铜、黄铜和青铜通常被归类为有色金属,属于同一类红色金属。它们均具有耐腐蚀、高导电/导热性和可焊接性等特点,使其广泛应用于建筑、电子、艺术品、机械等行业。
虽然这些金属具有相似的特性,但每种金属都具有对于特定应用至关重要的独特特性。了解它们的差异对于选择最适合您的项目的非常重要。
本文展示了每种材料的独特特性,阐明了铜、黄铜和青铜之间的差异。我们将指导您找到更好的解决方案,为您的项目选择合适的材料。
铜,在元素周期表中标记为Cu,是一种天然存在的金属元素,具有独特的红橙色。它是自然界中发现的少数可以直接加工的金属之一,而且由于铜更纯净,它通常具有更高的价值,并且能够在不损失任何质量的情况下回收利用。
铜根据其纯度以及其他添加元素的类型和含量分为各种等级。以下是一些常见的铜牌号:
电解韧铜(ETP)铜(C11000):含铜量至少为99.90%,是最常见的铜牌号。它不仅具有最高水平的导热性和导电性,而且还具有出色的成型性和延展性。
无氧高导 (OFHC) 铜 (C10100):一种含氧量极低的高导铜。这一特性增强了其导电性并降低了氧化风险。
脱氧高磷(DHP)铜(C12200):机械性能与C11000相似,但含有少量磷。这种添加可以去除金属中的氧,增强其可焊性和钎焊能力,同时还可以防止氢脆。
碲铜(C14500):含有少量碲,通常在0.4%至0.7%之间。碲的添加增强了机械加工性,而不会显着影响电导率。
黄铜是一种主要由铜和锌以及微量其他金属组成的合金。锌和这些附加元素的比例显着影响黄铜的颜色(从更深的红铜到浅金)和机械性能。例如,增加锌含量通常会提高强度,但可能会降低延展性,使合金更硬、更脆。此外,由于含有锌,黄铜的成本通常比纯铜便宜。
黄铜有多种等级,主要根据铜与锌的比例以及其他合金元素的添加量进行分类。常见的有以下几种:
插装式黄铜 (C26000): 这种合金通常由 70% 的铜和 30% 的锌组成,擅长冷加工,具有良好的强度和延展性。它非常适合弹药外壳、散热器芯、热交换器以及连接器和端子等电气部件。
黄黄铜(C27200):锌含量比C26000高,具有亮黄色,成型性良好。它经常用于工业和建筑应用。
低铅黄铜 (C33000):这种合金具有低铅含量,易于加工,符合更严格的环境标准,非常适合饮用水系统等配件。
钟表黄铜(C35300):其优异的机械加工性能可实现精密加工,特别是在钟表制造中。
易切削黄铜 (C36000):以出色的延展性和机械加工性而闻名,广泛用于软焊、钎焊以及制造配件、紧固件和阀门。这是最常见的黄铜类型。
建筑青铜(C38500):因其出色的机械加工性和精美的外观而被选择,是建筑五金和装饰元素的理想选择。
海军黄铜 (C46400): 含有少量锡,具有卓越的耐海水腐蚀性能,非常适合海洋应用和暴露在恶劣环境中的部件。
青铜是一种金棕色合金,主要由铜和锡组成,还含有少量铝、锰、硅和磷等元素。它已经使用了数千年,可以追溯到公元前 3500 年的古代文明。
随着金属加工技术的进步和对改善材料性能的需求的增加,研究人员已经探索添加其他元素来增强青铜的性能。以下是青铜器的常见品种。
高铅锡青铜(C93200):常用于轴承(通常称为“轴承青铜”)、衬套、泵和阀门组件以及中等强度和良好耐磨性的机械应用。需要撕裂。
铝青铜(C95400):被称为最硬、最强的青铜类型,在盐水中具有很强的耐腐蚀性,适用于泵、阀门和船舶部件。它还用于重型应用,例如飞机起落架。
磷青铜(C51000):磷青铜以其优异的抗疲劳性、良好的耐腐蚀性和高强度而闻名,通常用于弹簧、紧固件、电气连接器和轴承等部件承受重复的压力和恶劣的环境。
