资源简介

【课题】有色金属材料
【教材版本】
【教学目标】
1. 理解常用有色金属材料的分类、牌号。
2. 了解常用有色金属材料的性能和应用。
【教学重点、难点】
教学重点：
常用有色金属材料的分类、牌号。
教学难点：
1.常用有色金属材料的牌号。
【教学媒体及教学方法】
借助于多媒体课件，将静态的图形直观展示；通过教师的讲解、学生的观察、分析、讨论，师生充分互动，采用大量联系实际的案例，调动学生的学习积极性，培养学生观察分析、自主探究的能力，使全体学生在合作学习中都能有所收获。
【课时安排】
2课时（45分钟×2）
【教学建议】
教学中应交替使用教材、实物和图片。根据学生基本情况及学习本次内容后的总体反应，使用不同的教学方法，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。
【教学过程】
任务导入（5分钟）
图3-2-1 奥迪TT汽车
2014年，奥迪全面改进了轿跑车“TT”，并在第84届日内瓦车展（3月6～16日面向公众开放）上公开，如图3-2-1所示。新款TT继“奥迪A3”、“大众高尔夫”等之后采用了大众集团的新一代平台“MQB”，采用铝合金后，车身大幅减轻。
车身结构与上代车型一样，继续采用组合使用铝合金与钢板的“ASF”（奥迪空间框架），门槛梁及车顶纵梁使用铝合金冲压材料，前盖、车门及后备箱盖也使用了铝合金。
据称，新车型在钢板构成的乘客保护结构中，对需要保证强度的部分采用了热冲压材料，因而减轻了重量。用配备2.0L直喷涡轮发动机“2.0TFSI”的车型作比较，新一代车型的重量比上一代车型减了50kg。
试一试
观察家用轿车上分别使用了哪些有色金属材料？
想一想
汽车上的散热器采用了什么有色金属材料？
汽车上的发动机缸体、缸盖、发动机壳等采用了什么有色金属材料？
汽车上的转向盘、转向柱、轮圈等采用了什么有色金属材料？
汽车上的排气阀采用了什么有色金属材料？
新课讲授（75分钟）
工业生产中的金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，除黑色金属以外的其他金属称为有色金属。有色金属的种类很多，虽然其产量和使用量不及黑色金属，但是由于有色金属具有某些特殊的性能，如良好的导热性、导电性及耐腐蚀性，已成为现代工业技术中不可缺少的金属材料。
1．有色金属材料的分类
地球上的有色金属分布广泛，种类齐全。有色金属的分类见表3-2-1。
表3-2-1 有色金属的分类
类型 分类标准 举例
重有色金属 指比重大于4.5的有色金属。 包括铜、镍、锢、铅、锌、锑、汞、镉和铋等。
轻有色金属 指比重小于4.5的有色金属。 包括铝、镁、钙、钾、锶和钡等。
贵金属 指在地壳中含量少，开采和提取都比较困难，对氧和其它试剂稳定，价格比一般金属贵的有色金属。 包括金、银和铂族金属等。
半金属 一般指硅、硒、碲、砷和硼五种元素。其物理化学性质介于金属和非金属之间。
稀有金属 稀有金属并不是说稀少，只是指在地壳中分布不广，开采冶炼较难，在工业应用较晚，故称为稀有金属。 包括钛、钼、钨等。
2.有色金属材料的牌号、性能和用途
常用的有色金属有铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金和轴承合金等。
2.1 铝及铝合金
铝及其合金是自然界中储量最丰富的金属元素之一，在工业上是仅次于钢的一种重要金属，尤其是在机械、电力、航空、航天及日常生活用品中得到广泛应用。铝及铝合金的牌号见表3-2-2。
表3-2-2 铝及铝合金的牌号
分类 牌号 举例
纯铝 其牌号用1系列表示。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。当最低铝百分含量精确到0.01%时，牌号的最后两位数字就是最低铝百分含量中小数点后面的两位。牌号第二位字母表示原始纯铝的改型情况。如果第二位字母为A，则表示为原始纯铝；如果是B-Y的其他字母，则表示原始纯铝的改型，与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。 1A99，表示铝含量为99%的原始纯铝。
变形铝和铝合金 其牌号采用国际四位数字体系牌号。四位字符体系牌号的第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外）。牌号的第一位数字表示铝及铝合金的组别，见表3-2-3。除改型合金外，铝合金组别按主要合金元素来确定。牌号的第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度。 6063，表示主要合金元素为镁与硅的变形铝合金。
