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高锰钢木虫 (正式写手)
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铜及铜合金
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铜及铜合金具有以下性能特点。 1．有优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁性物质。 2．有良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造铜合金有很好的铸造性能。 3．有某些特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜）；高的弹性极限及疲劳极限（铍青铜等）。 4．色泽美观。 由于有以上优良性能，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。但铜的储藏量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料之一，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。 一、纯铜（紫铜） 纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常称为紫铜。纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金。 工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜的导电能力下降。铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（Cu＋Pb）和（Cu＋Bi），共晶温度分别为326℃和270℃，分布在铜的晶界上。进行热加工时（温度为820℃～860℃），因共晶体熔化，破坏晶界的结合，使铜发生脆性断裂（热裂）。硫、氧与铜也形成共晶体（Cu＋Cu2S）和（Cu＋Cu2O），共晶温度分别为1067℃和1065℃，因共晶温度高，它们不引起热脆性。但由于Cu2S、Cu2O都是脆性化合物，在冷加工时易促进破裂（冷脆）。 根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。工业纯铜的牌号、成分及用途见表9-5。 表9-5 紫铜加工产品的牌号、成分及用途 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%。牌号有TU1、TU2，主要用来制作电真空器件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料。 二、黄铜 铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业中有很强的应用价值。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。表9-6是常用黄铜的牌号、成分、性能和用途。 1．普通黄铜 重庆大学精品课程－工程材料 图9-4 Cu-Zn合金相图 普通黄铜是铜锌二元合金。图9-4是Cu-Zn合金相图。α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下降而增大。α相具有面心立方晶格，塑性好，适于进行冷、热加工，并有优良的铸造、焊接和镀锡的能力。β′相是以电子化合物CuZn为基的有序固溶体，具有体心立方晶格，性能硬而脆。 黄铜的含锌量对其机械性能有很大的影响。当Zn≤30%～32%时，随着含锌量的增加，强度和延伸率都升高，当Zn>32%后，因组织中出现β＇相，塑性开始下降，而强度在Zn=45%附近达到最大值。含Zn更高时，黄铜的组织全部为β＇相，强度与塑性急剧下降。 普通黄铜分为单相黄铜和双相黄铜两种类型，从变形特征来看，单相黄铜适宜于冷加工，而双相黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有H80、H70、H68等，“H”为黄铜的汉语拼音字首，数字表示平均含铜量。它们的组织为α，塑性很好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。而常用双相黄铜的牌号有H62、H59等，退火状态组织为α＋β＇。由于室温β＇相很脆，冷变形性能差，而高温β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。 2．特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。 特殊黄铜的编号方法是：“H＋主加元素符号＋铜含量＋主加元素含量”。特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前加“Z”。 例如：HPb60-1表示平均成分为60%Cu，1%Pb，余为Zn的铅黄铜；ZCuZn31Al2表示平均成分为31%Zn，2%Al，余为Cu的铝黄铜。 锡黄铜：锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，也可使黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。 铅黄铜：铅能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。铅对黄铜的强度影响不大，略为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬套。 铝黄铜：铝能提高黄铜的强度和硬度，但使塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性的氧化膜，因而改善黄铜在大气中的抗蚀性。铅黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铅黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，可得到高强度、高耐蚀性的特殊黄铜，常用于制作大型蜗杆、海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零件。 硅黄铜：硅能显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。 锰黄铜：锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，也能提高在海水中及过热蒸汽中的抗蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件。 铁黄铜：黄铜中加入铁，同时加入少量的锰，可起到提高黄铜再结晶温度和细化晶粒的作用，使机械性能提高，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐蚀的零件。 镍黄铜：镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒，提高机械性能和抗蚀性，降低应力腐蚀开裂倾向。镍黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电机制造工业中广泛应用。 三、青铜 青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金也叫青铜。所以青铜实际上包含锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类。青铜的编号规则是：“Q＋主加元素符号＋主加元素含量（＋其它元素含量）”，“Q”表示青的汉语拼音字头。如QSn4-3表示成分为4%Sn、3%Zn、其余为铜的锡青铜。铸造青铜的编号前加“Z”。 1．锡青铜 锡青铜是我国历史上使用得最早的有色合金，也是最常用的有色合金之一。它的机械性能与含锡量有关。当Sn≤5%～6%时，Sn溶于Cu中，形成面心立方晶格的α固溶体，随着含锡量的增加，合金的强度和塑性都增加。当Sn≥5%～6%时，组织中出现硬而脆的δ相（以复杂立方结构的电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体），虽然强度继续升高，但塑性却会下降。当Sn＞20%时，由于出现过多的δ相，使合金变得很脆，强度也显著下降。因此，工业上用的锡青铜的含锡量一般为3%～14%。Sn＜5%的锡青铜适宜于冷加工使用，含锡5%～7%的锡青铜适宜于热加工，大于10%Sn的锡青铜适合铸造。除Sn以外，锡青铜中一般含有少量Zn、Pb、P、Ni等元素。Zn提高低锡青铜的机械性能和流动性。Pb能改善青铜的耐磨性能和切削加工性能，却要降低机械性能。Ni能细化青铜的晶粒，提高机械性能和耐蚀性。P能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动性。 2．铝青铜 以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜。铝青铜的强度和抗蚀性比黄铜和锡青铜还高，它是锡青铜的代用品，常用来制造弹簧、船舶零件等。 铝青铜与上述介绍的铜合金有明显不同的是可通过热处理进行强化。其强化原理是利用淬火能获得类似钢的马氏体的介稳定组织，使合金强化。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耐蚀性，此外，还有耐磨损、冲击时不发生火花等特性。但铝青铜也有缺点，它的体积收缩率比锡青铜大，铸件内容易产生难熔的氧化铝，难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定。 3．铍青铜 以铍为合金化元素的铜合金称为铍青铜。它是极其珍贵的金属材料，热处理强化后的抗拉强度可高达1250～1500MPa，HB可达350～400，远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢媲美。铍青铜的含铍量在1.7%～2.5%之间，铍溶于铜中形成α固溶体，固溶度随温度变化很大，它是唯一可以固溶时效强化的铜合金，经过固溶处理和人工时效后，可以得到很高的强度和硬度。 铍青铜具有很高的弹性极限、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性，导电、导热性极好，并且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。因此铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，耐磨零件（钟表齿轮，高温、高压、高速下的轴承）及防爆工具等。但铍是稀有金属，价格昂贵，在使用上受到限制。 表9-7是各种青铜的牌号、成分、性能和主要用途。 |
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