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1、第四章 金属材料主要内容v金属材料的概况v铁及铁基合金v非铁及其合金v金属材料的制备与加工铝合金轮毂镁合金笔记本电脑铂合金首饰青铜器钢铁航母钢铁材料世界最长的高原铁路青藏铁路1142公里金属材料 纯金属和以纯金属为基体的合金材料的总称。合 金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的具有金属特性的物质。纯金属：由一种金属元素构成的单质；在103种元素中，金属元素有83种金属元素的种类u固溶体：一种或多种溶质原子溶于固态金属溶剂的晶格中而形成的仍保持溶剂晶体结构的合金相 。金属材料的物相u金属间化合物：合金组元相互作用形成的具有 自己独特的晶体结构和性质的新相置换固溶体 间隙固溶体u单
2、质金属的同素异晶体金属材料分类非铁及其合金l 黑色金属l 有色金属l 特殊金属铁及铁基合金钢铁：占人类使用金属的90以上金属材料分类黑色金属分类纯铁 含C 2 碳素钢合金钢 铁及铁基合金金属材料分类重金属 Cu、Pb、Zn、Ni 711g/cm3轻金属 Al、Mg、Ti 2% 有游离石墨存在Si、Mn、S、P等。铸 铁铸造性能良好；切削加工性能优异；耐磨；良好的减振性；对缺口不敏感；性能特点：组成特点：铁及铁基合金钢铁材料 历史悠久汽车：5070;机床：6090。铸 铁 生产设备和工艺简单，价格便宜工程上最常用：机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通。铸铁的应用柴油发电机箱体CK7516A/20
3、A数控车床铁及铁基合金钢铁材料铸铁的种类u白口铸铁u麻口铸铁u灰口铸铁根据碳在铸铁中的存在形式和断裂断口颜色游离石墨；暗灰色渗碳体；白亮色渗碳体+游离石墨；石墨形态普通灰铸铁 片状球墨铸铁 球状可锻铸铁 团絮状蠕墨铸铁 蠕虫状普通灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁铁及铁基合金钢铁材料数量：石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。 (石墨相当于铁基体中的裂纹和空洞，它降 低基体的抗拉强度，并引起应力集中。)石墨对铸铁性能的影响分布：均匀大小：中等为宜形态：影响较大 片状力学性能最差 球状、团絮状力学性能最好碳钢的分类1.按碳的质量百分数：含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低铁及铁基合金钢铁材料低碳钢（C：
4、0.25）中碳钢（C：0.25 C 0.6）高碳钢（C：0.6）碳钢的分类2.按钢的质量(主要是杂质S、P的含量)：铁及铁基合金钢铁材料普通碳素钢（S 0.055，P 0.045)优质碳素钢（S 0.040，P 0.040)高级优质碳素钢（S 0.030，P 0.035)碳钢的分类3.按用途：铁及铁基合金钢铁材料碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、 机器零件等碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等碳钢的牌号与用途普通碳素结构钢：优质碳素结构钢：制造各种机器零件Q195Q235塑性好轧制成钢板、钢筋、钢管等Q255、Q275轧制成型钢、钢板等。铁及铁基合金钢铁材料Q195、 Q215、 Q
5、235、 Q255、 Q275等。数字表示最低屈服强度。 以碳的平均质量万分数表示。如20、45等。用途钢号用途钢号碳钢的牌号与用途碳素工具钢：用途制造各种刀具、量具、模具等铸 钢：用途制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。铁及铁基合金钢铁材料以碳的平均质量千分数表示，在前冠以T。如 T9，表示含C：0.9% 。钢号以碳的平均质量万分数表示，在前冠以ZG 。如 ZG25，表示含C：0.25%。钢号合金钢铁及铁基合金钢铁材料低合金钢（总质量分数 5）中合金钢（总质量分数510）高合金钢（总质量分数 10）。铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。n按所含合金元素的多少分：n按主要