铸造铝合金 其牌号均以“ZL”加三位数字组成，第一位数字表示铝合金的类别，其中1为铝硅合金、2为铝铜合金、3为铝镁合金、4为铝锌合金，第二、三位数字是顺序号。 ZL102，表示铝硅铸造铝合金。
表3-2-3 变形铝及铝合金的牌号表示方法（GB/T16474-2011）
组别 牌号系列
纯铝（铝含量不小于99.00%） 1
以铜为主要合金元素的铝合金 2
以锰为主要合金元素的铝合金 3
以硅为主要合金元素的铝合金 4
以镁为主要合金元素的铝合金 5
以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金 6
以锌为主要合金元素的铝合金 7
以其他合金为主要合金元素的铝合金 8
备用合金组 9
2.1.1 纯铝
纯铝的主要性能有：密度小（2.72g/cm3）；导电性好，仅次于金、银、铜；具有良好的耐腐蚀性；，塑性好，强度、硬度低，有较好的加工工艺性。
由于铝具有这些优良性能，所以广泛用于制作导线、电器零件、电缆，配制各种铝合金及要求质轻、导热、耐腐蚀但强度要求不高的零件。图3-2-2是纯铝的应用。
a.铝棒 b.铝板 c.铝线
图3-2-2 纯铝的应用
2.1.2 铝合金
由于纯铝的强度低，不宜做承力结构的材料，因此在纯铝中加入适量的铜、镁、硅、锰等元素即形成了铝合金。它具有密度小、导热和塑性好、足够的强度和良好的抗腐蚀性，且多数可热处理强化，根据铝合金的成分及加工成形特点，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
（1）变形铝合金
变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制作各种半成品，可以焊接。主要用作各类型材和结构件，如飞机构架、螺旋桨、起落架等。变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金等几类。常见变形铝合金的用途见表3-2-4。图3-2-3是变形铝合金的应用。
表3-2-4 常用变形铝合金的用途
类别 牌号 用途
防锈 铝合金 5A02 适用于在液体中工作的中等强度的焊接件、冷冲压件和容器、骨架零件等
3A21 适用于要求高的可塑性和良好的焊接性、在液体或气体介质中工作地低载荷零件
硬铝 合金 2A11 适用于要求中等强度的零件和构件、冲压的连接部件、空气螺旋桨叶片、局部镦粗的零件
2A12 用量最大、适用于要求高载荷的零件和构件
2B11 主要用作铆钉材料
超硬 铝合金 7A03 适用于受力结构的铆钉
7A04 7A09 适用于飞机大梁等承力构件和高载荷零件
锻铝 合金 2A50 适用于形状复杂和中等强度的锻件和冲压件
a.铝合金玻璃幕墙 b.铝合金轮毂 c.飞机
图3-2-3 变形铝合金的应用
（2）铸造铝合金
用来制造铸件的铝合金称为铸造铝合金。常用的铸造铝合金包括铝镁、铝锌、铝硅、铝铜等合金。它们有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件。但塑性差，不宜进行压力加工。图3-2-4是铸造铝合金的应用。
a.散热片 b.活塞 c.管接头
图3-2-4 铸造铝合金的应用
2.2 铜及铜合金
铜是人类最早发现的金属之一，早在史前时代，人们就开始采掘露天铜矿，并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿。铜及铜合金的牌号见表3-2-5。
表3-2-5 铜及铜合金的牌号
分类 牌号 举例
纯铜 工业纯铜有T1、T2、T3、T4四个牌号，T为铜的汉语拼音字首，后面的数字越大，纯度越低，含有的杂质越多。 T1，表示一号纯铜。
黄铜 普通黄铜其牌号用“黄”字汉语拼音字首“H”加数字表示，该数字表示平均含铜量的百分数。 特殊黄铜的牌号用“H+主加元素的元素符号（锌除外）+铜含量的百分数+主加元素含量的百分数”来表示。 H62，表示含铜量为62%、含锌量为38%的普通黄铜。 HPb59-1，表示含铜量为59%、含铅量为1%、含锌量为40%的铅黄铜。
