材料導(dǎo)論第五章金屬合金

材料導(dǎo)論第五章金屬合金第1頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

工程上將以鐵為基的合金成為黑色金屬；以其他金屬為基的合金成為有色合金。鐵及其合金（主要是鋼）的產(chǎn)量占世界金屬總和的90％左右；而有色合金中，則以鋁、銅及其合金居多。第一節(jié)黑色金屬

鋼的通常分類鋼

按用途分類：第2頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

按化學(xué)成分分類：

按質(zhì)量分類：鋼第3頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

按冶煉方法分類：鋼

按金相組織分類：按退火組織分類：按正火組織分類：第4頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

我國(guó)鋼材的編號(hào)是按碳含量、合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級(jí)別來(lái)編號(hào)的。

鋼的編號(hào)

1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

該類鋼的牌號(hào)用鋼中平均含碳量的兩位數(shù)字表示，單位為萬(wàn)分之一。如鋼號(hào)45，表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%的鋼。

第5頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.碳素工具鋼

碳素工具鋼是在牌號(hào)前加“碳”或“T”表示，其后跟以表示鋼中平均含碳量的千分之幾的數(shù)字。如T8或T10A。其中“A”表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

4.合金結(jié)構(gòu)鋼

沿用蘇聯(lián)的編號(hào)系統(tǒng)，該類鋼的牌號(hào)是由“數(shù)字+元素+數(shù)字”三部分組成。數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分之幾，如36Mn2Si和18Cr2Ni4WA。

5.合金工具鋼數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分之幾，如9Mn2V和CrMn，特殊：W6Mo5Cr4V2。第6頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.滾動(dòng)軸承鋼

該類鋼在鋼號(hào)前冠以“滾”或“G”，其后為鉻（Cr）+數(shù)字來(lái)表示，數(shù)字表示鉻含量平均值的千分之幾。如GCr15。

7.不銹鋼及耐熱鋼

這兩類鋼鋼號(hào)前面的數(shù)字表示含碳量的千分之幾，如9Cr18和9Cr18Ni9。

8.鑄鋼

如“ZG200—400”表示其屈服點(diǎn)為20MPa,其抗拉強(qiáng)度為400MPa。第7頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳。

碳鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

這類鋼一般需要熱處理來(lái)提高力學(xué)性能，如45＃鋼。

低碳鋼強(qiáng)度低，延性好，適于零件沖壓、焊接、表面滲碳等。中碳鋼屬于調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)過(guò)淬火和高溫回火（又稱調(diào)質(zhì)處理）后具有較好的強(qiáng)韌性。含碳更高的60鋼主要用于制造彈簧。第8頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

碳素工具鋼

隨碳含量的增加，碳素工具鋼在熱處理（通常為淬火+低溫回火）后的硬度和耐磨性提高，而韌性則降低。

高韌性工具（如沖模、沖頭等），宜選用低碳工具鋼（如T7、T8等）。

高耐磨性工具（如量具、銼刀、剃刀等），宜選用高碳工具鋼（如T12、T13等）。第9頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

碳鋼的局限性

1、具有一定的塑性和韌性，但強(qiáng)度難以超過(guò)690MPa；

2、厚截面碳鋼零件，淬火時(shí)通常不能淬透；

3、耐蝕性和抗氧化性較差；

4、中碳鋼淬透時(shí)，易出現(xiàn)變形或開(kāi)裂；

5、低溫抗沖擊能力差。措施：為解決上述缺點(diǎn)，通常向碳鋼中加入合金元素（如Mn、Ni、Cr、Al、W、V等來(lái)改善其性能。第10頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

合金鋼16Mn是我國(guó)低合金高強(qiáng)鋼中發(fā)展最早、使用最多、產(chǎn)量最大的鋼種。例如南京長(zhǎng)江大橋、廣州電視塔等。15MnVN是具有代表性的中等強(qiáng)度級(jí)別的鋼種。較廣泛用于制造大型橋梁、鍋爐、船舶和焊接結(jié)構(gòu)。

