热镀Al-sub-3-sub-Ni耐蚀合金镀层液态冷凝过程的分子动力学模拟研究
第23卷 第2期2003年6月
航空材料学报
JOURNAL OF AERONAUT ICAL MATERIALS
Vol.23No.2
June.2003
热镀Al3Ni耐蚀合金镀层液态冷凝过程的分子动力学模拟研究
主沉浮1,张晓茹1,魏云鹤1,于 萍1,张秀杰2,张金岭2
(1.山东大学,山东济南250061; 2.中国石油管道公司科技中心,河北廊坊065000)
摘要:钢铁表面热镀Al
3Ni耐蚀合金镀层工艺涉及Al
3
Ni合金由液态冷凝固化成镀层的过程。冷凝速度对微结
构的影响是工艺中关键问题之一。本文采用F-S多体势对液态合金Al
3
Ni在不同冷却速度下的微观结构及其转变机制进行了分子动力学模拟,得到了不同冷速下各温度的双体分布函数;采用HA键型指数法对其结构进行了分析,结果表明,Al3Ni在两种冷速下均以非晶的形式出现,只是慢冷时体系的有序度略有升高,这为最终确定工艺参数提供了理论依据。
关键词:热浸镀;Al
3
Ni;F-S多体势;分子动力学模拟
中图分类号:TG111.4 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2003)02-0025-05
在钢铁基体表面热镀耐蚀合金镀层是提高钢铁抗大气腐蚀性能的重要手段之一。由于钢铁表面热镀耐蚀Al3Ni合金镀层的成本比热镀Ni3Al 低廉、工艺控制条件相对较宽,故引起越来越多的重视,成为当前国内研究的热点课题之一。
研究高温液态合金结构随温度的变化规律对于寻找材料的最佳工艺以获得最好材料性能具有非常重要的实际意义。但高温液态合金材料的结构及其演变信息较难由实验获得。随着计算机技术的发展,由经验和半经验多体势出发利用计算机进行分子动力学模拟,乃是了解这些微观信息的重要手段,取得了一系列进展[1~5]。
本文对液态合金Al3Ni的冷凝过程进行了分子动力学模拟,并采用双体分布函数、Honeycut-t Anderson(HA)成键指数法研究该过程中A-l Ni合金结构及能量的转变规律,从而为最终确定冷却工艺参数提供理论依据。
1 原子间相互作用势模型
原子间相互作用势是分子动力学模拟的基础,近年来发展的经验、半经验的多体势,如EAM,TB,F-S势等,在描述金属合金的结构、热力学性质等方面由于其精度较高而被广泛应用。
收稿日期:2002-12-18;修订日期:2003-01-06
基金项目:国家自然科学基金重点资助(20133020)
作者简介:主沉浮(1965-),男,副教授。而F-S(Finnis-Sinclair)势[6]是处理过渡金属的一种常用模型,本文予以采用。按照F-S多体势理论,对于由N个原子组成的系统,其总能量可表示如下:
E tot=1
2
N
i=1
N
j=1,j i
V ij(R ij)-
N
i=1
[
N
j=1,j i
ij(R ij)]1 2(1) (1)式右边第一项为传统对势部分,第二项为电子密度的贡献,i和j为原子序号,R ij为原子间距,V (R ij)为j原子对i原子的对势贡献, (R ij)为j 原子在i原子位置处形成的电子云密度。模拟过程中采用Acland等人拟合得到的函数形式,即[7]:
V AA(R ij)= 6
k=1
a A A k H(r AA k-R ij)
(r A A k-R ij)3(2)
A A(R ij)= 6
k=1
A AA k H(R AA k-R ij)
(R AA k-R ij)3(3)
V AB(R ij)= 3
k=1
a AB k H(r A B k-R ij)
(r A B k-R ij)3(4)
A B(R ij)= AA(R ij) BB(R ij)(5)
(2)~(5)式中A,B分别表示两种不同类型的原子。通过函数H(X)体现势的有效作用范围,当X>0时,H(X)=1,否则H(X)=0。R k及r k分别表示对势及电子云密度的截断距离,式中各参
数取自文献[7]。
2 分子动力学模拟的基本过程
分子动力学方法是利用数值积分求解模拟系统内原子的经典运动方程,给出原子的瞬时速度和位置变化,通过经典统计方法处理,获得原子在任意时刻的结构组态、能量变化、热力学性质等信息。
本模拟在500个粒子的立方盒子中进行,通过施加周期性边界条件使系统成为赝无限。首先将500个原子随机放置于一立方盒子中,并按照2000K下的Maxwel-l Boltzman速率分布随机赋予每个原子速率值,进行时间步长为5 10-15s的等温过程,让系统弛豫8000步得到平衡液态,之后通过衰减方法分别以4 1013K s,4 1011K s的速率让系统从2000K冷却到300K,每冷却200K记录一次构型,计算各个构型的双体分布函数,通过HA指数法计算不同温度下原子间键合类型及指数,采用20个不同构型的平均结果。
3 结构分析方法
3.1 双体分布函数(PDF)
双体分布函数g(r)与结构衍射实验得到的干涉函数互为Fourier变换,是理论和实验对照的基本依据,它广泛用来描述液态和非晶态的结构特征,通常定义为[8]
g(r)=N-1
i j
(r+R i-R j) (6) 其中g(r)表示r~r+d r范围内找到一个原子的几率, 是系统的平均数密度,R是原子的位置, 表示时间平均, 是Dirac函数,N为原子数。g(r)描述了一个原子周围其他原子按距离的分布情况。对AB二元合金系而言,存在三种偏双体分布函数g A-A(r),g A-B(r),g B-B(r)和一个总双体分布函数g Tot(r)。
3.2 键对分析技术
模拟中采用键对分析技术[9]描述系统中局域团簇的结构特征。键对分析技术可以方便地分析由计算机模拟生成的体系中原子对短程排布的几何特点,也可以有效地描述液态、非晶态、晶态及其相互转变过程中几何结构演化的特点。键对分析技术用HA指数ijkl描述某一原子对成键关系及其周围公有原子间的成键关系。这里说的成键,是指当两个原子间的距离小于或等于双体分布函数第一谷所确定的最近邻距离时,则称这两个原子成键。键对分析技术采用指标ijkl描述近邻原子周围的环境,i表示原子对的类型,近邻为1,非近邻为2,j表示与键对的两个原子都构成近邻的原子数,k表示这些近邻原子之间也成键的数目,对某些结构组态来说,还不能用ijk唯一标识,因此引入第四个指数l作为特殊区别指标加以区分。
3.3 原子的平均能量
体系的内能由动能和势能两部分组成,原子的动能是根据原子间相互作用的势能函数算出作用在每个原子上的力,通过求解牛顿运动方程得到每个原子的速度,进而求得体系的动能。原子的平均能量同原胞的体积变化相类似,也是温度的函数,因此也可以通过内能的变化来了解体系结构的变化。
4 结果与讨论
4.1 双体分布函数与有序性分析
图1给出了Al3Ni在两种不同冷却速度下偏双体分布函数g A-l Al(r),g A-l Ni(r),g N-i Ni(r)和总双体分布函数g Tot(r)随温度的变化规律。由图1可知,降温过程中Al3Ni的各类双体分布函数的第一峰都逐渐变高、变锐,第二峰也从不明显变清晰。这表明随着温度的降低,每个原子的第一近邻数目越来越多,相邻原子成键的几率越来越大,原子的短程有序度逐渐提高。而且,Al3Ni各温度下g A-l Ni(r)的第一峰都远高于g A-l Al(r)和g N-i N i (r),这充分说明Al3Ni中,异类原子存在较强的相互作用。
冷却速度也会对双体分布函数造成影响。对Al3Ni而言,冷却速度对它的影响不大。冷速为4 1013K s时(图1a),当温度降至500K以下时,偏双体分布函数g N-i N i(r)第二峰发生明显劈裂,这是非晶形成的典型特征,表明有非晶形成。同时第一峰与第二峰之间出现一小峰,表明非晶形成过程中伴随有部分晶体的产生。而在冷速为4 1011K s时(图1b),当温度降至900K以下时第二峰就已发生劈裂,而且第一、二峰之间也出现小峰,且高于第一峰,表明非晶形成过程中产生的晶体结构在慢冷时得到了加强,这与后面键对分析结果一致。两种冷速下四个双体分布函数中都只有g N-i Ni(r)第二峰发生劈裂,这说明相比其他原子而言N-i Ni原子间更易形成非晶结构。
