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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),第六章 工程合金,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。,第一节 黑色金属,按化学成分分类:,按冶炼方法分类:,钢,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。,钢的编号,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。,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。,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“ZG200400”表示其屈服点为20MPa,其抗拉强度为400MPa。,碳钢又称碳素钢,其主要合金元素为碳。,碳 钢,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。,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)。,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。,合金钢,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。,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。,不锈钢,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。,金属腐蚀的基本概念,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。,提高抗电化学腐蚀能力的措施: 减少原电池形成的可能性,使金属具有均匀的单相组织; 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; 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。,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Wcr18%,WNi8%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。,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、CrNi,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Wcr12%。,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。,铸铁的石墨化过程, 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)。 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。,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。, 第二阶段石墨化进行充分时:铁素体+石墨; 第二阶段石墨化部分进行时:(铁素体+珠光体) 基体+石墨; 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。,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。,铸铁的性能特点,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。,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。,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。,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)。,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。,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。,铝及铝合金,1、产量占有色金属首位;成本低廉(地壳含量8.2%); 2、密度低(2.632.85g/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)。,铝合金概述,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0253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。,铝合金分类,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(4.85.5)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。,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。,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。,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。,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。 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。,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
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