材料概論第四章 金屬材料

1、金屬材料的概況金屬材料的概況 鋼鐵是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的基本支柱，鋼鐵是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的基本支柱，主要用于鐵路、建主要用于鐵路、建筑、橋梁、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。筑、橋梁、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。 中國鋼鐵產(chǎn)量世界第一中國鋼鐵產(chǎn)量世界第一， 20112011年鋼鐵產(chǎn)量約年鋼鐵產(chǎn)量約6.96.9億噸，占全世界產(chǎn)量的億噸，占全世界產(chǎn)量的70%70%，是世界其他國家總和的，是世界其他國家總和的2 2倍半。其中，倍半。其中，4 4千多萬噸鋼材出口。千多萬噸鋼材出口。 20122012年年1-111-11月，中國鋼產(chǎn)量月，中國鋼產(chǎn)量6.606.60億噸。億噸。 中國目前至少有中國目前至少有1/31/3的不符合質(zhì)量要求。的不符合質(zhì)量要

2、求。 特種鋼材主要靠進(jìn)口。特種鋼材主要靠進(jìn)口。金屬材料分類金屬材料分類 黑色金屬黑色金屬 金屬材料金屬材料 有色金屬有色金屬 特殊金屬特殊金屬在在103103種元素中，金屬元素有種元素中，金屬元素有8181種種金屬材料分類分類 生鐵生鐵 含含C 2 碳素鋼碳素鋼黑色金屬黑色金屬 鋼鋼 含含C 0.042 合金鋼合金鋼 純鐵純鐵 含含C 0.04含碳量越高，硬度、強(qiáng)度越大，但塑性降低含碳量越高，硬度、強(qiáng)度越大，但塑性降低金屬材料分類分類 重金屬重金屬 Cu、Pb、Zn、Ni 輕金屬輕金屬 Al、Mg、Ti有色金屬有色金屬 貴金屬貴金屬 Au、Ag、Pt 稀有金屬稀有金屬 W、Mo、U、Ta、稀土

3、金屬、稀土金屬 金屬材料分類分類特殊金屬特殊金屬非晶態(tài)金屬、形狀記憶合金、減震合金、非晶態(tài)金屬、形狀記憶合金、減震合金、 超塑金屬、儲(chǔ)氫合金、超導(dǎo)合金等超塑金屬、儲(chǔ)氫合金、超導(dǎo)合金等金屬材料的特點(diǎn)金屬材料的特點(diǎn) 金屬材料的特點(diǎn)金屬材料的特點(diǎn)1 1、常溫下為、常溫下為固體固體（HgHg除外）除外）2 2、熔點(diǎn)熔點(diǎn)較高較高 也有較低的如：也有較低的如：SnSn、PbPb、ZnZn、AlAl3 3、密度密度較大（較大（MgMg、AlAl除外除外 3g/cm3g/cm以下）以下）4 4、有、有光澤光澤5 5、延展性、韌性、延展性、韌性、可加工性好可加工性好6 6、導(dǎo)熱導(dǎo)熱性性、導(dǎo)電、導(dǎo)電性好，性好，A

4、gAg、CuCu、AlAl7 7、易、易氧化氧化鋼鋼The four types of stresses 碳鋼的牌號(hào)與用途碳鋼的牌號(hào)與用途碳素工具鋼碳素工具鋼：T T9表示含表示含C：0.9w%。用途用途制造各種刀具、量具、模具等制造各種刀具、量具、模具等鑄鋼鑄鋼：ZG ZG25，表示含，表示含C：0.25%。用途用途主要用于制造主要用于制造形狀復(fù)雜形狀復(fù)雜并需要一定并需要一定強(qiáng)度、塑性強(qiáng)度、塑性和韌性和韌性的零件，如齒輪、聯(lián)軸器等。的零件，如齒輪、聯(lián)軸器等。合金鋼合金鋼按含碳量分按含碳量分鐵及鐵基合金鐵及鐵基合金在碳鋼中加入在碳鋼中加入一種或多種合金元素一種或多種合金元素，形成的鋼稱之為合金