6、合金元素种类分：合金钢铁及铁基合金钢铁材料n按用途分：结构钢工具钢特殊性能钢制造各种工程结构和机器零件工程(构件)用钢；渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢制造各种加工工具刃具钢、模具钢、量具钢具有特殊物理或化学性能不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工钢合金元素的作用机制铁及铁基合金钢铁材料l合金元素与铁的作用：溶于铁形成固溶体。l合金元素与碳的作用影响铁的同素异晶转变；固溶强化使钢的室温强度提高。非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti合金渗碳体合金碳化物弥散强化；提高硬度和耐磨性。合金结构钢的应用圆锥齿轮调质钢合金结构钢的应用活塞
7、销( 20Cr )柴油机凸轮轴渗碳钢柴油机曲轴汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝弹簧钢合金结构钢的应用合金结构钢的应用滚动轴承钢滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承合金工具钢的应用车刀铣刀钻头高速钢合金工具钢的应用曲轴模具模具钢汽车四缸压铸模汽车四缸压铸模汽车冲压模具模 具合金工具钢的应用卡 尺量 规千分尺量具钢量 具不锈钢特殊性能钢在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种。用 途在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件。铁及铁基合金钢铁材料石油、化工、原子能、海洋开发、国防和一些尖端科技领域。特殊性能钢的应用不锈钢特殊性能钢的应用硝酸生产装置合成氨生产装置不锈钢特殊性能钢的应用发动
8、机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门耐热钢特殊性能钢的应用球磨机挖掘机颚式破碎机耐磨钢我国钢铁材料的概况中国钢铁产量世界第一，2009年钢产量约5.678亿吨，占全世界产量的46.6%，是排名前五的日本、俄罗斯、美国和印度粗钢产量之和的2.2倍。特种钢材仍需靠进口。新一代钢铁材料超级钢细化晶粒度和组织，提高纯净度，改善均匀性1997年日本 “超级钢基础研究”十年计划；1998年韩国 “21世纪高性能结构钢”计划；2001年欧盟 “超细晶粒钢开发”计划；2002年美国 两个超级钢开发项目。提高强度(屈服强度提高1倍)延长寿命指导思想目的量大面广的普通结构钢主要对象新一代钢铁材料超级钢v1998年
9、国家重点基础研究发展规划项目(973) “新一代钢铁材料重大基础研究” 目标：采用高新技术提高钢铁产品质量、促进钢材品种的更新换代 v2001年 国家高技术研究发展计划(863计划)项目“500MPa碳素钢先进工业化制造技术 在目前设备条件下，通过轧制与冷却工艺的改进细化晶粒，并配合相变强化等手段，在保证韧性和塑性的同时，使量大面广的普通结构钢屈服强度从200MPa提高到500MPa。取代部分微合金钢和低合金高强度钢，节省合金元素，大幅度降低成本，增加产品附加值巨大的经济效益;钢铁及相关领域的生产工艺、设备和产品的升级换代，全面提升钢铁基础材料产业的技术水平;节约钢铁材料，废钢易于回收利用利于
10、环境保护和可持续发展。意义新一代钢铁材料超级钢我国超级钢开发和应用技术位居前列并率先实现了产业化。 2005年 超级钢产量逾400万吨。一汽用超级钢制造的卡车横梁 新一代钢铁材料超级钢有色金属及其合金铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能铝及铝合金结构及性能特点熔点(660) 资源丰富、成本低 塑性高、加工、铸造性能好 耐腐蚀，表面很容易生成Al2O3薄膜 导电、导热性好，非磁性 密度小(2.7g/cm3、铁的1/3)、强度低铝合金高比强度(强度接近低合金钢)面心立方晶格铝及铝合金应用领域 航空 建筑 容器包装 交通运输 电力和电子 机械制造 石油化工第二大金
11、属材料铝合金的应用铝合金的应用各式工业、建筑铝合金型材 铝合金的应用铝合金门窗 铝管材 铝板 玻璃幕墙 卫浴铝材 铝合金硬盘盒 飞机翼梁(腹板为硬铝合金)飞机主起落架铝合金的应用铝及铝合金纯 铝名称纯纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、电容器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝的强度很低，不能用作结构材料铝合金铝及铝合金提高合金的强度，并保持良好的加工性能。提高强度的机制固溶强化时效强化弥散强化细晶强化合金元素的作用铝合金铝及铝合金v常用合金元素：铝合金v存在形式：Si、Mg、Cu、MnZn及稀土元素等Al基有限
