優(yōu)良的工藝性能，易于鑄造、切削和冷、熱壓力加工，還具有良好的焊接性能。

純鋁中含有少量鐵、硅等雜質(zhì)元素，雜質(zhì)含量增加，其導(dǎo)電性、抗蝕性及塑性都降低。純鋁按純度分為純鋁(99%<w_Al<99.85%)、高純鋁(w_Al≥99.85%)。按GB/T16474—1996規(guī)定，壓力加工產(chǎn)品的牌號用1XXX表示，1表示純鋁。第二位字母若為A，表示為原始純鋁；若為其它字母表示原始純鋁的改型情況。后兩位數(shù)字表示最低鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以百分之幾計)中小數(shù)點后面的兩位。按GB/T8063—1994規(guī)定，鑄造產(chǎn)品的牌號用Z＋鋁元素化學(xué)符號＋鋁的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以百分之幾計)表示。高純鋁主要用于科學(xué)試驗和化學(xué)工業(yè)。純鋁的主要用途是配制鋁合金，還可用來制造導(dǎo)線、包覆材料、耐蝕和生活器皿等。

5.3.1.2鋁合金

    純鋁的強(qiáng)度和硬度很低，不適宜作為工程結(jié)構(gòu)材料使用。向鋁中加入適量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素（主加元素）和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素（輔加元素），組成鋁合金，可提高強(qiáng)度并保持純鋁的特性。

    1)鋁合金的分類

    根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。鋁合金一般都具有如圖5-21所示的相圖，在此圖上可直接劃分變形鋁合金和鑄造鋁合金的成分范圍。圖5-21中成分在D點以左的合金，加熱至固溶線（DF線）以上溫度可以得到均勻的單相α固溶體，塑性好，適于進(jìn)行鍛造、軋制等壓力加工，稱為變形鋁合金。成分在D點以右的合金，存在共晶組織，塑性較差，不宜壓力加工，但流動性好，適宜鑄造，稱為鑄造鋁合金。

在變形鋁合金中，成分在F 點以左的合金，固溶體成分不隨溫度而變化，不能通過熱處理方法進(jìn)行強(qiáng)化，稱為不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金；成分在FD之間的合金，固溶體成分隨溫度而變化，可通過熱處理方法進(jìn)行強(qiáng)化，稱為可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。

2)鋁合金的熱處理

鋁合金熱處理的主要工藝方法有退火、淬火和時效。

(1) 退火

① 再結(jié)晶退火  在再結(jié)晶溫度以上保溫一段時間后空冷，用于消除變形工件的冷變形強(qiáng)化，提高塑性，以便繼續(xù)進(jìn)行成形加工。

② 低溫退火  目的是消除內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)增加塑性，通常在180～300℃保溫后空冷。

③ 均勻化退火  目的是消除鑄錠或鑄件的成分偏析及內(nèi)應(yīng)力，提高塑性，通常在高溫長時間保溫后空冷。

(2) 淬火（固溶處理） 將鋁合金加熱到固溶線以上保溫后快冷，使第二相來不及析出，得到過飽和、不穩(wěn)定的單一α固溶體。淬火后鋁合金的強(qiáng)度和硬度不高，具有很好的塑性。

(3) 時效  將淬火后鋁合金在室溫或低溫加熱下保溫一段時間，隨時間延長其強(qiáng)度、硬度顯著升高而塑性降低的現(xiàn)象，稱為時效。室溫下進(jìn)行的時效稱為自然時效；低溫加熱下進(jìn)行的時效稱為人工時效。時效的實質(zhì)，是第二相從過飽和、不穩(wěn)定的單一α固溶體中析出和長大，由于第二相與母相（α相）的共格程度不同，使母相產(chǎn)生晶格畸變而強(qiáng)化。

鋁合金時效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時間有關(guān)，時效溫度越高，時效速度越快。每一種鋁合金都有其最佳時效溫度和時效時間，若時效溫度過高或保溫時間過長，鋁合金反而會軟化，稱為過時效，如圖5-22 所示。

