第2章 金屬材料

第二章金屬材料金屬材料在工程建設(shè)，生產(chǎn)制造和人們的日常生活中有廣泛應(yīng)用

金屬，是一種具有光澤和延展性、易導電和導熱的物質(zhì)。自然界中，絕大多數(shù)金屬以化合物形式存在，少數(shù)金屬（如，金、銀、鉑）以單質(zhì)形式存在。包括純金屬、合金合、金屬間化合物和特種金屬材料等。導電光澤延展性

導熱

我國古代將金屬分為五類，俗稱五金，指的是金（俗稱黃金）、銀（俗稱白金）、銅（俗稱赤金）、鐵（俗稱黑金）、錫（俗稱青金）五類金屬。現(xiàn)已將五金引申為常見金屬材料及金屬制品。元素周期表里的100多種元素中，金屬元素占了3/4。由于各種金屬元素的原子結(jié)構(gòu)不同，其性能也存在很大差異，密度、硬度、熔點等相差很大。目前，所指的金屬之最如下表所示。

金屬性能或儲量金屬性能或儲量金屬性能或儲量鉻硬度最高鋨密度最大鈣人體中含量最高銫硬度最低鋰密度最小鋁地殼里含量最高鎢熔點最高金延展性最好錸地殼里含量最地汞熔點最低銀導電和導熱性最好鈮耐蝕性最好鈦比強度最大隨著科學技術(shù)的進步，人類對金屬材料提出了新要求：一是對已有的金屬材料要最大限度地提高它的性能，挖掘它的潛力，使其產(chǎn)生最大的效益；二是開拓金屬材料的新功能，以適應(yīng)更高的使用要求。近幾十年來，金屬材料并沒有停止發(fā)展，新的合金鋼，例如微合金化鋼，超高強度鋼、超低碳不銹鋼；新的有色合金，例如Al-Li合金、鈦合金；還有高溫合金、金屬間化合物、減振合金、超導合金、形狀記憶合金、儲氫合金、納米金屬材料、非晶態(tài)金屬都有了新的發(fā)展。

科學上的分類。依據(jù)元素周期表中金屬按一定規(guī)律分為堿金屬、堿土金屬、鑭系金屬、錒系金屬等。金屬材料的分類

工業(yè)分類依據(jù)及類別分類依據(jù)類別是否有鐵鋼鐵材料、非鐵金屬材料顏色黑色金屬、有色金屬密度重金屬、輕金屬市場價值貴金屬、賤金屬儲量稀有金屬、富有金屬工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料的分類

類別金屬名稱黑色金屬鐵鉻錳輕有色金屬密度小于4.5g/cm3的有色金屬，包括鋁、鎂、鈉、鈣、鍶、鋇重有色金屬密度大于4.5g/cm3的有色金屬，包括銅、鉛、鋅、鎳、鈷、錫、鎘、鉍、銻、汞貴金屬地殼中含量少，開采和提取都比較困難，價格比一般金屬貴的有色金屬，包括金、銀鉑、銠、銥、釕、鋨稀有金屬在地殼中分布不廣，開采冶煉較難，在工業(yè)應(yīng)用較晚的有色金屬，包括鎢、鉬、鈦、錸、鉭、鋯、鎵、銦、鍺、鋰、鈹、半金屬物理化學性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的物質(zhì)，包括硅、硒、碲、硼、砷金屬材料的性能力學性能物理性能化學性能工藝性能力學性能：金屬在一定溫度條件下承受外力作用時，抵抗變形和斷裂的能力。

強度

塑性

硬度韌性物理性能密度熔點熱膨脹性磁性能電學性能化學性能

金屬與其他物質(zhì)引起化學反應(yīng)的特性稱為金屬的化學性能。在實際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性，以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對力學性能的影響。

金屬的性能與金屬鍵

金屬鍵：在金屬晶體中，自由電子作穿梭運動，它不專屬于某個金屬離子而為整個金屬晶體所共有。這些自由電子與全部金屬離子相互作用，稱為金屬鍵。

如圖所示。由于金屬只有少數(shù)價電子能用于成鍵，金屬在形成晶體時，傾向于構(gòu)成極為緊密的結(jié)構(gòu)，使每個原子都有盡可能多的相鄰原子(金屬晶體一般都具有高配位數(shù)和緊密堆積結(jié)構(gòu))，這樣，電子能級可以得到盡可能多的重疊，從而形成金屬鍵。

