工程材料学-常见金属材料

常见铸铁有白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。此外还有合金元素含量较多的合金铸铁。

1、铸铁(Fe-C-Si合金）

铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。4.3.1.白口铸铁

特点：碳全部以的形式存在，断口较白亮，组织：珠光体和粗大碳化物，质硬而脆。

用途：用于制造要求耐磨损的铸造零件，如球磨机中的球。还可作为炼钢原料。分类：

铁素体灰口铸铁、

珠光体灰口铸铁、

铁素体-珠光体灰

口铸铁。灰口铸铁特点：碳大部分或全部以片状石墨状态存在，断口呈暗灰色。0.02500600700800900100011001200130014001500T℃0.772.114.3913℃C%Fe-CFe-Fe3CIIFe-Fe3C

(727℃)Fe-C(738℃)Fe-Fe3C(1148℃)Fe-C(1153℃)50.69%C1.98%C机械性能：强度低，塑性、韧性极差。但抗压强度接近钢。

减震性：石墨可吸收震动能量，

耐磨性：因石墨有自润滑作用；铸铁有天然的润滑槽；从而使铸铁具有良好的耐磨性和减磨性。

工艺性：具有优良的铸造性能和切削加工性。

其中“HT”为“灰铁”二字汉语拼音第一字母，

后面数字表示直径为30mm单铸试棒的抗拉强度下限。

灰口铸铁牌号应用气缸体、导轨、箱体、壳体、机床床身孕育铸铁是抗拉强度大于250N/mm2的灰口铸铁。它是在铁水中加入一定量的硅铁作孕育剂，得到均匀分布着细小片状石墨的灰口铸铁。灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁结构特点：石墨呈球状分布。在浇铸前加入特殊的变质剂(镁或镁加稀土等)得到。基体组成：

铁素体、珠光体、或珠光体加铁素体等。可以对基体进行热处理。

球墨铸铁

球状石墨减少了对基体的割裂作用，提高了强度、塑性及韧性。力学性能是铸铁中最高的，再加上良好的铸造性、优异的切削加工和耐磨性，使球墨铸铁兼有灰口铸铁和钢的优点应用：

曲轴、连杆，凸轮。

牌号：

例QT400-18性能特点：

可锻铸铁是将白口铸铁经过长时间的高温退火，使其中的渗碳体分解，得到团絮状的石墨分布在铁素体或铁素体加珠光体基体上的铸铁。

可锻铸铁性能：与灰口铸铁相比，强度高，塑性和韧性尤突出，可以进行弯曲变形。但可锻铸铁不可以锻造.

用途：要求有一定强度、韧性及耐磨性的铸件，如各种农机、纺织机械、汽车、拖拉机零件(轮毂、阀门、轴瓦)及自来水管的弯头等

牌号：KTH370-12

随着工业的发展，对铸铁不仅要求具有更高的机械性能，同时要求它具有耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能，因此需要加入合金元素，获得合金铸铁。合金铸铁

用途：机床导轨、汽车发动机的缸套、活塞环等零件。(1).高磷合金铸铁磷：0.4-0.7%，以Fe3P化合物存在，并与铁素体或珠光体形成共晶体，以断续网状分布在珠光体基体上，形成坚硬的骨架，显著提高了铸铁的耐磨性。Cr、Mn、V、Ti、W等：可强化和细化基体，使其强度和韧性进一步提高。性能：强度和耐磨性比HT200灰口铸铁高出一倍以上。

目前机床制造业中广泛应用的一种耐磨铸铁。

(2).铬钼铜合金铸铁铬、钼可形成稳定的碳化物，铜能促进珠光体灰口铸铁形成，制作：由难熔金属的碳化物，如WC、TiC、TaC、NbC等，以钴或镍等做粘接剂，用粉末冶金的方法制成的合金材料，