圖5-22  鋁合金時效硬化曲線示意圖

(4) 回歸  自然時效后的Al合金，在200～250℃短時(幾秒至幾分鐘)保溫，然后水淬急冷，可使已時效強(qiáng)化的Al合金的力學(xué)性能及物理性能恢復(fù)到淬火態(tài)的數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為回歸。回歸處理后的Al合金，仍能自然時效，但每次回歸處理后，其強(qiáng)度有所降低，故一般回歸處理次數(shù)以3～4次為限。利用回歸現(xiàn)象，可隨時進(jìn)行飛機(jī)的鉚接和修理等。

3)變形鋁合金

變形鋁合金依據(jù)其性能特點可分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金四種，其中防銹鋁合金為不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其它三種為可熱處理強(qiáng)化鋁合金。其牌號分別用2XXX～8XXX表示（詳見GB/T16474—1996）。第一位數(shù)字依次表示以Cu、Mn、Si、Mg、Mg-Si、Zn、其它元素為主要合金元素的鋁合金組別。第二位字母若為A，表示為原始合金；其它字母表示原始合金的改型情況。后兩位數(shù)字表示順序號。表5-19為常用變形鋁合金的牌號、化學(xué)成分及力學(xué)性能，其中舊牌號為按GB3190—1982的牌號。通常在變形鋁合金牌號后面還附有表示合金狀態(tài)的代號（詳見GB/T16475—1996）。

(1) 防銹鋁合金  防銹鋁合金包括Al-Mn系和Al-Mg系合金，其主要性能特點是具有很高的塑性、較低或中等的強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性能和良好的焊接性能。防銹鋁只能用冷變形來強(qiáng)化，一般在退火態(tài)或冷作硬化態(tài)使用。

常用Al-Mn系防銹鋁合金有3A21，其抗腐蝕性較好，有良好的塑性和焊接性能，常用來制造需彎曲、冷拉或沖壓的零件，如管道、容器、油箱等。

常用Al-Mg系防銹鋁合金有5A02、5A03、5A05、5A06等，此類合金有較高的疲勞性能和抗振性，強(qiáng)度高于Al-Mn系合金，但耐熱性較差，廣泛用于航空航天工業(yè)中，如制造油箱、管道、鉚釘、飛機(jī)行李架等。

表5-19  常用變形鋁合金的代號、化學(xué)成分及力學(xué)性能（GB/T3190—1996）

(2) 硬鋁合金  硬鋁是可熱處理強(qiáng)化鋁合金中應(yīng)用最廣泛的一種，包括Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系兩類。

    常用Al-Cu-Mg系硬鋁可分為低強(qiáng)度硬鋁（鉚釘硬鋁），如2A01，其強(qiáng)度比較低，但有很高的塑性，主要作為鉚釘材料；中強(qiáng)度硬鋁（標(biāo)準(zhǔn)硬鋁），如2A11；高強(qiáng)度硬鋁，如2A12。Al-Cu-Mg系硬鋁的焊接性和耐蝕性較差，對其制品需要進(jìn)行防腐保護(hù)處理，對于板材可包覆一層高純鋁，通常還要進(jìn)行陽極氧化處理和表面涂裝，為提高其耐蝕性一般采用自然時效。部分Al-Cu-Mg系硬鋁具有較高的耐熱性，如2A11、2A12，可在較高溫度使用。Al-Cu-Mn系硬鋁為超耐熱硬鋁合金，具有較好的塑性和工藝性能，常用合金有2A16、2A17(LY17)。硬鋁合金常制成板材和管材，主要用于飛機(jī)構(gòu)件、蒙皮、螺旋槳、葉片等。

(3) 超硬鋁合金  超硬鋁為Al-Zn-Mg-Cu系合金，是強(qiáng)度最高的變形鋁合金，常用合金有7A04、7A09等。超硬鋁合金具有良好的熱塑性，但疲勞性能較差，耐熱性和耐蝕性也不高。超硬鋁的板材表面通常包覆w_Zn=1%的鋁鋅合金，零構(gòu)件也要進(jìn)行陽極化防腐蝕處理。超硬鋁合金一般采用淬火加人工時效的熱處理強(qiáng)化工藝，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)蒙皮、壁板、大梁、起落架部件等。

(4) 鍛鋁合金  鍛鋁合金有Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系兩類，鍛鋁合金熱塑性好，可用鍛壓方法來制造形狀較復(fù)雜的零件。一般在淬火加人工時效后使用。

