金属材料学课件_2

1、Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理1.3 合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号一、合金钢的分类（一、合金钢的分类（1 -按化学成分分类按化学成分分类） 1按化学成分分类按化学成分分类 按钢中所含合金元素的种类按钢中所含合金元素的种类，合金钢分为：，合金钢分为：锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。 按钢中合金元素总质量分数按钢中合金元素总质量分数，合金钢分为：，合金钢分为： l低低合金钢（合金钢（Me总质量分数小于总质量分数小于5%） l中中合金钢（合金钢（ Me总质量分数在总质量分数在5%10%） l高高合金钢（合金钢（ Me总

2、质量分数大于总质量分数大于10%） 环境Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理2按钢的用途分类按钢的用途分类 合金结构钢合金结构钢 合金结构钢还可分为工程构件合金结构钢还可分为工程构件用钢（低合金高强度结构钢）和机械制造用用钢（低合金高强度结构钢）和机械制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢）。滚动轴承钢和超高强度钢）。 合金工具钢合金工具钢 合金工具钢还可分为刃具钢合金工具钢还可分为刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。钢（冷作

3、模具钢和热作模具钢）。 特殊性能钢特殊性能钢 特殊性能钢还可分为不锈钢、特殊性能钢还可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁钢。耐热钢、耐磨钢和磁钢。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理3按冶金质量分类按冶金质量分类 普通低合金钢普通低合金钢：wS0.05%，wP0.045% 优质低合金钢优质低合金钢：wS0.035%， wP0.035% 高级优质合金钢高级优质合金钢：wS0.02% wP0.03% 特高级优质合金钢特高级优质合金钢：wS0.015%， wP0.025%。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理u专用工程构件结构钢还在牌号的头部（或专用工

4、程构件结构钢还在牌号的头部（或尾部）标注出代表产品用途的符号，例如尾部）标注出代表产品用途的符号，例如 l表示压力容器用钢牌号表示为表示压力容器用钢牌号表示为“Q345R”； l焊接气瓶用钢牌号表示为焊接气瓶用钢牌号表示为“Q295HP”； l锅炉用钢牌号表示为锅炉用钢牌号表示为“Q390g”； l桥梁用钢表示为桥梁用钢表示为“Q420q”等等。等等。 二、合金钢的牌号二、合金钢的牌号Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理机器零件制造用钢机器零件制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢等）。合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高

5、强度钢等）。 u牌号由三部分组成，即由牌号由三部分组成，即由“二位数字二位数字+元素符号元素符号+数数字字”组成。组成。前面的两位数字表示钢的碳的质量分数前面的两位数字表示钢的碳的质量分数的万倍，元素符号表示所含合金元素，后面的数字的万倍，元素符号表示所含合金元素，后面的数字表示合金元素含量的百倍。表示合金元素含量的百倍。凡合金元素质量分数小凡合金元素质量分数小于于1.5%时，编号中只标明元素符号，一般不标含量；时，编号中只标明元素符号，一般不标含量；如果合金元素平均质量分数等于或大于如果合金元素平均质量分数等于或大于1.5%、2.5%、3.5%，则在元素符号后相应标出，则在元素符号后相应标出

6、2、3、4。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 合金结构钢中的合金结构钢中的Nb、Ti、B等元素，虽然等元素，虽然含量很低，但属有意加入，故在钢的牌号中仍应含量很低，但属有意加入，故在钢的牌号中仍应表示出来。如表示出来。如40B，其平均碳的质量分数为，其平均碳的质量分数为0.4%，硼的质量分数仅为，硼的质量分数仅为0.0005% 0.0035%。 合金结构钢都是优质钢、高级优质钢（牌合金结构钢都是优质钢、高级优质钢（牌号后加号后加“A”字）或特级优质钢（牌号后加字）或特级优质钢（牌号后加“E”字）。字）。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 高

7、碳铬轴承钢的牌号在头部加符号高碳铬轴承钢的牌号在头部加符号“G”，但不标碳含量。铬含量以千分之几计，其他合金但不标碳含量。铬含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。例如：平均元素按合金结构钢的合金含量表示。例如：平均含铬量为含铬量为1.50%的轴承钢，其牌号表示为的轴承钢，其牌号表示为“GCr15”。 专用机器零件制造用钢也要在牌号的头部专用机器零件制造用钢也要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如铆螺（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如铆螺钢钢“ML30CrMnSi”，高级优质渗碳轴承钢，高级优质渗碳轴承钢“G20CrNiMoA”等等Chapter 1 金属材

8、料的合金化原理金属材料的合金化原理2合金工具钢合金工具钢 合金工具钢分为刃具钢（低合金刃具钢和合金工具钢分为刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。作模具钢）。 牌号表示方法与机器零件制造用结构钢相牌号表示方法与机器零件制造用结构钢相似，但当其平均碳的质量分数大于似，但当其平均碳的质量分数大于1%时，含碳时，含碳量不标出，当其平均碳的质量分数小于量不标出，当其平均碳的质量分数小于1%时，时，则牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍。则牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍。合金元素的表示方法与合金结构钢相同。合金元素的表