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航 空 材 料 学 报 第23卷
图1 不同冷却速率下Al3Ni各温度时的双体分布函数
(a)冷却速率:4 1013K s;(b)冷却速率:4 1011K s
Fig.1 The pair correlation function of Al
3
Ni versus temperature at different cooling rates
(a)cooling rate:4 1013K s;(b)cooling rate:4 1011K s
A:g
A-l Al (r)B:g
A-l Ni
(r)C:g
N-i Ni
(r)D:g
Tot
(r)
4.2 键对分析
图2给出了两种冷却速度下Al3Ni熔体中各种键对百分数随温度的变化关系。
对Al3Ni而言,两种冷速下各键对的比例分配相似。与廿面体结构密切相关的1551,1541键对和液态、非晶中广泛存在的1431键对大量存在,且占绝对优势。1431键对随温度的变化不大,表明高温下1431键对遗传到了低温状态,非晶继承了高温中的结构。这是两种条件下的相同点。在冷速为4 1013K s时(图2a),1431键对随温度的降低变化很小,只在500K以下快速增加, 300K时达23%。表征密排六方晶体结构(hcp)的1422键对和表征面心立方晶体结构(fcc)的1421键对也有相同的变化规律,至300K时二者所占比例约24%。1551和1541键对随温度的降低而逐渐增加,至500K时有所减少,但整体呈上升趋势,至300K时二者所占比例达28%,这表明急冷过程中该结构得到了加强,体系的短程有序度提高,这与该冷速下PDF曲线第一峰的变高是一致的。在冷速为4 1011K s时(图2b),各种键对变化趋势与快冷相似,只是各键对比例发生较大变化的温度提前至900K。这与PDF曲线的变化规律一致。300K时,1431键对约占22%,较之快冷时略有减少;1551和1541二键对约占31%,较之快冷时增加了3%;而表征体心立方结构的1661和1441键对较之快冷时也略有增加,这三点表明慢冷使系统无序度降低而有序度提高。而1421和1422键对比例与快冷时基本相同,表明这两种键对对冷却速度不敏感。
图3给出了Al3Ni在冷速为4 1011K s时温度降低到300K时原子模拟结构图,清晰地表明该冷速时Al3Ni形成有序度较低的非晶。
4.3 降温过程中能量的变化
图4给出了冷速为4 1013K s和4 1011K s 时Al3Ni能量随温度的变化。由图可见,对Al3Ni 而言,两种冷速下能量的变化相似。从降温过程的小范围内来看,能量呈震荡变化。但就整个降温过程而言,能量是连续衰减的,这恰与非晶的形成相对应。
能量的这种变化是与其微观结构的变化密切相关的。在液态合金的冷却过程中,随着系统温度的降低,原子热运动的速度逐渐减弱,平均动能变小,在碰撞过程中原子将更容易与其他原子相结合,因而成键几率逐渐增大,系统短程有序度提
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第2期 热镀Al3Ni耐蚀合金镀层液态冷凝过程的分子动力学模拟研究
图2 不同冷却速率下Al 3Ni 键对百分数随温度的变化
(a)冷却速率:4 1013K s;(b)冷却速率:4 1011K s
Fig.2 The percent of bonded pairs of Al 3Ni versus temperature at different cooling rates
(a)cooling rate:4 1013K s;(b)cooling rate:4 1011K
s
图3 冷速为4 1011K s 下300K 时Al 3Ni 的
模拟结构图(局部)
Fig.3 The simulated structural drawing of
Al 3Ni under the cooling rate of 4 1011K s at 300K (part)
高。这点与前面的结构分析一致。同时,系统体积的缩小及原子不停的无规则热运动使各原子间
相对位置不断变化,其势能随之发生变化。到凝固点时,势能变化最快。故动能和势能的这种变
化使得总能量在小的温度范围内震荡变化,但整个降温过程总体变化趋势却是下降的。系统冷却速率的大小控制着原子结合的时间。冷速快时原子结合时间短,成键几率小,各温度下系统的有序度低,能量来不及突变而直接进入过冷态,故
Al 3Ni 在冷速较高时(4 1013
K s)能量连续衰减,结构上表现为有序度较低的非晶态。当冷速慢到使凝固点处系统的有序度达到一定限度时,系统
温度、体积的继续变化将导致势能的急剧变化,冷速越慢,势能变化越剧烈,这一剧变将引起系统内局域团簇结构的重建:有些团簇因能量的突然变化而崩溃,这些崩溃团簇的原子处于极不稳定的能量状态,会在很短的时间内重新组合,
形成新的
图4 不同冷却速率下Al 3Ni 能量E 随温度T 的变化
(a)冷却速率:4 1013K s;(b)冷却速率:4 1011K s
Fi g.4 The energy of Al 3Ni versus temperature at different cooling rates
(a)cooling rate:4 1013K s;(b)cooling rate:4 1011K s
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构型,以保持最低的能量和稳定的状态,这表现为键对的迅速转变,有些键型会迅速消失,而另外一些键型的比例会迅速增大,于是冷却过程中晶态
出现。但是在4 1011
K s 冷速条件下Al 3Ni 却不结晶而出现非晶,这是因为对A-l Ni 合金而言,结晶与否不仅与冷速有关,还与合金中Al 和Ni 原子数的配比有关。Al 3Ni 中Al 含量高,因Al 较活泼,原子间成键不稳定,这就使得体系的有序度较低,因而Al 3Ni 在该冷速下不结晶而以非晶形式出现。
5 结 论
(1)F -S 多体势模型可以较好地描述液态Al 3Ni 降温过程的结构变化特性。冷却速率对Al 3Ni 的影响不明显,但冷速低会使其终态结构中表征有序结构的键对增加。较低冷却速率(4 1011
K s)下,Al 3Ni 结晶与否取决于合金中Al 和Ni 的原子数配比,Al 含量高,系统有序度低;反之系统有序度高,因而Al 3Ni 形成非晶。
(2)冷凝过程的分子动力学模拟结果与实验
基本吻合。在4 1013K s 和4 1011
K s 冷速条件下,所得冷凝镀层样品耐蚀性能实验结果相差不大。传统认为冷却速度不同,则耐蚀性能有差异。本计算模拟较好地解释了这一差异,造成这一差异的原因可能与其最终均生成非晶态有直
接关系。这为最终确定实际冷却工艺参数提供了理论依据。参考文献:
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Molecular dynamics simulations of
corrosion resistant alloy Al 3Ni in its solidification
Z HU Chen -fu 1
, ZHANG Xiao -ru 1
, WEI Yun -he 1
, YU Ping 1
,
Z HANG Xiu -jie 2
, ZHANG Jin -ling
2