5、鋼。形成的鋼稱之為合金鋼。低低合金鋼合金鋼 10w按合金元素分：按合金元素分：鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等。鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等。按用途分：按用途分： 結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼。結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼。鐵及鐵基合金鐵及鐵基合金不銹鋼不銹鋼在大氣和一般腐蝕性介質(zhì)中具有很高耐蝕在大氣和一般腐蝕性介質(zhì)中具有很高耐蝕性的鋼。性的鋼。用用 途途制造在各種腐蝕性介質(zhì)中工作并具有較高抗制造在各種腐蝕性介質(zhì)中工作并具有較高抗 腐蝕能力的零件或結(jié)構(gòu)件。廣泛用于石油、腐蝕能力的零件或結(jié)構(gòu)件。廣泛用于石油、 化工、原子能、海洋開發(fā)、國防和一些先端科學(xué)化工、原子能、海洋開發(fā)、國防和一些先端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

6、技術(shù)領(lǐng)域。鐵及鐵基合金鐵及鐵基合金鑄鐵鑄鐵C 2.11%C 2.11%的鐵的鐵，通常還含有較多的，通常還含有較多的SiSi、MnMn、S S、P P等元素。等元素。用用 途途 鑄鐵是工程上最常用的金屬材料鑄鐵是工程上最常用的金屬材料，廣泛應(yīng)用在，廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、冶金、礦上、石油化工、交通等領(lǐng)域。機(jī)械制造、冶金、礦上、石油化工、交通等領(lǐng)域。在汽車占在汽車占50507070，在機(jī)床制造中占，在機(jī)床制造中占60609090。鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，價(jià)格便宜。鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，價(jià)格便宜。鐵及鐵基合金鐵及鐵基合金灰口鑄鐵灰口鑄鐵鑄鐵的種類鑄鐵的種類白口鑄鐵白口鑄鐵麻口鑄鐵麻口鑄鐵鐵及鐵基合

7、金鐵及鐵基合金鑄鐵性能特點(diǎn)鑄鐵性能特點(diǎn) 石墨的形態(tài)對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能影響較大。石墨的形態(tài)對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能影響較大。石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋和空洞，它降低基石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋和空洞，它降低基體的抗拉強(qiáng)度，并引起應(yīng)力集中。體的抗拉強(qiáng)度，并引起應(yīng)力集中。石墨量越多，石墨量越多，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度越低。鑄鐵的抗拉強(qiáng)度越低。鐵及鐵基合金鐵及鐵基合金石墨的存在對(duì)鑄鐵的特殊作用石墨的存在對(duì)鑄鐵的特殊作用1 1、切削加工性能優(yōu)異；、切削加工性能優(yōu)異；2 2、鑄造性能良好；、鑄造性能良好；3 3、具有耐磨性；、具有耐磨性；4 4、具有良好的減振性；、具有良好的減振性；5 5、對(duì)缺口不敏感；、對(duì)缺口不敏感；非鐵及

8、其合金非鐵及其合金鋁及鋁合金鋁及鋁合金銅及銅合金銅及銅合金鈦及鈦合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鎂及鎂合金鋁及鋁合金鋁及鋁合金鋁及鋁合金的特點(diǎn)鋁及鋁合金的特點(diǎn) 密度低、比強(qiáng)度高。純鋁的密度只有密度低、比強(qiáng)度高。純鋁的密度只有2700kg/m3，僅為鐵的僅為鐵的1/4。 優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電性能好、磁化率低、優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電性能好、磁化率低、耐腐蝕等。耐腐蝕等。 加工性能好。鑄造性能好、易于塑性變形，經(jīng)熱處加工性能好。鑄造性能好、易于塑性變形，經(jīng)熱處理后還具有很高的強(qiáng)度。理后還具有很高的強(qiáng)度。鋁及鋁合金鋁及鋁合金純鋁純鋁名稱名稱純度純度用途用途高純鋁高純鋁99.93%-99.99%99.