硅青铜(C65500):具有高强度、优异的耐腐蚀性(特别是在海洋条件下)和良好的机械加工性。它广泛用于船舶硬件、建筑应用以及泵和阀门组件,这些领域的使用寿命和美观性至关重要。
为了区分它们的不同属性,我们先通过下表进行初步比较。
财产 | 青铜 | 黄铜 | 铜 |
元素组成 | 铜、锡、其他 | 铜、锌、其他 | 纯铜 |
颜色/外观 | 红棕色 | 黄金般的 | 橙红色 |
耐腐蚀 | 出色的 | 中间的 | 非常好 |
电导率 | 缓和 | 高的 | 非常高 |
导热系数 | 229~1440 BTU/小时-英尺²-°F | 64 BTU/小时-英尺²-°f。 | 223 BTU/小时-ft²-°f |
熔点 | 大约。 950 - 1050°C | 大约。 900-940℃ | 1085℃ |
密度 | 7.5~8.8g/c㎥ | 8.4~8.7g/c㎥ | 8.96g/c㎥ |
硬度 | 40~420 BHN | 55~73 伯明翰 | 35 BHN |
屈服强度 | 125-800兆帕 | 95至124兆帕 | 33.3兆帕 |
抗拉强度 | 350至635兆帕 | 338至469兆帕 | 210兆帕 |
机械加工性 | 从公平到良好 | 良好到优秀 | 公平的 |
焊接性 | 贫穷的 | 好的 | 出色的 |
接下来我们从元素成分、外观、耐蚀性、导电性、密度重量、硬度、强度、切削加工性、焊接性等方面进行具体比较。
铜是一种纯元素金属,化学符号为Cu,原子序数为29,在元素周期表中。
黄铜是一种铜锌合金,含有铜(60%~90%)和锌(10%~40%),偶尔还与锡、铅、铝或镍形成合金。
青铜主要由铜(80%~90%)和锡(10%~20%)组成,偶尔添加铝或锌等其他元素。
黄铜,顾名思义,具有类似黄金的外观。这使得很容易与其他两者区分开来。青铜和红铜具有相似的红棕色。相比之下,与青铜的暗金色相比,铜具有独特的红橙色。此外,青铜的表面经常呈现出微弱的环,这可以作为一个重要的区分特征。
青铜通常比铜和黄铜表现出更好的耐腐蚀性,特别是由于其锡含量,在盐水环境中。此外,通过加入铝和磷等附加元素可以增强其抵抗力。
铜虽然在海洋环境中的抵抗力稍差,但随着时间的推移会形成一层铜绿保护层,有助于防止进一步恶化。
黄铜虽然仍具有一定的抵抗力,但通常抵抗力较差,并且在暴露于特定化学品或盐水条件时可能会加速腐蚀。
铜、黄铜和青铜由于其不同的成分而表现出不同水平的导电性和导热性。
在电气方面,铜因其出色的导电性而成为最著名的金属之一,拥有 100% 的导电率。黄铜的电导率约为铜的 28%,而青铜则落后于铜,约为 15%。
从热学角度来看,青铜在三者中具有最高的导热率,铜位居第二,黄铜的导热率最低。
铜是一种纯元素,密度相对较高,为 8.96g/cm3,是三种金属中重量最高的。黄铜是铜和锌的合金,其密度随着锌比例的增加而降低。这是因为与铜相比,锌的密度较低(7.14 克/立方厘米)。青铜主要是铜和锡的合金,其密度根据锡或其他附加元素(例如铝、硅或磷)的用量而变化。锡的密度约为7.31克/立方厘米,低于铜的密度。
根据布氏硬度值,青铜>黄铜>铜。
纯铜是三种金属中最软的,而青铜是最硬的,但由于更脆而容易破裂。
强度是指材料在受到外力作用时抵抗变形和破坏的能力。硬度和强度(屈服强度和拉伸强度)之间存在很强的相关性。较硬的材料通常强度更高,但延展性可能较差。因此,就强度而言,青铜>黄铜>紫铜。
由于铜质较软,加工起来有点困难。一般来说,有效的加工需要正确的工具和技术。在加工过程中,它往往会产生长而粘的切屑,如果管理不当,有时会导致问题。
青铜具有良好的切削加工性。其适度的硬度和强度可降低变形风险,使其能够承受切割和其他加工操作。此外,大多数青铜合金的磨损率相对较低,有助于提高加工工具的耐用性。然而,一些青铜合金,如高硅青铜或其他特殊青铜合金,可能含有磨料颗粒,会加速加工过程中的刀具磨损。
