工程材料學(xué)-常見金屬材料

常見鑄鐵有白口鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。此外還有合金元素含量較多的合金鑄鐵。

1、鑄鐵(Fe-C-Si合金）

鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。4.3.1.白口鑄鐵

特點(diǎn)：碳全部以的形式存在，斷口較白亮，組織：珠光體和粗大碳化物，質(zhì)硬而脆。

用途：用于制造要求耐磨損的鑄造零件，如球磨機(jī)中的球。還可作為煉鋼原料。分類：

鐵素體灰口鑄鐵、

珠光體灰口鑄鐵、

鐵素體-珠光體灰

口鑄鐵。灰口鑄鐵特點(diǎn)：碳大部分或全部以片狀石墨狀態(tài)存在，斷口呈暗灰色。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機(jī)械性能：強(qiáng)度低，塑性、韌性極差。但抗壓強(qiáng)度接近鋼。

減震性：石墨可吸收震動(dòng)能量，

耐磨性：因石墨有自潤滑作用；鑄鐵有天然的潤滑槽；從而使鑄鐵具有良好的耐磨性和減磨性。

工藝性：具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性。

其中“HT”為“灰鐵”二字漢語拼音第一字母，

后面數(shù)字表示直徑為30mm單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度下限。

灰口鑄鐵牌號(hào)應(yīng)用氣缸體、導(dǎo)軌、箱體、殼體、機(jī)床床身孕育鑄鐵是抗拉強(qiáng)度大于250N/mm2的灰口鑄鐵。它是在鐵水中加入一定量的硅鐵作孕育劑，得到均勻分布著細(xì)小片狀石墨的灰口鑄鐵?；铱阼T鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：石墨呈球狀分布。在澆鑄前加入特殊的變質(zhì)劑(鎂或鎂加稀土等)得到?；w組成：

鐵素體、珠光體、或珠光體加鐵素體等?？梢詫?duì)基體進(jìn)行熱處理。

球墨鑄鐵

球狀石墨減少了對(duì)基體的割裂作用，提高了強(qiáng)度、塑性及韌性。力學(xué)性能是鑄鐵中最高的，再加上良好的鑄造性、優(yōu)異的切削加工和耐磨性，使球墨鑄鐵兼有灰口鑄鐵和鋼的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用：

曲軸、連桿，凸輪。

牌號(hào)：

例QT400-18性能特點(diǎn)：

可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵經(jīng)過長時(shí)間的高溫退火，使其中的滲碳體分解，得到團(tuán)絮狀的石墨分布在鐵素體或鐵素體加珠光體基體上的鑄鐵。

可鍛鑄鐵性能：與灰口鑄鐵相比，強(qiáng)度高，塑性和韌性尤突出，可以進(jìn)行彎曲變形。但可鍛鑄鐵不可以鍛造.

用途：要求有一定強(qiáng)度、韌性及耐磨性的鑄件，如各種農(nóng)機(jī)、紡織機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)零件(輪轂、閥門、軸瓦)及自來水管的彎頭等

牌號(hào)：KTH370-12

隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鑄鐵不僅要求具有更高的機(jī)械性能，同時(shí)要求它具有耐磨、耐熱、耐腐蝕等特殊性能，因此需要加入合金元素，獲得合金鑄鐵。合金鑄鐵

用途：機(jī)床導(dǎo)軌、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套、活塞環(huán)等零件。(1).高磷合金鑄鐵磷：0.4-0.7%，以Fe3P化合物存在，并與鐵素體或珠光體形成共晶體，以斷續(xù)網(wǎng)狀分布在珠光體基體上，形成堅(jiān)硬的骨架，顯著提高了鑄鐵的耐磨性。Cr、Mn、V、Ti、W等：可強(qiáng)化和細(xì)化基體，使其強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步提高。性能：強(qiáng)度和耐磨性比HT200灰口鑄鐵高出一倍以上。

目前機(jī)床制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種耐磨鑄鐵。

(2).鉻鉬銅合金鑄鐵鉻、鉬可形成穩(wěn)定的碳化物，銅能促進(jìn)珠光體灰口鑄鐵形成，制作：由難熔金屬的碳化物，如WC、TiC、TaC、NbC等，以鈷或鎳等做粘接劑，用粉末冶金的方法制成的合金材料，

2、硬質(zhì)合金

組織：顆粒狀碳化物加鈷基或鎳基固溶體。

硬質(zhì)合金的硬度很高，一般在HRA86-93之間，切削速度可比高速鋼提高一倍，且具有很高的紅硬性，但是硬質(zhì)合金的脆性很高，刀具容易崩刃。

硬質(zhì)合金無需熱處理，不能鍛造，也不能切削加工。性能硬質(zhì)合金按其成份和用途大致分類為：

(1)WC-Co硬質(zhì)合金YG3、YG4C

(2)WC-TiC-Co硬質(zhì)合金YT5、YT15

(3)WC-TiC-TaC(NbC)硬質(zhì)合金YW1、YW2

(4)超細(xì)晶粒WC-Co硬質(zhì)合金

(5)涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)中，Y表示硬質(zhì)合金；G為鈷，T為鈦，其后數(shù)字分別表示含鈷量和含TiC的含量。W表示通用合金，C為粗顆粒；X為細(xì)顆粒，皆為漢語拼音字頭。特點(diǎn)：比強(qiáng)度高，比剛度大（相當(dāng)于高強(qiáng)度鋼與超高強(qiáng)度鋼）抗腐蝕性、工藝性良好、塑性好。