9、93%-99.99%科學(xué)研究、制作電器科學(xué)研究、制作電器工業(yè)高純鋁工業(yè)高純鋁98.85%-99.9%98.85%-99.9%鋁箔、鋁合金原料鋁箔、鋁合金原料工業(yè)純鋁工業(yè)純鋁98.0%-99.0%98.0%-99.0%電線、電纜、配置合金電線、電纜、配置合金純鋁中含有純鋁中含有FeFe、SiSi、ZnZn等元素時(shí)，會(huì)使性能下降等元素時(shí)，會(huì)使性能下降純鋁的強(qiáng)度很低，不能用作結(jié)構(gòu)材料純鋁的強(qiáng)度很低，不能用作結(jié)構(gòu)材料鋁合金鋁合金鋁及鋁合金鋁及鋁合金合金元素的作用合金元素的作用鋁中加入合金元素后，可提高合金的鋁中加入合金元素后，可提高合金的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。提高強(qiáng)度

10、的方法提高強(qiáng)度的方法固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化n時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化 在金屬基體中加入在金屬基體中加入固溶度隨溫度降低而降低固溶度隨溫度降低而降低的的合金元素，通過高溫固溶淬火處理，形成過飽和固合金元素，通過高溫固溶淬火處理，形成過飽和固溶體，通過時(shí)效，過飽和固溶體分解，合金元素以溶體，通過時(shí)效，過飽和固溶體分解，合金元素以一定方式析出，彌散分布在基體中形成沉淀相，沉一定方式析出，彌散分布在基體中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高提高淀相能有效阻止晶界和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高提高合金強(qiáng)度。合金強(qiáng)度。 鋁及鋁合金鋁及鋁合金鋁合金的種類鋁合金的種

11、類變形鋁合金變形鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金用用 途途鋁絲、鋁箔、鋁合金型材等鋁絲、鋁箔、鋁合金型材等復(fù)雜形狀的鑄件等復(fù)雜形狀的鑄件等銅及銅合金銅及銅合金銅及銅合金的特點(diǎn)銅及銅合金的特點(diǎn)優(yōu)良的物理、化學(xué)性能優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、耐腐。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、耐腐 蝕等，是抗磁材料。蝕等，是抗磁材料。 加工性能好加工性能好。容易冷熱成形，鑄造銅合金鑄造性能好。容易冷熱成形，鑄造銅合金鑄造性能好。具有某些特殊力學(xué)性能具有某些特殊力學(xué)性能。比如優(yōu)良的減摩性和耐摩性。比如優(yōu)良的減摩性和耐摩性 高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。色澤美觀。色澤美觀。銅及銅合金銅及銅合金純銅純銅純銅

12、為紫色，又稱紫銅。主要用于制作純銅為紫色，又稱紫銅。主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。工業(yè)純銅分為電導(dǎo)體及配制合金。工業(yè)純銅分為4種：種：T1、T2、T3、T4。編號(hào)越大，純度越低。編號(hào)越大，純度越低。純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料銅及銅合金銅及銅合金銅合金種類銅合金種類銅中加入合金元素后，可提高合金的強(qiáng)度，銅中加入合金元素后，可提高合金的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。并保持良好的加工性能。銅合金的種類銅合金的種類黃銅黃銅青銅青銅白銅白銅以以Zn為主要合金元素。良好的加工性能，為主要合金元素。良好的加工性能，優(yōu)良的鑄造性能，耐腐蝕性能也好。優(yōu)良的鑄造性能，耐腐蝕性能也好

13、。以以Sn為主要合金元素。用于鑄造形狀復(fù)雜為主要合金元素。用于鑄造形狀復(fù)雜的零件?？垢g性比黃銅還好。的零件。抗腐蝕性比黃銅還好。以以Ni為主要合金元素。具有較好的強(qiáng)度和為主要合金元素。具有較好的強(qiáng)度和塑性，能進(jìn)行冷加工變形，抗腐蝕性能也好。塑性，能進(jìn)行冷加工變形，抗腐蝕性能也好。鈦及鈦合金鈦及鈦合金鈦及鈦合金的特點(diǎn)鈦及鈦合金的特點(diǎn)密度低、比強(qiáng)度高。密度低、比強(qiáng)度高。耐高溫、耐腐蝕性能、低溫韌性好等。耐高溫、耐腐蝕性能、低溫韌性好等。加工條件復(fù)雜，成本較高加工條件復(fù)雜，成本較高。鈦及鈦合金鈦及鈦合金純鈦純鈦 鈦的密度低，熔點(diǎn)高，線膨脹系數(shù)小。鈦的密度低，熔點(diǎn)高，線膨脹系數(shù)小。導(dǎo)熱性差。純鈦塑性