Al-Cu-Mg-Si系鍛鋁常用牌號有6A02(LD2)、2A50、2A14等，主要用于制造要求中等強(qiáng)度、高塑性和耐熱性零件的鍛件、模鍛件，如各種葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪、接頭、框架等。

Al-Cu-Mg-Fe-Ni系鍛鋁常用代號有2A70、2A80(LD8)、2A90(LD9)等，此類合金耐熱性較好，主要用于250℃溫度下工作的零件，如航空發(fā)動機(jī)活塞、葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。

(5) 鋁鋰合金  鋁鋰合金是一種新型的變形鋁合金，大體可分為Al-Li-Cu、Al-Li-Mg兩個體系，它具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度大、疲勞性能良好、耐蝕性及耐熱性高等優(yōu)點，國外已用于制造飛機(jī)構(gòu)件、火箭和導(dǎo)彈的殼體、燃料箱等。目前Al-Li合金的應(yīng)用還存在一些問題，如價格較高，熔鑄工藝還有問題，廢料回收未解決等，故世界上許多國家還都在投入人力、物力進(jìn)行Al-Li合金的研究和開發(fā)。

4)鑄造鋁合金

鑄造鋁合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四種，其代號分別用ZL1、ZL2、ZL3、ZL4加兩位數(shù)字的順序號表示（GB1173—1974）；若為鑄錠，則在ZL后加D；若為優(yōu)質(zhì)，則在代號后加A；需表示狀態(tài)時，在合金代號后用短橫線連接狀態(tài)代號；鑄造方法代號不寫入合金代號中。鑄造鋁合金的牌號用ZAl＋主要合金元素的化學(xué)符號和平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以百分之幾計)表示，若平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，一般不標(biāo)數(shù)字（GB/T8063—1994）。表5-20為常用鑄造鋁合金的牌號、化學(xué)成分及力學(xué)性能。表5-21為熱處理狀態(tài)代號和鑄造方法代號。

表5-20  常用鑄造鋁合金的牌號（代號）、化學(xué)成分及力學(xué)性能（GB/T1173—1995）

(1) Al-Si系鑄造鋁合金  Al-Si系鑄造鋁合金俗稱硅鋁明，其中ZL102為Al-Si二元合金，稱為簡單硅鋁明，其余為Al-Si系多元合金，稱為復(fù)雜硅鋁明。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，密度小，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。簡單硅鋁明強(qiáng)度較低，不能熱處理強(qiáng)化，生產(chǎn)中常采用變質(zhì)處理來細(xì)化組織，改善性能，通常用于制造形狀復(fù)雜但強(qiáng)度要求不高的鑄件，如飛機(jī)、儀表殼體等。復(fù)雜硅鋁明可通過熱處理來強(qiáng)化，常用代號有ZL101、ZL104、ZL105、ZL109等，用于制造低、中強(qiáng)度的形狀復(fù)雜的鑄件，如電機(jī)殼體、氣缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)活塞等。

(2) Al-Cu系鑄造鋁合金  Al-Cu系鑄造鋁合金有較高的強(qiáng)度、耐熱性，但密度大、耐蝕性差，鑄造性能不好，常用代號有ZL201、ZL203等，主要用于制造較高溫度下工作的要求高強(qiáng)度的零件，如內(nèi)燃機(jī)氣缸頭、增壓器導(dǎo)風(fēng)葉輪等。

(3) Al-Mg系鑄造鋁合金  Al-Mg系鑄造鋁合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度小，但鑄造性能差，耐熱性低。常用代號有ZL301、ZL303等，主要用于制造在腐蝕介質(zhì)下工作的承受一定沖擊載荷的形狀較為簡單的零件，如艦船配件、氨用泵體等。

(4) Al-Zn系鑄造鋁合金  Al-Zn系鑄造鋁合金鑄造性能好，強(qiáng)度較高，但密度大，耐蝕性較差。常用代號有ZL401、ZL402等，主要用于制造受力較小、形狀復(fù)雜的汽車、飛機(jī)、儀器零件。

表5-21  熱處理狀態(tài)代號及鑄造方法代號