材料导论第五章金属合金

材料导论第五章金属合金第1页，共43页，2023年，2月20日，星期一

工程上将以铁为基的合金成为黑色金属；以其他金属为基的合金成为有色合金。铁及其合金（主要是钢）的产量占世界金属总和的90％左右；而有色合金中，则以铝、铜及其合金居多。第一节黑色金属

钢的通常分类钢

按用途分类：第2页，共43页，2023年，2月20日，星期一

按化学成分分类：

按质量分类：钢第3页，共43页，2023年，2月20日，星期一

按冶炼方法分类：钢

按金相组织分类：按退火组织分类：按正火组织分类：第4页，共43页，2023年，2月20日，星期一

我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。

钢的编号

1.普通碳素结构钢

2.优质碳素结构钢

该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45%的钢。

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3.碳素工具钢

碳素工具钢是在牌号前加“碳”或“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如T8或T10A。其中“A”表示高级优质钢。

4.合金结构钢

沿用苏联的编号系统，该类钢的牌号是由“数字+元素+数字”三部分组成。数字表示钢中平均含碳量的万分之几，如36Mn2Si和18Cr2Ni4WA。

5.合金工具钢数字表示钢中平均含碳量的千分之几，如9Mn2V和CrMn，特殊：W6Mo5Cr4V2。第6页，共43页，2023年，2月20日，星期一

6.滚动轴承钢

该类钢在钢号前冠以“滚”或“G”，其后为铬（Cr）+数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如GCr15。

7.不锈钢及耐热钢

这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18和9Cr18Ni9。

8.铸钢

如“ZG200—400”表示其屈服点为20MPa,其抗拉强度为400MPa。第7页，共43页，2023年，2月20日，星期一

碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳。

碳钢

优质碳素结构钢

这类钢一般需要热处理来提高力学性能，如45＃钢。

低碳钢强度低，延性好，适于零件冲压、焊接、表面渗碳等。中碳钢属于调质钢，经过淬火和高温回火（又称调质处理）后具有较好的强韧性。含碳更高的60钢主要用于制造弹簧。第8页，共43页，2023年，2月20日，星期一

碳素工具钢

随碳含量的增加，碳素工具钢在热处理（通常为淬火+低温回火）后的硬度和耐磨性提高，而韧性则降低。

高韧性工具（如冲模、冲头等），宜选用低碳工具钢（如T7、T8等）。

高耐磨性工具（如量具、锉刀、剃刀等），宜选用高碳工具钢（如T12、T13等）。第9页，共43页，2023年，2月20日，星期一

碳钢的局限性

1、具有一定的塑性和韧性，但强度难以超过690MPa；

2、厚截面碳钢零件，淬火时通常不能淬透；

3、耐蚀性和抗氧化性较差；

4、中碳钢淬透时，易出现变形或开裂；

5、低温抗冲击能力差。措施：为解决上述缺点，通常向碳钢中加入合金元素（如Mn、Ni、Cr、Al、W、V等来改善其性能。第10页，共43页，2023年，2月20日，星期一

合金钢16Mn是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。较广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。

与碳素钢相比，合金钢的强度大大提高，同时耐蚀性、抗氧化性和耐磨性均显著提高；但价格较高。第11页，共43页，2023年，2月20日，星期一

不锈钢化学腐蚀：金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。提高金属抗化学腐蚀的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成致密保护膜的合金元素进行合金化。

金属腐蚀的基本概念电化学腐蚀：是指金属在腐介质中由于形成原电池，阳极失去电子。第12页，共43页，2023年，2月20日，星期一提高抗电化学腐蚀能力的措施：

①

减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织；

②形成原电池时，减少两极的电极电位差，提高阳极的电极电位；③减少甚至阻断腐蚀电流，使金属“钝化”，在表面形成致密的、稳定的保护膜。

不锈钢的性质1）良好的耐蚀性；2）良好的力学性能；3）良好的工艺性能；4）价格低廉。第13页，共43页，2023年，2月20日，星期一

合金元素对性能的影响

铬是不锈钢中最重要的合金元素。它能显著提高基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。

镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式，当Wcr≤18%，WNi＞8%时，获得单相奥氏体不锈钢。

钛、铌优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。

钼、铜加入，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性。

锰、氮的加入，是为了部分取代镍，以降低成本。

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碳含量对性能的影响

不锈钢的wc为0.08%～1.0%，主加元素为Cr、Cr—Ni，辅加元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。碳的变化范围很大，一方面从耐蚀性的角度来看，碳含量越低越好。因为碳会与铬形成碳化物Cr23C6，沿晶界析出，使晶界周围基体严重贫铬，造成沿晶界发展的晶间腐蚀。大多数的不锈钢的wc为0.1%～0.2%。另一方面从力学性能的角度来看，碳含量越高，钢的强度、硬度、耐磨性会相应地提高。同时要相应提高铬含量，以保证形成碳化物后基体含铬量仍Wcr＞12%。第15页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铸铁

