材料概论第四章 金属材料

1、金属材料的概况金属材料的概况 钢铁是经济产业的基本支柱，钢铁是经济产业的基本支柱，主要用于铁路、建主要用于铁路、建筑、桥梁、汽车工业等领域。筑、桥梁、汽车工业等领域。 中国钢铁产量世界第一中国钢铁产量世界第一， 20112011年钢铁产量约年钢铁产量约6.96.9亿吨，占全世界产量的亿吨，占全世界产量的70%70%，是世界其他国家总和的，是世界其他国家总和的2 2倍半。其中，倍半。其中，4 4千多万吨钢材出口。千多万吨钢材出口。 20122012年年1-111-11月，中国钢产量月，中国钢产量6.606.60亿吨。亿吨。 中国目前至少有中国目前至少有1/31/3的不符合质量要求。的不符合质量要

2、求。 特种钢材主要靠进口。特种钢材主要靠进口。金属材料分类金属材料分类 黑色金属黑色金属 金属材料金属材料 有色金属有色金属 特殊金属特殊金属在在103103种元素中，金属元素有种元素中，金属元素有8181种种金属材料分类分类 生铁生铁 含含C 2 碳素钢碳素钢黑色金属黑色金属 钢钢 含含C 0.042 合金钢合金钢 纯铁纯铁 含含C 0.04含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低金属材料分类分类 重金属重金属 Cu、Pb、Zn、Ni 轻金属轻金属 Al、Mg、Ti有色金属有色金属 贵金属贵金属 Au、Ag、Pt 稀有金属稀有金属 W、Mo、U、Ta、稀土

3、金属、稀土金属 金属材料分类分类特殊金属特殊金属非晶态金属、形状记忆合金、减震合金、非晶态金属、形状记忆合金、减震合金、 超塑金属、储氢合金、超导合金等超塑金属、储氢合金、超导合金等金属材料的特点金属材料的特点 金属材料的特点金属材料的特点1 1、常温下为、常温下为固体固体（HgHg除外）除外）2 2、熔点熔点较高较高 也有较低的如：也有较低的如：SnSn、PbPb、ZnZn、AlAl3 3、密度密度较大（较大（MgMg、AlAl除外除外 3g/cm3g/cm以下）以下）4 4、有、有光泽光泽5 5、延展性、韧性、延展性、韧性、可加工性好可加工性好6 6、导热导热性性、导电、导电性好，性好，A

4、gAg、CuCu、AlAl7 7、易、易氧化氧化钢钢The four types of stresses 碳钢的牌号与用途碳钢的牌号与用途碳素工具钢碳素工具钢：T T9表示含表示含C：0.9w%。用途用途制造各种刀具、量具、模具等制造各种刀具、量具、模具等铸钢铸钢：ZG ZG25，表示含，表示含C：0.25%。用途用途主要用于制造主要用于制造形状复杂形状复杂并需要一定并需要一定强度、塑性强度、塑性和韧性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。的零件，如齿轮、联轴器等。合金钢合金钢按含碳量分按含碳量分铁及铁基合金铁及铁基合金在碳钢中加入在碳钢中加入一种或多种合金元素一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金

5、钢。形成的钢称之为合金钢。低低合金钢合金钢 10w按合金元素分：按合金元素分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按用途分：按用途分： 结构钢、工具钢、特殊性能钢。结构钢、工具钢、特殊性能钢。铁及铁基合金铁及铁基合金不锈钢不锈钢在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢。性的钢。用用 途途制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗 腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、 化工、原子能、海洋开发、国防和一些先端科学化工、原子能、海洋开发、国防和一些先端科学技术领域。

6、技术领域。铁及铁基合金铁及铁基合金铸铁铸铁C 2.11%C 2.11%的铁的铁，通常还含有较多的，通常还含有较多的SiSi、MnMn、S S、P P等元素。等元素。用用 途途 铸铁是工程上最常用的金属材料铸铁是工程上最常用的金属材料，广泛应用在，广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域。机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域。在汽车占在汽车占50507070，在机床制造中占，在机床制造中占60609090。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。铁及铁基合金铁及铁基合金灰口铸铁灰口铸铁铸铁的种类铸铁的种类白口铸铁白口铸铁麻口铸铁麻口铸铁铁及铁基合

7、金铁及铁基合金铸铁性能特点铸铁性能特点 石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞，它降低基石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞，它降低基体的抗拉强度，并引起应力集中。体的抗拉强度，并引起应力集中。石墨量越多，石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。铸铁的抗拉强度越低。铁及铁基合金铁及铁基合金石墨的存在对铸铁的特殊作用石墨的存在对铸铁的特殊作用1 1、切削加工性能优异；、切削加工性能优异；2 2、铸造性能良好；、铸造性能良好；3 3、具有耐磨性；、具有耐磨性；4 4、具有良好的减振性；、具有良好的减振性；5 5、对缺口不敏感；、对缺口不敏感；非铁及

8、其合金非铁及其合金铝及铝合金铝及铝合金铜及铜合金铜及铜合金钛及钛合金钛及钛合金镁及镁合金镁及镁合金铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金的特点铝及铝合金的特点 密度低、比强度高。纯铝的密度只有密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3，仅为铁的仅为铁的1/4。 优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。耐腐蚀等。 加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度。理后还具有很高的强度。铝及铝合金铝及铝合金纯铝纯铝名称名称纯度纯度用途用途高纯铝高纯铝99.93%-99.99%99.