9、示方法与合金结构钢相同。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 合金工具钢都属于高级优质钢，故不再在合金工具钢都属于高级优质钢，故不再在牌号后标出牌号后标出“A”字。如字。如 9SiCr表示平均碳的质量分数为表示平均碳的质量分数为0.9%左右，左右，铬、硅各为铬、硅各为1%左右；左右； Cr12表示平均碳的质量分数大于表示平均碳的质量分数大于1%，含，含铬为铬为12%左右。左右。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理必须指出的有三点必须指出的有三点： 第一第一，高速工具钢与一般合金工具钢略，高速工具钢与一般合金工具钢略有不同，有不同，不论碳的平均质量

10、分数为多少均不不论碳的平均质量分数为多少均不予标出予标出。如。如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，等， 当合金成分不相同时，对高碳者牌号前当合金成分不相同时，对高碳者牌号前冠以冠以“C”字。如字。如CW6Mo5Cr4V2等。等。W6Mo5Cr4V2wC=0.80%0.90%CW6Mo5Cr4V2wC=0.95%1.05%Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 第二，低铬（平均铬含量小于第二，低铬（平均铬含量小于1%）的合金）的合金工具钢，在铬含量（以千分之几计）前加数字工具钢，在铬含量（以千分之几计）前加数字“0”。如：平均含铬量为。如：平均含铬量为0.60%的合金

11、工具钢，的合金工具钢，其牌号表示为其牌号表示为“Cr06”。 第三、塑料模具钢在牌号头部加第三、塑料模具钢在牌号头部加“SM”，牌号表示方法与优质碳素结构钢和合金工具钢牌号表示方法与优质碳素结构钢和合金工具钢相同。例如：相同。例如：SM45、SM3Cr2Mo。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理3特殊性能钢特殊性能钢 特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢、耐磨特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁钢。钢和磁钢。 不锈钢及耐热钢牌号前的数字表示平均碳不锈钢及耐热钢牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍，合金元素的表示方法与其的质量分数的千倍，合金元素的表示方法与其它合金钢相

12、同。它合金钢相同。 当碳的质量分数小于或等于当碳的质量分数小于或等于0.03%时，在时，在牌号前冠以牌号前冠以“00”， 当碳的质量分数小于或等于当碳的质量分数小于或等于0.08%时，在时，在牌号前冠以牌号前冠以“0”。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理如如 不锈钢不锈钢3Cr13的平均的平均wC=0.3%、wCr13%； 不锈钢不锈钢0Cr19Ni9的平均的平均wC0.08%、wCr19%、wNi9%； 不锈钢不锈钢00Cr19Ni11钢的平均钢的平均wC0.03%、wCr19%、wNi11%。 当当wSi1.5%、wMn2%时，牌号中不予标出。时，牌号中不予标出。

13、 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 特殊专用钢，为表示钢的用途，在牌号前特殊专用钢，为表示钢的用途，在牌号前或后附以字母或后附以字母。 铸造合金钢的牌号铸造合金钢的牌号是在一般合金钢的牌号是在一般合金钢的牌号前加前加“ZG”，常用的铸造合金钢有：，常用的铸造合金钢有：ZGMn2、ZG35SiMn、ZG37SiMn2MoV、ZG40CrMnMo、ZGMn13（高锰钢或耐磨钢）、（高锰钢或耐磨钢）、ZG1Cr18Ni9（铸造不锈钢）等。（铸造不锈钢）等。 易切削钢易切削钢Y15、Y40Mn、Y15Pb（GB/T8731-1988），易切削非调质机械结构钢），易切削非调质

14、机械结构钢YF35V和热锻用非调质机械结构钢和热锻用非调质机械结构钢F45V（GB/T15712-1995）等。）等。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理1.4 有色金属材料的分类及合金化原理有色金属材料的分类及合金化原理 一、有色金属材料的分类及特点一、有色金属材料的分类及特点1有色金属材料的分类有色金属材料的分类 按其密度、熔点、在地壳中的储量、被发现按其密度、熔点、在地壳中的储量、被发现和利用的早晚、价格等因素可分为和利用的早晚、价格等因素可分为：l轻有色金属轻有色金属 l重有色金属重有色金属 l难熔金属难熔金属l稀有金属稀有金属 l稀土金属稀土金属 l贵金属贵

15、金属Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理按基体金属的主要成分可分为按基体金属的主要成分可分为：l铝合金铝合金 l镁合金镁合金 l钛合金钛合金 l铜合金铜合金 l镍基合金镍基合金l钴基合金钴基合金 l锌合金锌合金 l铅或锡合金铅或锡合金 l锆或铪合金锆或铪合金 l钽合金钽合金Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理作为结构材料使用的有色金属合金按合金作为结构材料使用的有色金属合金按合金相图或成形方法可分为：相图或成形方法可分为： l变形加工合金变形加工合金 l铸造合金铸造合金 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理按有色金属的特性

16、可分为按有色金属的特性可分为： l如铝、镁、钛等金属及其合金，具有相对密如铝、镁、钛等金属及其合金，具有相对密度小、比强度高的特点，为度小、比强度高的特点，为轻质高强结构材料轻质高强结构材料； l银、铜、铝等金属及其合金，具有优良的导银、铜、铝等金属及其合金，具有优良的导电、导热性能，是电气工业和仪表工业不可缺电、导热性能，是电气工业和仪表工业不可缺少的材料，为少的材料，为导电材料导电材料；Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 铜、钛及其合金具有良好的抗腐蚀性能，铜、钛及其合金具有良好的抗腐蚀性能，是石油化工和航海工业所必须的优良是石油化工和航海工业所必须的优良耐蚀材耐