與碳素鋼相比，合金鋼的強(qiáng)度大大提高，同時(shí)耐蝕性、抗氧化性和耐磨性均顯著提高；但價(jià)格較高。第11頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

不銹鋼化學(xué)腐蝕：金屬與化學(xué)介質(zhì)直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕。提高金屬抗化學(xué)腐蝕的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成致密保護(hù)膜的合金元素進(jìn)行合金化。

金屬腐蝕的基本概念電化學(xué)腐蝕：是指金屬在腐介質(zhì)中由于形成原電池，陽(yáng)極失去電子。第12頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高抗電化學(xué)腐蝕能力的措施：

①

減少原電池形成的可能性，使金屬具有均勻的單相組織；

②形成原電池時(shí)，減少兩極的電極電位差，提高陽(yáng)極的電極電位；③減少甚至阻斷腐蝕電流，使金屬“鈍化”，在表面形成致密的、穩(wěn)定的保護(hù)膜。

不銹鋼的性質(zhì)1）良好的耐蝕性；2）良好的力學(xué)性能；3）良好的工藝性能；4）價(jià)格低廉。第13頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

合金元素對(duì)性能的影響

鉻是不銹鋼中最重要的合金元素。它能顯著提高基體的電極電位，鉻在氧化性介質(zhì)中極易鈍化，生成致密的氧化膜，使鋼的耐蝕性大大提高。

鎳為擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，配合鉻調(diào)整組織形式，當(dāng)Wcr≤18%，WNi＞8%時(shí)，獲得單相奧氏體不銹鋼。

鈦、鈮優(yōu)先與碳形成碳化物，避免晶界貧鉻，從而減輕鋼的晶間腐蝕傾向。

鉬、銅加入，可提高鋼在非氧化性酸中的耐蝕性。

錳、氮的加入，是為了部分取代鎳，以降低成本。

第14頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

碳含量對(duì)性能的影響

不銹鋼的wc為0.08%～1.0%，主加元素為Cr、Cr—Ni，輔加元素為Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。碳的變化范圍很大，一方面從耐蝕性的角度來(lái)看，碳含量越低越好。因?yàn)樘紩?huì)與鉻形成碳化物Cr23C6，沿晶界析出，使晶界周圍基體嚴(yán)重貧鉻，造成沿晶界發(fā)展的晶間腐蝕。大多數(shù)的不銹鋼的wc為0.1%～0.2%。另一方面從力學(xué)性能的角度來(lái)看，碳含量越高，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性會(huì)相應(yīng)地提高。同時(shí)要相應(yīng)提高鉻含量，以保證形成碳化物后基體含鉻量仍Wcr＞12%。第15頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鑄鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11％（一般為2.5～4.0％）的鐵碳合金，同時(shí)還含較多數(shù)量的Si、Mn、S、P等元素。第16頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鑄鐵的石墨化過(guò)程

①

鑄鐵在冷卻過(guò)程中即可以從液態(tài)中或奧氏體中直接析出Fe3C；Fe3C在一定條件下也可以分解出石墨，即Fe3C→3Fe+G（石墨）。②可以直接析出石墨。

鑄鐵組織中石墨的形成過(guò)程稱為石墨化過(guò)程?？煞譃閮蓚€(gè)階段：第一階段，從過(guò)共晶的鐵液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成的共晶石墨及奧氏體冷卻析出的二次石墨；第二階段，共析轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成的共析石墨。

第17頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

石墨化過(guò)程是一個(gè)原子擴(kuò)散過(guò)程。第一階段的石墨化溫度較高，原子容易擴(kuò)散，進(jìn)行得完全；第二階段石墨化溫度較低，擴(kuò)散困難，進(jìn)行不充分，只能部分進(jìn)行。冷卻速度增大，第二階段的石墨化便完全不能進(jìn)行。

①第二階段石墨化進(jìn)行充分時(shí)：鐵素體+石墨；②第二階段石墨化部分進(jìn)行時(shí)：（鐵素體+珠光體）

基體+石墨；③第二階段石墨化不能進(jìn)行時(shí)：珠光體+石墨。當(dāng)冷速過(guò)快，兩個(gè)階段的石墨化均被抑制，會(huì)得到白口鑄鐵。若第一階段石墨化部分進(jìn)行，得到麻口鑄鐵。