(1.Shandong University ,Jinan 250061,Chi na; 2.R &D Cen ter of China Nati onal Petroleum Pipeline Co.,Langfang 065000,China)Abstract :During the ho-t dip process of the corrosion resistant alloy Al 3Ni on the surface of the steel,it involves the solidification from liq -uid to the coating.It is found that the cooli ng rate has great influence on the microstructure.By means of molecular dynamics si mulation techniq ue,the solidification process of liquid alloy Al 3Ni has been performed.The F -S N -body potentials have been adopted to describe the atomic interactions.The structural features have been revealed with the pair distribu tion.The variati on of energy with the temperature and the relati onship between the energy and the microstructure has also been s tudied.It has been concluded that non -crys tal occurs at both dif -ferent cooling rates,however,the degree of order rises slightly at the low cooling rate.Key words :ho-t dip;Al 3Ni;F -S N -body poten tial;molecular dynamics simulation
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铜及铜合金的分类讲解
铜及铜合金的分类 第二章铜及铜合金的分类铜是人类最早使用的金属，自然界有自然铜存在，与 其他金属不同，铜在自然界中既以矿石的形式存在，也同时以纯金属的形式存 在，其应用以纯铜为主，同时其合合金也在工业等多个领域中广泛应用，工业上 常将铜和铜合金分为四类，分别是：纯铜、黄铜、青铜和白铜。 1. 铜与铜合金的分类 1.1 按生产应用的方式（可分为二大类）形变铜与铜合金、铸造铜与铜 合金对于压力加工专业来说，主要是和形变铜与铜合金打交道，因此，重点学 习形变铜与铜合金。 1.2 铜与铜合金的名称：根据历史上形成的习惯，起的是 某一种颜色的名称，它们是：紫铜——纯铜Cu 黄铜——Cu-Zn 合金青铜——锡青铜：Cu-Sn 合金铝青铜：Cu-Al 合金铍青铜：Cu-Be 合金钛青铜：Cu-Ti 合金白铜—— Cu-Ni 合金( 有的铜合金叫做青铜，但合金的颜色并不真就是青 色的。) 2. 纯铜纯铜的新鲜表面是玫瑰红色的，当表面氧化形成氧化亚铜Cu2O 膜后就呈紫色，所以纯铜就常被称为紫铜。紫铜具有好的导电、导热、耐蚀和 可焊等性能，并可冷、热压力加工成各种半成品，工业上广泛用于制作导电、导 热和耐蚀等器材。 2.1纯铜的成份、组织与性能 2.2.1．其结构、组织：在金属 学中学过，纯Cu的晶体[结构]是面心立方晶格（f、c、c），滑移系多，易塑性变形，塑性好。其组织由单一的铜晶粒组成。 2.2.2．在成分方面：100%纯的金属是没有的，非100%纯。Cu 的最高纯度可达99.999%（三个9）工业纯Cu 的纯度约为99.90～99.96%杂质的存在相当于使纯铜的成份改变，这自然会引起一些 性能的变化。虽纯Cu 有一些性能几乎不受杂质的影响但导电率、机械性能却 受杂质或晶 4 体缺陷的影响较大现在先综合看看工业纯Cu 的性能—— 2.2 工业纯铜的性能 2.2.1 纯铜的性能优点：从纯铜的各种性能中我们可以总结出几 条性能优点，从而可以明白为什么铜会以纯金属的形式得到这么广泛的应用。①优良的导电、导热性；∴Cu 广泛用于：导电器（如：电线、电缆、电器开关） 导热器（如：冷凝管、散热管、热交换器）②良好的耐蚀性；Cu具有极好的耐蚀性，且反应后表面有保护膜（铜绿）在普通的温度下，铜不太会与干燥空 气中的氧气O2反应，但Cu能与CO2、SO2、醋发生作用，生成铜绿――碱式碳酸铜、碱式硫酸铜CuSO4·3(OH)2 （深绿色）、碱式醋酸铜，这样铜的表面上 就慢慢生成了一层保护膜。③有良好的塑性退火工业纯铜的拉伸延伸率δ ≈50%，纯Cu 易加工成材例：加工出来的细铜丝可细于头发丝（8 丝）达4～5 丝 2.2.2 纯铜的机械性能与工艺性能我们通过结合纯铜的生产、加工过程来了解、认识(1) 纯Cu 的加工过程（几乎全部纯铜都是经过加工成材供应用户的， 我们在工厂中可以观察到，其生产过程一般为：(2) 纯铜的机械性能——①铸态铜的性能很低；②经加工后，软态铜、硬态铜的性能，见上面数据；③铜经过强烈冷加工（形变率ε≥80% ）后，强度δ b将急剧升高，但塑 5 性强烈变坏，加工硬化很厉害，对纯铜来说，其机械性能是由其晶粒度和位借密度所决定 的。(3) 纯铜的热加工工艺性能我们知道，热加工应选择在塑性高的温度范围
铜合金的分类及用途
铜合金的分类及用途 铜合金主要包括铍铜合金、银铜合金、镍铜合金、钨铜合金、磷铜合金。 、铍铜合金 铍铜合金是一种可锻和可铸合金，属时效析出强化的铜基合金，经淬火时效处理后具有高的强度、硬度、弹性极限，并且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性、导电导热性好、冲击时不会产生火花等一系列优点。铍铜材基本上分为高强高弹性铍铜合金（含铍量为．％－．％）和高导电铜铍合金（含铍量为．％－．％）。 铍铜合金用途 铍铜合金常被用作高级精密的弹性元件，如插接件、换向开关、弹簧构件、电接触片、弹性波纹，还有耐磨零器材、模具及矿山和石油业用于冲击不产生火花的工具。现在铍铜材料已被广泛应用于航空航天、电器、大型电站、家电、通信、计算机、汽车、仪表、石油、矿山等行业，享有有色金属弹性王的美誉。 、银铜合金 银铜合金是通过将纯铜和纯银加入电熔炉进行熔炼，经铸造得到坯料，再加工成各种规格的成品。银铜合金的主要应用为电接触材料、焊接材料、银铜合金排及铜银合金接触线。 银铜合金种类 银铜合金：银和铜的二元合金，铜具有强化作用。 类型：有，，，和等合金。 用途：有良好的导电性、流动性和浸润性、较好的机械性能、硬度高，耐磨性和抗熔焊性。有偏析倾向。用真空中频炉熔炼，铸锭经均匀化退火后可冷加工成板材、片材和丝材。作空气断路器、电压控制器、电话继电器、接触器、起动器等器件的接点，导电环和定触片。真空钎料，整流子器，还可制造硬币、装饰品和餐具等。 、镍铜合金 镍铜合金通常被称为白铜。纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性，主要应用在海水淡化及海水热交换系统、汽车制造、船舶工业、硬币、电阻线、热电偶。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。
铜及铜合金系列