17、蚀材料料； 锆及其合金是反应堆燃料元件包壳及堆锆及其合金是反应堆燃料元件包壳及堆芯结构用必须的材料，芯结构用必须的材料，核材料核材料； 钨、钼、钽、铌及其合金是制造在钨、钼、钽、铌及其合金是制造在1300以上使用的高温零件及以上使用的高温零件及电真空电真空元件的元件的理想理想材料材料。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理2有色金属材料的特点有色金属材料的特点 要求合金材料具有更高的强度，更高的韧要求合金材料具有更高的强度，更高的韧性和更低的密度。性和更低的密度。 提高合金材料的耐热性是发展航空、航天提高合金材料的耐热性是发展航空、航天及其它许多工业技术领域的要求。及其

18、它许多工业技术领域的要求。 提高合金材料的耐腐蚀性能也一直是有色提高合金材料的耐腐蚀性能也一直是有色金属结构材料在使用中遇到的基本问题之一。金属结构材料在使用中遇到的基本问题之一。 此外，对于结构合金材料，要制造成零件此外，对于结构合金材料，要制造成零件或成品，还与其工艺性能（铸造性能、压力加工或成品，还与其工艺性能（铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能和切削性能等）密性能、焊接性能、热处理性能和切削性能等）密切相关。切相关。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理1铝合金的合金化特点铝合金的合金化特点 Al合金的强化是以合金的强化是以Al与合金元素间形成的金与合金

19、元素间形成的金属间化合物在属间化合物在固溶体中的溶解度变化为基础的。固溶体中的溶解度变化为基础的。 在在Al中有高的溶解度和能起显著强化作用的中有高的溶解度和能起显著强化作用的元素有元素有Zn、Mg、Cu、Si四种四种（表（表1-6）；）； Ag、Ge、Li的极限溶解度虽很大，但由于的极限溶解度虽很大，但由于它们是稀贵金属，作它们是稀贵金属，作Al合金的主要合金元素而大合金的主要合金元素而大量加入是有困难的。量加入是有困难的。 二、铝合金的合金化原理二、铝合金的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 主

20、要合金元素与主要合金元素与Al组成的二元（组成的二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元化合物（）和三元化合物（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3），在），在Al中的溶解度能随温度的降中的溶解度能随温度的降低而强烈地减小，故可通过热处理的办法来提低而强烈地减小，故可通过热处理的办法来提高强度。能形成这种化合物或强化相的合金有高强度。能形成这种化合物或强化相的合金有Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg和和Al-Zn-Mg-Cu系，可称之为系，可称之为“热处理强化型热处理强化型Al合合金金”。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 有些合金

21、如有些合金如Al-Mg、Al-Si和和Al-Mn等，等，加入加入 的合金元素虽然也有明显的溶解度变化，的合金元素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷作但热处理强化效果不大，只能以退火或冷作硬化状态应用，放称之为硬化状态应用，放称之为“非热处理强化型非热处理强化型”或或“热处理不强化型热处理不强化型”Al 合金合金 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Chapter

22、1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 有些合金元素如有些合金元素如Cr、Mn、Zr等在等在Al中的溶中的溶解度虽然很小（表解度虽然很小（表1-6），但对合金强度和抗蚀），但对合金强度和抗蚀性的改善作用却很明显。因为这些过渡元素能性的改善作用却很明显。因为这些过渡元素能明显地抑制再结晶和细化晶粒，有再结晶抑制明显地抑制再结晶和细化晶粒，有再结晶抑制剂或晶粒细化剂之称。剂或晶粒细化剂之称。 还有些元素，它们的极限溶解度虽很低，还有些元素，它们的极限溶解度虽很低，但加入极微量（但加入极微量（0.0050.15）也能显著改变）也能显著改变从合金的形核和沉淀过程，因而能显著地提高从合金的形核和沉

23、淀过程，因而能显著地提高时效硬化效应。时效硬化效应。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 2铝合金的时效与组织结构变化铝合金的时效与组织结构变化 铝合金的时效硬化现象：铝合金的时效硬化现象：Cu含量位于含量位于0.15.65间的间的Al-Cu合金于合金于500的的相区进行相区进行固溶处理和淬火，则会得到均匀的过饱和固溶处理和淬火，则会得到均匀的过饱和固溶固溶体。这种热力学不稳定的固溶体在某一温度加热，体。这种热力学不稳定的固溶体在某一温度加热，则会发生分解和析出则会发生分解和析出CuAl2（相），而引起强度相）

24、，而引起强度明显升高。这种现象叫做时效硬化现象。明显升高。这种现象叫做时效硬化现象。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理合金系合金系沉淀的序列沉淀的序列平衡沉淀相平衡沉淀相 Al-Cu G.P.区区(圆盘圆盘)(圆盘圆盘) (CuAl2) Al-Mg-Si G.P.区区(棒状棒状) (Mg2Si) Al-Zn-Mg G.P.区区(球球形形)M(片状片状)MgZn2 Al-Mg-Cu G.P.区区(棒或球棒或球)S S(Al2CuMg) Al-Ag G.P.区区(球形球形) (片状片状)(Ag2Al) Al-Li G.P.区区(球形球形) (Al3Li)Chapter 1

