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良特性，是現代工業中不可缺少的材料。本節扼要介紹目前工程上廣泛應用的鋁、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℃，具有良好的導電性和導熱性，其導電性僅次于銀和銅。純鋁在空氣中易氧化，表面形成一層能阻止內層金屬繼續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構，無同素異構轉變，無磁性。純鋁具有極好的塑性和較低的強度（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度，但塑性降低。純鋁具有優良的工藝性能，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、硅等雜質元素，雜質含量增加，其導電性、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規定，壓力加工產品的牌號用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。后兩位數字表示最低鋁質量分數(以百分之幾計)中小數點后面的兩位。按GB/T8063—1994規定，鑄造產品的牌號用Z＋鋁元素化學符號＋鋁的最低質量分數(以百分之幾計)表示。高純鋁主要用于科學試驗和化學工業。純鋁的主要用途是配制鋁合金，還可用來制造導線、包覆材料、耐蝕和生活器皿等。

5.3.1.2鋁合金

    純鋁的強度和硬度很低，不適宜作為工程結構材料使用。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，可提高強度并保持純鋁的特性。

    1)鋁合金的分類

    根據鋁合金的成分和生產工藝特點，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行強化，稱為不可熱處理強化的鋁合金；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行強化，稱為可熱處理強化的鋁合金。

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 再結晶退火  在再結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化，提高塑性，以便繼續進行成形加工。

② 低溫退火  目的是消除內應力，適當增加塑性，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應力，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、不穩定的單一α固溶體。淬火后鋁合金的強度和硬度不高，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，隨時間延長其強度、硬度顯著升高而塑性降低的現象，稱為時效。室溫下進行的時效稱為自然時效；低溫加熱下進行的時效稱為人工時效。時效的實質，是第二相從過飽和、不穩定的單一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，使母相產生晶格畸變而強化。

鋁合金時效強化效果與加熱溫度和保溫時間有關，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，可使已時效強化的Al合金的力學性能及物理性能恢復到淬火態的數值，這種現象稱為回歸。回歸處理后的Al合金，仍能自然時效，但每次回歸處理后，其強度有所降低，故一般回歸處理次數以3～4次為限。利用回歸現象，可隨時進行飛機的鉚接和修理等。

3)變形鋁合金

變形鋁合金依據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化鋁合金，其它三種為可熱處理強化鋁合金。其牌號分別用2XXX～8XXX表示（詳見GB/T16474—1996）。第一位數字依次表示以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。后兩位數字表示順序號。表5-19為常用變形鋁合金的牌號、化學成分及力學性能，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、較低或中等的強度、優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化，一般在退火態或冷作硬化態使用。

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，強度高于Al-Mn系合金，但耐熱性較差，廣泛用于航空航天工業中，如制造油箱、管道、鉚釘、飛機行李架等。

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

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

    常用Al-Cu-Mg系硬鋁可分為低強度硬鋁（鉚釘硬鋁），如2A01，其強度比較低，但有很高的塑性，主要作為鉚釘材料；中強度硬鋁（標準硬鋁），如2A11；高強度硬鋁，如2A12。Al-Cu-Mg系硬鋁的焊接性和耐蝕性較差，對其制品需要進行防腐保護處理，對于板材可包覆一層高純鋁，通常還要進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，主要用于飛機構件、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，零構件也要進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化工藝，主要用于工作溫度較低、受力較大的結構件，如飛機蒙皮、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度、高塑性和耐熱性零件的鍛件、模鍛件，如各種葉輪、導風輪、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，如航空發動機活塞、葉片、超音速飛機蒙皮等。

(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、比強度高、比剛度大、疲勞性能良好、耐蝕性及耐熱性高等優點，國外已用于制造飛機構件、火箭和導彈的殼體、燃料箱等。目前Al-Li合金的應用還存在一些問題，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、物力進行Al-Li合金的研究和開發。

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加兩位數字的順序號表示（GB1173—1974）；若為鑄錠，則在ZL后加D；若為優質，則在代號后加A；需表示狀態時，在合金代號后用短橫線連接狀態代號；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符號和平均質量分數(以百分之幾計)表示，若平均質量分數小于1%，一般不標數字（GB/T8063—1994）。表5-20為常用鑄造鋁合金的牌號、化學成分及力學性能。表5-21為熱處理狀態代號和鑄造方法代號。

表5-20  常用鑄造鋁合金的牌號（代號）、化學成分及力學性能（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，稱為復雜硅鋁明。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，密度小，具有優良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。簡單硅鋁明強度較低，不能熱處理強化，生產中常采用變質處理來細化組織，改善性能，通常用于制造形狀復雜但強度要求不高的鑄件，如飛機、儀表殼體等。復雜硅鋁明可通過熱處理來強化，常用代號有ZL101、ZL104、ZL105、ZL109等，用于制造低、中強度的形狀復雜的鑄件，如電機殼體、氣缸體、風機葉片、發動機活塞等。

(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度的零件，如內燃機氣缸頭、增壓器導風葉輪等。

(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、形狀復雜的汽車、飛機、儀器零件。

表5-21  熱處理狀態代號及鑄造方法代號