C36000铅黄铜 C36000延展性好，深冲性能好。应用于钟表零件、汽车、拖拉机及一般机器零件。 铅黄铜切削加工性能优良，有高的减摩性能，用于钟表结构件及汽车拖拉机零件。 C36000化学成分： 锌(Zn)余量,铅(Pb)2.4～3.0,铝(Al)≤0.5,铁(Fe)≤0.10,锑(Sb)≤0.005,磷(P)≤0.01,铋(Bi)≤0.002,铜(Cu)62.0～65.0,杂质总和％≤0.75 ANK20无氧红铜 产品说明： 无氧红铜(Oxygen-free copper) 型号：ANK-20 Madel:ANK-20 标准：JIS-C1020P 制造工艺：冷拔/冷轧/热轧 产品特点：结构致密均匀，无气孔，砂眼，纯度高损耗小，导电导热延伸性能均佳，含氧量低于0.002%，性能优越，是精密模具放电加工的最佳之选. 产品应用：适用于各种高精密模具的放电加工材料或高压电气开关等电器配件 相关参数：硬度为HV86-102导电率大于等于59ms/m比重约8.9g/cm3 提供板材、棒材、异型件加工 ANK570钨铜合金 钨铜合金(Tungsten copper) 型号:ANK-5-70(ANK-是型号70表示钨含量约为70%) Model:ANK-5-70 产品特性:铜钨合金综合铜和钨的优点,高强度/高比重/耐高温/耐电弧烧蚀/导电电热性能好/加工性能好,ANK钨铜采用高质量钨粉及无氧铜粉,应用等静压成型(高温烧结账-渗铜, 保证产品纯度及准确配比,组织细密,性能优异.) 提供板材、棒材、触点材、焊轮、电子封装片、异型件 产品应用:应用于高硬度材料及溥片电极放电加工,电加工产品表面光洁度高,精度高,损耗低,有效节约材料。有钨60/钨70/钨85/钨90可供选择。 主要参数:密度G/cm3(13.9)抗拉强度Mpa(≥680 )硬度HV(≥186 )硬度软化温度℃(≥1000)导电率IACS(%)(≥42 )热导率W/mk(247 )库存板、棒材供客户选择 CuCrZr铬锆铜 铬锆铜（CuCrZr）化学成分（质量分数）%（ Cr:0.25-0.65， Zr:0.08-0.20）硬度（HRB78-83）导电率 43ms/m 软化温度550℃ 特点：具有较高的强度和硬度，导电性和导热性，耐磨性和减磨性好，经时效处理后硬度、强度、导电性和导热性均显著提高，易于焊接。广泛用于电机整流子，点焊机，缝焊机，对焊机用电极，以及其他高温要求强度、硬度、导电性、导垫性的零件。用制作电火花电极能电蚀出比较理想的镜面,同时直立性能好,能完成打薄片等纯红铜难以达到的效果对钨钢等难加工材质表现良好，铬锆铜有良好的导电性，导热性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高，焊接时电极损耗少，焊接速度快，焊接总成本
铅铋流动漩涡脱落研究
Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2014, 2, 5-8 https://www.wendangku.net/doc/492300569.html,/10.12677/nst.2014.21002 Published Online January 2014 (https://www.wendangku.net/doc/492300569.html,/journal/nst.html ) Lead-Bismuth Flow Vortex Shedding Research Yunbo Li, Tao Zhou *, Ziwei Su, Xu Yang Institute of Nuclear Thermal-Hydraulic Safety and Standardization, North China Electric Power University, Beijing Email: *676850083@https://www.wendangku.net/doc/492300569.html, Received: Sep. 9th , 2013; revised: Sep. 24th , 2013; accepted: Sep. 27th , 2013 Copyright ? 2014 Yunbo Li et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons At-tribution License all Copyrights ? 2014 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Yunbo Li et al. All Copyright ? 2014 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: In the pipeline, if the phenomenon of the vortex shedding occurs, it will cause the heat transfer tube damage and rupture, and cause a great impact on the whole circuit safety. Based on the parameters of Sweden TALL loop and the defined type of the vortex shedding frequency: v l f S v d =, to calculate the Pb-Bi loop heat exchanger pipeline, we can get the relationship between the vortex shedding frequency and the flow velocity, pipe diameter, Castro HA. The results show that: 1) When the pipe diameter is larger, the vortex shedding frequency is smaller. 2) As the flow velocity is increasing, the probability of occurrence of the vortex shedding frequency is greater. 3) The larger the Castro HA number is, the bigger the probability of occurrence of the vortex shedding frequency is. Keywords: Lead Bismuth; V ortex Shedding; Castro HA Number 铅铋流动漩涡脱落研究 李云博，周 涛*，苏子威，杨 旭 华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京 Email: *676850083@https://www.wendangku.net/doc/492300569.html, 收稿日期：2013年9月9日；修回日期：2013年9月24日；录用日期：2013年9月27日 摘 要：管路中，如果发生漩涡脱落现象，将会造成传热管损坏、破裂，对整个回路安全性造成不良影响。基于瑞典TALL 回路的各项参数，以及漩涡脱落频率的定义式：v l f S v d =，对铅铋回路换热器管路进行计算，得到了漩涡脱落频率与来流速度、管道直径、斯特罗哈数之间的关系。计算结果表明：1) 管道直径越大，发生漩涡脱落的频率越小。2) 来流速度越大，发生漩涡脱落频率的概率越大。3) 斯特罗哈数越大，发生漩涡脱落频率的概率越大。 关键词：铅铋；漩涡脱落；斯特罗哈数 1. 引言 换热器管中的铅铋流体的漩涡脱落极易造成管子的磨损或破裂。据国外有关报告，约40%核电站存在传热管破损事故[1] 。对于铅铋回路，国际上进行实验研究的国家还不多，瑞典、韩国、印度、意大利、美国[2-4]等不多的几个国家拥有比较完整的实验台架 并进行了实验研究，研究内容主要集中在材料、流动换热。在中国，艾辛格、张继业等对于环形管道铅铋的湍流传热有研究。华北电力大学核热工安全与标准化研究所周涛、刘梦影、苏子威[5-10]对铅铋的物性和换热进行了研究。由于铅铋流体密度较大，接近于水的10倍，各方面物性都与水有着巨大差别，如果发生漩涡现象，将造成传热管道的破损、泄漏，严重影 * 通讯作者。