铸铁是含碳量大于2.11％（一般为2.5～4.0％）的铁碳合金，同时还含较多数量的Si、Mn、S、P等元素。第16页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铸铁的石墨化过程

①

铸铁在冷却过程中即可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C；Fe3C在一定条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。

铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。可分为两个阶段：第一阶段，从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及奥氏体冷却析出的二次石墨；第二阶段，共析转变过程中形成的共析石墨。

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石墨化过程是一个原子扩散过程。第一阶段的石墨化温度较高，原子容易扩散，进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，扩散困难，进行不充分，只能部分进行。冷却速度增大，第二阶段的石墨化便完全不能进行。

①第二阶段石墨化进行充分时：铁素体+石墨；②第二阶段石墨化部分进行时：（铁素体+珠光体）

基体+石墨；③第二阶段石墨化不能进行时：珠光体+石墨。当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制，会得到白口铸铁。若第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁。

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影响铸铁石墨化的因素冷却速度的影响：

在化学成分相同的情况下，缓慢冷却有利于石墨化的充分进行，易得到灰口铸铁；冷却速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化来不及进行，得到白口铸铁。

化学成分的影响：

碳和硅对铸铁的石墨化有决定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促进石墨成核。综合考虑碳和硅对铸铁的影响，将硅量折合成相当的碳量，把实际的含碳量与折合成的碳量之和称为碳当量。根据碳当量不同确定其组织。

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铸铁的性能特点

铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均低于钢，但硬度和抗压性能与钢接近。另外，石墨的存在使铸铁具有以下特殊性能：

1、优良的铸造性；

2、良好的切削加工性；

3、优良的耐磨性与减震性；

4、生产成本低廉。

铸铁的性能取决于铸铁的成分和组织，即取决于铸铁中基体组织和石墨的数量、形态、大小以及分布。第20页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铸铁的分类白口铸铁

碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。很少直接用来制造机械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件（如轧辊等）。灰口铸铁

碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色，生产工艺简单，价格低廉，应用广泛。第21页，共43页，2023年，2月20日，星期一1）普通灰口铸铁

石墨以片状存在，主要用于制造车辆气缸、摩擦片，以及机床的床身、底座等。2）可锻铸铁（俗称马钢）

将白口铸铁坯件经高温、常时间的石墨化退火后，使渗碳体在固体下分解而获得具有团絮状石墨的组织。

可锻铸铁具有较高的强度、塑性和韧性，多用于制造受震动、强度和韧性要求较高的小型零件。第22页，共43页，2023年，2月20日，星期一3）球磨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。与片状石墨和团絮状石墨相比，圆球状石墨对基体的割裂和应力集中作用最小，球墨铸铁是各种铸铁中力学性能最好的一种。生产球墨铸铁要进行脱硫处理、球化处理（浇注前必须先往铁液中加入能促使石墨结晶成球状的球化剂）和孕育处理（球化处理后立即加入石墨化元素而进行的处理）。第23页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铸铁的牌号普通灰口铸铁：HT(灰铁）+数字（最低抗拉强度）

HT100表示最低抗拉强度为100MP的普通灰口铸铁。可锻铸铁：KT(可锻）+数字（同上）－数字（延伸率百分数）

KT300-06表示最低抗拉强度为300MP，延伸率为6％的可锻铸铁。球墨铸铁：QT(球铁）+数字（同上）－数字（同上）

QT450-05表示最低抗拉强度为450MP，延伸率为5％的球磨铸铁。第24页，共43页，2023年，2月20日，星期一第二节有色合金

铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的铀、镭、铍；用于石油化工领域的钛、铜、镍等。第25页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铝及铝合金1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）；2、密度低（2.63～2.85g/cm3），比强度高；3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au而位居第四位，约为纯铜导电率的60％）；4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）；5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。

铝合金概述第26页，共43页，2023年，2月20日，星期一

工业纯铝物理性能：银白色光泽，密度小（2.7g/cm3），熔点低（660℃），为非磁性材料。原子结构：固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在0～253℃之间塑性韧性不降低。分类：纯铝按其纯度分为高纯，工业高纯和工业纯铝，纯度依次降低。应用：工业纯铝主要用作制备铝基合金；高纯铝用于科学试验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。第27页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铝合金分类第28页，共43页，2023年，2月20日，星期一

