第六章 工程合金

1. 第六章 工程合金 第一节 黑色金属 第二节 有色合金 第三节 精密合金(自学） 第四节 特种金属材料（自学）

2. 钢的通常分类 • 按用途分类： 钢 第一节 黑色金属 工程上将以铁为基的合金成为黑色金属；以其他金属为基的合金成为有色合金。铁及其合金（主要是钢）的产量占世界金属总和的90％左右；而有色合金中，则以铝、铜及其合金居多。

3. 按质量分类： 钢 • 按化学成分分类：

4. 钢 • 按金相组织分类： 按退火组织分类： 按正火组织分类： • 按冶炼方法分类：

5. 钢的编号 我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。 1.普通碳素结构钢 2.优质碳素结构钢 该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45%的钢。

6. 3.碳素工具钢 碳素工具钢是在牌号前加“碳”或“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如T8或T10A。其中“A”表示高级优质钢。 4.合金结构钢 沿用苏联的编号系统，该类钢的牌号是由“数字+元素+数字”三部分组成。数字表示钢中平均含碳量的万分之几，如36Mn2Si 和18Cr2Ni4WA。 5.合金工具钢 数字表示钢中平均含碳量的千分之几，如9Mn2V和CrMn，特殊：W6Mo5Cr4V2。

7. 6.滚动轴承钢 该类钢在钢号前冠以“滚”或“G”，其后为铬（Cr）+数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如GCr15。 7.不锈钢及耐热钢 这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18和9Cr18Ni9。 8.铸钢 如“ZG200—400”表示其屈服点为20MPa,其抗拉强度为400MPa。

8. 碳 钢 碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳。 • 优质碳素结构钢 这类钢一般需要热处理来提高力学性能，如45＃钢。 低碳钢强度低，延性好，适于零件冲压、焊接、表面渗碳等。中碳钢属于调质钢，经过淬火和高温回火（又称调质处理）后具有较好的强韧性。含碳更高的60钢主要用于制造弹簧。

9. 碳素工具钢 随碳含量的增加，碳素工具钢在热处理（通常为淬 火+低温回火）后的硬度和耐磨性提高，而韧性则降低。 高韧性工具（如冲模、冲头等），宜选用低碳工具钢（如T7、T8等）。 高耐磨性工具（如量具、锉刀、剃刀等），宜选用高碳工具钢（如T12、T13等）。

10. 碳钢的局限性 1、具有一定的塑性和韧性，但强度难以超过690MPa； 2、厚截面碳钢零件，淬火时通常不能淬透； 3、耐蚀性和抗氧化性较差； 4、中碳钢淬透时，易出现变形或开裂； 5、低温抗冲击能力差。 措施：为解决上述缺点，通常向碳钢中加入合金元素（如Mn、Ni、Cr、Al、W、V 等来改善其性能。

11. 合金钢 与碳素钢相比，合金钢的强度大大提高，同时耐蚀性、抗氧化性和耐磨性均显著提高；但价格较高。 16Mn是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。较广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。

12. 电化学腐蚀： 是指金属在腐 介质中由于形成原电池，阳 极失去电子。 • 不锈钢 • 金属腐蚀的基本概念 化学腐蚀： 金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。提高金属抗化学腐蚀的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成致密保护膜的合金元素进行合金化。

13. 不锈钢的性质 1）良好的耐蚀性；2）良好的力学性能；3）良好的工艺性能；4）价格低廉。 提高抗电化学腐蚀能力的措施： ①减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织； ② 形成原电池时，减少两极的电极电位差，提高阳极的电极电位； ③ 减少甚至阻断腐蚀电流，使金属“钝化”，在表面形成致密的、稳定的保护膜。

14. 合金元素对性能的影响 铬是不锈钢中最重要的合金元素。它能显著提高基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。 镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式，当Wcr≤18%，WNi＞8%时，获得单相奥氏体不锈钢。 钛、铌优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。 钼、铜加入，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性。 锰、氮的加入，是为了部分取代镍，以降低成本。

