Цветные металлы и сплавы

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Мальцева Т. В., Озерец Н. Н., 
Левина А. В., Ишина Е. А.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ 
И СПЛАВЫ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия,
22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение 
и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73
          Ц27
Авторы:
Т. В. Мальцева, Н. Н. Озерец, А. В. Левина, Е. А. Ишина

Рецензенты:
кафедра «Технология металлов» Уральского государственного лесотехнического 
университета (завкафедрой, доц., канд. техн. наук В. В. Илюшин);
заведующий Лабораторией деформирования и разрушения УрО РАН, проф., д‑р 
техн. наук С. В. Гладковский

Научный редактор — проф., д‑р техн. наук М. А. Филиппов

Ц27
    Цветные металлы и сплавы : учебное пособие / Т. В. Мальцева, Н. Н. Озерец, 
А. В. Левина, Е. А. Ишина. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2019. — 176 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2598‑6

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов». В издании рассмотрены закономерности формирования структуры при затвердевании, пластической деформации и термической обработке цветных металлов; показана взаимосвязь структуры со свойствами металлов 
и сплавов. Теоретическая часть основных разделов курса поможет студентам понять и объяснить полученные при выполнении лабораторных работ закономерности и механизмы формирования структуры и свойств цветных металлов и сплавов при различных термических 
и термомеханических обработках.

Библиогр.: 13 назв. Рис. 81. Табл. 35.

УДК 669.2/.8.017(075.8)
ББК 34.23я73

Учебное издание

Мальцева Татьяна Викторовна, Озерец Наталья Николаевна, 
Левина Анна Владимировна, Ишина Елена Александровна

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Редактор Н. П. Кубыщенко
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 15.03.2019. Формат 70×100/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 14,2.
Уч.‑изд. л. 9,0. Тираж 40 экз. Заказ 67

Издательство Уральского университета 
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41
E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4
Тел.: +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13. Факс: +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2598‑6 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2019



Оглавление

Предисловие ........................................................................................... 5

Глава 1. Алюминий и его сплавы ............................................................. 6

1.1. Основы термической обработки алюминиевых сплавов ........ 14
1.2. Деформируемые термически неупрочняемые 
        алюминиевые сплавы .............................................................. 25
1.3. Деформируемые термически упрочняемые алюминиевые 
        сплавы ...................................................................................... 27
1.4. Литейные алюминиевые сплавы ............................................. 40
1.5. Области применения................................................................ 53

Глава 2. Магний и его сплавы ............................................................... 55

2.1. Общие особенности структуры и свойств магния 
        и его сплавов ............................................................................ 56
2.2. Термическая обработка магниевых сплавов ........................... 64
2.3. Закономерности структурных изменений 
        при деформации магниевых сплавов ...................................... 66
2.4. Литейные магниевые сплавы ................................................... 68

2.4.1. Высокопрочные литейные магниевые сплавы .............. 69
2.4.2. Жаропрочные литейные магниевые сплавы ................. 74

2.5. Деформируемые магниевые сплавы ........................................ 76

2.5.1. Высокопрочные деформируемые магниевые сплавы ... 77
2.5.2. Жаропрочные деформируемые магниевые сплавы, 
           легированные РЗМ ......................................................... 80
2.5.3. Ультралегкие деформируемые магниевые сплавы 
           на базе системы Mg–Li ................................................... 80

Глава 3. Титан и его сплавы .................................................................. 83

3.1. Общие структуры и свойства титана и его сплавов ................ 84

3.1.1. Влияние примесей и легирующих элементов 
           на структуру и свойства титановых сплавов .................. 84
3.1.2. Типичные структуры титановых сплавов ...................... 91

Оглавление

3.2. Промышленные титановые сплавы ........................................ 97

3.2.1. Деформируемые титановые αи псевдо‑α‑сплавы ....... 98
3.2.2. Деформируемые (α+β)‑сплавы .....................................102
3.2.3. Деформируемые βи псевдо‑β‑сплавы ........................104
3.2.4. Литейные титановые сплавы .........................................105

Глава 4. Медь и ее сплавы ...................................................................107

4.1. Микроструктура и свойства латуней ......................................114

4.1.1. Латуни, обрабатываемые давлением .............................116
4.1.2. Литейные латуни ...........................................................120

4.2. Микроструктура и свойства бронз .........................................120

4.2.1. Оловянные бронзы ........................................................122
4.2.2. Безоловянные бронзы ...................................................125

4.3. Медно‑никелевые сплавы ......................................................129

Глава 5. Благородные металлы и сплавы на их основе ........................133

5.1. Золото ......................................................................................134
5.2. Серебро ....................................................................................140
5.3. Платина ...................................................................................141
5.4. Обработка и ее влияние на свойства благородных металлов ....145
5.5. Сплавы благородных металлов ...............................................151
5.6. Тройные системы сплавов ......................................................161
5.7. Особенности производства сплавов .......................................165
5.8. Сплавы с особыми свойствами ...............................................169
5.9. Припои ....................................................................................172