铜及铜合金的高温特性
Thesis Submitted By Ramkumar Kesharwani Roll No: 208ME208 In the partial fulfillment for the award of Degree of Master of Technology In Mechanical Engineering
Department of Mechanical Engineering National Institute of Technology Rourkela-769008, Orissa, India. May 2010
Thesis Submitted By Ramkumar Kesharwani Roll No: 208ME208 In the partial fulfillment for the award of Degree of Master of Technology In Mechanical Engineering
Under the supervision of Prof. S. K. Sahoo
Department of Mechanical Engineering National Institute of Technology Rourkela-769008, Orissa, India. May 2010
National Institute of Technology Rourkela
CERTIFICATE
This is to certify that thesis entitled, “High Temperature behavior of Copper” submitted by Mr. “Ramkumar Kesharwani” in partial fulfillment of the requirements for the award of Master of Technology Degree in Mechanical Engineering with specialization in “Production Engineering” at National Institute of Technology, Rourkela (Deemed University) is an authentic work carried out by him under my supervision and guidance. To the best of my knowledge, the matter embodied in this thesis has not been submitted to any other university/ institute for award of any Degree or Diploma.
Date: Dept. of Mechanical Engineering
Prof. S.K. Sahoo National Institute of Technology Rourkela-769008
铜和铜合金的基础知识
铜和铜合金的基础知识 铜合金（copper alloy ）以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类。 黄铜以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36％的黄铜合金由固溶体组成﹐具有良好的冷加工性能﹐如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42％之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40％的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低﹐适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性﹐故称海军黄铜﹐用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能﹔这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。 青铜原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。 白铜以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好﹐色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械﹑化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜﹑康铜﹑考铜是含锰量不同的锰白铜﹐是制造精密电工仪器﹑变阻器﹑精密电阻﹑应变片﹑热电偶等用的材料。 [编辑本段] 铜合金的分类 铜合金的分类方法有三种: ①按合金系划分
铜及铜合金的焊接特点
铜及铜合金的焊接性分析 1.难熔合及易变形 焊接纯铜及铜合金时，如果采用的焊接参数与焊接低碳钢差不多，母材散热太快，填充金属与母材不能很好地熔合，焊后变形也较严重，这与铜的热导率、线胀系数和收缩率有关。 铜的热导率大，20摄氏度时铜的热导率比铁大7倍多，1000摄氏度时大11倍多，焊接时热量迅速从加热区传导出去，焊接区难以达到熔化温度，使母材与填充金属很难熔合。铜在熔化温度时的表面张力比铁小1/3，而流动性比铁大1~1.5倍，表面成形能力差。铜的线胀系数大15%，凝固时的收缩率比铁大1倍以上，再加上铜的导热能力强，使焊接热影响区加宽，焊接时如被焊工件刚度低，又无防止变形的措施，很容易产生较大变形。因此，焊接时必须采用功率大、热量集中的热源，并采取预热措施，不允许采用悬空单面焊接，单面焊时，反面必须加垫板或成形装置。 2.易产生热裂纹 为了防止热裂纹的产生，焊接铜及铜合金时可采取以下一些治金措施。 （1）必须严格限制焊件和焊接材料的氧、铅、铋、硫等有害元素的含量。 （2）通过焊丝加入硅、锰、碳、磷等合金元素增强对焊缝的脱氧能力。 （3）选用能获得双相组织的焊丝，使焊缝晶粒细化、晶界增长，使易熔共晶分散，不连续。 （4）焊接时加强对熔池的保护，采用减小焊接应力的工艺措施，如选用热量集中的热源、焊前预热、选择合理的焊接顺序、焊后缓冷等。 3.易产生气孔 气孔是铜及铜合金焊接时一个主要问题，只要在氩气中加入筒量的氢和水蒸气，焊缝即出现气孔，产生气孔的倾向比碳钢严重得多，原因如下： （1）铜的热导率比低碳钢高7倍以上，所以铜焊缝结晶很快，熔池易为氢所饱和而形成气泡，在凝固结晶很快的情况下，气泡不易析出，促使焊缝中形成气孔。 （2）氢在铜中的溶解度随温度升高而增大，直到熔点时氢在铜中的溶解度达最高值，温度再提高，液态铜开始蒸发，氢的溶解度下降。 （3）氩弧焊时氮也是形成气孔的原因，随着氩气中氮含量的增加，气孔数量随之上升。 铜及铜合金焊接时防止产生气孔的主要措施有： （1）防止焊缝金属吸收氢气及氧化，焊件表面在焊前应去油污、水分等，焊条、焊剂要烘干使用，焊丝表面不得有水分。 （2）对焊缝加强脱氧，加入硅、铝、铁、锰等脱氧元素。 （3）焊接时加强保护。 （4）选择合适的焊接工艺参数，降低冷却速度，熔深不可过大。 4.焊接接头性能下降
常用铜合金材料分类及特性