青铜 青铜的牌号以“Q”为代号，后面标出主要元素的符号和含量。 铸造铜合金的牌号用“ZCu”及合金元素符号和含量组成。 QSn4-3，表示含锡量为4%、含锌量为3%，其余为铜（93%）的压力加工青铜。 ZCuSn5Pb5Zn5表示含锡、铅、锌各约为5%，其余为铜（85%）的铸造锡青铜。
白铜 其牌号用“B”加镍含量表示；三元以上的白铜“B加第二个主加合金元素符号及除铜以外成分数字”表示。 B30，表示含镍量为30%，含铜量为70%的白铜。
2.2.1 纯铜
纯铜外观呈紫红色，又称紫铜。纯铜的主要性能有：具有良好的导电性和导热性，仅次于金、银，具有极好的塑性及较好的耐腐蚀性。但强度不高，不宜用来制造结构零件，常用来制造各种导电材料、导热材料和耐腐蚀性元件及配制各种铜合金。图3-2-5是纯铜的应用。
a.纯铜散热器 b.纯铜摆件 c.纯铜电缆
图3-2-5 纯铜的应用
2.2.2 铜合金
纯铜的强度较低，不宜制造结构零件，因此加入合金元素制成铜合金来改善力学性能。常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类，应用较为广泛的是黄铜和青铜。
（1）黄铜
以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的力学性能，易于加工成形，具有良好的防腐性能及机械加工性能。黄铜一般用于制造耐腐蚀和耐磨零件，如阀门、子弹壳、管件等。根据化学成分不同黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是铜和锌的合金。图3-2-6是普通黄铜的应用。在普通黄铜中加入其它合金元素所组成的合金称为特殊黄铜。常加入的合金元素有锡、硅、锰、铅和铝等，分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜等。图3-2-7是特殊黄铜的应用。
a.黄铜管 b.黄铜纪念币 c.黄铜子弹壳
图3-2-6 普通黄铜的应用
a.球阀 b.截止阀 c.黄铜螺栓
图3-2-7 特殊黄铜的应用
（2）青铜
除了黄铜和白铜（铜和镍的合金）外，所有的铜基合金都称为青铜，它分为锡青铜和无锡青铜。
① 锡青铜 以锡为主要合金元素的铜合金称为锡青铜。它有很好的力学性能、铸造性能、耐腐蚀性和减摩性，是一种很重要的减摩材料。主要用于摩擦零件和耐腐蚀零件的制造，如蜗轮、轴瓦、衬套等。图3-2-8是锡青铜的应用。
a.世界第一锡青铜铸大坐佛-南山大佛 b.蜗轮 c.衬套
图3-2-8 锡青铜的应用
② 无锡青铜 除锡以外的其他合金元素与铜组成的合金，统称为无锡青铜。主要包括铝青铜、硅青铜和铍青铜等。它们通常作为锡青铜的廉价代用材料使用。图3-2-9是无锡青铜的应用。
a.铝青铜叶轮 b.硅青铜螺丝 c.铍青铜冲压件
图3-2-9 无锡青铜的应用
（3）白铜
白铜是铜镍合金，因色白而得名。白铜表面光亮，不易锈蚀，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、具有深冲性能，广泛用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，并且还是重要的电阻和热电偶合金。白铜价格比较昂贵。图3-2-10是白铜的应用。
a.白铜钱 b.白铜手炉 c.白铜线
图3-2-10 白铜的应用
2.3 钛及钛合金
钛及钛合金重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀及具有良好低温韧性，是航空航天、石油、化工等行业中广泛使用的材料。钛及钛合金的牌号见表3-2-6。
表3-2-6 钛及钛合金的牌号
分类 牌号 举例
钛及钛合金 其牌号用“T”加表示合金组织类型的字母及顺序号表示，字母A、B、C分别表示α型、β型、α+β型合金。 TA1，表示一号α型钛。
2.3.1 纯钛
纯钛是银白色的金属，密度小，熔点高，热膨胀系数小，塑性好，容易加工成型，可制成细丝、薄片，在550℃以下具有很好的抗腐蚀性，不易氧化。常用来做耐海水腐蚀的管道、火箭骨架、阀门、发动机活塞等。图3-2-11是纯钛的应用。
a.纯钛蒸发器 b.纯钛手表 c.纯钛眼镜
图3-2-11 纯钛的应用
2.3.2 钛合金
在纯钛的基础上加入合金元素可形成钛合金。钛合金具有强度高、耐蚀性和耐热性好等特点，因此广泛用于各个领域。图3-2-12是钛合金的应用。
a.钛合金机枪 b.钛合金门 c.钛合金潜艇
图3-2-12 钛合金的应用
2.4 滑动轴承合金