第18頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

影響鑄鐵石墨化的因素冷卻速度的影響：

在化學(xué)成分相同的情況下，緩慢冷卻有利于石墨化的充分進(jìn)行，易得到灰口鑄鐵；冷卻速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化來(lái)不及進(jìn)行，得到白口鑄鐵。

化學(xué)成分的影響：

碳和硅對(duì)鑄鐵的石墨化有決定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促進(jìn)石墨成核。綜合考慮碳和硅對(duì)鑄鐵的影響，將硅量折合成相當(dāng)?shù)奶剂?，把?shí)際的含碳量與折合成的碳量之和稱為碳當(dāng)量。根據(jù)碳當(dāng)量不同確定其組織。

第19頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鑄鐵的性能特點(diǎn)

鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性等均低于鋼，但硬度和抗壓性能與鋼接近。另外，石墨的存在使鑄鐵具有以下特殊性能：

1、優(yōu)良的鑄造性；

2、良好的切削加工性；

3、優(yōu)良的耐磨性與減震性；

4、生產(chǎn)成本低廉。

鑄鐵的性能取決于鑄鐵的成分和組織，即取決于鑄鐵中基體組織和石墨的數(shù)量、形態(tài)、大小以及分布。第20頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鑄鐵的分類白口鑄鐵

碳以Fe3C的形式存在于鑄鐵中，斷口呈銀白色，組織硬而脆，難以切削加工。很少直接用來(lái)制造機(jī)械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件（如軋輥等）?；铱阼T鐵

碳全部或大部分以游離狀態(tài)的石墨形式存在，斷口呈暗灰色，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。第21頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）普通灰口鑄鐵

石墨以片狀存在，主要用于制造車輛氣缸、摩擦片，以及機(jī)床的床身、底座等。2）可鍛鑄鐵（俗稱馬鋼）

將白口鑄鐵坯件經(jīng)高溫、常時(shí)間的石墨化退火后，使?jié)B碳體在固體下分解而獲得具有團(tuán)絮狀石墨的組織。

可鍛鑄鐵具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，多用于制造受震動(dòng)、強(qiáng)度和韌性要求較高的小型零件。第22頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）球磨鑄鐵

球墨鑄鐵是石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵，簡(jiǎn)稱球鐵。與片狀石墨和團(tuán)絮狀石墨相比，圓球狀石墨對(duì)基體的割裂和應(yīng)力集中作用最小，球墨鑄鐵是各種鑄鐵中力學(xué)性能最好的一種。生產(chǎn)球墨鑄鐵要進(jìn)行脫硫處理、球化處理（澆注前必須先往鐵液中加入能促使石墨結(jié)晶成球狀的球化劑）和孕育處理（球化處理后立即加入石墨化元素而進(jìn)行的處理）。第23頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鑄鐵的牌號(hào)普通灰口鑄鐵：HT(灰鐵）+數(shù)字（最低抗拉強(qiáng)度）

HT100表示最低抗拉強(qiáng)度為100MP的普通灰口鑄鐵?？慑戣T鐵：KT(可鍛）+數(shù)字（同上）－數(shù)字（延伸率百分?jǐn)?shù)）

KT300-06表示最低抗拉強(qiáng)度為300MP，延伸率為6％的可鍛鑄鐵。球墨鑄鐵：QT(球鐵）+數(shù)字（同上）－數(shù)字（同上）

QT450-05表示最低抗拉強(qiáng)度為450MP，延伸率為5％的球磨鑄鐵。第24頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)有色合金