常用铜合金材料分类及特性 铜合金（copper alloy ）以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色 ﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。 主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能 加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类。 黄铜以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36％的黄铜合金由固溶 体组成﹐具有良好的冷加工性能﹐如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七三黄 铜。含锌在36～42％之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40％的六四黄铜。 为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强 度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低﹐适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和 对海水的耐腐性﹐故称海军黄铜﹐用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能﹔这 种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。 青铜原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿 轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用 於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制 造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。 白铜以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性 能和耐蚀性好﹐色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械﹑化工机械和船舶构件。电工白铜一 般有良好的热电性能。锰铜﹑康铜﹑考铜是含锰量不同的锰白铜﹐是制造精密电工仪器﹑变阻器 ﹑精密电阻﹑应变片﹑热电偶等用的材料。 铜及铜合金牌号对照表 CONVERSION TABLE OF GRADES FOR COPPER & ITS ALLOYS
铜的分类以及性能
铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类。 黄铜 以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36%的黄铜合金由固溶体组成﹐ 铜合金 具有良好的冷加工性能﹐如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七 三黄铜。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低﹐适合作海轮冷凝管及其他耐蚀 零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性﹐故称海军黄铜﹐用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能﹔这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。船舶常用的消防栓防爆月牙扳手，就是黄铜加铝铸造而成。 铜合金消防栓扳手青铜原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐ 并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。 白铜
铜及铜合金概述
铜及铜合金概述 铜是人类最早发现和使用的金属材料，铜的熔点低，易合金化，是人类使用的最古老的金属之一，早在公元前7000年人类就认识了自然铜，大约在公元前3000年左右在世界各地出现了具有较高水平的铜冶炼业。3500年前人们开始用铜合金制作生活器皿，曾经开创了辉煌灿烂的古代青铜文明。 现代工业文明制品，大多数使用金属材料，尤其是重要部件，显示了其的可靠性，但使用单一金属的情况很少，大多使用合金材料，合金品种多，制造工艺各有特色。铜及铜合金的特点不单纯是强度，主要是导、电导热性能优良，必须充分发挥其的导电性能好的优势，才能最大限度地为社会做贡献。近现代，特别是十七世纪的产业革命，及法拉第电磁感应定律发现以来，由于铜及铜合金具有优良的导电、导热、耐蚀性能，易于加工，外表美观而大规模应用于现代工程技术领域，广泛应用于机械、电子、电气、化工、交通、能源、建筑、信息通讯等领域，例如：一部拖拉机平均用铜31㎏，一部解放汽车平均用铜21㎏，各种家用电器产品、工业装置等都离不开铜及铜合金产品，是国民经济中不可替代的重要工程材料。据国外统计，发达国家铜及铜合金与钢的消费比例大约在1.3：100左右，铜及铜合金的品种及消费量已成为衡量一个国家工业技术水平的标志之一。 铜及铜合金在工程技术领域广泛应用的根本特点是：其是目前经济的导电材料。纯铜具有仅次于银的高导电、导热性能、适宜的强度、优良的耐蚀性能，易于钎焊和形变加工，大量用于制造各种电气导线和导体，其在电气（器）、电子行业应用的比例占总产量的一半以上，例如：制造1万千瓦发电设备，包括输变电器材在内需用铜材近800吨。近年来随着能源日益紧迫，各行业节能降耗工作日益突出，电动机是广泛应用的耗电大户，各国都十分重视高效节能电动机的开发推广，其中降低电阻消耗的重要途径就是加大电动机绕组的截面积。同时随着人民生活水平的提高，民用负载不断加大，各种输电电缆的截面积也呈增加的趋势，随着铜代铝按、国际标准配置居民电线线径等建筑规范的出台都为铜在电气领域提供了广阔的发展前景。 铜及铜合金的另一个特点是：其具有优良的合金化特性，能和目前绝大多数金属或非金属元素形成各具特色的合金，目前已形成250余个合金牌号，近万种规格的产品系列，满足各行各业的需要，而且绝大多数铜合金具有较强的耐蚀性能，例如：白铜具有优良的机械性能、加工性能和耐蚀性能，适用于高温高压下的耐蚀环境，广泛应用于医疗、仪表、造船、
项目三_铅铋合金中铅铋分析——铅和铋的测定
项目三 铅铋合金中铅铋分析——铅和铋的测定 一、知识目标 1、铅铋合金的采样方法。 2、配位滴定中连续滴定的条件。 3、二甲酚橙指示剂的使用酸度条件。 4、连续滴定法测定铅铋合金中铅和铋的基本原理和方法。 5、铅铋合金中铅铋含量的计算。 二、能力目标 1、滴定分析仪器的使用。 2、二甲酚橙指示剂滴定终点的判断。 3、铅铋合金溶解液用量的计算。 4、铅铋合金中铅铋含量的计算。 三、素质目标 认真细心注重细节，培养观察能力、学习能力、理实结合能力。 四、环境保护知识 废液倒入废液缸。 五、基本原理 pH=1 Bi 3+ + H 2Y 2- = BiY - + 2H + pH=5～6 Pb 2+ + H 2Y 2-= PbY 2- + 2H + 指示剂：二甲酚橙 六、试剂与仪器 1、0.02mol/LEDTA 标准溶液 2、0.1mol/LHNO 3溶液 3、2g/L 二甲酚橙溶液 4、200g/L 六次甲基四胺溶液 5、L g Bi L g Pb /10)(/9)(≈≈ρρ的铅铋合金溶解液 6、常用滴定分析仪器 七、步骤 1、Bi 3+ 的测定：移取10.00mL 铅铋合金溶解液于250mL 锥形瓶中，加10mL0.1mol/LHNO 3 溶液及1滴2g/L 二甲酚橙，用c(EDTA)=0.02mol/L 的EDTA 标准溶液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色，即为终点，记下读数V 1。 2、Pb 2+ 的测定：在滴定Bi 3+ 后的溶液中，加200g/L 六次甲基四胺，至溶液呈紫红色，再过量5mL ，用c(EDTA)=0.02mol/L 的EDTA 标准溶液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色，即为终点，记下读数V 2。