2、硬质合金

组织：颗粒状碳化物加钴基或镍基固溶体。

硬质合金的硬度很高，一般在HRA86-93之间，切削速度可比高速钢提高一倍，且具有很高的红硬性，但是硬质合金的脆性很高，刀具容易崩刃。

硬质合金无需热处理，不能锻造，也不能切削加工。性能硬质合金按其成份和用途大致分类为：

(1)WC-Co硬质合金YG3、YG4C

(2)WC-TiC-Co硬质合金YT5、YT15

(3)WC-TiC-TaC(NbC)硬质合金YW1、YW2

(4)超细晶粒WC-Co硬质合金

(5)涂层硬质合金牌号中，Y表示硬质合金；G为钴，T为钛，其后数字分别表示含钴量和含TiC的含量。W表示通用合金，C为粗颗粒；X为细颗粒，皆为汉语拼音字头。特点：比强度高，比刚度大（相当于高强度钢与超高强度钢）抗腐蚀性、工艺性良好、塑性好。

3、

铝合金

航空上主要用于飞机的蒙皮、隔框、长梁、桁条和锻、铸件等。一架波音747客机，需要消耗约18.6吨铝；

航天技术上主要用于气动加热温度在150℃以下的运载火箭和宇宙飞行器，也用在卫星、航天飞机等其他航天器结构上。

熔点为660℃,面心立方晶格,无同素异构转变。具有高导电性、导热性，比重轻2.7克/厘米3。在大气中易氧化，但抗蚀性良好。

牌号：L1～L7

L即“铝”。数字：序号，越大杂质越多。

用途：铝箔、蜂窝、电线、电缆和生活用品等。纯铝纯铝是极其柔软的金属，塑性好，但强度不高，不易做承力结构材料使用。铝合金的分类变形铝合金铸造铝合金aa+bL+aL+bL温度ADF可热处理强化铝合金不可热处理强化铝合金5.6533.2660W(Cu)/%Al◆再结晶退火：消除铝合金在冷变形过程中产生的加工硬化，提高材料的塑性。

◆去应力退火：将零件加热到再结晶温度以下温度(约200-300℃)，保温后空冷。

◆完全退火：加热温度高于该合金中化合物溶解的温度,保温后慢冷。

退火铝合金的热处理组织性能：塑性最大

用于使半成品板材、型材软化

变形铝合金的退火主要有再结晶退火、消除应力退火和完全退火。

铸铝件也进行去应力退火和完全退火，以消除铸造应力、细化晶粒。

淬火：将铝合金加热到温度高于其溶解度曲线以上，保温快冷。

目的：为了将高温下的固溶体固定到室温，

性能：其塑性显著增加，而强度和硬度提高不多，需经处理,才能提高强度、硬度。

淬火和时效得到均匀的过饱和固溶体。

时效原因：无晶格转变扭曲过程；

消除了脆硬强化相；

固溶强化效果不明显。

淬火后的铝合金在室温停留或加热保温后其强度、硬度提高的现象（是第二相从饱和固溶体中沉淀的过程）。效时2503003504000123456(天)200℃150℃20℃100℃-5℃-5℃sb(MPa)自然时效：

在室温下进行的时效。

人工时效：

在加热情况下进行的时效。时效曲线的应用：

孕育期：经淬火的铝合金，在时效初期强度变化很小，这段时间叫做孕育期。生产上利用孕育期进行冷变形，或对淬火变形零件校正。

当温度很低时，时效过程不能进行。生产上利用这一特性将大批板料或铆钉淬火后冷冻存放，使用或加工时取出。铆接或成型时材料有很好的塑性，随后自然时效强度升高。

有些铝合金不能自然时效，只能人工时效，如LC4。变形铝合金通常经不同的变形加工方式生产成各种半成品提供使用，如板、棒、管、线、型材及锻件等。变形铝合金变形铝合金编号Al–-MnAl-–MgAl-Cu-MgAl-Cu-Mg-ZnAl-–Mg-Si–CuAl-Cu-Mg--Fe-Ni变形铝合金不可热处理强化防锈铝3A21(LF21)5A05 (LF10)可热处理强化硬铝2A11 (LY11)2A12 (LY12)超硬铝7A04 (LC4)7A09 (LC9)锻铝2A14 (LD10)2A50 (LD5)2B70 (LD7-1)2A80 (LD8)变形铝合金按照合金系列分为2XXX Al-Cu系，3XXX Al-Mn系，4XXX Al–Si系，5XXX Al–Mg系6XXX Al–Mg-Si系，7XXX Al–Zn系，8XXX Al-其他元素，9XXX 备用系。1.防锈铝合金—LF21特点：抗蚀好、易于加工成形和焊接。但不能热处理强化，强度较低。