25、 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理二、铝合金的合金化原理二、铝合金的合金化原理 Al-4Cu合金退火状态的强度很低，合金退火状态的强度很低，b只有只有200 MPa，则淬火状态的强度也不高，则淬火状态的强度也不高，b约有约有250MPa，但自然时效，但自然时效7天后，天后，b可提高到可提高到400 MPa。 Al合金的时效硬化能力与合金的时效硬化能力与固溶体的浓度和固溶体的浓度和时效温度有关。在理论上，时效温度有关。在理论上，固溶体的浓度愈高，固溶体的浓度愈高，时效效果也愈高，以接近极限溶解度的合金，强时效效果也愈高，以接近极

26、限溶解度的合金，强化效果最大。反之，愈低。化效果最大。反之，愈低。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 分析时效硬化曲线可以发现，在时效初期分析时效硬化曲线可以发现，在时效初期强度升高很慢或不升高，这段时间叫强度升高很慢或不升高，这段时间叫“孕育孕育期期”。在孕育时间内合金的塑性很高，可以进。在孕育时间内合金的塑性很高，可以进行铆接、弯曲成型或矫直操作，是对生产加工行铆接、弯曲成型或矫直操作，是对生产加工极为有利的现象。极为有利的现象。 发生在室温的时效称之为自然时效发生在室温的时效称之为自然时效; 发生在较高

27、温度（发生在较高温度（120）的时效称之为）的时效称之为人工时效。人工时效。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 回归效应：铝合金时效硬化效应是可逆的，回归效应：铝合金时效硬化效应是可逆的，自然时效的合金迅速加热到自然时效的合金迅速加热到230250短时间短时间保温（几十秒到几分钟），冷到室温后即变软，保温（几十秒到几分钟），冷到室温后即变软，又回复到新淬火状态。这种可逆效应叫做又回复到新淬火状态。这种可逆效应叫做“回回归效应归效应”。回归后的合金还能再时效，可以重。回归后的合金还能再时效，可以重复多次。但应指出，回归操作每重复一次，都复多次。但应指出，回归操作每重复一

28、次，都会发生一部分不可逆分解，使再时效的能力减会发生一部分不可逆分解，使再时效的能力减弱。弱。 回归效应在实际生产中很有实用价值，自回归效应在实际生产中很有实用价值，自然时效后的铆钉塑性降低，铆接困难，即可在然时效后的铆钉塑性降低，铆接困难，即可在回归处理后再铆接。回归处理后再铆接。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 铝合金在时效过程中的结构变化：铝合金在时效过程中的结构变化： 时效硬化现象是德国科学家时效硬化现象是德国科学家AWilm在在1906年发现的，但直到年发现的，但直到1919年才弄清楚是由过年才

29、弄清楚是由过饱和固溶体分解引起的，在饱和固溶体分解引起的，在1935年发现在相年发现在相（CuAl2）析出之前还有过渡相，最后到）析出之前还有过渡相，最后到1938年年Guinier和和Preston才发现了才发现了GP区。至此才完全区。至此才完全弄清楚过饱和固溶体的分解程序：弄清楚过饱和固溶体的分解程序： GP区区过渡相过渡相平衡相平衡相 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Al-Cu合金的详细分解程序：合金的详细分解程序： GP区区（CuAl2） 过饱和固溶体的缺陷结构：与合金的成过饱和固溶体的缺陷结构：与合金的成分或浓度有关分或浓度有关-空位、位错环和位错等结构

30、缺陷，空位、位错环和位错等结构缺陷，对对GP区和沉淀相的形核和长大过程起重要作用；区和沉淀相的形核和长大过程起重要作用； GP区的结构：区的结构：GP区是圆片状的区是圆片状的Cu原子原子富集区。富集区。GP区无独立的晶格结构，溶质原子连区无独立的晶格结构，溶质原子连续地分布在续地分布在Al的晶格格点上。的晶格格点上。GP区的形状可以区的形状可以是片状、球状，也可以是针状；是片状、球状，也可以是针状；GP区与母相间区与母相间没有相界面。没有相界面。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 相或相或GP（）区的结构：）区的结构：Al-4Cu合金合金时效温度提高到时效温度提高到1

31、50175还能形成还能形成相或相或GP（）区（正方晶格）区（正方晶格 ）。）。 相是相是Cu原子在原子在GP区中有序化后形成的，区中有序化后形成的，是有独立晶格结构的中间沉淀相是有独立晶格结构的中间沉淀相Cu2Al5 ，以，以(100)而与母相完全共格。而与母相完全共格。a=b=0.404nm;c=0.768nm Cu Al0.404nm0.404nm0.768nm0.202nm0.202nm0.182nmChapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理在（在（100）面上，、轴共格、轴倍于）面上，、轴共格、轴倍于l基基的轴共格，其错配度为：的轴共格，其错配度为： (0.404-0