9、93%-99.99%科学研究、制作电器科学研究、制作电器工业高纯铝工业高纯铝98.85%-99.9%98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料铝箔、铝合金原料工业纯铝工业纯铝98.0%-99.0%98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金电线、电缆、配置合金纯铝中含有纯铝中含有FeFe、SiSi、ZnZn等元素时，会使性能下降等元素时，会使性能下降纯铝的强度很低，不能用作结构材料纯铝的强度很低，不能用作结构材料铝合金铝合金铝及铝合金铝及铝合金合金元素的作用合金元素的作用铝中加入合金元素后，可提高合金的铝中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。强度，并保持良好的加工性能。提高强度

10、的方法提高强度的方法固溶强化固溶强化时效强化时效强化弥散强化弥散强化细晶强化细晶强化n时效强化时效强化 在金属基体中加入在金属基体中加入固溶度随温度降低而降低固溶度随温度降低而降低的的合金元素，通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固合金元素，通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高提高淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高提高合金强度。合金强度。 铝及铝合金铝及铝合金铝合金的种类铝合金的种

11、类变形铝合金变形铝合金铸造铝合金铸造铝合金用用 途途铝丝、铝箔、铝合金型材等铝丝、铝箔、铝合金型材等复杂形状的铸件等复杂形状的铸件等铜及铜合金铜及铜合金铜及铜合金的特点铜及铜合金的特点优良的物理、化学性能优良的物理、化学性能。导电、导热性能好、耐腐。导电、导热性能好、耐腐 蚀等，是抗磁材料。蚀等，是抗磁材料。 加工性能好加工性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。具有某些特殊力学性能具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐摩性。比如优良的减摩性和耐摩性 高的弹性极限和疲劳强度。高的弹性极限和疲劳强度。色泽美观。色泽美观。铜及铜合金铜及铜合金纯铜纯铜纯铜

12、为紫色，又称紫铜。主要用于制作纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制合金。工业纯铜分为电导体及配制合金。工业纯铜分为4种：种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。编号越大，纯度越低。纯铜的强度低，不宜用作结构材料纯铜的强度低，不宜用作结构材料铜及铜合金铜及铜合金铜合金种类铜合金种类铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。并保持良好的加工性能。铜合金的种类铜合金的种类黄铜黄铜青铜青铜白铜白铜以以Zn为主要合金元素。良好的加工性能，为主要合金元素。良好的加工性能，优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好

13、。以以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。以以Ni为主要合金元素。具有较好的强度和为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。钛及钛合金钛及钛合金钛及钛合金的特点钛及钛合金的特点密度低、比强度高。密度低、比强度高。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。加工条件复杂，成本较高加工条件复杂，成本较高。钛及钛合金钛及钛合金纯钛纯钛 钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小。钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小。导热性差。纯钛塑性

14、好，强度高，可以加工成导热性差。纯钛塑性好，强度高，可以加工成细丝和薄片。细丝和薄片。 钛在大气、海水及酸碱中的抗腐蚀性能好。钛在大气、海水及酸碱中的抗腐蚀性能好。纯钛的晶体结构纯钛的晶体结构 882.5C：体心立方结构。：体心立方结构。Ti钛及钛合金钛及钛合金钛合金钛合金钛中加钛中加铝、硼铝、硼，获得，获得Ti合金。合金。其强度较低，但高温（其强度较低，但高温（500600度）强度度）强度很高。抗氧化性、抗蠕变性、焊接性能良好。很高。抗氧化性、抗蠕变性、焊接性能良好。钛中加钛中加钼、铬、钒钼、铬、钒，获得，获得Ti合金。合金。其强度高，冲压性能好，并可通过淬火其强度高，冲压性能好，并可通过淬

15、火和时效获得强化。和时效获得强化。其塑性好，容易锻造、压延和冲压，可其塑性好，容易锻造、压延和冲压，可通过固溶和时效进行强化。热处理后的通过固溶和时效进行强化。热处理后的强度可提高强度可提高50100。钛合金钛合金钛合金钛合金钛合金的种类钛合金的种类镁及镁合金镁及镁合金纯镁的特点纯镁的特点 密度低、比强度高。密度低、比强度高。纯镁的密度只有纯镁的密度只有1749kg/m3，仅为铁的仅为铁的1/4、铝的、铝的2/3。镁的电极电位较低，抗腐蚀性能差。镁的电极电位较低，抗腐蚀性能差。镁属于密排六方结构，因此塑性变形能力差。镁属于密排六方结构，因此塑性变形能力差。镁及镁合金镁及镁合金镁合金的特点镁合金

16、的特点低比重：低比重：工业用材料中工业用材料中最轻量材料（铝的最轻量材料（铝的2/32/3重）重）高比强度高比强度：优于钢和铝优于钢和铝 震动吸收性好震动吸收性好：可将震动能吸收并转化成热放出可将震动能吸收并转化成热放出易机械加工、耐冲击性好、电磁屏蔽性好、易机械加工、耐冲击性好、电磁屏蔽性好、 可再生利用：有利于环境优化可再生利用：有利于环境优化镁及镁合金镁及镁合金镁合金的种类镁合金的种类变形镁合金变形镁合金铸造镁合金铸造镁合金用用 途途镁合金各种型材镁合金各种型材复杂形状的铸件复杂形状的铸件贵金属贵金属 贵金属具有优良的贵金属具有优良的高温抗氧化性和抗腐蚀性能、高温抗氧化性和抗腐蚀性能、电学性能、高的催化活性、强配位能力电学性能、高的催化活性、强配位能力。 在应用中有