铜合金的合金化原则、组织结构与相变 |
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铜合金的合金化原则、组织结构与相变
合金元素对铜及铜合金的组织结构和性能的影响是很复杂的，有正面的影响和负面的影响，很多情况下表现出，对某种性能有益，而对另一种性能却有害，当多种元素同时加入时还有交互作用，情况就显得格外复杂，但有些合金化原则是很成熟和肯定的，需要大家遵从：
所有与铜形成固溶体的合金元素，无一例外都会降低铜的导电率和导热率。
在铜中固溶度很低的合金元素，由于随着温度的下降，这些合金元素或以单质，或以金属化合物的形式析出，这样铜合金的强度得到弥散强化而还能保持高的导电导热性，这也是高强高导合金的合金化原则之一。其中Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr系合金是著名的高强高导铜合金。
普通耐蚀铜合金的组织以单相为主，因为出现多相组织时，各相之间会产生电位差，从而出现相间腐蚀，为此，合金化的原则是加入的元素在铜中应该有极大的固溶度，最好是无限固溶，在工程应用中，单相黄铜、单相青铜、白铜都具有优良的耐蚀性。
铜基耐磨合金组织中通常存在软相和硬相。因此合金化原则是确保加入的元素有一部分固溶于铜中，还希望有硬相析出，铜合金中典型的硬相有Ni3Si、FeAlSi化合物等。
有的合金元素的加入可以改变铜的颜色，加入不同含量的锌、铝、锡、镍等元素使颜色也发生红-青-黄-白的变化。合理地控制含量会获得仿金和仿银合金。
有的合金元素对性能有针对性改善，如Cu-Mn系合金可提高铜的阻尼性能，Cu-Zn-Al、Cu-Al-Mn系合金具有一定的形状记忆性能。
为了改善铜合金的应力腐蚀或脱成分腐蚀和冲刷腐蚀性能，会采取相应的合金化措施。
铜合金化所选用的元素应该是：常用、廉价、环保，并尽量做到多元少量，合金原料能综合利用，合金化后的铜合金除满足使用性能应尽量具有优良的加工成型性能。
铜及其合金材料的成分确定后，其后的加工过程（冶炼、热冷加工、热处理、焊接等）就决定了该材料的金属组织结构，而材料的组织结构对性能有着重大的影响。
材料的初始组织是铸造组织，一般由柱状晶、等轴晶所组成，压力加工后铸造晶粒被破坏，并沿着加工方向被拉长，在热加工和热处理过程中，这些被破碎的晶粒发生多边化、再结晶、聚集再结晶，同时随着温度的下降，还伴随着固态相变，这时材料的晶粒大小、均匀程度、晶粒取向、合金相的形态、大小、组成、分布等对材料的性能有着决定性的影响。一般而言，晶粒及析出相细小、均匀、没有方向性，则材料的综合性能优良，这对任何一类铜合金都有大致相同的规律。但每类铜合金的组织结构与相变的具体细节却是不同的，所以每类合金的性能也各不相同。
研究相变的基础是合金的相图，相图表示在平衡状态下合金成分、温度、合金相之间的关系。在实际工况下要达到平衡状态是很困难的，所以实际相图与平衡相图相比会发生变化，但规律和趋势是普遍遵循的。
铜合金相图有二元、三元、四元和多元，其中铜合金的二元相图按合金成分在不同温度发生的主要相变过程如下：
液相向固相转变过程中有固溶体析出、共晶、包晶等相变，铜合金在固态下可以发生固溶体分解、共析转变、包析反应等相变，还有共格分解和马氏体转变等相变。表1-2是重要铜合金相变的举例。表1-3则给出了铜锌合金随锌含量变化所形成的不同相。
在相变研究中可发现，纯铜和白铜的相组织比较单纯，它们都是单一的α相，晶体结构则为面心立方体，而广泛使用的简单黄铜按结构可分为α、α+β、β三种，复杂黄铜、青铜的相图表现很复杂，会随合金成分的变化，有不同的相图和不同的合金相。典型的黄铜和青铜的相图在后面章节说明。
表2 重要铜合金相变举例 表3 铜-锌合金，不同锌含量可形成不同的相
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