3、

鋁合金

航空上主要用于飛機(jī)的蒙皮、隔框、長梁、桁條和鍛、鑄件等。一架波音747客機(jī)，需要消耗約18.6噸鋁；

航天技術(shù)上主要用于氣動(dòng)加熱溫度在150℃以下的運(yùn)載火箭和宇宙飛行器，也用在衛(wèi)星、航天飛機(jī)等其他航天器結(jié)構(gòu)上。

熔點(diǎn)為660℃,面心立方晶格,無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，比重輕2.7克/厘米3。在大氣中易氧化，但抗蝕性良好。

牌號(hào)：L1～L7

L即“鋁”。數(shù)字：序號(hào)，越大雜質(zhì)越多。

用途：鋁箔、蜂窩、電線、電纜和生活用品等。純鋁純鋁是極其柔軟的金屬，塑性好，但強(qiáng)度不高，不易做承力結(jié)構(gòu)材料使用。鋁合金的分類變形鋁合金鑄造鋁合金aa+bL+aL+bL溫度ADF可熱處理強(qiáng)化鋁合金不可熱處理強(qiáng)化鋁合金5.6533.2660W(Cu)/%Al◆再結(jié)晶退火：消除鋁合金在冷變形過程中產(chǎn)生的加工硬化，提高材料的塑性。

◆去應(yīng)力退火：將零件加熱到再結(jié)晶溫度以下溫度(約200-300℃)，保溫后空冷。

◆完全退火：加熱溫度高于該合金中化合物溶解的溫度,保溫后慢冷。

退火鋁合金的熱處理組織性能：塑性最大

用于使半成品板材、型材軟化

變形鋁合金的退火主要有再結(jié)晶退火、消除應(yīng)力退火和完全退火。

鑄鋁件也進(jìn)行去應(yīng)力退火和完全退火，以消除鑄造應(yīng)力、細(xì)化晶粒。

淬火：將鋁合金加熱到溫度高于其溶解度曲線以上，保溫快冷。

目的：為了將高溫下的固溶體固定到室溫，

性能：其塑性顯著增加，而強(qiáng)度和硬度提高不多，需經(jīng)處理,才能提高強(qiáng)度、硬度。

淬火和時(shí)效得到均勻的過飽和固溶體。

時(shí)效原因：無晶格轉(zhuǎn)變扭曲過程；

消除了脆硬強(qiáng)化相；

固溶強(qiáng)化效果不明顯。

淬火后的鋁合金在室溫停留或加熱保溫后其強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象（是第二相從飽和固溶體中沉淀的過程）。效時(shí)2503003504000123456(天)200℃150℃20℃100℃-5℃-5℃sb(MPa)自然時(shí)效：

在室溫下進(jìn)行的時(shí)效。

人工時(shí)效：

在加熱情況下進(jìn)行的時(shí)效。時(shí)效曲線的應(yīng)用：

孕育期：經(jīng)淬火的鋁合金，在時(shí)效初期強(qiáng)度變化很小，這段時(shí)間叫做孕育期。生產(chǎn)上利用孕育期進(jìn)行冷變形，或?qū)Υ慊鹱冃瘟慵Ｕ?/p>

當(dāng)溫度很低時(shí)，時(shí)效過程不能進(jìn)行。生產(chǎn)上利用這一特性將大批板料或鉚釘淬火后冷凍存放，使用或加工時(shí)取出。鉚接或成型時(shí)材料有很好的塑性，隨后自然時(shí)效強(qiáng)度升高。

有些鋁合金不能自然時(shí)效，只能人工時(shí)效，如LC4。變形鋁合金通常經(jīng)不同的變形加工方式生產(chǎn)成各種半成品提供使用，如板、棒、管、線、型材及鍛件等。變形鋁合金變形鋁合金編號(hào)Al–-MnAl-–MgAl-Cu-MgAl-Cu-Mg-ZnAl-–Mg-Si–CuAl-Cu-Mg--Fe-Ni變形鋁合金不可熱處理強(qiáng)化防銹鋁3A21(LF21)5A05 (LF10)可熱處理強(qiáng)化硬鋁2A11 (LY11)2A12 (LY12)超硬鋁7A04 (LC4)7A09 (LC9)鍛鋁2A14 (LD10)2A50 (LD5)2B70 (LD7-1)2A80 (LD8)變形鋁合金按照合金系列分為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 備用系。1.防銹鋁合金—LF21特點(diǎn)：抗蝕好、易于加工成形和焊接。但不能熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度較低。

用途：要求抗腐蝕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。特點(diǎn)：具有強(qiáng)烈的時(shí)效硬化能力。強(qiáng)度高,抗蝕性和焊接性能較差。