与铜和青铜相比,黄铜具有高度可加工性。它产生更短、更易于管理的切屑,使其更易于加工。此外,黄铜有时含有铅,可提高机械加工性。
所有三种金属都是可焊接的。铜通常被认为适合焊接,但其高导热性需要更高的能量输入才能实现最佳焊接。然而,无氧铜和脱氧铜由于在焊接过程中不易氧化,因此具有优异的焊接性,使其在各种应用中备受青睐。
黄铜含有锌,其沸点比铜低。焊接过程中,锌的蒸发会导致焊缝出现气孔并释放出有害的氧化锌烟雾。通常采用 MIG、TIG,尤其是钎焊等技术来缓解这些挑战。
青铜在热影响区可能会出现脆性并产生孔隙。 TIG 焊接通常用于青铜,以减少这些问题。
为项目选择合适的材料时,重要的是要考虑每种金属的所有特性以及它们将如何影响您的项目。需要记住的一些关键点将帮助您选择更好的材料。
青铜因其优异的耐海水腐蚀性能而成为海洋应用的最佳选择。
黄铜因其类似黄金的外观而广泛应用于日常生活中,例如门把手和乐器。
铜卓越的导电性使其在电线和热交换器中不可或缺。此外,由于其抗菌特性,铜经常被用来制造食品烧瓶和食品加热器。
虽然铜、黄铜和青铜都是耐用金属,但它们具有不同程度的多功能性。
铜以其卓越的延展性而脱颖而出,为涉及金属成型和弯曲的制造工艺提供了出色的灵活性。
黄铜具有优异的机械加工性和良好的延展性,使其适用于需要复杂机械加工的装饰性和功能性部件。
青铜虽然具有良好的机械加工性,但缺乏铜和黄铜的延展性,使其不太适合需要变形的应用,但非常适合暴露在腐蚀环境中的耐磨零件和组件。
铜、黄铜、青铜的成本主要由成分和加工要求决定。就其成分和元素比例而言,铜是三种金属中最昂贵的。虽然这三种材料都含有铜,但由于混入了合金元素,黄铜和青铜的含量远低于纯铜。这降低了黄铜和青铜的成本。
铜、黄铜、青铜的成本主要由成分和加工要求决定。就其成分和元素比例而言,铜是三种金属中最昂贵的。虽然这三种材料都含有铜,但由于混入了合金元素,黄铜和青铜的含量远低于纯铜。这降低了黄铜和青铜的成本。
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想象一下,将您最喜欢的咖啡杯放在厨房的地板上 - 它变成锋利的碎片。现在,秋天后,想象一下智能手机屏幕蜘蛛网,或地震期间未增强的混凝土墙破裂。这些日常示例突出了脆性,这是一种物质属性,可以导致突然破裂而不会警告。 Brittlenes对安全性和可靠性至关重要:建筑物,桥梁或产品中的脆性组件如果不考虑灾难性的情况。历史提供了鲜明的提醒 - 最著名的是RMS泰坦尼克号,其钢铁在冰冷的大西洋水域变得脆弱,并在撞击而不是弯曲方面破裂,导致了灾难。工程师和设计师密切关注Brittleness,因为与弯曲或伸展的延性材料不同,脆性易碎的材料往往会在压力下折断。 这篇文章探讨了什么是脆性以及它与硬度和韧性的不同。它还解释了为什么玻璃或铸铁等材料是脆性的,以及我们如何测试和减轻工程设计中的脆性。 什么是脆性? 材料科学中的脆弱性是指材料事先几乎没有塑性变形的材料倾向的趋势。简而言之,脆性材料不会弯曲或伸展太多 - 它会破裂。如果您尝试弯曲脆性物体,它几乎会立即破裂或捕捉,而不是经历塑性变形。这是相反的延性,在失败之前,材料维持明显的塑性变形(例如,将其吸引到电线或弯曲中)的能力。高度延展的金属(例如铜或金)可以大量弯曲,拉伸或抽出,而在仅弹性菌株后,脆性材料(例如玻璃或陶瓷)骨折。 脆性,韧性,韧性和硬度 比较脆性和延展性归结于材料在骨折前可以变形的材料多少。脆性材料的延展性很低,并在小应变下达到其断裂点。延性的一个可以维持明显的塑性变形。