用途：要求抗腐蚀及受力不大的零部件，如油管、油箱等。

合金系：Al-Mn系和Al-Mg系。特点：具有强烈的时效硬化能力。强度高,抗蚀性和焊接性能较差。

用途：制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱等。

合金系：A1-Cu-Mg和A1-Cu-Mn系。硬铝合金—LY12、LY11超硬铝合金—LC4超硬铝是在硬铝的基础上再加锌而成

------固溶+时效

性能：强度高于硬铝，故称超硬铝合金，

应用：飞机结构件，如翼梁、螺旋桨叶、起落架等。以Al-Mg-Si系为主

性能：具有良好的热塑性、焊接、抗蚀、冷加工等性能。

应用：承受重载的锻件、模锻件。锻造铝合金---LD5铸造铝合金

铸造铝合金的优点是比重小，比强度较高，并有良好的抗蚀性和铸造工艺性。铸造铝合金按成分不同可分为以下五类：Al-Si系合金

铝硅合金又称为硅铝明，

特点：这类合金具有优良的铸造性能。加入Cu、Mg、Mn等元素使合金强化，并通过热处理进一步提高机械性能。

如ZL-105抗拉强度可达230Mpa。铝硅合金广泛应用于各种形状复杂的铝铸件等，该系合金可做内燃机活塞、汽缸体、汽缸头、汽缸套，及轮缘、刹车毂、电机壳、仪表壳体等。铝硅合金占铸铝总产量的50%以上。Al-Cu系合金

铝铜合金的特点是有较高的强度，适合在较高温度下工作。如ZL-201

热处理后的抗拉强度为330MPa。强度值相当于较好的灰口铸铁，比强度超过铸铜。含镍、锰的铝铜合金有较好的耐热性，工作温度可达300℃，铝铜合金用于强度要求较高，在较高温度下工作的零件，如工作温度较高的发动机活塞。

铝镁合金属于高强和高耐蚀性合金，化工部门、造船工业应用较多。缺点是耐热性和铸造工艺性较差。

Al-Mg系合金(ZL301)这类合金的特点是具有自淬火效应，铸造成型后即可进行人工时效。由于省去了淬火工序，铸件的内应力大为减小，适于制造要求尺寸稳定性高的铸件。如仪表零件，医疗器械等。

Al-Zn系合金(ZL401)Re表示稀土元素。这类合金由于是以A1-Si系为基础，所以具有良好的铸造工艺性和耐热性。目前用它制作柴油机、拖拉机发动机活塞，使用寿命比一般铝合金活塞高七倍以上。

铸造铝合金牌号用ZAl表示“铸铝”后标注合金元素及百分含量。铸铝也常用代号表示，在ZL后有三位数字：第一位代表合金系，其余为合金顺序号。各种铸造铝合金的牌号、性能，见表5-23。

Al-Re系合金(ZL501)钛合金的是：

a.比强度高:钛合金的σb可达1500MPa，可与超高强度钢媲美，而比重只有钢的一半，比强度是常用工程材料中最高的。

4、纯钛和钛合金主要优点纯钛熔点1667℃,比重4.5g/cm3,室温下为密排六方结构,882.5℃以上为体心立方结构。:钛合金可在550℃以下工作，可望提高到800℃，断裂韧性也较高，优于铝合金和一些结构钢。

:钛合金低温韧性很好，在-253℃时仍具有良好的韧性，是唯一能在超低温下使用的工程金属。

:钛在大气、水、海水、硝酸、稀硫酸等腐蚀介质中的抗蚀性优于不锈钢。例如，某冷凝管在海水中试验16年之后，尚未出现腐蚀现象。

b.热强度高c.低温性能好d.抗蚀性好钛合金的是工艺性差，钛合金导热系数小、摩擦系数大、切削性差；钛合金的弹性模量小，变形时回弹大，σ0.2/σb比值高，冷变形困难；钛合金硬度低，不耐磨，不能作抗磨结构件。另外，钛合金成本高，应用受到限制。

钛合金按其组织可分成α型(TA)、β型(TB)、α+β型(TC)。部分钛合金的成分和性能见表5-24。

主要缺点现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途的α+β型Ti-6A1-4V合金。用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零部件。如发动机压