2.2鋼鐵材料鐵：生鐵和鑄鐵生鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱之為鑄鐵，工業(yè)生鐵含碳量一般為2.5%～4%，通常含有Si、Mn、S、P等元素。鑄鐵：在生鐵的基礎(chǔ)上進行了二次加工，將鑄造生鐵在爐中重新溶化加入鐵合金、廢鋼進行成分調(diào)整而得到。碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%。鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)為0.04%～2.11%的鐵碳合金。按化學成分分為：碳素鋼和合金鋼。按用途分：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、機械零件鋼和特殊性能鋼。2.3有色金屬材料鋁合金鎂合金銅合金2.3.2鋁合金√質(zhì)量輕，密度低，密度為2.7g/cm3,約為鐵的1/3?！碳庸ば阅芎?，塑性好?！啼X具有優(yōu)良的電導性、熱導性，其電導性僅次于銀和銅，居第三位，約為純銅電導率的62%?！谈弑葟姸?，高比模量。鋁合金的應(yīng)用1、重量輕2、強度高航空航天2006年12月30日，東北輕合金有限責任公司自行設(shè)計制造的環(huán)軋生產(chǎn)線生產(chǎn)出迄今國內(nèi)最大的鋁合金鍛環(huán)。該環(huán)直徑達5150毫米，寬340毫米，厚100毫米。隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，大推力火箭和宇航器所需的鋁合金直徑在不斷加大，未來幾年將需要直徑達5米及5米以上的鍛環(huán)，武器裝備抗腐蝕、易成型、可焊接

交通運輸交通運輸鋁在汽車中的用量正在不斷增加，汽車的單位用鋁量從1990年的61公斤提高到2000年的102公斤。目前，汽車上鋁比例最高的車輛都是高性能的車輛，如美洲虎、奧迪A8，同時整個汽車制造業(yè)的用鋁量也在逐年增加。

家用電器

各種各樣的鋁產(chǎn)中正被用于新穎的家居環(huán)境和住宅建設(shè)，從外部裝修到內(nèi)部裝修，如鋁合金門幕墻板、鋁塑板等。

建筑領(lǐng)域鋁的應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛應(yīng)用于交通運輸、包裝容器、建筑裝飾、航天航空、機械電器、電子通訊、石油化工、能源動力、文體衛(wèi)生等行業(yè)，成為發(fā)展國民經(jīng)濟與提高人民物質(zhì)和文化生活的重要基礎(chǔ)材料。

鋁鋰合金是航空技術(shù)一種新材料

新材料是航空航天技術(shù)的重要基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展又不斷對材料科學提出新的問題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。8090波音飛機鋁鋰合金優(yōu)點

鋰是世界上最輕的金屬元素。把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點，吸引著許多科學家對它進行研究，鋁鋰合金的開發(fā)事業(yè)猶如雨后春筍般迅速發(fā)展起來了。鋁鋰合金的航空應(yīng)用

Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。波音777早在20世紀50年代，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預警機。美國一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強度。其中A330/340飛機每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機減重達4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。麥道公司的C-17運輸機使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰(zhàn)斗機上也大量應(yīng)用鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復合材料。A330/340飛機在航空鋁鋰合金的研究和應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)及俄羅斯也一直處于世界的領(lǐng)先地位，比較有代表性的有01420、01421（含鈧）、01423（含鈧）、01430、01440、01450等早在20世紀70年代，前蘇聯(lián)就將鋁鋰合金用于制造雅克－36飛機的主要構(gòu)件，包括機身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀90年代初又在米格－29和米格－31飛機上采用1420合金焊接結(jié)構(gòu)，使減重效果進一步提高。雅克-36Al-Li合金在俄羅斯的航天業(yè)中也有很多的應(yīng)用。俄羅斯在1450合金基礎(chǔ)上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更優(yōu)良的性能，將其應(yīng)用于大型運載火箭“能源號”的結(jié)構(gòu)件上。此外，還用在其它火箭、“暴風雪”號航天飛機和空間站的結(jié)構(gòu)件上。長征2號運載火箭高強可焊鋁鋰合金的興起和低各向異性厚板材的生產(chǎn)時近年來鋁鋰合金研究中取得的最大進展。這主要是因為一方面人們的興趣已不放在低密度上，而是更加看重li的加入可獲得更好的其它性能方面；另一方面是因為人們對鋁鋰合金的合金化和生產(chǎn)、成型工藝過程進行了更加深入的研究。2.3.3鎂合金1.密度小、質(zhì)量輕2.比強度高3.彈性模量小4.抗電磁干擾5.減震性能強6.加工性能好7.導熱性能好8.對環(huán)境無污染，有利于環(huán)保鎂合金的特點鎂合金的分類分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。許多鎂合金既可做鑄造合金，也可做變形合金。經(jīng)鍛造和擠壓后，變形合金比同成分的鑄造合金有更高的強度。鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用鎂合金在3C工業(yè)中的應(yīng)用DVD外殼手機外殼DELL:支撐TFTLCD面板的上蓋和機身底座下蓋皆為鎂合金鎂合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用美軍B-36重型轟炸機：每架用4086Kg鎂合金簿板。東風汽車將脫下鋁裝換鎂裝采用鋁質(zhì)內(nèi)膽、鎂質(zhì)外壁的合金汽缸發(fā)動機，比傳統(tǒng)的鋼質(zhì)發(fā)動機輕了10公斤寶馬F1賽車※汽車、摩托車、飛機零件（減震、節(jié)能、提高駕乘舒適度）