15. 碳含量对性能的影响 不锈钢的wc为0.08%～1.0%，主加元素为Cr、Cr—Ni，辅加元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。 碳的变化范围很大，一方面从耐蚀性的角度来看，碳含量越低越好。因为碳会与铬形成碳化物Cr23C6，沿晶界析出，使晶界周围基体严重贫铬，造成沿晶界发展的晶间腐蚀。大多数的不锈钢的wc为0.1%～0.2%。另一方面从力学性能的角度来看，碳含量越高，钢的强度、硬度、耐磨性会相应地提高。同时要相应提高铬含量，以保证形成碳化物后基体含铬量仍Wcr＞12%。

16. 铸 铁 铸铁是含碳量大于2.11％（一般为2.5 ～4.0％）的铁碳合金，同时还含较多数量的Si、Mn、S、P等元素。

17. 铸铁的石墨化过程 ①铸铁在冷却过程中即可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C；Fe3C在一定条件下也可以分解出石墨，即Fe3C → 3Fe + G（石墨）。 ② 可以直接析出石墨。 铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。可分为两个阶段：第一阶段，从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及奥氏体冷却析出的二次石墨；第二阶段，共析转变过程中形成的共析石墨。

18. 石墨化过程是一个原子扩散过程。第一阶段的石墨化温度较高，原子容易扩散，进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，扩散困难，进行不充分，只能部分进行。冷却速度增大，第二阶段的石墨化便完全不能进行。石墨化过程是一个原子扩散过程。第一阶段的石墨化温度较高，原子容易扩散，进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，扩散困难，进行不充分，只能部分进行。冷却速度增大，第二阶段的石墨化便完全不能进行。 ① 第二阶段石墨化进行充分时：铁素体+石墨； ② 第二阶段石墨化部分进行时：（铁素体+珠光体） 基体+石墨； ③ 第二阶段石墨化不能进行时：珠光体+石墨。 当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制，会得到白 口铸铁。若第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁。

19. 影响铸铁石墨化的因素 冷却速度的影响： 在化学成分相同的情况下，缓慢冷却有利于石墨化的充分进行，易得到灰口铸铁；冷却速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化来不及进行，得到白口铸铁。 化学成分的影响： 碳和硅对铸铁的石墨化有决定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促进石墨成核。 综合考虑碳和硅对铸铁的影响，将硅量折合成相当的碳量，把实际的含碳量与折合成的碳量之和称为碳当量。根据碳当量不同确定其组织。

20. 铸铁的性能特点 铸铁的性能取决于铸铁的成分和组织，即取决于铸铁中基体组织和石墨的数量、形态、大小以及分布。 铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均低于钢，但硬度和抗压性能与钢接近。另外，石墨的存在使铸铁具有以下特殊性能： 1、优良的铸造性； 2、良好的切削加工性； 3、优良的耐磨性与减震性； 4、生产成本低廉。

21. 铸铁的分类 白口铸铁 碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。很少直接用来制造机械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件（如轧辊等）。 灰口铸铁 碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色，生产工艺简单，价格低廉，应用广泛。

22. 2）可锻铸铁（俗称马钢） 将白口铸铁坯件经高温、常时间的石墨化退火后，使渗碳体在固体下分解而获得具有团絮状石墨的组织。 可锻铸铁具有较高的强度、塑性和韧性，多用于制造受震动、强度和韧性要求较高的小型零件。 1）普通灰口铸铁 石墨以片状存在，主要用于制造车辆气缸、摩擦片，以及机床的床身、底座等。

23. 3）球磨铸铁 球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。与片状石墨和团絮状石墨相比，圆球状石墨对基体的割裂和应力集中作用最小，球墨铸铁是各种铸铁中力学性能最好的一种。 生产球墨铸铁要进行脱硫处理、球化处理（浇注前必须先往铁液中加入能促使石墨结晶成球状的球化剂）和孕育处理（球化处理后立即加入石墨化元素而进行的处理）。