14、好，強(qiáng)度高，可以加工成導(dǎo)熱性差。純鈦塑性好，強(qiáng)度高，可以加工成細(xì)絲和薄片。細(xì)絲和薄片。 鈦在大氣、海水及酸堿中的抗腐蝕性能好。鈦在大氣、海水及酸堿中的抗腐蝕性能好。純鈦的晶體結(jié)構(gòu)純鈦的晶體結(jié)構(gòu) 882.5C：體心立方結(jié)構(gòu)。：體心立方結(jié)構(gòu)。Ti鈦及鈦合金鈦及鈦合金鈦合金鈦合金鈦中加鈦中加鋁、硼鋁、硼，獲得，獲得Ti合金。合金。其強(qiáng)度較低，但高溫（其強(qiáng)度較低，但高溫（500600度）強(qiáng)度度）強(qiáng)度很高?？寡趸?、抗蠕變性、焊接性能良好。很高?？寡趸浴⒖谷渥冃?、焊接性能良好。鈦中加鈦中加鉬、鉻、釩鉬、鉻、釩，獲得，獲得Ti合金。合金。其強(qiáng)度高，沖壓性能好，并可通過淬火其強(qiáng)度高，沖壓性能好，并可通過淬

15、火和時(shí)效獲得強(qiáng)化。和時(shí)效獲得強(qiáng)化。其塑性好，容易鍛造、壓延和沖壓，可其塑性好，容易鍛造、壓延和沖壓，可通過固溶和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后的通過固溶和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度可提高強(qiáng)度可提高50100。鈦合金鈦合金鈦合金鈦合金鈦合金的種類鈦合金的種類鎂及鎂合金鎂及鎂合金純鎂的特點(diǎn)純鎂的特點(diǎn) 密度低、比強(qiáng)度高。密度低、比強(qiáng)度高。純鎂的密度只有純鎂的密度只有1749kg/m3，僅為鐵的僅為鐵的1/4、鋁的、鋁的2/3。鎂的電極電位較低，抗腐蝕性能差。鎂的電極電位較低，抗腐蝕性能差。鎂屬于密排六方結(jié)構(gòu)，因此塑性變形能力差。鎂屬于密排六方結(jié)構(gòu)，因此塑性變形能力差。鎂及鎂合金鎂及鎂合金鎂合金的特點(diǎn)鎂合金

16、的特點(diǎn)低比重：低比重：工業(yè)用材料中工業(yè)用材料中最輕量材料（鋁的最輕量材料（鋁的2/32/3重）重）高比強(qiáng)度高比強(qiáng)度：優(yōu)于鋼和鋁優(yōu)于鋼和鋁 震動(dòng)吸收性好震動(dòng)吸收性好：可將震動(dòng)能吸收并轉(zhuǎn)化成熱放出可將震動(dòng)能吸收并轉(zhuǎn)化成熱放出易機(jī)械加工、耐沖擊性好、電磁屏蔽性好、易機(jī)械加工、耐沖擊性好、電磁屏蔽性好、 可再生利用：有利于環(huán)境優(yōu)化可再生利用：有利于環(huán)境優(yōu)化鎂及鎂合金鎂及鎂合金鎂合金的種類鎂合金的種類變形鎂合金變形鎂合金鑄造鎂合金鑄造鎂合金用用 途途鎂合金各種型材鎂合金各種型材復(fù)雜形狀的鑄件復(fù)雜形狀的鑄件貴金屬貴金屬 貴金屬具有優(yōu)良的貴金屬具有優(yōu)良的高溫抗氧化性和抗腐蝕性能、高溫抗氧化性和抗腐蝕性能、電學(xué)性能、高的催化活性、強(qiáng)配位能力電學(xué)性能、高的催化活性、強(qiáng)配位能力。 在應(yīng)用中有