第2章 金属材料

第二章金属材料金属材料在工程建设，生产制造和人们的日常生活中有广泛应用

金属，是一种具有光泽和延展性、易导电和导热的物质。自然界中，绝大多数金属以化合物形式存在，少数金属（如，金、银、铂）以单质形式存在。包括纯金属、合金合、金属间化合物和特种金属材料等。导电光泽延展性

导热

我国古代将金属分为五类，俗称五金，指的是金（俗称黄金）、银（俗称白金）、铜（俗称赤金）、铁（俗称黑金）、锡（俗称青金）五类金属。现已将五金引申为常见金属材料及金属制品。元素周期表里的100多种元素中，金属元素占了3/4。由于各种金属元素的原子结构不同，其性能也存在很大差异，密度、硬度、熔点等相差很大。目前，所指的金属之最如下表所示。

金属性能或储量金属性能或储量金属性能或储量铬硬度最高锇密度最大钙人体中含量最高铯硬度最低锂密度最小铝地壳里含量最高钨熔点最高金延展性最好铼地壳里含量最地汞熔点最低银导电和导热性最好铌耐蚀性最好钛比强度最大随着科学技术的进步，人类对金属材料提出了新要求：一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的性能，挖掘它的潜力，使其产生最大的效益；二是开拓金属材料的新功能，以适应更高的使用要求。近几十年来，金属材料并没有停止发展，新的合金钢，例如微合金化钢，超高强度钢、超低碳不锈钢；新的有色合金，例如Al-Li合金、钛合金；还有高温合金、金属间化合物、减振合金、超导合金、形状记忆合金、储氢合金、纳米金属材料、非晶态金属都有了新的发展。

科学上的分类。依据元素周期表中金属按一定规律分为碱金属、碱土金属、镧系金属、锕系金属等。金属材料的分类

工业分类依据及类别分类依据类别是否有铁钢铁材料、非铁金属材料颜色黑色金属、有色金属密度重金属、轻金属市场价值贵金属、贱金属储量稀有金属、富有金属工业生产中金属材料的分类

类别金属名称黑色金属铁铬锰轻有色金属密度小于4.5g/cm3的有色金属，包括铝、镁、钠、钙、锶、钡重有色金属密度大于4.5g/cm3的有色金属，包括铜、铅、锌、镍、钴、锡、镉、铋、锑、汞贵金属地壳中含量少，开采和提取都比较困难，价格比一般金属贵的有色金属，包括金、银铂、铑、铱、钌、锇稀有金属在地壳中分布不广，开采冶炼较难，在工业应用较晚的有色金属，包括钨、钼、钛、铼、钽、锆、镓、铟、锗、锂、铍、半金属物理化学性质介于金属和非金属之间的物质，包括硅、硒、碲、硼、砷金属材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能力学性能：金属在一定温度条件下承受外力作用时，抵抗变形和断裂的能力。

强度

塑性

硬度韧性物理性能密度熔点热膨胀性磁性能电学性能化学性能

金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性，以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对力学性能的影响。

金属的性能与金属键

金属键：在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属离子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，称为金属键。

如图所示。由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子(金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构)，这样，电子能级可以得到尽可能多的重叠，从而形成金属键。

2.2钢铁材料铁：生铁和铸铁生铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，工业生铁含碳量一般为2.5%～4%，通常含有Si、Mn、S、P等元素。铸铁：在生铁的基础上进行了二次加工，将铸造生铁在炉中重新溶化加入铁合金、废钢进行成分调整而得到。碳的质量分数大于2.11%。钢：碳的质量分数为0.04%～2.11%的铁碳合金。按化学成分分为：碳素钢和合金钢。按用途分：结构钢、工具钢、机械零件钢和特殊性能钢。2.3有色金属材料铝合金镁合金铜合金2.3.2铝合金√质量轻，密度低，密度为2.7g/cm3,约为铁的1/3。√加工性能好，塑性好。√铝具有优良的电导性、热导性，其电导性仅次于银和铜，居第三位，约为纯铜电导率的62%。√高比强度，高比模量。铝合金的应用1、重量轻2、强度高航空航天2006年12月30日，东北轻合金有限责任公司自行设计制造的环轧生产线生产出迄今国内最大的铝合金锻环。该环直径达5150毫米，宽340毫米，厚100毫米。随着我国航天事业的飞速发展，大推力火箭和宇航器所需的铝合金直径在不断加大，未来几年将需要直径达5米及5米以上的锻环，武器装备抗腐蚀、易成型、可焊接

交通运输交通运输铝在汽车中的用量正在不断增加，汽车的单位用铝量从1990年的61公斤提高到2000年的102公斤。目前，汽车上铝比例最高的车辆都是高性能的车辆，如美洲虎、奥迪A8，同时整个汽车制造业的用铝量也在逐年增加。

家用电器

各种各样的铝产中正被用于新颖的家居环境和住宅建设，从外部装修到内部装修，如铝合金门幕墙板、铝塑板等。

建筑领域铝的应用领域：广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航天航空、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生等行业，成为发展国民经济与提高人民物质和文化生活的重要基础材料。