在金属中,一个共同的经验法则是,休息时的伸长率通常称为脆,而考虑〜5%延性(材料和测试依赖性;陶瓷和玻璃通常远低于1%)。实际上,脆性材料几乎没有发出警告 - 在折断之前,它们不会明显弯曲或脖子。在应力 - 应变曲线,延性材料显示出屈服和较长的塑料区域,而脆性材料几乎是线性弹性的,直到突然裂缝具有最小的可塑性。 韧性描述材料在破裂前吸收的能量(思考:应力 - 应变曲线下的区域)。当材料结合高强度和良好的延展性时,通常会增加。这不是严厉的“相反”。橡胶轮胎很艰难,因为它会变形并吸收影响。退火玻璃很脆,因为它不能塑料变形,因此急剧的打击会使它破裂。 硬度是一个不同的概念 - 它抵抗刮擦和局部凹痕。材料可能非常困难但脆弱。例如,钻石抵制刮擦,但缺乏可塑性,可以在急剧的打击下切碎或劈开。相反,相对柔软的东西(例如橡胶)可以抵抗撞击的破裂,因为它会变形。简而言之,硬度涉及对局部变形的抵抗力,而残酷的性质描述了断裂行为。 易碎材料的示例及其失败 许多日常和工业材料表现出脆弱的行为。以下是一些例子,以及它们如何在压力下失败: 玻璃:普通玻璃(例如窗玻璃或水杯)是一种经典的脆性材料。它在压缩方面非常坚固且强烈,但是在拉伸应力或影响下,它不能塑性变形。将玻璃杯放在坚硬的地板上,通常会碎裂大而尖锐的碎片。故障是通过裂纹传播的:一旦一个微小的缺陷或冲击点会引发裂缝,它就会穿过玻璃,几乎没有塑性变形。这种脆性来自其结构:二氧化硅网络是刚性和无定形的,与金属不同,没有移动位错来缓解压力。有趣的是,特殊治疗可以改变玻璃断裂的方式,例如,通过热处理以引入表面压力应力而产生的钢化玻璃,仍然很脆,但往往会分解成小钝骰子样的碎片(因此“安全玻璃”)。层压玻璃,用于挡风玻璃,将两个玻璃杯粘合到塑料层中(通常是PVB),因此,当裂缝形成裂缝时,层中层将碎片将碎片固定在一起。这些治疗方法可以减轻故障模式,但从根本上讲,玻璃通过破裂而不是弯曲而失败。 陶瓷:陶瓷同样脆弱。从架子上敲出陶瓷花瓶,它会碎片或破碎而不是凹痕。从结构上讲,陶瓷是离子和/或共价键合的,通常是多晶(瓷器也包含玻璃相)。例如,在瓷板中,原子晶格是刚性的。当压力时,原子飞机无法轻易滑落。在离子固体中,一个小移位带来了同样的带电离子并排,它们强烈排斥,裂纹引发。由于位错运动是有限的,键是定向的,因此陶瓷具有高硬度和抗压强度,但倾向于在张力或弯曲下折断。当它们失败时,裂缝表面通常会清洁并沿晶体平面(裂解)。陶瓷瓷砖超出其容量超出其容量的裂纹,可以通过身体传播,并用干净的玻璃状断裂破裂,几乎没有可见的屈服。 铸铁(尤其是灰色铸铁):铸铁是一种金属,但某些成绩却是脆弱的。如果您曾经看过旧的铸铁发动机块或铸铁管道裂缝,则目睹了易碎的断裂。灰色铸铁(以其断裂表面的灰色命名)具有相对较高的碳含量。碳形成石墨片,分布在整个铁基质中。这些薄片的行为就像内部裂缝和强烈的压力集中器,因此金属在破裂之前不会伸展太多。结果,铸铁在压缩方面非常强(均匀支撑时),但在张力或影响不足可能会突然失败。相比之下,延性(结节性)铁是一种改良的铸铁,在该铸铁中诱导石墨形成球形结节(通常是通过镁处理)。它的脆性要小得多,并且会在影响下变形,而不是破碎。我们将在“设计”部分中进一步讨论。 具体的:混凝土看起来像是坚固且岩石状的(而且是),但这是脆弱材料的另一个例子。在压缩下,混凝土非常强大,可以承受很大的负载。但是,在张力(拉或弯曲)下,纯混凝土裂缝很容易。水泥糊和硬矿物聚集体的混合物形成了具有非常有限的塑料流能力的刚性基质,因此很小的拉伸菌株开放的微裂纹可以迅速合并。这就是为什么钢筋混凝土如此普遍的原因:钢钢筋嵌入以携带张力并增加延展性(和韧性)。钢可以屈服和伸展,将截面保持在一起并提供警告(裂缝形成并逐渐扩大),而不是突然的脆性崩溃。 