用途：制造飛行器各種承力構(gòu)件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱等。

合金系：A1-Cu-Mg和A1-Cu-Mn系。硬鋁合金—LY12、LY11超硬鋁合金—LC4超硬鋁是在硬鋁的基礎(chǔ)上再加鋅而成

------固溶+時(shí)效

性能：強(qiáng)度高于硬鋁，故稱超硬鋁合金，

應(yīng)用：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，如翼梁、螺旋槳葉、起落架等。以Al-Mg-Si系為主

性能：具有良好的熱塑性、焊接、抗蝕、冷加工等性能。

應(yīng)用：承受重載的鍛件、模鍛件。鍛造鋁合金---LD5鑄造鋁合金

鑄造鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是比重小，比強(qiáng)度較高，并有良好的抗蝕性和鑄造工藝性。鑄造鋁合金按成分不同可分為以下五類：Al-Si系合金

鋁硅合金又稱為硅鋁明，

特點(diǎn)：這類合金具有優(yōu)良的鑄造性能。加入Cu、Mg、Mn等元素使合金強(qiáng)化，并通過熱處理進(jìn)一步提高機(jī)械性能。

如ZL-105抗拉強(qiáng)度可達(dá)230Mpa。鋁硅合金廣泛應(yīng)用于各種形狀復(fù)雜的鋁鑄件等，該系合金可做內(nèi)燃機(jī)活塞、汽缸體、汽缸頭、汽缸套，及輪緣、剎車轂、電機(jī)殼、儀表殼體等。鋁硅合金占鑄鋁總產(chǎn)量的50%以上。Al-Cu系合金

鋁銅合金的特點(diǎn)是有較高的強(qiáng)度，適合在較高溫度下工作。如ZL-201

熱處理后的抗拉強(qiáng)度為330MPa。強(qiáng)度值相當(dāng)于較好的灰口鑄鐵，比強(qiáng)度超過鑄銅。含鎳、錳的鋁銅合金有較好的耐熱性，工作溫度可達(dá)300℃，鋁銅合金用于強(qiáng)度要求較高，在較高溫度下工作的零件，如工作溫度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。

鋁鎂合金屬于高強(qiáng)和高耐蝕性合金，化工部門、造船工業(yè)應(yīng)用較多。缺點(diǎn)是耐熱性和鑄造工藝性較差。

Al-Mg系合金(ZL301)這類合金的特點(diǎn)是具有自淬火效應(yīng)，鑄造成型后即可進(jìn)行人工時(shí)效。由于省去了淬火工序，鑄件的內(nèi)應(yīng)力大為減小，適于制造要求尺寸穩(wěn)定性高的鑄件。如儀表零件，醫(yī)療器械等。

Al-Zn系合金(ZL401)Re表示稀土元素。這類合金由于是以A1-Si系為基礎(chǔ)，所以具有良好的鑄造工藝性和耐熱性。目前用它制作柴油機(jī)、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，使用壽命比一般鋁合金活塞高七倍以上。

鑄造鋁合金牌號(hào)用ZAl表示“鑄鋁”后標(biāo)注合金元素及百分含量。鑄鋁也常用代號(hào)表示，在ZL后有三位數(shù)字：第一位代表合金系，其余為合金順序號(hào)。各種鑄造鋁合金的牌號(hào)、性能，見表5-23。

Al-Re系合金(ZL501)鈦合金的是：

a.比強(qiáng)度高:鈦合金的σb可達(dá)1500MPa，可與超高強(qiáng)度鋼媲美，而比重只有鋼的一半，比強(qiáng)度是常用工程材料中最高的。

4、純鈦和鈦合金主要優(yōu)點(diǎn)純鈦熔點(diǎn)1667℃,比重4.5g/cm3,室溫下為密排六方結(jié)構(gòu),882.5℃以上為體心立方結(jié)構(gòu)。:鈦合金可在550℃以下工作，可望提高到800℃，斷裂韌性也較高，優(yōu)于鋁合金和一些結(jié)構(gòu)鋼。

:鈦合金低溫韌性很好，在-253℃時(shí)仍具有良好的韌性，是唯一能在超低溫下使用的工程金屬。

:鈦在大氣、水、海水、硝酸、稀硫酸等腐蝕介質(zhì)中的抗蝕性優(yōu)于不銹鋼。例如，某冷凝管在海水中試驗(yàn)16年之后，尚未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

b.熱強(qiáng)度高c.低溫性能好d.抗蝕性好鈦合金的是工藝性差，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小、摩擦系數(shù)大、切削性差；鈦合金的彈性模量小，變形時(shí)回彈大，σ0.2/σb比值高，冷變形困難；鈦合金硬度低，不耐磨，不能作抗磨結(jié)構(gòu)件。另外，鈦合金成本高，應(yīng)用受到限制。

鈦合金按其組織可分成α型(TA)、β型(TB)、α+β型(TC)。部分鈦合金的成分和性能見表5-24。

主要缺點(diǎn)現(xiàn)有航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是多用途的α+β型Ti-6A1-4V合金。用于制造工作溫度不超過400℃的各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。如發(fā)動(dòng)機(jī)壓