32、.768)/ 0.404=2.4% 沿沿c轴方向产生较大的共格应变场，在片状沉淀相轴方向产生较大的共格应变场，在片状沉淀相的两侧引起较大的应变衍射衬度，使电子显微图象变成的两侧引起较大的应变衍射衬度，使电子显微图象变成凸透镜状，失去了片状特点。这种强大的共格应变场，凸透镜状，失去了片状特点。这种强大的共格应变场，是是Al-Cu合金人工时效后强度显著升高的原因。合金人工时效后强度显著升高的原因。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 相的结构与相的结构与相一样，也是过渡相，其相一样，也是过渡相，其化学组成与化学组成与CuAl2相当，也是正方晶格，相当，也是正方晶格，a=b

33、 =0. 404nm，c=0.580nm，以（，以（100）面与母相部分）面与母相部分共格共格(C轴解除共格关系）。轴解除共格关系）。相是高温时效产物，相是高温时效产物，它的出现说明合金的强度已经降低，故又称它的出现说明合金的强度已经降低，故又称“过过时效时效”产物。产物。 平衡相平衡相相是退火产物相是退火产物(CuAl2)，具有正方，具有正方晶格，晶格，a=0.6054nm，c=0.4874nm，与，与Al的晶格的晶格结构相差更大，与母相无共格关系，也无固定的结构相差更大，与母相无共格关系，也无固定的取向关系。取向关系。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理时效硬化的位

34、错理论时效硬化的位错理论 位错切割质点的模型 位错形环或 Orowan 模型 位错与沉淀质点 的交互作用沉淀相类型与质 点间距，pGP 区，共格沉淀相p 10-5cm 加工硬化率， 屈服应力 y 与 温度 t 间的关系 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理图 1-40 铝合金的屈服强度与时效时间的关系 Al 合金的屈服强度随着时效温度的升高或时间的延长，强化机理由切 割模型向形环模型转变时，先升高而后降低。当形成共格应变场最大的相时，屈服强度达最高值。出现 或 相时，由于过时效反而降低。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理时效对铝合金组织性能的

35、影响铝合金的机械性能和应力腐蚀敏感性（SCC） 与沉淀相同位错间的交互作用特点有关。以 GP 区为主要强化相的合金，GP 区一旦被 切割，质点的阻力截面即减小，位错能顺利地沿同一滑移面通过，易使变形局限于少 数沿滑移内，形成严重变形的滑移带，在晶界附近引起应力集中和裂纹，对疲劳和 SCC均不利。另外，GP 区同位错发生切割作用，虽能得到较高的屈服强度（ y ），但加工硬化率（ d/d）却较低， y 随温度的变化也较强烈。与此相反，沉淀相尺 寸大，间距宽，位错以形环方式通过质点时，随着变形度的增加，质点周围的位错环增多，质点间距 L 缩小，位错通过的阻力逐渐增大，合金的屈服应力虽较低，但加工硬化

36、率（ d/d ）却较高， y与温度间的相关性也较小。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1-41是 Al-Zn-Mg 合金塑性变形特点与热处理状态间的关系。当沉淀相为 GP 区时，拉伸变 形后出现明显的滑移带（图 1-41(a)），抗应力腐线性能极低。空冷的组织，由于出现了 不易被位错切割的沉淀相，位错分布均匀（图 1-41(b)），故抗应力腐蚀性能也明显提高。图 1-41 AlZnMg1 合金拉伸变形 3%后的位错分布与热处理状态间的关系（a）水淬（900/h）和（b）空冷（30/h）后自然时效 6 周 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理1

37、镁合金的合金化特点镁合金的合金化特点 Mg合金的合金化原则与合金的合金化原则与Al合金大致相同，合金大致相同，固溶强化和时效硬化是主要强化手段，只是没固溶强化和时效硬化是主要强化手段，只是没有有Al合金那样明显而已。因此，凡是能在合金那样明显而已。因此，凡是能在Mg中中大量固溶的元素，都是强化大量固溶的元素，都是强化Mg合金的有效合金合金的有效合金元素。元素。 根据合金元素的作用特点和极限溶解度，根据合金元素的作用特点和极限溶解度，可大致分为包晶反应类和共晶反应类两大类。可大致分为包晶反应类和共晶反应类两大类。三、镁合金的合金化原理三、镁合金的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理

38、金属材料的合金化原理 包晶反应类：包晶反应类：Zr（3.8），），Mn（3.4）。）。包晶反应型元素的主要作用是细化晶粒，但也包晶反应型元素的主要作用是细化晶粒，但也有净化合金（消除杂质有净化合金（消除杂质Fe），提高抗蚀性和耐），提高抗蚀性和耐热性的作用。热性的作用。 共晶反应类：共晶反应类： Ag(15.5)，Al (12.7%)，Zn（8.4），），Li（5.7），），Th（4.5）；）； 稀土元素（稀土元素（RE）：）：Y（12.5），），Nd（3.6），），La（1.9），），Ce（0.85），），Pr（0.5%），混合），混合RE（以（以Ce或或La为主）。为主）。Chapter

39、1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 共晶反应型元素是高强度镁合金的主要合共晶反应型元素是高强度镁合金的主要合金元素，如金元素，如Mg-Al-Zn和和Mg-Zn-Zr系合金等。这系合金等。这类元素形成的类元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、）、MgZn2和和地地Mg23Th6等在等在Mg中有明显的溶解度变化，是中有明显的溶解度变化，是Mg合金的主要强化相，有明显的时效硬化效应。合金的主要强化相，有明显的时效硬化效应。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 稀土元素也多属共晶反应型元素，不仅共稀土元素也多属共晶反应型元素，不仅共晶温度比晶温度比Mg-Al和