轎車用鎂合金輪轂

直升機變速箱殼體轎車用鎂合金齒輪箱

※鎂合金曲軸發(fā)動機左、右箱體蓋；※鎂合金曲軸發(fā)動機后蓋；※鎂合金前、后輪轂；※鎂合金后扶手；※鎂合金鎖扣。全鎂概念摩托車，12個零部件用鎂合金替代（減重6Kg）※辦公用品※兵器（減重）2.3.4銅及銅合金

銅及銅合金是人類歷史上使用最早的金屬之一，早在三千多年前就已開始使用。由于銅具有優(yōu)良的性能及光亮的色澤而被廣泛用于電纜、電子、電器、各種熱交換材料以及裝飾品等。當前，大規(guī)模集成電路、超導電線、超導電磁體、磁懸浮鐵路、核聚變裝置等都廣泛使用。純銅：又稱紫銅。強度低，高的導電、導熱性黃銅：純銅中加入鋅

黃銅鑄件黃銅棒銅管銅與黃銅帶白銅件康銅熱偶白銅型材白銅：純銅中加入鎳，使銅的顏色變白，稱為白銅。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)青銅制品青銅：純銅中加入錫鈹青銅制品2.4新型金屬結(jié)構(gòu)材料超級鋼

20世紀90年代中期，日本提出了“超級鋼”的概念，并于1997年4月，正式啟動“超級鋼材料計劃”，目標是在10年內(nèi)開發(fā)出強度相當于現(xiàn)有鋼鐵材料兩倍的超級鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建材的更新?lián)Q代。繼日本之后，世界鋼鐵協(xié)會又組織35家北美、西歐鋼廠和汽車廠開展“超級鋼”項目研究。由于超級鋼強度增加，制造同等強度性能的部件可以減少材料用量，因此用超級港制造的汽車零部件可以減輕車身自重，從而減少油耗。超級鋼目前廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，建筑業(yè)當中。目前我國開發(fā)的400MPa、800MPa級超級鋼，已投入實際生產(chǎn)，并正在應(yīng)用推廣之中。超細晶鋼通過細晶強化來提高鋼材的強度和韌性。超細晶是新一代鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的核心。按照晶粒度標準的評級，1~3級晶粒度（直徑為250~125μm）為粗晶，4~6級（直徑為88~44μm）為中等晶粒，7~8級（直徑為31~22μm）為細晶。研究表明，若純鐵在鐵素體晶粒尺寸為20μm時，普通鋼材的屈服強度是200MPa級，若細化在5μm以下，屈服強度就能翻番；具有低碳貝氏體或針狀鐵素體的鋼材，若顯微組織細化至2μm以下，強度就能翻番；具有回火馬氏體的合金鋼，若顯微組織細化至5μm以下，強度就能翻番。因此，超細晶鋼的目標是將目前細晶鋼的基體組織細化至微米數(shù)量級。寶鋼與東北大學對C-Mn鋼利用低溫軋制、加速冷卻和低溫卷取等技術(shù)，獲得了鐵素體晶粒尺寸約為5μm的鐵素體-珠光體-貝氏體鋼。鋼板的屈服強度達到400MPa級，同時具有良好的成性性能。攀鋼和武鋼與鋼鐵研究總院采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼化學成分，利用控制軋制、道次間加速冷卻和軋后控冷等技術(shù)，獲得了鐵素體晶粒尺寸約為4~5μm的鐵素體-珠光體鋼。鋼板的屈服強度也達到了400MPa級，鋼板成形性能優(yōu)異。微合金化高強度鋼

微合金化鋼強度高、韌性好，可以為用戶節(jié)能節(jié)材降低成本。如在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用鋼中，采用微合金鋼可以節(jié)約20％~30％的鋼材，節(jié)約15％的施工時間和20％加工費用。微合金化低碳高強度鋼是我國科技工作者利用現(xiàn)有設(shè)備自主研發(fā)的新一代鋼鐵材料，且迅速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在保持足夠塑韌性前提下，使原低合金鋼的強度翻番。微合金化低碳高強度鋼的成分特點：①低碳，高Mn并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及Re等。常用碳含量范圍為Wc=0.12％~0.14％，甚至降至Wc=0.03％~0.05％。②微量合金元素的復合加入。復合范圍一般控制在0.01％~0.1％之間（質(zhì)量分數(shù)）。③控制夾雜物的形態(tài)。夾雜物最理想的形態(tài)是呈球狀，最壞的是共晶體的棒狀物。在微合金化低碳高強度鋼中通過添加Ca、Ti、Zr及稀土（如Ce），能改變硫化物的組成，顯著地減小鋼材的各向異性。主要用于橋梁，汽車沖壓用鋼，船舶和家用電器行業(yè)等

