材料科学与工程导论 第4章 金属材料(2)

1、14.2.2 4.2.2 合金钢合金钢4.2 黑色金属材料黑色金属材料钢铁材料钢铁材料2调质钢调质钢机器结构钢机器结构钢工程结构钢工程结构钢渗碳钢渗碳钢合金钢合金钢合金合金结构钢结构钢合金合金工具钢工具钢低合金结构钢低合金结构钢锅炉用钢锅炉用钢造船用钢造船用钢刃具钢刃具钢弹簧钢弹簧钢轴承钢轴承钢易切削钢易切削钢耐候钢耐候钢模具钢模具钢量具钢量具钢高强度钢高强度钢耐蚀钢耐蚀钢耐热钢耐热钢特殊性能钢特殊性能钢耐磨钢耐磨钢4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢3合金元素的作用合金元素的作用： 细化晶粒细化晶粒 强化强化（固溶强化、形成合金渗碳体或特殊碳化物）（固溶强化、形成合金渗碳体或特殊碳化物） 提

2、高淬透性提高淬透性 提高回火稳定性提高回火稳定性 获得室温奥氏体获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）（奥氏体不锈钢）主要合金元素主要合金元素: : Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti , W, V, Al, Cu, Co 4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢4成分特点：成分特点： 低含碳量低含碳量（wc0.2%）；）； 根据不同要求添加不同根据不同要求添加不同合金元素，总量少于合金元素，总量少于3%。用途：用途： 建筑、船舶、建筑、船舶、桥梁、运输工具、桥梁、运输工具、高压容器、军工高压容器、军工性能要求：性能要求： 一定的综合力学性能和屈强比；一定的综合力学性能和屈强比； 良好的压力加工

3、和焊接性能；良好的压力加工和焊接性能； 耐侯性和耐冷脆性。耐侯性和耐冷脆性。级级别别300MPa350MPa400MPa450MPa500MPa650MPa牌牌号号12Mn09MnNb16Mn12MnPRe 16MnNb10MnNbRe14MnVTiRe15MnVN14MnMoVBRe18MnMoNb14CrMnMoVB用用途途船舶、船舶、低压锅低压锅炉、容炉、容器、油器、油罐罐桥桥梁、梁、车车辆辆船舶、船舶、桥梁、桥梁、车辆、车辆、大型容大型容器、大器、大型钢结型钢结构、起构、起重机械重机械建筑结建筑结构、船构、船舶、化舶、化工容器工容器桥梁、桥梁、起重起重机机港口工港口工程结构、程结构、造

4、船、造船、石油井石油井架架桥梁、桥梁、高压容高压容器、电器、电站设备、站设备、大型船大型船舶舶大型大型焊接焊接结构、结构、大桥、大桥、造船、造船、车辆车辆中温中温高压高压容器容器（500 C）锅炉、锅炉、化工、化工、石油的石油的高压厚高压厚壁容器壁容器（ 1.0%时不标注。高速钢不标注含碳量。时不标注。高速钢不标注含碳量。5. 合金工具钢合金工具钢4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢14合金工具钢合金工具钢4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢15W18Cr4V4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢164.2.2 4.2.2 合金钢合金钢174.2.2 4.2.2 合金钢合金钢18超高强度钢超高强

5、度钢耐磨钢耐磨钢易削钢易削钢耐热钢耐热钢耐蚀钢耐蚀钢（不锈钢）（不锈钢）性性能能要要求求 高强度；高强度； 合适的塑性；合适的塑性； 高疲劳强度；高疲劳强度； 一定的冲击韧性和一定的冲击韧性和断裂韧性。断裂韧性。 承受严承受严重冲击和重冲击和摩擦。摩擦。 良好切削性。良好切削性。 热强性；热强性； 抗氧化性。抗氧化性。 耐腐蚀。耐腐蚀。主要主要种类种类或成或成分特分特点点低合金中碳马氏体型；低合金中碳马氏体型；中合金中碳二次硬化中合金中碳二次硬化型；型；中合金低碳马氏体型；中合金低碳马氏体型；高合金超低碳马氏体高合金超低碳马氏体时效钢时效钢高锰铸钢高锰铸钢（受冲击（受冲击载荷后表载荷后表面产生