24. 铸铁的牌号 普通灰口铸铁：HT(灰铁）+数字（最低抗拉强度） HT100表示最低抗拉强度为100MP的普通灰口铸铁。 可锻铸铁：KT(可锻）+数字（同上）－数字（延伸率百分数） KT300-06表示最低抗拉强度为300MP，延伸率为6％的可锻铸铁。 球墨铸铁：QT(球铁）+数字（同上）－数字（同上） QT450-05表示最低抗拉强度为450MP，延伸率为5％的球磨铸铁。

25. 第二节 有色合金 铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的铀、镭、铍；用于石油化工领域的钛、铜、镍等。

26. 铝及铝合金 • 铝合金概述 1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）； 2、密度低（2.63～2.85g/cm3） ，比强度高； 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au而 位居第四位，约为纯铜导电率的60％）； 4、耐蚀性好（Al2O3膜的存在，只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏）； 5、优良的工艺性能（极好的铸造性能，良好的可塑性）。

27. 工业纯铝 物理性能：银白色光泽，密度小（2.7g/cm3），熔点低（660℃），为非磁性材料。 原子结构：固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性，在0～253℃之间塑性韧性不降低。 分类：纯铝按其纯度分为高纯，工业高纯和工业纯铝，纯度依次降低。 应用：工业纯铝主要用作制备铝基合金；高纯铝用于科学试验，化学工业和其他特殊领域。此外纯铝还用于制作电线、铝箱、屏蔽壳体、反射器、包覆材料及化工容器等。

28. 铝合金分类

29. 变形铝合金 变形铝合金是指合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类铝合金。 防锈铝合金：LF(铝防）+顺序号（化学成分） 如LF5是Mg含量为（4.8～5.5％）的防锈铝合金。这类合金主要有Al-Mg和Al-Mn系等，塑性好、耐腐蚀，可冷变形强化，多用于制造受力小、质轻、耐腐蚀的冲压件和焊接结构件等。

30. 硬铝合金：LY(铝硬）+顺序号（化学成分） 这类合金主要有Al-Cu-Mg系合金，可通过淬火时效来显著提高强度，硬度和耐热性能都有所改善，但耐蚀性较差，多用于制造中等强度的飞机结构件等。 超硬铝合金：LC(铝超）+顺序号（化学成分） 这类合金主要有Al-Cu-Mg-Zn系合金，淬火时效后强化效果优于硬铝合金，但耐蚀性同样较差，多用于制造质轻、受力较大的结构件等。

31. 铸造铝合金 合金含量较高，适于铸造成形。 牌号：ZL(铸铝）+ 三位数字 说明：第一位数字表示合金系列； 第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。 锻铝合金：LD(锻铝）+顺序号（化学成分） 这类合金主要有Al-Cu-Mg-Si系合金，淬火时效后机械性能与硬铝相近，热塑性和耐蚀性较高，适于锻压成形。多用于制造形状复杂、比强度要求高的受力结构件。

32. 铸 造 铝合金 铝硅系 合 金 铝铜系 合 金 铝镁系 合 金 铝锌系 合 金 强度、塑性高，耐腐蚀，铸造时易氧化 铸造、机械性能良好 高温强度高（耐热），易腐蚀 强度高，易腐蚀，价格低

33. 铜及铜合金 • 纯铜（紫铜） 物理性能：紫红色光泽，密度8.9g/cm3，熔点1083℃，fcc结构，导电、导热性能良好，塑性好，耐蚀，强度低。 应用：工业上利用铜制造电线、导电零件、油管等；同 时，还利用纯铜（逆磁性材料）不受磁场干扰的特性制备磁性仪器和其他防磁器械等。 纯铜通过合金化处理可以改善其机械性能，铜合金按其色泽的不同可分为黄铜和青铜两大类。

34. 黄铜 黄铜以锌为主加元素，其外观呈金黄色光泽。我国应用黄铜在宋代有明确记载。 普通黄铜：H(黄）+数字（铜的百分含量） 属于Cu-Zn二元合金，锌在铜中的溶解度较大，但锌含量超过39％，会出现硬脆第二相β′。 低锌黄铜H95、H90、H85有良好的导电性、导热性和耐蚀性，有适宜的强度和良好的塑性，大量用于冷凝器和散热器。三七黄铜H70、H68强度较高、塑性很好，用于深冲零件，如散热器外壳、弹壳等。四六黄铜H62、H59可高温热加工，强度高，塑性较好，可制造导管、销钉等。