40、和Mg-Zn系高，系高，Mg-RE系的系的固固溶体和稀土化合物（溶体和稀土化合物（Mg9Nd，Mg9Ce等）的耐等）的耐热性也高，原子扩散速度强，有利于抗蠕变性能，热性也高，原子扩散速度强，有利于抗蠕变性能，故故Mg-RE-Zr和和Mg-RE-Mn系合金是耐热系合金是耐热Mg合金，合金，可在可在150250工作。工作。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 RE除了提高耐热性外，还能降低液、固二除了提高耐热性外，还能降低液、固二态合金的氧化速度，改善铸造和变形性能。态合金的氧化速度，改善铸造和变形性能。Nd的综合作用最佳，能同时提高室温和高温强化的综合作用最佳，能同时提

41、高室温和高温强化效应，效应，Ce和混合和混合RE次之，有改善耐热性的作用，次之，有改善耐热性的作用，但常温强化效果很弱；但常温强化效果很弱；La的效果更差，两方面的效果更差，两方面都赶不上都赶不上Nd和和Ce。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理2镁合金的沉淀过程与结构变化镁合金的沉淀过程与结构变化 不连续沉淀：不连续沉淀：Mg-Al和和Mg-Al-Zn系合金缓系合金缓冷试样（空冷或油淬）在冷试样（空冷或油淬）在150222时效，先时效，先从晶界或缺陷部位发生不连续沉淀，不经从晶界或缺陷部位发生不连续沉淀，不经GP区区阶段即直接析出片状平衡相阶段即直接析出片状平衡相M

42、g4Al3，沿一定取，沿一定取向往晶粒内部生长。此时，沉淀区的基体浓度向往晶粒内部生长。此时，沉淀区的基体浓度和晶格常数已达平衡状态，未发生沉淀反应的和晶格常数已达平衡状态，未发生沉淀反应的晶粒内部，晶格常数和浓度保持不变。晶粒内部，晶格常数和浓度保持不变。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 这种片层状不连续反应结构又称珠光体型这种片层状不连续反应结构又称珠光体型沉淀。其组织中的沉淀。其组织中的Mg4Al3相弥散度低，片间距相弥散度低，片间距大（大（200nm），基体浓度低，无共格或半共），基体浓度低，无共格或半共格应力场，故强化效果低。格应力场，故强化效果低。 当不

43、连续沉淀向晶内发展到一定程度后，当不连续沉淀向晶内发展到一定程度后，晶粒内部才能发生连续分解。晶粒内部才能发生连续分解。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 连续沉淀：细小的片状连续沉淀：细小的片状Mg4Al3相一边析出相一边析出和长大，固溶体浓度和晶格常数也发生连续变和长大，固溶体浓度和晶格常数也发生连续变化，最终达到与时效温度相适应的平衡状态。化，最终达到与时效温度相适应的平衡状态。这种沉淀的特点是基体浓度和晶格常数是连续这种沉淀的特点是基体浓度和晶格常数是连续变化的，与不连续沉淀相对应，故称连续沉淀。变化的，与不连续沉淀相对应，故称连续沉淀。 由连续和不连续反应组

44、织的组成，即两类由连续和不连续反应组织的组成，即两类组织所占比例的大小，则由合金的浓度和热处组织所占比例的大小，则由合金的浓度和热处理制度来决定。理制度来决定。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Mg合金的沉淀过程较复杂合金的沉淀过程较复杂 Mg-RE合金的沉淀过程合金的沉淀过程： GP区区(Mg3Ndx)(Mg3Nd)(Mg12Nd) Mg-Th合金的沉淀过程合金的沉淀过程： （Mg3Th）1（六方），（六方），2 （体心）（体心）（Mg2Th） （Mg23Th6） GP区和区和与母相完全共格，与母相完全共格，相部分共格，相部分共格，相是相是非共格的平衡相非共格的平

45、衡相。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 六方沉淀相（六方沉淀相（Mg3Th、Mg3Nd或或Mg3X型化型化合物），具有合物），具有DO19型晶体结构，与母相完全共型晶体结构，与母相完全共格。这种过渡相与格。这种过渡相与Al-Cu合金的合金的相类似，经常相类似，经常在组元原子尺寸相差较大的合金中出现。相对在组元原子尺寸相差较大的合金中出现。相对Mg合金的强化贡献较大，在许多时效温度出现合金的强化贡献较大，在许多时效温度出现的峰值硬度，就与它的存在有关。的峰值硬度，就与它的存在有关。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 DO19型结构的型结构

46、的a轴相当于轴相当于Mg的二倍，的二倍，c轴轴相等，相等，Mg原子组成的面是低能面，只有次近邻原子组成的面是低能面，只有次近邻原子键发生改变。这种结构特点表明原子键发生改变。这种结构特点表明Mg3X相在相在相当宽的温度范围内较稳定，是提高抗蠕变性相当宽的温度范围内较稳定，是提高抗蠕变性能的重要因素。能的重要因素。Mg-RE系合金工作温度可达系合金工作温度可达250，Mg-Th系合金可达系合金可达350，就是与，就是与DO19型结构型结构Mg3Nd和和Mg3Th有关。有关。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理1钛合金的合金化特点钛合金的合金化特点 钛合金的性能由钛合金的