6、严面产生严重加工硬重加工硬化）化）提高提高S、P含量；含量；加加S、Se、Te等等改变非金属夹杂改变非金属夹杂物的组成、性能；物的组成、性能；加加Pb形成金属夹形成金属夹杂。杂。奥氏体耐热钢；奥氏体耐热钢；铁素体耐热钢；铁素体耐热钢；马氏体耐热钢；马氏体耐热钢；珠光体耐热钢。珠光体耐热钢。奥氏体不锈钢；奥氏体不锈钢；铁素体不锈钢；铁素体不锈钢；马氏体不锈钢；马氏体不锈钢；主要主要钢种钢种举例举例30CrMnSiNi2A40Cr5MoSiV1(H13)25Si2Mn2CrNiMoVANi25Ti2AlNbZGMn8ZGMn13Y12, Y20, Y40Mn, YP40, Y35S, Y40CrS

7、, YP12CrNi, YP30CrMo1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr131Cr11MoV1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr13, 2Cr133Cr13, 4Cr136. 特殊性能钢特殊性能钢4.2.2 4.2.2 合金钢合金钢194.2.2 4.2.2 合金钢合金钢204.2.2 4.2.2 合金钢合金钢1Cr18Ni9Ti-3050Cr18Ni9Ti-3041Cr13-101工厂里常用工厂里常用代号代号来表示材料的来表示材料的牌号牌号214.2.2 4.2.2 合金钢合金钢224.2.2 4.2.2 合金钢合金钢234.2.3 4.2.3 铸铸铁铁 C 2.11wt%的铁合金的铁合

8、金，通常还含有较多的，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。等元素。 铸铁铸铁是工程上最常用的金属材料是工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械，广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域。在机床制制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域。在机床制造中占造中占6090。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。4.2 黑色金属材料黑色金属材料钢铁材料钢铁材料24碳在铸铁中的存在形式：Fe3C渗碳体渗碳体G石墨石墨4.2.3 4.2.3 铸铸铁铁25铸铁分类铸铁分类： 根据根据碳碳在铁中的存在形式和在铁中的存在形式和断裂断口颜色断裂断口颜色：n 白口铸铁白

9、口铸铁：渗碳体；白亮色渗碳体；白亮色n 麻口铸铁麻口铸铁：渗碳体渗碳体+游离石墨；游离石墨；n 灰口铸铁灰口铸铁：游离石墨；暗灰色。游离石墨；暗灰色。 根据石墨形态可分为：根据石墨形态可分为：灰铸铁灰铸铁：片状片状球墨铸铁球墨铸铁：球状球状可锻铸铁可锻铸铁：团絮状团絮状蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：蠕虫状蠕虫状4.2.3 4.2.3 铸铸铁铁26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。石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。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)切削切削加工性能优异；加工性能优异；2

10、)2)铸造铸造性能良好；性能良好；3)3)具有具有耐磨性；耐磨性；4)4)具有具有良好的减振性；良好的减振性；5)5)对对缺口不敏感；缺口不敏感；4.2.3 4.2.3 铸铸铁铁27分类分类成分成分 /wt.%组组 织织性性 能能应应 用用牌牌 号号灰口灰口铸铁铸铁C: 2.5-4.0Si: 1.0-3.0Mn: 0.5-1.2S: 0.15P: 0.12 抗拉强度低、压缩强抗拉强度低、压缩强度高；度高； 塑性、韧性低；塑性、韧性低； 减摩性好；减摩性好； 减震性好；减震性好； 缺口敏感性好。缺口敏感性好。机床床身，机床床身，发动机缸发动机缸体，箱体，体，箱体，阀体，泵阀体，泵体等体等HT10