鋁、鎂、鈦、鈹?shù)容p金屬具有相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，廣泛用于航空航天、汽車、船舶和軍事領(lǐng)域；銀、銅、金（包括鋁）等貴金屬具有優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱和耐蝕性，是電器儀表和通訊領(lǐng)域不可缺少的材料；鎳、鎢、鉬、鉭及其合金是制造高溫零件和電真空元器件的優(yōu)良材料；還有專用于原子能工業(yè)的鈾、鐳、鈹；用于石油化工領(lǐng)域的鈦、銅、鎳等。第25頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鋁及鋁合金1、產(chǎn)量占有色金屬首位；成本低廉（地殼含量8.2%）；2、密度低（2.63～2.85g/cm3），比強(qiáng)度高；3、導(dǎo)電，導(dǎo)熱性好（純鋁的導(dǎo)電性僅次于Ag、Cu、Au而位居第四位，約為純銅導(dǎo)電率的60％）；4、耐蝕性好（Al2O3膜的存在，只有在鹵素離子及堿離子的強(qiáng)烈作用下氧化膜才會(huì)遭到破壞）；5、優(yōu)良的工藝性能（極好的鑄造性能，良好的可塑性）。

鋁合金概述第26頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)純鋁物理性能：銀白色光澤，密度?。?.7g/cm3），熔點(diǎn)低（660℃），為非磁性材料。原子結(jié)構(gòu)：固態(tài)鋁具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。因此鋁具有良好的塑性和韌性，在0～253℃之間塑性韌性不降低。分類：純鋁按其純度分為高純，工業(yè)高純和工業(yè)純鋁，純度依次降低。應(yīng)用：工業(yè)純鋁主要用作制備鋁基合金；高純鋁用于科學(xué)試驗(yàn)，化學(xué)工業(yè)和其他特殊領(lǐng)域。此外純鋁還用于制作電線、鋁箱、屏蔽殼體、反射器、包覆材料及化工容器等。第27頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鋁合金分類第28頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

變形鋁合金

變形鋁合金是指合金元素含量較低，可以通過(guò)壓力加工制成各種型材及成形零件的一類鋁合金。防銹鋁合金：LF(鋁防）+順序號(hào)（化學(xué)成分）如LF5是Mg含量為（4.8～5.5％）的防銹鋁合金。這類合金主要有Al-Mg和Al-Mn系等，塑性好、耐腐蝕，可冷變形強(qiáng)化，多用于制造受力小、質(zhì)輕、耐腐蝕的沖壓件和焊接結(jié)構(gòu)件等。第29頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硬鋁合金：LY(鋁硬）+順序號(hào)（化學(xué)成分）這類合金主要有Al-Cu-Mg系合金，可通過(guò)淬火時(shí)效來(lái)顯著提高強(qiáng)度，硬度和耐熱性能都有所改善，但耐蝕性較差，多用于制造中等強(qiáng)度的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。超硬鋁合金：LC(鋁超）+順序號(hào)（化學(xué)成分）這類合金主要有Al-Cu-Mg-Zn系合金，淬火時(shí)效后強(qiáng)化效果優(yōu)于硬鋁合金，但耐蝕性同樣較差，多用于制造質(zhì)輕、受力較大的結(jié)構(gòu)件等。第30頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鍛鋁合金：LD(鍛鋁）+順序號(hào)（化學(xué)成分）這類合金主要有Al-Cu-Mg-Si系合金，淬火時(shí)效后機(jī)械性能與硬鋁相近，熱塑性和耐蝕性較高，適于鍛壓成形。多用于制造形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度要求高的受力結(jié)構(gòu)件。

鑄造鋁合金

合金含量較高，適于鑄造成形。

牌號(hào)：ZL(鑄鋁）+三位數(shù)字說(shuō)明：第一位數(shù)字表示合金系列；第二、三位數(shù)字表示合金序號(hào)（化學(xué)成分）。第31頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鑄造鋁合金鋁鋅系合金鋁鎂系合金鋁銅系合金鋁硅系合金鑄造、機(jī)械性能良好高溫強(qiáng)度高（耐熱），易腐蝕強(qiáng)度、塑性高，耐腐蝕，鑄造時(shí)易氧化強(qiáng)度高，易腐蝕，價(jià)格低第32頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