变形铝合金

变形铝合金是指合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类铝合金。防锈铝合金：LF(铝防）+顺序号（化学成分）如LF5是Mg含量为（4.8～5.5％）的防锈铝合金。这类合金主要有Al-Mg和Al-Mn系等，塑性好、耐腐蚀，可冷变形强化，多用于制造受力小、质轻、耐腐蚀的冲压件和焊接结构件等。第29页，共43页，2023年，2月20日，星期一硬铝合金：LY(铝硬）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg系合金，可通过淬火时效来显著提高强度，硬度和耐热性能都有所改善，但耐蚀性较差，多用于制造中等强度的飞机结构件等。超硬铝合金：LC(铝超）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg-Zn系合金，淬火时效后强化效果优于硬铝合金，但耐蚀性同样较差，多用于制造质轻、受力较大的结构件等。第30页，共43页，2023年，2月20日，星期一

锻铝合金：LD(锻铝）+顺序号（化学成分）这类合金主要有Al-Cu-Mg-Si系合金，淬火时效后机械性能与硬铝相近，热塑性和耐蚀性较高，适于锻压成形。多用于制造形状复杂、比强度要求高的受力结构件。

铸造铝合金

合金含量较高，适于铸造成形。

牌号：ZL(铸铝）+三位数字说明：第一位数字表示合金系列；第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。第31页，共43页，2023年，2月20日，星期一铸造铝合金铝锌系合金铝镁系合金铝铜系合金铝硅系合金铸造、机械性能良好高温强度高（耐热），易腐蚀强度、塑性高，耐腐蚀，铸造时易氧化强度高，易腐蚀，价格低第32页，共43页，2023年，2月20日，星期一

铜及铜合金

纯铜（紫铜）物理性能：紫红色光泽，密度8.9g/cm3，熔点1083℃，fcc结构，导电、导热性能良好，塑性好，耐蚀，强度低。应用：工业上利用铜制造电线、导电零件、油管等；同时，还利用纯铜（逆磁性材料）不受磁场干扰的特性制备磁性仪器和其他防磁器械等。

纯铜通过合金化处理可以改善其机械性能，铜合金按其色泽的不同可分为黄铜和青铜两大类。第33页，共43页，2023年，2月20日，星期一

黄铜

黄铜以锌为主加元素，其外观呈金黄色光泽。我国应用黄铜在宋代有明确记载。普通黄铜：H(黄）+数字（铜的百分含量）属于Cu-Zn二元合金，锌在铜中的溶解度较大，但锌含量超过39％，会出现硬脆第二相β′。

低锌黄铜H95、H90、H85有良好的导电性、导热性和耐蚀性，有适宜的强度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散热器。三七黄铜H70、H68强度较高、塑性很好，用于深冲零件，如散热器外壳、弹壳等。四六黄铜H62、H59可高温热加工，强度高，塑性较好，可制造导管、销钉等。第34页，共43页，2023年，2月20日，星期一特殊黄铜：

H(黄）+主加元素符号（锌除外）+数字（铜含量）-数字（主加元素含量，其余为锌含量）又称多元黄铜，在Cu-Zn二元合金的基础上，加入Sn、Si、Pb、Fe等合金元素，改善和提高其性能。

铝黄铜利用铝的固溶强化，提高合金强度和硬度，同时氧化铝膜可防腐蚀，HAl77-2可制造海轮等，HAl85-0.5色泽金黄，耐蚀，可作为金的代用品。铜锌铝合金具有形状记忆功能，相变温度范围宽（±100℃），可制造安全阀，控温装置，断路器等。锡黄铜可提高耐蚀性，抑制脱锌，并提高强度，HSn70-1称为（海军黄铜）。第35页，共43页，2023年，2月20日，星期一

青铜

除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，通称为青铜。表示方法：Q(青）+

主加元素符号

+

数字（主加元素含量）－数字（其他合金元素平均含量）普通青铜：普通青铜以锡为主加元素，又称锡青铜。它是人类历史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，但耐酸性差。锡青铜铸件凝固时，含锡高的低熔点液相从中部向表面渗出，严重时表面出现灰白色斑点的“锡汗”。第36页，共43页，2023年，2月20日，星期一特殊青铜：

特殊青铜是不含锡的青铜合金。

铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最为广泛。铍青铜有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲击无火化；强毒，限制生产。另外，还有硅青铜、铅青铜等。第37页，共43页，2023年，2月20日，星期一

镁及镁合金

纯镁物理性能：银白色光泽，密度1.74g/cm3，熔点651℃，hcp结构，力学性能差，耐蚀性差。应用：纯镁在冶金工艺中脱氧剂、脱硫剂和配置镁合金，还用作制造照明弹和烟火的原料。

纯镁通过合金化处理可以改善其机械性能，镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。第38页，共43页，2023年，2月20日，星期一变形镁合金：MB（镁变）＋顺序号（化学成分）铸造镁合金：ZM（铸镁）＋顺序号（化学成分）如MB2表示：Al：3.0～4.0％，Zn：0.2～0.8％，Mn：0.15～0.35％，余量为Mg。