11、0HT150HT200HT250HT300HT350球墨球墨铸铁铸铁C: 3.6-3.9Si: 2.0-2.8Mn:0.3-0.6S: 0.07P: 0.10 具有灰铁基本性能；具有灰铁基本性能； 抗拉强度、屈服强度抗拉强度、屈服强度高；高； 有一定塑性、韧性；有一定塑性、韧性； 疲劳强度较高。疲劳强度较高。曲轴，连曲轴，连杆，凸轮杆，凸轮轴，飞轮，轴，飞轮，机器底座，机器底座，汽缸等汽缸等QT400-18QT450-10QT500-7QT700-2QT900-2蠕墨蠕墨铸铁铸铁C: 3.5-3.9Si: 2.2-2.8Mn:0.4-0.8S: 0.10P: 0.10 介于灰铁和球铁之间；介于

12、灰铁和球铁之间； 导热性，铸造性能，导热性，铸造性能，切削加工性能好。切削加工性能好。制动盘，制动盘，排气管，排气管，汽缸盖，汽缸盖，活塞环等活塞环等RuT200RuT300RuT340RuT380RuT420其它铸铁：可锻铸铁，冷硬铸铁，耐磨铸铁，耐热铸铁，耐蚀铸铁其它铸铁：可锻铸铁，冷硬铸铁，耐磨铸铁，耐热铸铁，耐蚀铸铁铸铁分类、特点及应用铸铁分类、特点及应用284.3 有色金属及其合金有色金属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概念：概念：除除钢铁材料钢铁材料以外的金属材料统称为有色金属。以外的金属材料统称为有色金属。有色金属应用最广泛

13、的是铝、铜及其合金有色金属应用最广泛的是铝、铜及其合金291. 1. 纯纯铝铝特性：特性：（1）纯白色、质轻、密度小，是轻金属之一。）纯白色、质轻、密度小，是轻金属之一。（2）导电、导热性能良好，导电性仅次于银和铜。）导电、导热性能良好，导电性仅次于银和铜。（3）抗大气腐蚀性能好）抗大气腐蚀性能好（4）塑性好，强度、硬度较低）塑性好，强度、硬度较低高纯度铝（化学纯铝），纯度达高纯度铝（化学纯铝），纯度达99.99%工业纯铝工业纯铝4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金名称名称纯度纯度用途用途高纯铝高纯铝99.93%-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

14、.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%电线、电缆、配置合金电线、电缆、配置合金纯铝能够用来做纯铝能够用来做承载的机械零件吗？承载的机械零件吗？? ?30解决办法纯铝的强度很低，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 在纯铝中加入适当量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素制成铝合金。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铝合金：铝

15、合金：热处理后强度热处理后强度高、密度小，因此，强高、密度小，因此，强度高，是重要的度高，是重要的航空材航空材料料 , ,可可通过变形或热处通过变形或热处理强化。理强化。4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金31铝合金的种类铝合金的种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、铝合金铝丝、铝箔、铝合金型材型材等等复杂形状的铸件等复杂形状的铸件等 铝合金按其成分和生产工艺特点的不同，可分为形变铝合金形变铝合金和铸造铝合金铸造铝合金两大类。 防锈铝合金（代号防锈铝合金（代号LF） 硬铝合金（代号硬铝合金（代号LY） 超硬铝合金（代号超硬铝合金（代号LC） 锻铝合金（代号锻

16、铝合金（代号LD）变形铝合金变形铝合金铝合金型材铝合金型材2. 2. 铝合金铝合金4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金32防锈铝合金防锈铝合金 ( LF ) : 成分：成分： Al Mn 系：例如系：例如:LF21 Al Mg 系：例如系：例如:LF2、LF6 性能：性能： 良好的塑性和耐蚀性良好的塑性和耐蚀性。 用于高耐腐蚀性的薄板用于高耐腐蚀性的薄板容器（如焊接油箱）、防锈容器（如焊接油箱）、防锈蒙皮、客车装饰条、窗框、蒙皮、客车装饰条、窗框、灯具等灯具等 用于制造受力小、轻质、用于制造受力小、轻质、耐腐蚀的结构件，如油管、耐腐蚀的结构件，如油管、铆钉铆钉铝合金门窗（一般用材铝合金