铜材特性
黄铜 黄铜是由铜和锌所组成的合金。如果只是由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜。如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铁、硅组成的铜合金。黄铜有较强的耐磨性能。特殊黄铜又叫特种黄铜，它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强。还有切削加工的机械性能也较 铍青铜 铍青铜是一种含铍铜基合金（Be0.2～2.75%wt%），在所有的铍合金中是用途最广的一种，其用量在当今世界已超过铍消费总量的70%。铍青铜是沉淀硬化型合金，固溶时效处理后具有很高强度、硬度、弹性极限和疲劳极限，弹性滞后小，并具有耐蚀（铍青铜合金在海水中耐蚀速度：（1.1-1.4）×10-2mm／年。腐蚀深度：（10.9-13.8）×10-3mm／年。）腐蚀后，铍青铜合金强度、延伸率均无变化，故在还水中可保持40年以上，铍铜合金是海底电缆中继器构造体不可替代的材料。在硫酸介质中：铍青铜在小于80％浓度的硫酸中（室温）年腐蚀深度为0.0012-0.1175mm，浓度大于80％则腐蚀稍加快。 、耐磨、耐低温、无磁性、高的导电性、冲击无火花等特点。同时还具有较好的流动性和重现精细花纹的能力。由于铍铜合金的诸多优越性能，使其在制造业获得了广泛的应用。 红铜 红铜即纯铜，又名紫铜，具有很好的导电性和导热性，塑性极好，易于热压和冷压力加工，大量用于制造电线、电缆、电刷、电火花专用电蚀铜等要求导电性良好的产品。 即赤铜。由硫化物或氧化物铜矿石冶炼得来的纯铜，可用以铸钱及制作器物。明宋应星《天工开物·铜》：“凡铜供世用，出山与出炉，止有赤铜。以炉甘石或倭铅参和，转色为黄铜；倭铅和写﹝泻﹞为铸铜。初质则一味红铜而已。” 郭沫若《中国史稿》第一编第三章第二节：“他们冶炼的红铜成分很纯，除天然的微量（0.1－0.2％）杂质外，没有人工加入锡或铅使成合金。红铜的硬度虽较差，但直接经过捶打就能制成各种工具和装饰品。” 特性：高纯度，组织细密，含氧量极低。无气孔、沙眼、疏松，导电性能极佳，电蚀出的模具表面精度高，经热处理工艺，电极无方向性，适合精打，细打，具有良好的热电道性、加工性、延展性、防蚀性及耐候性等。 用途：可应用于电器、蒸溜建筑及化学工业，尤其端子印刷电器路板，电线遮蔽用铜带、气垫，汇流排端子。电磁开关、笔筒、屋根板等。 红铜的密度：8.96g/(cm) 红铜的比重：8.89g/(mm) Cu≥99．95％ O<003 电导率≥57ms／m 硬度≥85．2HV
铜合金的分类 特点 应用
铜合金的分类特点应用 铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。 常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类 其特点如下： 黄铜以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36%的黄铜合金由固溶体组成﹐具有良好的冷加工性能﹐如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低﹐适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性﹐故称海军黄铜﹐用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能﹔这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。船舶常用的消防栓防爆月牙扳手，就是黄铜加铝铸造而成。 青铜原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。/和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。铍铜是一种过饱和固溶体铜基合金，是机械性能，物理性能，化学性能及抗蚀性能良好；粉末冶金制作针对钨钢，高碳钢、耐高温超硬合金制作的模具需电蚀时，因普通电极损耗大，速度慢，钨铜是比较理想材料。抗弯强度≥667Mpa 白铜以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好﹐色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械﹑化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜﹑康铜﹑考铜是含锰量不同的锰白铜﹐是制造精密电工仪器﹑变阻器﹑精密电阻﹑应变片﹑热电偶等用的材料. 铜合金的应用： 1 电气工业中的应用 电力输送电力输送中需要大量消耗高导电性的铜，主要用于动力申．线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。在电线电缆的输电过程中，由于电阻发热而白白浪费电能。从节能和经济的角度考虑，目前世界上正在推广""最佳电缆截面""标准。过去流行的标准，单纯地从降低一次安装投资的角度出发，为了尽量减小电缆截面，以在设计要求的额定电流下，不至出现危险过热，来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标准铺设的电缆，虽然安装费低了；但是在长期使用过程中，电阻能耗却比较大。""最佳电缆截面""标准，则兼顾一次安装费用和电能消耗这两个因素，适当放大电缆尺寸，以达到节能和最佳综合经济效
微量元素对铜合金的影响
微量元素对铜合金的影响 微量元素进入铜是不可避免的，由于元素特性的不同，可以不固溶于铜、微量固溶、大量固溶、无限互溶，固溶度随温度下降而激烈降低、固相下有复杂相变等，因此对铜性能的影响千差万别.现对各元素对铜性能的影响分别加以介绍。 氢 氢在铜中的行为是人们正在研究的课题，氢与铜不形成氢化物，氢在液态和固态铜中的溶解度随着温度升高而增大，特别是在液态铜中有很大的溶解度，在凝固时，会在铜中形成气孔，从而导致铜制品的脆性和表面起皮；在固态铜中，氢以质子状态存在，氢的电子填充铜原子的S层轨道，形成质子型固溶体，氢对铜的性能虽然影响甚微，但氢对铜及铜合金来说是有害的，含氧铜在氢气中退火时会产生裂纹，即“氢病”，原因是发生Cu2O+H2 ? 2Cu+H2O反应，产生的水蒸气会造成气孔和裂纹；各种元素对氢在铜中的溶解度影响不一，其中Ni、Mn等元素引起溶解度增加，P、Si等元素减少氢在铜中的溶解度，可以通过减少熔炼时间，调整成分，控制炉料中氢气含量，熔体表面采用木炭覆盖等办法减少铜中氢的含量。 氧 氧在铜的生产过程中是不可避免的，其影响也非常重要，氧很少固溶于铜，1065℃时为0.06%,600℃时为0.002%（重量比）；氧在铜中除极少易固溶外，均以Cu2O形式存在，铜的氧化物不固溶于铜，呈现Cu+Cu2O共晶组织，分布于晶界，共晶反应为：L含氧0.39% 1065℃α含氧0.01%+Cu2O,亚共晶铜中的含氧量与共晶量成正比,可在显微镜下与标准图片比较来精确测定铜中的含氧量。 