用来制造滑动轴承的合金称为滑动轴承合金。滑动轴承合金应具备的性能有：足够的强度和硬度、高的耐磨性、足够的塑性和韧性、较高的抗疲劳强度、良好的磨合性、良好的耐蚀性和导热性等。常用的滑动轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基轴承合金和铝基轴承合金四类。
2.4.1 锡基轴承合金
锡基轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合金。它是以锡为基础，并加入锑、铜等元素组成的合金。常用的牌号有ZSnSb12Pb10Cu4、ZSnSb11Cu6、ZSnSb8Cu6等。
锡基轴承合金具有良好的塑性、导热性和耐蚀性，但疲劳强度不高，工作温度较低（一般不大于150℃），价格高。适于制造重要的轴承，如涡轮机、汽轮机、内燃机等高速轴瓦。
2.4.2 铅基轴承合金
铅基轴承合金是以Pb-Sb为基的合金，但二元Pb-Sb合金有比重偏析，同时锑颗粒太硬，基体又太软，性能并不好，通常还要加入其它合金元素，如Sn、Cu、Cd、As等。常用的铅基轴承合金为ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn5等。
铅基轴承合金的硬度、强度、韧性都比锡基轴承合金低，但摩檫系数较大，价格较便宜，铸造性能好。常用于制造承受中、低载荷的轴承，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆轴承及电动机轴承，但其工作温度不能超过120℃。
铅基、锡基轴承合金的强度都较低，需要把它镶铸在钢的轴瓦（一般用08钢冲压成型）上，形成薄而均匀的内衬，才能发挥作用。这种工艺称为挂衬。
2.4.3 铝基轴承合金
铝基轴承合金是一种新型减摩材料，具有比重小、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好的优点。它原料丰富，价格便宜，因此适用于制造高速、重载条件下工作的轴承，在汽车、内燃机等方面应用广泛。
铝基轴承合金常以08钢作衬背，一起轧成双合金带使用。
2.5 硬质合金
硬质合金是将难熔的高硬度的碳化钨、碳化钛和钴、镍等金属粉末经混合、压制成形，再在高温下烧结制成的一种粉末冶金材料。硬质合金具有硬度高、热硬性高、耐磨性好、抗压强度高、良好的耐蚀性和抗氧化性等性能。常用的硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钴钛类硬质合金和通用硬质合金三类。硬质合金的牌号见表3-2-7。
表3-2-7 硬质合金的牌号
分类 牌号 举例
钨钴类硬质合金 其牌号用YG+数字表示，数字为含钴量的百分数。 YG8，表示含钴量为8%，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。
钨钴钛类硬质合金 其牌号用YT+数字表示，数字为碳化钛含量的百分数。 YT15，表示碳化钛含量为15%，其余为碳化钨和钴含量的钨钴钛类硬质合金。
通用硬质合金 其牌号用YW+顺序号表示。 YW1，表示一号通用硬质合金。
2.5.1 钨钴类硬质合金
钨钴类硬质合金的主要成分是碳化钨及钴。钨钴类硬质合金主要用于加工铸铁等脆性材料。
2.5.2 钨钴钛类硬质合金
钨钴钛类硬质合金的主要成分是碳化钨、碳化钛及钴。这类硬质合金适于加工塑性材料。
2.5.3 通用硬质合金
这类硬质合金适于加工各种钢材，特别对于不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工材料，效果很好，它也可以代替钨钴类硬质合金加工铸铁等脆性材料。
学习评价及作业（10分钟）
1、学习评价
充分体现学生在教学中的主体地位。通过学生的自我评价，使其能够进行客观地自我反思，清晰地认识自我、自我总结的一个过程；通过小组评价，可以使学生更加注重小组的团结协作、互相学习，加强团队意识；通过教师评价，体现教师在教学中的另一主体地位，引导教学的方向和进程，指导学生掌握学习方法，学会探索、发现规律，同时，培养能力强的学生积极思考，主动探究；激励能力弱的学生认真观察，积极参与，以提高教学效果。
2、课堂小结
简要小结本次课程的内容（学生归纳，老师点晴并指出需要注意的问题）。
3、布置作业：

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