17、门窗（一般用材60636063） 防锈铝合金应用：防锈铝合金应用：4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金33卫星天线卫星天线（LF2）4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金34 硬铝硬铝(LY)铝铝铜铜镁系合金镁系合金 经过适当的热处理后，强度、硬度较高，耐蚀性不如纯经过适当的热处理后，强度、硬度较高，耐蚀性不如纯铝，常用于制造铝，常用于制造飞机零部件飞机零部件及及仪表零件仪表零件。飞机翼梁飞机翼梁(腹板为腹板为硬铝合金硬铝合金)铝合金制造的机翼铝合金制造的机翼4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金35 超硬铝超硬铝(LC)铝铝铜铜镁镁锌系锌系 通过适当热处理后，强度、硬度较

18、高，是铝合金中强度最高的。主要用于制造飞机上受力较大的结构件，如主要用于制造飞机上受力较大的结构件，如飞机大梁飞机大梁。 锻铝（锻铝（LD）铝铝铜铜镁镁硅系硅系力学性能与硬铝相近，但具有较好的锻造性能。 主要主要用于制作航空仪表工业中形状复杂、要求强度高用于制作航空仪表工业中形状复杂、要求强度高的锻件的锻件。4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金36 铸造铝合金铸造铝合金(ZL)特点：力学性能不如变形铝合金，铸造性能好，一般制作质轻、耐蚀、形状复杂及要求有一定力学性能的零件，如发动机的活塞、气缸体、仪表外壳等。汽缸头汽缸头4.3.1 4.3.1 铝铝及铝合金及铝合金374.3.2 4.3

19、.2 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、耐腐蚀。导电、导热性能好、耐腐蚀等，等，是抗磁材料。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。381.1.纯纯铜铜玫瑰花色，外观紫红色，俗称紫铜。又名电解铜。性能：性能： 良好良好的的导电性、导热性、耐蚀性，强度不高，硬度导电性、导热性、耐蚀性，强度不高

20、，硬度很低，塑性很低，塑性较好较好，易于冷、热压力加工。，易于冷、热压力加工。 主要主要用于制作用于制作导电材料导电材料及配制及配制铜合金铜合金的原料。的原料。牌号牌号: T1、T2、T3、T4，数字越大，表示杂质含量越高。，数字越大，表示杂质含量越高。4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金39 铜铜中加入合金元素后，可提高合金的中加入合金元素后，可提高合金的强度强度，并，并保持保持良好的加工性能。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，优良优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。的铸造性能，耐腐蚀性

21、能也好。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的零件。抗腐蚀性比黄铜还好零件。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，抗腐蚀性能也塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。好。2.2.铜铜合金合金4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金40以以锌锌为主加元素的铜合金。为主加元素的铜合金。 又叫又叫响铜响铜，制造锣、铃、号，制造锣、铃、号（1）黄铜）黄铜普通黄铜普通黄铜特殊黄铜特殊黄铜 普通黄铜普通黄铜仅有仅有铜铜和和锌锌组成的铜合金组成的铜合金牌号：牌号： H加数字，数字表示铜含量

22、的百分数。如如H70用于制造用于制造弹壳、散热器弹壳、散热器等。等。又称又称三七黄铜，三七黄铜，H80颜色呈金黄色，又称颜色呈金黄色，又称金黄铜金黄铜，可作，可作装饰品装饰品。H62又称又称四六黄铜四六黄铜，是普通黄铜中强度最高的一种，是普通黄铜中强度最高的一种，可制造可制造弹簧、垫圈、金属网弹簧、垫圈、金属网等。等。4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金41冷凝器管冷凝器管汽车机油泵衬套汽车机油泵衬套普通黄铜应用举例：普通黄铜应用举例：4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金42 特殊黄铜特殊黄铜在在普通黄铜中加入其他合金元素普通黄铜中加入其他合金元素组成的铜合金组成的铜合金牌号：

23、牌号： H加加主加元素符号主加元素符号加加数字数字数字分别表示数字分别表示铜和加入元素的百分数铜和加入元素的百分数。如如HPb59-1铜含量为铜含量为59%，铅含量为，铅含量为1%，其余为锌；，其余为锌；主要用于制造主要用于制造大型轴套、垫圈大型轴套、垫圈。HMn58-2 主要用于制造腐蚀条件下工作的零件，如主要用于制造腐蚀条件下工作的零件，如气阀气阀、滑阀滑阀等。等。4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金43法兰阀法兰阀闸阀闸阀特殊黄铜应用举例：特殊黄铜应用举例：气阀气阀黄铜制品黄铜制品黄铜棒黄铜棒4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金44（2）青铜）青铜指指铜铜与与锌或镍锌或镍