Библиографический список .................................................................175



Предисловие

В

опросы, касающиеся изучения цветных металлов и сплавов 
на их основе, имеют место как в самостоятельных учебных 
дисциплинах, таких как: «Металлургия цветных металлов», 
«Цветные металлы и сплавы», так и являются частью курсов «Материаловедение», «Металловедение», «Технология конструкционных 
материалов». В зависимости от направления, профиля и специальности студенты будут изучать учебное пособие в разном объеме с разной 
глубиной проработки.
В учебное пособие включены разделы, касающиеся легких, тяжелых и благородных металлов и сплавов на их основе. Представлены 
физические, механические, химические и особые свойства цветных 
металлов. Рассмотрены диаграммы состояния. Описаны особенности формирования структуры, фазового состава при различных обработках. Приведена маркировка цветных сплавов. В учебном пособии 
есть ссылки на ГОСТы и другую нормативно‑техническую документацию, действующую в настоящее время.
При подготовке учебного пособия авторы — преподаватели кафедры металловедения использовали многолетний опыт работы, как 
свой, так и кафедры. В работу включены материалы, подготовленные 
профессорами кафедры С. В. Грачевым и Л. А. Мальцевой по металлографии цветных металлов и сплавов.



Глава 1.  
Алюминий и его сплавы

П

ервые крупинки алюминия были получены датским ученым 
Эрстедом (1825) и немецким химиком Велером (1827). Промышленный способ получения чистого алюминия разработали американец Чарльз Холл и француз Поль Эру (1886). До конца 
ХIХ столетия алюминий был дорогим металлом, лишь немного дешевле золота.
Началом промышленного выпуска алюминия считают 1890 г. 
С 1854 по 1890 гг. в мире произведено 200 т алюминия; 1890–1899 гг. — 
28000 т, за один 1930 г. — 270000 т, за 1968 г. — 8386200 т. В 1960‑е годы 
годовой прирост мирового производства алюминия составлял около 
15 %, а в последние годы не превышает 5 %.
В начале ХХ века алюминий применяли только в чистом виде. 
Применение алюминиевых сплавов начинается с открытия в 1906 г. 
немецким ученым Вильмом первого термически упрочняемого сплава — дуралюмина: 4,0 % Cu, 0,5 % Mg, 0,5 % Mn. Сейчас сплавы типа 
дуралюмина Д1 и Д16, имеющие наряду с высокой прочностью 
400–500 МПа небольшую плотность, широко распространены в современной промышленности.
По удельной прочности (отношение временного сопротивления 
к плотности) алюминиевые сплавы значительно превосходят стали. 
Это обеспечило широкое применение алюминиевых сплавов в авиации и ракетной технике.
Алюминий и его сплавы отличаются высокой технологичностью, 
хорошо деформируются, из них легко можно получать изделия сложной формы. Алюминий и ряд его сплавов обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью. По электропроводности он уступает 
только серебру, меди и золоту.

Глава1.Алюминийиегосплавы

Температура плавления алюминия составляет 660 °С. Плотность 
алюминия 2,7 г/см 3, ГЦК‑решетка с периодом 0,40412 нм при 20 °С. 
Алюминий имеет также высокую теплои электропроводность. Электропроводность алюминия чистоты 99,5 % составляет 62,5 % от электропроводности меди. Алюминий — парамагнитный металл. Модуль 
Юнга алюминия равен 70 ГПа, что довольно высоко, но значительно 
меньше, чем у сталей.
Алюминий — химически активный металл. Однако при окислении 
(взаимодействии с кислородом воздуха) на поверхности образуется 
плотная пленка окисла Аl2O3, которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой на воздухе. При комнатной температуре толщина этой пленки составляет 5–10 нм. При нагреве до температуры плавления толщина окисной пленки возрастает 
до 200 нм. Окись алюминия имеет удельный объем, близкий к удельному объему алюминия, поэтому пленка плотная (без трещин).
Некоторые разбавленные кислоты взаимодействуют с алюминием сильнее, чем концентрированные. Концентрированная холодная 
азотная кислота не растворяет алюминий, а разбавленная — разрушает очень быстро. То же относится и к серной кислоте.
Алюминий устойчив во многих органических кислотах: уксусной, 
лимонной, винной и др.
Алюминий быстро растворяется в растворах едких щелочей. При 
комнатной температуре алюминий не взаимодействует с водой, парами воды, СО, СО2, при высоких температурах реагирует с ними. Энергичное взаимодействие алюминия с парами воды начинается с 500 °С 
и резко ускоряется при плавлении по реакции: 2Аl + 3H2O → Al2O3 + 3H2.

Специфическим свойством алюминия, которое определило его применение в атомных реакторах, является его способность поглощать 
нейтроны. Алюминий не дает ни с одним из элементов ряд непрерывных твердых растворов.
Известно, что неограниченные твердые растворы образуются при 
соблюдении следующих правил (правила Юм‑Розери):
1) элементы должны иметь кристаллические решетки одного типа;
2) атомные диаметры элементов должны отличаться не более чем 
на 8–15 %;
3) элементы должны иметь близкие электрохимические свойства, 
что наблюдается при сходстве электронного строения их атомов.