47、性能由Ti与合金元素间的物理化与合金元素间的物理化学反应特点来决定，即由形成的学反应特点来决定，即由形成的固溶体固溶体和和化合化合物物的特性及对的特性及对转变的影响等来决定。这些转变的影响等来决定。这些影响与合金元素的影响与合金元素的原子尺寸原子尺寸、电化学性质电化学性质（在（在周期表中的相对位置）、周期表中的相对位置）、晶格类型晶格类型和和电子浓度电子浓度等有关。作为等有关。作为Ti合金与其它有色金属如合金与其它有色金属如Al、Cu、Ni等比较，等比较，有其独有的特点有其独有的特点： 四、钛合金的合金化原理四、钛合金的合金化原理（1 -钛合金的合金化特点钛合金的合金化特点）Chapter 1

48、 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 利用利用Ti的的 转变，通过合金化和热处理可转变，通过合金化和热处理可以随意得到以随意得到、和和+相组织；相组织； Ti是过渡族元素，有未填满的是过渡族元素，有未填满的d电子层，能电子层，能同原子直径差位于同原子直径差位于20以内的置换式元素形以内的置换式元素形成高浓度的固溶体；成高浓度的固溶体； Ti及其合金在远远低于熔点的温度中能同及其合金在远远低于熔点的温度中能同O、N、H、C等间隙式杂质发生反应，使性能发生等间隙式杂质发生反应，使性能发生强烈的改变；强烈的改变； Ti同其它元素能形成金属键、共价键和离同其它元素能形成金属键、共价键和离子键固溶

49、体和化合物。子键固溶体和化合物。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Ti合金合金化的主要目的：合金合金化的主要目的： 利用合金元素对利用合金元素对或或相的稳定作用，来控制相的稳定作用，来控制和和相的组成和性能。各种合金元素的稳定作用相的组成和性能。各种合金元素的稳定作用又与元素的电子浓度（价电子数与原子的比值）又与元素的电子浓度（价电子数与原子的比值）有密切关系，一般来说，电子浓度小于有密切关系，一般来说，电子浓度小于4的元素的元素能稳定能稳定相，电子浓度大于相，电子浓度大于4的元素能稳定的元素能稳定相，相，电子浓度等于电子浓度等于4的元素，既能稳定的元素，既能稳定相

50、，也能稳定相，也能稳定相。相。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 工业用工业用Ti合金的主要合金元素合金的主要合金元素 Ti合金中的合金元素合金中的合金元素Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和和Si等，按其对转变温度的等，按其对转变温度的影响和在或相中的固溶度可以分为三大类。能影响和在或相中的固溶度可以分为三大类。能提高相变点，在提高相变点，在相中大量溶解和扩大相中大量溶解和扩大相区的相区的元素叫元素叫稳定元素；能降低相变温度，在稳定元素；能降低相变温度，在相中相中大量溶解和扩大大量溶解和扩大相区的元素叫相区的元素叫稳定元素；对稳定元素；对转变温度影响

51、小，在转变温度影响小，在和和相中均能大量溶解或相中均能大量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。完全互溶的元素叫中性元素。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 按合金元素与按合金元素与Ti的反应特点或二元状态图的反应特点或二元状态图的类型，可以分成四大类：的类型，可以分成四大类： 稳定型状态图：稳定型状态图：Al、Ga、Sn和间隙式元和间隙式元素素C、N、O等与等与Ti形成这种状态图。这些元素形成这种状态图。这些元素分别属于分别属于BB族，外层电子（族，外层电子（S、P）数）数4，如如Al为为3S2P1，故为，故为稳定元素；稳定元素；Sn的外层电子的外层电子为为5S2P2=4

52、，对相变温度影响小，故又属于中，对相变温度影响小，故又属于中性元素。性元素。 全溶固溶体型状态图：全溶固溶体型状态图：B族的族的V、Nb、Ta和和B族的族的Mo，晶格与，晶格与-Ti相同，外层电子相同，外层电子数（各为数（各为d3s2和和d4s2）4，是，是稳定元素，能稳定元素，能降低相变温度，缩小降低相变温度，缩小相区，扩大相区，扩大相区。相区。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理图图1-44 钛与常见元素（钛与常见元素（E）间的四种典型二元状态图）间的四种典型二元状态图 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 共析型状态图：形成这种状态图的元素

53、是共析型状态图：形成这种状态图的元素是Fe、Mn、Co、Ni、Cr、Cu、Si、H等，在等，在和和相中都能溶解，但在相中都能溶解，但在相中的溶解度比相中的溶解度比大，并大，并能降低相变温度，形成共析反应，稳定能降低相变温度，形成共析反应，稳定相的能相的能力比上述力比上述同晶型元素还大。这类元素的同晶型元素还大。这类元素的d层电层电子数子数5，有从，有从Ti原子取得电子形成原子取得电子形成d10稳定壳稳定壳层的倾向。合金元素层的倾向。合金元素d层电子数愈多，这种倾向层电子数愈多，这种倾向愈大，愈容易形成化合物和同相组成共析型状愈大，愈容易形成化合物和同相组成共析型状态图。态图。 Chapter

