铜合金(Copper  alloy)

以铜为基加入一定量其他元素组成的合金。铜合金强度中等，易于加工，较耐疲劳，色泽美观，并具有良好的电导性、热导性和耐蚀性，是重有色金属材料中的一个重要分支。铜合金广泛使用于工业各部门中，其产量仅次于钢铁和铝，是金属材料中的第三大合金类别。

简史           铜合金是最古老的金属材料之一。根据在埃及和西亚出土文物了解，大约在公元前6000年就有锻造的自然铜制件出现；公元前5000年开始使用青铜器皿。公元前1世纪，当时居住在黑海海岸附近的民族曾用锌矿石加入铜中制造黄铜。16世纪时，英国人爱本耐尔(E．Ebener)提出改用锌直接加入铜的方法生产黄铜。

中国在公元前1200年前商朝时期，就能合理使用金、铜、锡、铅四种金属，青铜(铜锡合金)冶铸技术已达成熟阶段。公元前1世纪，西汉开始使用含锌矿石炼制黄铜。3、4世纪东汉三国时，张揖所著《广雅》一书中记载的“鋈”即为白铜中之一种(铜锌镍合金)。4、5世纪南北朝的炼丹士，已能用炉甘石即碳酸锌矿石直接加入铜中炼得黄铜。明代用锌直接加入铜镍合金中制成锌白铜，并出口到欧洲，后为德国仿制，国外有人误名为德国银(german  silver)。

19世纪末，随着铝的大量生产，铝青铜也开始问世。20世纪20年代，美国人科森(M．G．Corson)和德国人达尔(0．Dahl)等研制成强度高、导电性能较好的铍青铜，在铜合金中开发了沉淀硬化的新品种。70年代中期，美国人普柳(J．T．Plew)等在前人研究的基础上，研制成了在工业上应用的、性能与铍青铜相近的亚稳分解的铜镍锡合金。

分类          根据添加合金元素的种类，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金；白铜是以镍为主要合金元素的铜合金；青铜是除黄铜和白铜以外的其他铜合金。为与国际标准一致，中国国家标准GB11086—89把铜和铜合金分为铜、铜锌合金(黄铜)、铜锡合金(青铜)、铜铝合金、铜镍合金、铜镍锌合金(镍银)和特殊铜合金七类。当前在工业上仍沿用原分类方法。另外，铜合金材料还可根据用途和性能单独划分出铜钎料、超塑性铜合金和功能铜合金等类别。

性能            铜合金具有较好的导电、导热性能，中等的力学性能和较高的化学稳定性，切削性能较差。随着添加合金元素的种类不同和数量多寡，各种铜合金的性能有较大的差异。

电导性               铜合金是较好的电导体。纯铜的电导率在1()0％～103％IACS(IACS的定义见铜)。添加任何固溶合金元素都会降低铜的电导率，单位原子浓度的降低量，主要取决于合金元素对铜晶格的影响，在固溶范围内随添加量增加而加大。

耐蚀性            见铜合金腐蚀。

色泽         铜具有美丽的玫瑰红色泽，添加锌、铝、镍、等合金元素后，色泽向金黄色和银白色转变，因而可用于制作各种装饰品和钱币。

强度          铜合金具有中等强度，退火状态下的工业纯铜的抗拉强度在240MPa左右。通过固溶强化、加工硬化、沉淀硬化(包括亚稳分解)、细化晶粒和弥散强化等途径，可提高铜合金的强度。冷加工既可以单独用来硬化合金，亦可以与沉淀硬化或亚稳分解共同作用实现强化。

铜中添加任何固溶合金元素都会提高铜的强度，单位原子浓度对铜切变模量强化程度与所添加的元素和铜的原子尺寸之差有关。图1示出部分溶质元素与铜原子尺寸差e对铜的强化率dσ／dC的影响。由图可见锡、锑、影响最大，硅、铝次之，镍、锌最小。

铜合金经冷加工后强度增加。合金的层错能对其变形和强化有很大影响。层错能低的合金，由于扩展位错分离度大，动态回复较难进行，从而加强了加工硬化。铜合金的层错能按电子浓度规则降低。添加锡、硅、铝等高价溶质元素合金的铜合金的层错能最低，加工硬化最快；添加铍、锌等二价元素的合金的层错能中等，加工硬化亦为中等；镍和锰等零价元素对铜的层错能影响最小，加工硬化的进程最慢。加工硬化慢的合金，有利于在深冲时进行较大的冲压变形而无需中间退火。

铜合金可以通过添加少量铍、铬、锆或镍与硅相结合等元素、经固溶和以后的沉淀硬化处理而提高强度。一般固溶强化、加工硬化和细化晶粒等强化的铜合金的抗拉强度可达700～960MPa。经固溶处理、冷加工再时效处理后的铍青铜，强度可达1400MPa。亚稳分解的铜镍锡合金，屈服强度可大于1030MPa，现已在商业上得到应用。

图2是主要铜合金在退火状态和加工状态下(60％的冷变形)的电导率和抗拉强度

塑性          铜合金具有良好的塑性和延展性。退火状态下的伸长率一般为40％～50％。可以承受高度的冷变形而不破裂。冷变形后，铜合金的塑性降低。

焊接性        见铜合金焊接切削性一般铜合金的切削性较差，添加铅、硫、碲等元素能改善铜合金的切削性。根据切削性的好坏，变形铜合金可分为3类：(1)切削性在70％以上的易切削合金，包括含铅、硫或碲的易切削铜，易切削黄铜，各种铅黄铜和含铅在2％左右的青铜和锌白铜等；(2)切削性在30％～60％的中等切削性合金，包括含铜8]660％～85％的黄铜和含铅1％左右的青铜和锌白铜等；(3)切削性在20％以下的难切削性合金，包括低锌黄铜、锌白铜、锡青铜、铜镍合金和铍青铜等(一般以易切削黄铜的切削性为100％作比较)。

抗应力松弛性         纯铜的抗应力松弛性能较差，添加能提高铜软化温度或原子尺寸与铜相差大的可溶元素能提高铜的抗应力松弛能力。铍青铜、白铜和锌白铜的抗应力松弛性能最好，其次是锡青铜和锡黄铜，再其次是硅青铜，普通黄铜的抗应力松弛性能最差。就应力松弛能力这点而言，铜合金的最高使用温度约为200℃。抗应力松弛能力低的黄铜，只能用于制作稍高于室温的零件，铍青铜和加锡、硅、铝或锌的三元铜镍合金，即使在目前器件常用的最高温度下，其抗应力松弛的能力仍然相当高。

用途        一些黄铜、青铜和白铜广泛用于制造汽车散热器、换热器以及需要快速穿过或沿着金属传导热量的各种工业装置的部件。黄铜、一些青铜和白铜用于制造需要耐蚀的冷凝器、管道和阀门等输送气液体系统中。专用的铜合金，如铜钎料用作钎焊金属之用，超塑性铜合金通过超塑成形制成各种器件，功能铜合金用来制作钱币、装饰品、乐器等。此外，各种铜合金还是机械工业不可缺少的材料，用以加工成弹簧、紧固件、垫等各种机械零件。