35. 特殊黄铜：H(黄）+主加元素符号（锌除外）+数字（铜含量）-数字（主加元素含量，其余为锌含量）特殊黄铜：H(黄）+主加元素符号（锌除外）+数字（铜含量）-数字（主加元素含量，其余为锌含量） 又称多元黄铜，在Cu-Zn二元合金的基础上，加入Sn、Si、Pb、Fe等合金元素，改善和提高其性能。 铝黄铜利用铝的固溶强化，提高合金强度和硬度，同时氧化铝膜可防腐蚀，HAl77-2可制造海轮等，HAl85-0.5色泽金黄，耐蚀，可作为金的代用品。铜锌铝合金具有形状记忆功能，相变温度范围宽（±100℃），可制造安全阀，控温装置，断路器等。锡黄铜可提高耐蚀性，抑制脱锌，并提高强度，HSn70-1称为（海军黄铜）。

36. 青铜 除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，通称为青铜。 表示方法：Q(青）+主加元素符号+数字（主加元素含量）－数字（其他合金元素平均含量） 普通青铜： 普通青铜以锡为主加元素，又称锡青铜。它是人类历史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，但耐酸性差。 锡青铜铸件凝固时，含锡高的低熔点液相从中部向表面渗出，严重时表面出现灰白色斑点的“锡汗”。

37. 特殊青铜： 特殊青铜是不含锡的青铜合金。 铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最为广泛。铍青铜有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲击无火化；强毒，限制生产。 另外，还有硅青铜、铅青铜等。

38. 镁及镁合金 • 纯镁 物理性能：银白色光泽，密度1.74g/cm3，熔点651℃，hcp结构，力学性能差，耐蚀性差。 应用：纯镁在冶金工艺中脱氧剂、脱硫剂和配置镁合金，还用作制造照明弹和烟火的原料。 纯镁通过合金化处理可以改善其机械性能，镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。

39. 镁合金 变形镁合金：MB（镁变）＋顺序号（化学成分） 铸造镁合金：ZM（铸镁）＋顺序号（化学成分） 如MB2表示：Al：3.0～4.0％，Zn：0.2～0.8％，Mn：0.15～0.35％，余量为Mg。 镁合金特性及应用： 1、密度小，比强度、比刚度高； 2、良好的抗冲击能力； 3、易切削加工、抛光，易于铸造和热加工。 4、应用（教材P91）

40. 物理性能：银白色光泽，密度4.507g/cm3，熔点1677℃，α-Ti（hcp） 882.5℃ β-Ti（bcc）。 应用：制造化工设备，船舶用零件和化工用热交换器等。 • 钛及钛合金 • 纯钛 纯钛加入铝、铬、钼、锡、锰、钒、铁、锆、铜和硅等，可以改善其机械性能。合金化的主要目的是改变α和β的同素异构转变温度，提高α相或β相的稳定性，形成稳定的固溶体或与钛形成合金，提高强度。

41. 钛合金 钛及钛合金已有近60年的历史，由于它具有高的比强度和耐蚀性，是世界各国大力发展的宇航轻金属材料。 钛合金特点： 1、比强度、热强度高（工作温度550℃以上）； 2、较好的低温韧性； 3、抗腐蚀性能好。 4、主要缺点是不易切削和塑性加工。

42. 高温合金 高温合金是以高熔点金属Ni（1450℃）、Co（1480℃）、 Mo（2620℃）等为基体，加入一定量的其他元素构成的在高温下使用的金属材料。 • 分类 • 1、按基体类型：分为铁基、镍基、钴基高温合金； • 2、按强化方式：分为固溶强化型和时效强化型合金； • 3、按成形方式：变形高温合金和铸造高温合金。

43. 高温合金的特点 • 1、具有高的热稳定性； • 2、具有高的热强性； • 3、比强度高和弹性模量高，热膨胀系数小，导热性好； • 4、具有良好的加工工艺性能。