鈦是銀白色金屬，熔點為1680℃，相對密度為4.54，比鉛重但比鋼輕43%。鈦有很好的強度，約為鋁的6倍，所以鈦的比強度（強度/相對密度）在結(jié)構(gòu)材料中是很高的。鈦的熱膨脹系數(shù)較小，導熱性差，只有鐵的1/5，加上鈦的摩擦系數(shù)大（μ=0.2），使切削、磨削加工困難。鈦的彈性模量較低，屈強比（s/b）較高，這使得鈦和鈦合金冷變形成型時的回彈性大，不易成型和校直。金紅石鈦鐵礦

輕質(zhì)高溫鈦合金目錄CONTENTS

α鈦合金它是α相固溶體組成的單相合金，具有很好的強度、韌性及塑性。它在高溫下組織穩(wěn)定，抗氧化能力較強，熱強性較好。但它的室溫強度一般低于β和（α+β）鈦合金。

β鈦合金它是β相固溶體組成的單相合金，合金密度較大，耐熱性差及抗氧化性能低，不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金它兼有α和β鈦合金兩者的優(yōu)點，耐熱性和塑性都較好，且可進行熱處理強化，這類合金的生產(chǎn)工藝比較簡單，因此（α+β）鈦合金的應(yīng)用比較廣泛。鈦合金

鈦合金鍛造模擬鈦合金板、棒、線材鈦合金生產(chǎn)各種鈦合金零件鈦合金與我們的生活目錄CONTENTS70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上鈦及其合金是航空航天業(yè)的理想材料。美國20世紀80年代后設(shè)計出的各種先進戰(zhàn)斗機和轟炸機中，鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20％以上。如，第三代戰(zhàn)斗機F-15鈦合金用量占27％，而第四代戰(zhàn)斗機F-22鈦合金用量占41％。鈦合金制品的另一應(yīng)用行業(yè)是發(fā)展勢頭迅猛的汽車業(yè)。目前，汽車發(fā)動機氣門、連桿、曲軸、排氣管、懸簧、消音器、車體和緊固件等，都用上了鈦及鈦合金。鈦合金零部件對提高汽車性能、檔次和舒適性等將發(fā)揮越來越大的作用。金屬鈦作為工程材料雖然只有50多年歷史，但由于鈦及其合金相對密度小、強度高、耐腐蝕，在航空、航海、汽車、石化和建筑等諸多領(lǐng)域已顯示出非常廣闊的應(yīng)用前景。但由于鈦在高溫時異?；顫?，鈦及其合金的熔煉、澆鑄、焊接和熱處理等都要在真空或惰性氣體中進行，加工條件嚴格，成本較高，使它的應(yīng)用受到限制。

金屬間化合物高溫材料金屬間化合物具有金屬鍵和共價鍵共存的特性，其使用溫度可介于高溫合金和陶瓷之間（1100~1400℃），與陶瓷相比又具有較低的脆性，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟饘俳Y(jié)構(gòu)材料。

金屬間化合物的特性1.金屬間化合物中的原子結(jié)合比金屬中的原子結(jié)合顯示出較強的方向性，但又沒有陶瓷那樣極強的共價鍵或離子鍵，其物理、化學及力學性能介于金屬和陶瓷之間。2.具有高熔點、高硬度高抗蠕變性能。金屬間化合物主要類型及其應(yīng)用

金屬間化合物主要種類有Ti-Al系金屬間化合物，Ti3Al基系列合金，Ti2AlNb基系列合金，TiAl基合金，Ti-Al-Mo-Cr-V鈦合金和Ni3Al基MX246系列合金。，利用它的一些特殊性能也可望在一般高溫條件下應(yīng)用?？赏诎l(fā)電、汽車、航空宇宙、廢棄物處理、石油精煉和軍工等方面作為耐熱耐腐蝕材料得到應(yīng)用。2.4.6

高溫合金

高溫合金一般指在650℃以上使用并具有高強、耐蝕、耐沖刷、抗氧化、抗蠕變等性能的金屬材料，這類材料主要包括Fe基、Ni基和Co基合金，其中Ni基合金最重要，應(yīng)用最廣。鎳基高溫合金是目前航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤和機匣、燃燒室、燃燒室及尾噴口等部件的主要用材，在先進的飛機發(fā)動機中這種合金的重量占50%以上，使用溫度在650~1100℃范圍內(nèi)。圖2.9為航空渦輪發(fā)動機示意圖。隨