24、以外以外的元素组成的合金。的元素组成的合金。普通青铜普通青铜特殊青铜特殊青铜锡青铜锡青铜无锡青铜无锡青铜 普通普通青铜青铜具有良好的具有良好的耐磨、耐蚀和铸造耐磨、耐蚀和铸造性性；用于制造用于制造蜗轮、轴承蜗轮、轴承和和弹簧弹簧等等。牌号：牌号： 如如ZCuSn10P14.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金45（3）白铜）白铜铜镍合金铜镍合金，因，因色白色白而得名，表面光亮，不易锈蚀。而得名，表面光亮，不易锈蚀。 主要主要用于制造用于制造精密仪器、仪表中耐蚀零件及电阻器、精密仪器、仪表中耐蚀零件及电阻器、热电偶热电偶等。等。4.3.2 4.3.2 铜及铜合金铜及铜合金464.3.3 4.

25、3.3 钛钛及钛合金及钛合金纯钛纯钛 钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小，导热性差；纯钛塑性好，强度高，可以加工成细丝和薄片。 钛在大气、海水及酸碱中的抗腐蚀性能好。钛金属是什么颜色？钛金属是什么颜色？? ? 高耐腐蚀性高耐腐蚀性 高比强度高比强度 低比重低比重 无磁性无磁性 生物相容性生物相容性 882.5oC：体心立方结构。：体心立方结构。-Ti 同素异构体： 自自19521952年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业中得到了广泛的应用。在航空工业和化学工业中得到了广泛的应用。熔点1668，密度4.5g/cm3 47 在这些物质的

26、表在这些物质的表面镀一层面镀一层氮化钛氮化钛时，时，外观几乎和黄金的镀外观几乎和黄金的镀层一模一样，而比黄层一模一样，而比黄金以及硬质合金更耐金以及硬质合金更耐磨，这种镀层被誉为磨，这种镀层被誉为具有具有“永不磨损性永不磨损性”。 钛金属是钛金属是银白色的。银白色的。 4.3.3 4.3.3 钛钛及钛合金及钛合金48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）强度很度很高。抗氧化性、抗蠕变性、焊接性高。抗氧化性、抗蠕变性、焊接性能良好。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，

27、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应用最广泛的是多用途的应用最广泛的是多用途的+型型Ti-6A1-4V合金。合金。4.3.3 4.3.3 钛钛及钛合金及钛合金49钛合金的应用钛合金的应用航空航天、军事航空航天、军事 隔热板、飞机襟翼滑轧、飞机刹车壳体、飞机变速装置、隔热板、飞机襟翼滑轧、飞机刹车壳体、飞机变速装置、军用飞机蒙皮

28、、机身、机翼，航运空发动机太气机盘、涡轮军用飞机蒙皮、机身、机翼，航运空发动机太气机盘、涡轮盘、叶片及机匣，人造卫星照相机架等。盘、叶片及机匣，人造卫星照相机架等。 导弹尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座，坦克回转炮塔导弹尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座，坦克回转炮塔板、化学和核武器对抗系统工程护盖、发动机顶盖、炮手主板、化学和核武器对抗系统工程护盖、发动机顶盖、炮手主瞄准器罩、指挥舱盖，航海经军舰船热交换器管、各种船艇瞄准器罩、指挥舱盖，航海经军舰船热交换器管、各种船艇螺旋推进器、船艇用通信天线等。螺旋推进器、船艇用通信天线等。化工、汽车、能源化工、汽车、能源氯碱厂、纯碱厂、化肥厂、盐厂，发电厂冷凝管，海水淡化氯碱厂、纯碱厂、化肥厂、盐厂，发电厂冷凝管，海水淡化设备冷凝器、加热器。汽车发动机阀门、轴承座、阀簧、连设备冷凝器、加热器。汽车发