12、固溶体铝及铝合金铝合金的种类形变铝合金铸造铝合金用 途铝丝、铝箔、铝合金型材线、板、管、棒材等复杂形状的铸件等防锈铝合金硬铝合金超硬铝合金锻铝合金Al-Si系合金Al-Cu系合金Al-Mg系合金Al-Zn系合金u防锈铝(LF)铝及铝合金Al-Mg、 Al-Mnu硬铝合金(LY)：AlCuMg铝及铝合金通过时效强化提高强度；但耐蚀性不高。u超硬铝合金(LC) ：AlZnMgCu通过时效强化和形成的强化相最高的硬度和强度；但耐蚀性较差。压气机叶片良好的热塑性；通过固溶处理和人工时效提高力学性能。 u锻铝合金(LD):铝及铝合金Al-Mg-Si-Cuu铸造Al-Si合金(ZL)活塞(裙部为铝硅合金)
13、铝及铝合金航空工业中应用最为广泛，综合性能最好u铸造Al-Cu合金：气缸头较高的强度、塑性及耐热性;铸造性能和耐蚀性较差。u铸造Al-Mg合金:较高的强度、韧性及耐蚀性,铸造性能和耐热性较差。鼓风机用密封件及航空架件铝及铝合金u铸造Al-Zn合金：大型空压机活塞良好的铸造性；强度高；耐蚀性差。铝合金的新进展应用：航空航天、 汽车领域Al-Li合金低密度、高弹性模量高比强度、高比刚度2195Al-Li合金代替2219合金，减轻重量约3500Kg。奋进号液氢液氧外推进剂贮箱铜及铜合金特 点 优良的物理、化学性能 导电、导热性能好、耐腐 蚀、抗磁材料。 强度低、塑性高、加工性能好 某些特殊力学性能
14、优良的减摩性和耐磨性、 高的弹性极限和疲劳强度。 色泽美观。密度(8.9g/cm3)面心立方晶格熔点：1083铜及铜合金应用领域电机电气仪表造船机械制造铜及铜合金紫红色，又称紫铜。纯铜的强度低，不宜用作结构材料，主要用于制作电、热导体及配制合金。纯 铜工业纯铜：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。无氧铜：氧含量不大于0.003脱氧铜铜及铜合金合金元素的作用提高强度，并保持良好的加工性能。铜合金的种类黄铜(H)以Zn为主要合金元素。良好的加工性能，优良的铸造性能和耐腐蚀性能。青铜(QM)以Sn、Al、Si、Be为主要合金元素。锡青铜、铝青铜、铍青铜。用于铸造形状复杂的零件，抗腐蚀性比黄铜
15、好。白铜(BM)以Ni、Mn为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。铜合金常见的黄铜应用法兰阀闸阀冷凝器管n金奖黄铜H90n弹壳黄铜H70 ( H68 )n日用黄铜H62 ( H59 )常见的黄铜应用青铜、白铜的应用n青铜：船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械。耐蚀耐磨、防磁、受冲击不产生火花的零件，如精密仪器仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。n白铜：青铜、白铜的应用铝青铜白铜锡青铜铅黄铜管材铜及铜合金纳米金属铜的超延展性钛及钛合金特 点v耐高温、低温韧性好v加工条件复杂，成本较高。v比强度高(金属中最高)，强度相当于优质钢密度小(4.5g/cm3)、熔点高(16
16、68)v资源丰富v耐蚀性能好、生物相容性好钛及钛合金纯 钛银白色晶体结构 882.5：体心立方结构Ti钛及钛合金-钛合金钛中加铝、硼强度较低，但高温(500600度)强度很高。抗氧化性、抗蠕变性、焊接性能良好。钛中加钼、铬、钒强度高，冲压性能好，并可通过淬火和时效进行强化。同时加入和稳定元素塑性好，容易锻造、压延和冲压，可通过固溶和时效进行强化。(+)-钛合金-钛合金钛合金钛合金用途超大型客机空客A380，用钛量为45t/架-65t/架F15战斗机，结构用钛5.75t，2台喷气发动机用钛5tF18舰载战斗机，用钛量占其总重的12%-13%（净重） 航空航天工程 海洋工程 化工工程 生物医学材料 体育用品等钛合金钛飞船钛合金钛合金nTi-6Al-4V（牌号：TC4） 现有航空航天用钛合金中，应用最广泛、综合性能好 通过热处理可使抗拉强度高达1173MPa， 用量达各种钛合金总用量的一半以上 ()型钛合金，Al5-6%、V4%。用来制造工作温度不超过400的各种飞机结构件和发动机零部件钛合金的新进展（1）高强高韧型钛合金 l 加入大量稳定元素l 高强度(1400-1500MPa)，深淬透性