氧对铜及合金性能的影响是复杂的,微量氧对铜的导电率和机械性能影响甚微,工业铜具有很高的导电率,其原因是氧作为清洁剂,可以从铜中清除掉许多有害杂质，以氧化物形式进入炉渣，特别是能够清除砷、锑、铋等元素，含有少量氧的铜其导电率可以达到100-103%±ACS,高纯铜如6N铜在深冷条件下电阻值是相当低的。 电真空构件用铜应严格控制其中氧的含量，其原因是电真空器件需要在氢气中密封，铜中氧的存在会导致氢病发生，引起器件高真空环境破坏，因此电真空用铜应该是无氧铜，中国国家标准中规定无氧铜中含氧量小于20ppm，美国ASTM标准中规定为3ppm，为控制氧含量，在无氧铜生产中都应选择优质电解铜原料，在熔炼工艺中采取还原性气氛，加强熔池表面覆盖，一般使用木炭保护；铜及铜合金熔炼时，一般均应进行脱氧，脱氧剂有磷、硼、镁等，以中间合金方式加入，磷是最有效的脱氧剂，不过应严格控制磷的残留量，因其能够强烈降低铜及合金的导电率。 锑、铋、硫、碲、硒 这些元素在铜中固溶度极小，室温下基本不溶于铜，它们以金属化合物形式存在，分布于晶界，对铜的的导电、导热影响不大，但是都严重的恶化了铜及合金的塑性加工性能，应该严格控制其含量，各国标准中规定不应超出0.005%；由于含有这些元素的铜，具有良好的切削性能，在工程技术界也有应用，比如铋钼，可以作为真空开关中断路器的触头，在断路时，防止开关触头的沾结，铋铜中含铋量可高达0.5%-1.0%；含碲0.15-0.5%的碲铜合金，可作为高导电、易切削无氧铜使用，能够加工成精密的电子原器件；作为特殊用途的铜合金，可以加入这些元素，但其加工工艺是特殊的，可采用包套挤压、冷挤、铸造、粉末冶金等方法。 砷、硼 砷在铜中有很大的固溶度，在α固溶体中的可达6.8-7.0%，砷在铜中存在强烈的降低其导电率和导热性能，一般作为变质剂加入，特别是对黄铜冷凝器合金来说更为宝贵，近一百年来火电和舰船冷凝器管材使用实践表明，含砷0.1-0.15%的黄铜，能够防止黄铜脱锌腐蚀，解决了黄铜冷凝管早期泄漏的致命问题，所以各国材料标准中都规定必须加入砷，经验表明，不含砷的HSn70-1冷凝管，经常在使用初期的2-3年内发生泄漏事故，而加入砷之后，寿命可增至15-20年，被称为铜合金研究中重大的技术进步；砷之所以能够防止黄铜脱锌腐蚀，许多研究表明，砷能够降低铜
铜及铜合金性能与用途
美国铜及铜合金的特性及用途 美国铜及铜合金的特性及用途 C10100 冷、热加工性能均极好。可锻性良好。可用作汇流排、波导管、电子管的引入线和阳极、真空封接件、晶体管部件、调速管、微波管、整流器中。 C10200 冷、热加工性均极好。主要用作汇流排、波导管等。 C10300 冷、热加工性均极好。主要用于汇流排、导线、要求高导电性和良好焊接性的零件。 C10400、C10500、C10700 冷、热加工性均极好。主要用作自动调整垫圈、散热器、无线电零件、印刷线路板。 C10800 冷、热加工性能均极好。主要用作致冷器、空调器、煤气加热器管路、热交换器用管、液压油管等。 C11000 冷、热加工性能均极好。主要用作建筑材料、汽车散热器、垫圈、无线电零件。C11100 冷、热加工性能均极好。主要用来制造要求耐热强度高的输电器件。 C11300、C11400、C11500、C11600 冷、加热加工性能均极好。主要用作垫圈、散热器、汇流排、电气开关、印刷线路板。 C12000、C12100 冷、热加工性能均极好。主要用作汇流排、导线、需要焊接的零件。 C12200 冷、热加工性能均极好。主要用作煤气加热器管路、油管、压力管、冷凝管、热交换器管。 C12500、C12700、C12800、C12900、C13000 冷、热加工性能均极好。用途同C11000。C14200 冷、热加工性能均极好。主要用作机车锅炉炉膛板、锚栓、热交换器和冷凝器管。C14300 冷、热加工性能均极好。主要用作要求耐热强度高的电器元件。如电接触器、接线柱、电热元件等。 C14500 冷、热加工性能均极好。主要用作要求高导电性和耐蚀性的锻件和螺纹件、电气插接元件。 C14700 冷、热加工性能均良好。主要用作高导电性和轻负荷的弹簧电气触点、灯具、插接电器元件。 C15500 冷、加热加性能均极好。用途同C14700。 C16200 冷加工性极好，热加工性能良好。主要用作电气、电热元件、高强度输电线、电气开关元件、波导管等。 C16500 冷加工性极好，热加工性能良好。主要用作电气产品弹簧件、线夹、电阻焊电极。C17000 冷加工性极好。热加工性良好。主要用作膜片、膜盒、波纹管、弹簧。 C17200 性能和作用均同于C17000铍青铜，并具有不产生火花的特点。 C17300 性能和用途同C17200，并且有较好的切削加工性能。 C17500 冷加工性能级好，热加工性能良好。主要用作保险丝夹、紧固件、弹簧开关、继电器零件。 C18200、C18400、C18500 冷加工性极好，热加工性良好。主要用作电阻焊电极、电气开关、断电器零件、高强度的电热零件。 C18700 冷加工性能良好，热加工性不好。主要用作插接件、电动机和开关零件，以及要求高导性能的螺纹切削零件。 C18900 冷、热加工性均极好。主要用作焊条，在惰性气体保护焊和氧乙炔焊时的焊接用铜部件。 C19000 冷、热加工性均极好。主要用作弹簧、插接元件、功率管、电子管元件，以及要求高强度、高导电性和耐疲劳性好的电气零件。 C19100 冷、热加工性能均良好。有极好的切削加工和耐蚀性能，有高的淬硬性。主要用
铜合金
黄铜是由铜和锌所组成的合金 白铜是铜和镍的合金 青铜是铜和除了锌和镍以外的元素形成的合金，主要有锡青铜，铝青铜等 紫铜是铜含量很高的铜，其它杂质总含量在1%以下。 红铜即纯铜，又名紫铜，纯铜密度为8.96，熔点为1083℃。具有很好的导电性和导热性，塑性极好，易于热压和冷压力加工，大量用于制造电线、电缆、电刷、电火花专用电蚀铜等要求导电性良好的产品。 因呈紫红色而得名。它不一定是纯铜，有时还加入少量脱氧元素或其他元素,以改善材质和性能,因此也归入铜合金。中国紫铜加工材按成分可分为：普通紫铜(T1、T2、T3、T4)、无氧铜（TU1、TU2和高纯、真空无氧铜）、脱氧铜（TUP、TUMn）、添加少量合金元素的特种铜（砷铜、碲铜、银铜）四类。 紫铜的电导率和热导率仅次于银，广泛用于制作导电、导热器材。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，用于化学工业。另外，紫铜有良好的焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。20世纪70年代，紫铜的产量超过了其他各类铜合金的总产量。 紫铜中的微量杂质对铜的导电、导热性能有严重影响。其中钛、磷、铁、硅等显著降低电导率,而镉、锌等则影响很小。氧、硫、硒、碲等在铜中的固溶度很小,可与铜生成脆性化合物,对导电性影响不大，但能降低加工塑性。普通紫铜在含氢或一氧化碳的还原性气氛中加热时，氢或一氧化碳易与晶界的氧化亚铜(Cu2O)作用，产生高压水蒸气或二氧化碳气体，可使铜破裂。这种现象常称为铜的“氢病”。氧对铜的焊接性有害。铋或铅与铜生成低熔点共晶，使铜产生热脆；而脆性的铋呈薄膜状分布在晶界时，又使铜产生冷脆。磷能显著降低铜的导电性,但可提高铜液的流动性,改善焊接性。适量的铅、碲、硫等能改善可切削性。 黄铜：以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36%的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成，其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，用作船舶热工设备和螺旋桨等。