銅及銅合金

純銅（紫銅）物理性能：紫紅色光澤，密度8.9g/cm3，熔點(diǎn)1083℃，fcc結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好，塑性好，耐蝕，強(qiáng)度低。應(yīng)用：工業(yè)上利用銅制造電線、導(dǎo)電零件、油管等；同時(shí)，還利用純銅（逆磁性材料）不受磁場(chǎng)干擾的特性制備磁性儀器和其他防磁器械等。

純銅通過(guò)合金化處理可以改善其機(jī)械性能，銅合金按其色澤的不同可分為黃銅和青銅兩大類。第33頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

黃銅

黃銅以鋅為主加元素，其外觀呈金黃色光澤。我國(guó)應(yīng)用黃銅在宋代有明確記載。普通黃銅：H(黃）+數(shù)字（銅的百分含量）屬于Cu-Zn二元合金，鋅在銅中的溶解度較大，但鋅含量超過(guò)39％，會(huì)出現(xiàn)硬脆第二相β′。

低鋅黃銅H95、H90、H85有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，有適宜的強(qiáng)度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散熱器。三七黃銅H70、H68強(qiáng)度較高、塑性很好，用于深沖零件，如散熱器外殼、彈殼等。四六黃銅H62、H59可高溫?zé)峒庸?，?qiáng)度高，塑性較好，可制造導(dǎo)管、銷釘?shù)?。?4頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特殊黃銅：

H(黃）+主加元素符號(hào)（鋅除外）+數(shù)字（銅含量）-數(shù)字（主加元素含量，其余為鋅含量）又稱多元黃銅，在Cu-Zn二元合金的基礎(chǔ)上，加入Sn、Si、Pb、Fe等合金元素，改善和提高其性能。

鋁黃銅利用鋁的固溶強(qiáng)化，提高合金強(qiáng)度和硬度，同時(shí)氧化鋁膜可防腐蝕，HAl77-2可制造海輪等，HAl85-0.5色澤金黃，耐蝕，可作為金的代用品。銅鋅鋁合金具有形狀記憶功能，相變溫度范圍寬（±100℃），可制造安全閥，控溫裝置，斷路器等。錫黃銅可提高耐蝕性，抑制脫鋅，并提高強(qiáng)度，HSn70-1稱為（海軍黃銅）。第35頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

青銅

除了以鋅或鎳為主加元素的銅合金外，其余銅合金外觀多為棕綠色，通稱為青銅。表示方法：Q(青）+

主加元素符號(hào)

+

數(shù)字（主加元素含量）－數(shù)字（其他合金元素平均含量）普通青銅：普通青銅以錫為主加元素，又稱錫青銅。它是人類歷史上應(yīng)用最早的合金，具有良好的耐蝕性、減磨性、抗磁性和低溫韌性，但耐酸性差。錫青銅鑄件凝固時(shí)，含錫高的低熔點(diǎn)液相從中部向表面滲出，嚴(yán)重時(shí)表面出現(xiàn)灰白色斑點(diǎn)的“錫汗”。第36頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特殊青銅：

特殊青銅是不含錫的青銅合金。

鋁青銅有良好的力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性，應(yīng)用最為廣泛。鈹青銅有較高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度，無(wú)磁，沖擊無(wú)火化；強(qiáng)毒，限制生產(chǎn)。另外，還有硅青銅、鉛青銅等。第37頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

鎂及鎂合金

純鎂物理性能：銀白色光澤，密度1.74g/cm3，熔點(diǎn)651℃，hcp結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能差，耐蝕性差。應(yīng)用：純鎂在冶金工藝中脫氧劑、脫硫劑和配置鎂合金，還用作制造照明彈和煙火的原料。

純鎂通過(guò)合金化處理可以改善其機(jī)械性能，鎂合金可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩大類。第38頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變形鎂合金：MB（鎂變）＋順序號(hào)（化學(xué)成分）鑄造鎂合金：ZM（鑄鎂）＋順序號(hào)（化學(xué)成分）如MB2表示：Al：3.0～4.0％，Zn：0.2～0.8％，Mn：0.15～0.35％，余量為Mg。