54、1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 按按相共析转变的快慢或难易，相共析转变的快慢或难易，共析型元素共析型元素还可分成活性的和非活性的两种：还可分成活性的和非活性的两种： Cu、Si、H等非过渡族元素是活性等非过渡族元素是活性稳定元稳定元素，共析分解速度快，一般冷却条件下，在室温素，共析分解速度快，一般冷却条件下，在室温得不到得不到相，但能赋予合金时效硬化能力。相，但能赋予合金时效硬化能力。 Fe、Mn、Cr等过渡族元素是非活性元素，等过渡族元素是非活性元素，共析转变速度极慢，在通常的冷却条件下，共析转变速度极慢，在通常的冷却条件下， 相相来不及分解，在室温只能得到来不及分解，在室温只

55、能得到 + 组织。组织。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 - 全溶固溶体型状态图：与全溶固溶体型状态图：与Ti同族（同族（B）的的Zr和和Hf不仅外层电子结构完全相同（不仅外层电子结构完全相同（d2s2），），而且有同素异晶转变，而且有同素异晶转变， 和和相的晶格也完全相相的晶格也完全相同，故与同，故与Ti能形成完全互溶的能形成完全互溶的和和固溶体，和固溶体，和Sn一样，同属中性元素。一样，同属中性元素。Zr能强化能强化相，在工业相，在工业合金中已得到广泛的应用，但合金中已得到广泛的应用，但Hf的密度高的密度高（13.28103kg/m3），而且稀少，还未得到实），

56、而且稀少，还未得到实际应用。际应用。 综上所述，综上所述，Ti的合金化就是以合金元素的上的合金化就是以合金元素的上述作用规律为指导原则，根据实际需要，合理地述作用规律为指导原则，根据实际需要，合理地控制元素的种类和加入量，以得到预期的组织、控制元素的种类和加入量，以得到预期的组织、性能和工艺特性。性能和工艺特性。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理2钛合金的固态相变钛合金的固态相变 纯纯Ti的的转变，是体心立方晶格向密排转变，是体心立方晶格向密排六方晶格的转变，但六方晶格的转变，但Ti合金因合金系、浓度和合金因合金系、浓度和热处理条件不同，还会出现一系列复杂的相变热处

57、理条件不同，还会出现一系列复杂的相变过程。这些相变可归纳为两大类，即过程。这些相变可归纳为两大类，即 淬火相变：淬火相变： ，q ，r 回火相变：回火相变： (，r)+a+ Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理马氏体转变马氏体转变 稳定型稳定型Ti合金自相区淬火，会发生无扩散合金自相区淬火，会发生无扩散的马体转变，生成过饱和固溶体的马体转变，生成过饱和固溶体(马氏体马氏体)。如果。如果合金的浓度高，马氏体转变点合金的浓度高，马氏体转变点Ms降低到室温以降低到室温以下，相将被冻结到室温。这种下，相将被冻结到室温。这种相称相称“残留残留相相”或或“过冷过冷相相”，用，用r表

58、示。表示。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理值得说明的是，值得说明的是， 当合金的当合金的相稳定元素含量少，转变阻力小，相稳定元素含量少，转变阻力小， 相可由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格，相可由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格，这种马氏体称这种马氏体称“六方马氏体六方马氏体”，用，用“”表示。表示。 如果如果相稳定元素含量高，转变阻力大，不相稳定元素含量高，转变阻力大，不能直接转变成六方晶格，只能转变为斜方晶格，能直接转变成六方晶格，只能转变为斜方晶格，这种马氏体称这种马氏体称“斜方马氏体斜方马氏体” ，用，用“”表示表示 。Chapter 1 金属材料的合金

59、化原理金属材料的合金化原理 Ti合金的马氏体转变如图合金的马氏体转变如图1-45所示，与所示，与相的浓度和相的浓度和转变温度有密切关系。转变温度有密切关系。 马氏体转变温度马氏体转变温度Ms是随合是随合金元素含量的增加而降低；金元素含量的增加而降低；当淬火温度降低到一定温当淬火温度降低到一定温度，淬火到室温度，淬火到室温相也不相也不发生马氏体转变。发生马氏体转变。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 马氏体的形态与合金的浓度和马氏体的形态与合金的浓度和Ms高低有关。高低有关。 六方马氏体有两种形态：六方马氏体有两种形态： 合金元素含量低，马氏体转变温度合金元素含量低，

60、马氏体转变温度Ms高时，高时，形成板条状马氏体。这种六方马氏体有大量的位形成板条状马氏体。这种六方马氏体有大量的位错，基本上没有孪晶，是单晶马氏体。错，基本上没有孪晶，是单晶马氏体。 合金元素含量高，合金元素含量高，Ms点降低，形成针状或点降低，形成针状或锯齿形马氏体，这种六方马氏体有高的位错密度锯齿形马氏体，这种六方马氏体有高的位错密度和层错，还有大量孪晶，是孪晶马氏体。和层错，还有大量孪晶，是孪晶马氏体。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 斜方马氏体斜方马氏体，合金元素含量高，合金元素含量高，Ms点低，点低，马氏体针更细，可以看到更密集的孪晶。马氏体针更细，可以看