其他脆性材料:还有许多其他例子。如果不调和,高碳或高度硬化的工具钢可能会变脆。文件或非常坚硬的刀片可能会在弯曲时捕捉,因为更高的碳和硬度可减少延展性。石墨,就像铅笔“铅”一样脆弱:其分层结构使飞机滑动留下标记,但在适度的力下,棍子很容易折断。有些聚合物也很脆。聚苯乙烯(用于一次性餐具和旧CD案例中的刚性塑料)倾向于捕捉而不是弯曲。 为什么有些材料脆弱? 要了解脆性,它有助于查看微观和原子尺度上的材料内发生的情况。材料的原子键和微观结构有所不同,这些差异决定了它们对压力的反应。 在结晶金属中,定位的金属键合和移动位错通常会造型流动。当滑动很容易时,应力再分配和裂纹尖端会钝化。如果粘结是高度定向的,或者晶体几乎没有可操作的滑动系统,则可塑性受到限制;应力集中到裂纹成核并繁殖。 然后,微观结构决定裂纹的生长是如何生长的。尖锐的夹杂物,硬第二阶段,毛孔或弱接口充当裂纹的发射地点和途径。温度和应变速率也很重要:较低的温度或更高的应变速率降低了可塑性,将行为推向脆性断裂。环境可以使平衡 - 原子氢加速裂纹,而晶粒结合的降解(例如晶间腐蚀或杂质隔离)可降低沿边界的凝聚力。 简而言之,当塑料适应不足并占主导地位时,勃彩会出现。如果材料无法自由移动脱位或在裂纹尖端下消散能量,则失败是突然的,几乎没有警告。 如何测量或测试脆性? 由于Brittlense是关于材料在压力下的行为(几乎没有变形),因此没有一个“勃贴”数字,您可以像密度或熔点一样抬头。取而代之的是,工程师使用延展性,断裂韧性和影响能量的测试间接表征它。 衡量脆性行为的标准方法之一是拉伸测试。在记录压力和应变时,拉动狗骨标本,以产生应力 - 应变曲线。脆性反应是几乎线性的突然断裂的弹性途径,几乎没有或没有产量区域。两个快速指示器(突破时的延长和降低面积)是延展性的度量(并成反比)。脆性的材料将显示出低伸长率和最小的面积减少(颈部很少或没有颈部)。对于金属,测试设置和报告遵循ASTM E8。 在Charpy V-Notch撞击测试中,摇摆的摆板击中了一个缺口的杆,并且在焦耳的能量中记录了摆能量的损失(来自秋千高度的变化)(j)。低吸收能表示脆弱的反应。高能量表示韧性。由于结果取决于标本的大小和缺口几何形状,因此最好将夏普能量用于比较和温度研究,而不是基本材料常数。在多个温度下进行测试映射延性到脆性的过渡。工程师还阅读了断裂表面:明亮,刻面/裂解特征表明脆性断裂,而暗淡,纤维状的外观表示延性断裂。 另一个关键措施是平面应变骨折韧性(K我知道了),一种骨折的机电参数,可量化材料对裂纹生长的抗性。它是根据预先裂纹标本的精确测试确定的,代表裂纹开始延伸的临界应力强度因子。脆性材料有低k我知道了因此,缺陷差 - 小裂纹会在相对较低的压力下导致失败,而坚韧的延性材料具有较高的k我知道了并且可以直言不讳或逮捕裂缝。工程师使用裂缝 - 阻力数据来设置允许的缺陷大小,并针对服务突然断裂进行设计。 如何防止设计中的脆弱失败 由于脆弱性会导致突然的灾难性失败,因此工程师已经制定了处理策略 - 通过选择不同的材料或修改材料和设计以使脆弱行为降低危险性。 材料选择和处理 […]
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随着各行业对复杂形状和高精度零件的需求日益增加,加上新材料的应用,传统的三轴加工已无法满足这些需求。因此,CNC(计算机数控)多轴加工技术迅速发展。如今,最先进的数控机床可以实现多达 12 个轴的同时控制。其中,五轴机床最为流行,应用最为广泛。
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