铝锂合金是航空技术一种新材料

新材料是航空航天技术的重要基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。8090波音飞机铝锂合金优点

锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。铝锂合金的航空应用

Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用，主要用于机身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。波音777早在20世纪50年代，美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾，该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg，可使飞机减重达4250kg，可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构，用量达2.8t，比用普通铝合金减重208kg，法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金，其成本低于热固塑料和金属基复合材料。A330/340飞机在航空铝锂合金的研究和应用方面，前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位，比较有代表性的有01420、01421（含钪）、01423（含钪）、01430、01440、01450等早在20世纪70年代，前苏联就将铝锂合金用于制造雅克－36飞机的主要构件，包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等，该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用，性能良好。20世纪90年代初又在米格－29和米格－31飞机上采用1420合金焊接结构，使减重效果进一步提高。雅克-36Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更优良的性能，将其应用于大型运载火箭“能源号”的结构件上。此外，还用在其它火箭、“暴风雪”号航天飞机和空间站的结构件上。长征2号运载火箭高强可焊铝锂合金的兴起和低各向异性厚板材的生产时近年来铝锂合金研究中取得的最大进展。这主要是因为一方面人们的兴趣已不放在低密度上，而是更加看重li的加入可获得更好的其它性能方面；另一方面是因为人们对铝锂合金的合金化和生产、成型工艺过程进行了更加深入的研究。2.3.3镁合金1.密度小、质量轻2.比强度高3.弹性模量小4.抗电磁干扰5.减震性能强6.加工性能好7.导热性能好8.对环境无污染，有利于环保镁合金的特点镁合金的分类分为变形镁合金和铸造镁合金。许多镁合金既可做铸造合金，也可做变形合金。经锻造和挤压后，变形合金比同成分的铸造合金有更高的强度。镁合金在汽车工业中的应用镁合金在3C工业中的应用DVD外壳手机外壳DELL:支撑TFTLCD面板的上盖和机身底座下盖皆为镁合金镁合金在航空领域中的应用美军B-36重型轰炸机：每架用4086Kg镁合金簿板。东风汽车将脱下铝装换镁装采用铝质内胆、镁质外壁的合金汽缸发动机，比传统的钢质发动机轻了10公斤宝马F1赛车※汽车、摩托车、飞机零件（减震、节能、提高驾乘舒适度）

轿车用镁合金轮毂

直升机变速箱壳体轿车用镁合金齿轮箱

※镁合金曲轴发动机左、右箱体盖；※镁合金曲轴发动机后盖；※镁合金前、后轮毂；※镁合金后扶手；※镁合金锁扣。全镁概念摩托车，12个零部件用镁合金替代（减重6Kg）※办公用品※兵器（减重）2.3.4铜及铜合金

铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属之一，早在三千多年前就已开始使用。由于铜具有优良的性能及光亮的色泽而被广泛用于电缆、电子、电器、各种热交换材料以及装饰品等。当前，大规模集成电路、超导电线、超导电磁体、磁悬浮铁路、核聚变装置等都广泛使用。纯铜：又称紫铜。强度低，高的导电、导热性黄铜：纯铜中加入锌

黄铜铸件黄铜棒铜管铜与黄铜带白铜件康铜热偶白铜型材白铜：纯铜中加入镍，使铜的颜色变白，称为白铜。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)青铜制品青铜：纯铜中加入锡铍青铜制品2.4新型金属结构材料超级钢

20世纪90年代中期，日本提出了“超级钢”的概念，并于1997年4月，正式启动“超级钢材料计划”，目标是在10年内开发出强度相当于现有钢铁材料两倍的超级钢，用于道路、桥梁、高层建筑等基础设施建材的更新换代。继日本之后，世界钢铁协会又组织35家北美、西欧钢厂和汽车厂开展“超级钢”项目研究。由于超级钢强度增加，制造同等强度性能的部件可以减少材料用量，因此用超级港制造的汽车零部件可以减轻车身自重，从而减少油耗。超级钢目前广泛应用于汽车制造业，建筑业当中。目前我国开发的400MPa、800MPa级超级钢，已投入实际生产，并正在应用推广之中。超细晶钢通过细晶强化来提高钢材的强度和韧性。超细晶是新一代钢铁结构材料的核心。按照晶粒度标准的评级，1~3级晶粒度（直径为250~125μm）为粗晶，4~6级（直径为88~44μm）为中等晶粒，7~8级（直径为31~22μm）为细晶。研究表明，若纯铁在铁素体晶粒尺寸为20μm时，普通钢材的屈服强度是200MPa级，若细化在5μm以下，屈服强度就能翻番；具有低碳贝氏体或针状铁素体的钢材，若显微组织细化至2μm以下，强度就能翻番；具有回火马氏体的合金钢，若显微组织细化至5μm以下，强度就能翻番。因此，超细晶钢的目标是将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级。宝钢与东北大学对C-Mn钢利用低温轧制、加速冷却和低温卷取等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为5μm的铁素体-珠光体-贝氏体钢。钢板的屈服强度达到400MPa级，同时具有良好的成性性能。攀钢和武钢与钢铁研究总院采用普通碳素结构钢化学成分，利用控制轧制、道次间加速冷却和轧后控冷等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为4~5μm的铁素体-珠光体钢。钢板的屈服强度也达到了400MPa级，钢板成形性能优异。微合金化高强度钢