Глава1.Алюминийиегосплавы

Многие металлы имеют сходную с алюминием решетку (ГЦК). 
Из них благоприятный размерный фактор (различие в атомных радиусах менее 8,0 %) имеют такие металлы, как Pd, Pt, Ag, Au. Однако все эти металлы имеют сильно отличающиеся от алюминия электронные строения.
Ограниченную растворимость с алюминием имеют следующие металлы, ат. %:

Zn
– 65,5
Si
– 1,5
Cd
– 0,089
Ag
– 23,8
Mn
– 0,71
Zr
– 0,089
Li
– 16,2
Cr
– 0,37
Fe
– 0,03
Mg
– 18,9
V
– 0,2
Na
– 0,0035
Ga
– 5,5
Sc
– 0,35
Cu
– 2,5
Ti
– 0,146

Первичный алюминий в России производят по ГОСТ 11069–74 
и маркируют буквой А, за которой следуют цифры, указывающие десятые, сотые или тысячные доли процента содержания алюминия. Например, А995 содержит 99,995 % Аl; А99 — 99,99 % Аl; А7 — 99,7 % Аl; 
А0 — 99,0 % Аl. В табл. 1.1 приведен химический состав алюминия.

Таблица 1.1
Марки первичного алюминия (ГОСТ 11069–74)

Марка
Химический состав, %
Марка
Химический состав, %

Al
Примеси, не более
Al
Примеси, не более
Fe
Si
Всего
Fe
Si
Всего
Особой чистоты
Технической чистоты
А999
99,999
–
–
0,001
А85
99,85
0,09
0,06
0,15
Высокой чистоты
А8
99,8
0,12
0,10
0,20
А995
99,995
0,0015
0,0015
0,005
А7
99,7
0,16
0,16
0,30
А99
99,99
0,003
0,003
0,010
А6
99,6
0,25
0,20
0,40
А97
99,97
0,015
0,015
0,03
А5
99,5
0,30
0,30
0,50

А95
99,95
0,030
0,030
0,05
А0
99,0
0,50
0,50
1,0
А5Е*
99,5
0,35**
0,12
0,50

* Сумма Ti + V + Mn + Gr < 0,01 %.
** Железа не менее 0,18 %.

Глава1.Алюминийиегосплавы

Металлургические заводы выпускают алюминий трех сортов:
1) особой чистоты А999;
2) высокой чистоты А995, А99, А97, А95;
3) технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0.
Основные примеси в первичном алюминии — железо и кремний. 
Железо практически не растворяется в алюминии, а кремний мало 
растворяется в твердом алюминии (рис. 1.1 и 1.2). 

500

T, °C

660°
0,05        1,8

L

L + FeAl3

0 
Al

2 
4 
6 
Fe
→ Fe, % 

600

700

800

655°

+ FeAl3

a

a

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы Al–Fe

При совместном содержании железа и кремния эти элементы образуют с алюминием тройные промежуточные фазы переменного состава, обозначаемые буквами α и β. Фазе α приписывают формулу 
Fe2SiAl8, а фазе β — FeSiAl5. Кроме того, в техническом алюминии 
образуется соединение Al3Fe, наблюдающееся в структуре в виде игл 
и существенно снижающее его пластичность. В зависимости от соотношения Fe/Si может развиваться либо эвтектическая, либо перитектическая реакция. Так, при низком соотношении Fe/Si кристаллизуется двойная эвтектика Al + β или Al + Si, а затем образуется тройная 
эвтектика. В этом случае первичная кристаллизация Al идет вблизи 
660 °C, а тройная эвтектика кристаллизуется при 576 °C. Технический 

Глава1.Алюминийиегосплавы

алюминий с таким широким интервалом кристаллизации склонен 
к образованию горячих трещин при полунепрерывном литье слитков. 
Чтобы предотвратить брак по горячим трещинам, необходимо повысить температуру конца кристаллизации. Для этого следует поддерживать отношение Fe/Si > 1.

L

L + Si
L + a

+ Si

a

T, °C

500

550

600

650

700

660°

577°
1,65                                     12,5

0 
4 
8 
12 
16 
20
Al
Si
→Si, % 

a

Рис. 1.2. Диаграмма состояния системы Al–Si

Легирование алюминия различными элементами осуществляется 
для повышения прочности. С основными компонентами промышленных сплавов алюминий дает двойные системы эвтектического типа 
(см. рис. 1.3). Со многими элементами алюминий образует двойные, 
тройные и более сложные интерметаллиды, как кристаллизующиеся 
из расплава, так и выделяющиеся из твердого раствора на базе алюминия при отжиге и старении.
Все алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные 
(см. рис. 1.4). Главной структурной составляющей деформируемых 
сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная 
доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (до ~ 10 %), 
что обеспечивает деформируемость этих сплавов.