微合金化钢强度高、韧性好，可以为用户节能节材降低成本。如在建筑和基础设施建设用钢中，采用微合金钢可以节约20％~30％的钢材，节约15％的施工时间和20％加工费用。微合金化低碳高强度钢是我国科技工作者利用现有设备自主研发的新一代钢铁材料，且迅速实现产业化，在保持足够塑韧性前提下，使原低合金钢的强度翻番。微合金化低碳高强度钢的成分特点：①低碳，高Mn并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及Re等。常用碳含量范围为Wc=0.12％~0.14％，甚至降至Wc=0.03％~0.05％。②微量合金元素的复合加入。复合范围一般控制在0.01％~0.1％之间（质量分数）。③控制夹杂物的形态。夹杂物最理想的形态是呈球状，最坏的是共晶体的棒状物。在微合金化低碳高强度钢中通过添加Ca、Ti、Zr及稀土（如Ce），能改变硫化物的组成，显著地减小钢材的各向异性。主要用于桥梁，汽车冲压用钢，船舶和家用电器行业等

钛是银白色金属，熔点为1680℃，相对密度为4.54，比铅重但比钢轻43%。钛有很好的强度，约为铝的6倍，所以钛的比强度（强度/相对密度）在结构材料中是很高的。钛的热膨胀系数较小，导热性差，只有铁的1/5，加上钛的摩擦系数大（μ=0.2），使切削、磨削加工困难。钛的弹性模量较低，屈强比（s/b）较高，这使得钛和钛合金冷变形成型时的回弹性大，不易成型和校直。金红石钛铁矿

轻质高温钛合金目录CONTENTS

α钛合金它是α相固溶体组成的单相合金，具有很好的强度、韧性及塑性。它在高温下组织稳定，抗氧化能力较强，热强性较好。但它的室温强度一般低于β和（α+β）钛合金。

β钛合金它是β相固溶体组成的单相合金，合金密度较大，耐热性差及抗氧化性能低，不宜在高温下使用。

α+β钛合金它兼有α和β钛合金两者的优点，耐热性和塑性都较好，且可进行热处理强化，这类合金的生产工艺比较简单，因此（α+β）钛合金的应用比较广泛。钛合金

钛合金锻造模拟钛合金板、棒、线材钛合金生产各种钛合金零件钛合金与我们的生活目录CONTENTS70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上钛及其合金是航空航天业的理想材料。美国20世纪80年代后设计出的各种先进战斗机和轰炸机中，钛合金用量已经稳定在20％以上。如，第三代战斗机F-15钛合金用量占27％，而第四代战斗机F-22钛合金用量占41％。钛合金制品的另一应用行业是发展势头迅猛的汽车业。目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛及钛合金。钛合金零部件对提高汽车性能、档次和舒适性等将发挥越来越大的作用。金属钛作为工程材料虽然只有50多年历史，但由于钛及其合金相对密度小、强度高、耐腐蚀，在航空、航海、汽车、石化和建筑等诸多领域已显示出非常广阔的应用前景。但由于钛在高温时异常活泼，钛及其合金的熔炼、浇铸、焊接和热处理等都要在真空或惰性气体中进行，加工条件严格，成本较高，使它的应用受到限制。

金属间化合物高温材料金属间化合物具有金属键和共价键共存的特性，其使用温度可介于高温合金和陶瓷之间（1100~1400℃），与陶瓷相比又具有较低的脆性，是一种具有很大发展潜力的高温金属结构材料。

金属间化合物的特性1.金属间化合物中的原子结合比金属中的原子结合显示出较强的方向性，但又没有陶瓷那样极强的共价键或离子键，其物理、化学及力学性能介于金属和陶瓷之间。2.具有高熔点、高硬度高抗蠕变性能。金属间化合物主要类型及其应用

金属间化合物主要种类有Ti-Al系金属间化合物，Ti3Al基系列合金，Ti2AlNb基系列合金，TiAl基合金，Ti-Al-Mo-Cr-V钛合金和Ni3Al基MX246系列合金。，利用它的一些特殊性能也可望在一般高温条件下应用。可望在发电、汽车、航空宇宙、废弃物处理、石油精炼和军工等方面作为耐热耐腐蚀材料得到应用。2.4.6

高温合金

高温合金一般指在650℃以上使用并具有高强、耐蚀、耐冲刷、抗氧化、抗蠕变等性能的金属材料，这类材料主要包括Fe基、Ni基和Co基合金，其中Ni基合金最重要，应用最广。镍基高温合金是目前航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和机匣、燃烧室、燃烧室及尾喷口等部件的主要用材，在先进的飞机发动机中这种合金的重量占50%以上，使用温度在650~1100℃范围内。图2.9为航空涡轮发动机示意图。随