工程材料 第五章
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工程材料第五章 铁碳合金相图及应用
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
工程材料力学基础第五章
三、疲劳裂纹扩展的影响因素
1、应力强度因子范围ΔKI的影响 应力强度因子范围ΔK 应力比（或平均应力） 2、应力比（或平均应力）的影响 3、过载峰及裂纹塑性区的影响 实验表明：在恒载裂纹疲劳扩展中间，适 当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间， 发生裂纹扩展的过载停滞现象。 裂纹尖端塑性区的残余压应力→使裂纹产 生闭合效应，故能降低da/dN 4、 材料组织和力学性能的影响
疲劳裂纹扩展曲线
2、应力强度因子范围
由断裂力学裂纹尖端应力强度因子理论：
∆K = Kmax − Kmin = Yσmax a −Yσmin a = Y∆σ a
ΔK就是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的复合 力学参量
3、da/dN--ΔkI （or lgda/dN-- lgΔkI）曲线 da/dN---Δk lgda/dN-将a-N曲线可转化为由ΔkI控制 的疲劳裂纹扩展速率曲线： da/dN -ΔkI 或 lgda/dNlgΔkI 由曲线可知，可分为三个区： I区：疲劳裂纹初始扩展阶段 da/dN 很 小 ， 当 ΔkI≥Δkth 时 ， 随 ΔkI↑→da/dN↑↑ ， 但ΔkI 变 化范围 很小， 所占 扩展寿命不长。
1、qf = 1 即 kf = kt 缺口试样疲劳过程中应力分布 与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布， 材料的疲劳缺口敏感性最大。 2、qf = 0 即 kf =1 σ-1 =σ-1 N 缺口不降低疲劳极限， 疲劳缺口敏感性最小。 3、一般： 0 < qf < 1 ↑→qf↑ 同样材料：强度（或硬度）
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），用肉眼或低倍放大镜 观察，在断口上常能看到一个明显的亮斑，疲劳源 是疲劳裂纹萌生的策源地，它一般总是产生在构件 表面层的局部应力集中处，但如果构件内部存在缺 陷，如脆性夹杂物、空洞等，也可在构件内部或皮 下产生。疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下， 其应力幅值较大，断口上常有几个不同位置的疲劳 源。 可以根据每个疲劳区的大小，贝纹线的密度及源 区的光亮度去确定各个疲劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相连疲劳区越大；贝纹线越多越 密者→疲劳源越先产生。
工程材料 第五章 铁碳合金相图及应用
2020/10/16
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
2020/10/16
§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
2020/10/16
（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
E
2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
2020/10/16
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
2020/10/16
300
1200
wc
对
退
1000
火
碳 200
800
钢
力
学
600
性
能 100
400
的
影
响
200
HB
2020/10/16
0b/MP
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
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§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
2020/10/16
（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
E
2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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300
1200
wc
对
退
1000
火
碳 200
800
钢
力
学
600
性
能 100
400
的
影
响
200
HB
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
第五章工程材料的强化理论
第五章 工程材料的强化理论
工程上应用的金属材料通常是多晶体。 最常见的强化方法： （1）形变强化 （2）固溶强化 （3）第二相强化 （4）细晶强化。
5.1 形变强化
形变强化（加工硬化）：金属材料经塑性变形后，其强度 和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。
金属制件的压力加工方法：锻造、轧制、拉拔、和冲压等。 压力加工特点 ：使金属在外力作用下，发生不能自行 恢复的形状和尺寸的变化，即塑性变形。 目的： （1）深入理解各种机械性能指标的本质； （2）充分发挥金属材料的潜力； （3）正确掌握压力加工和退火工艺。
单晶体的屈服强度将随着取向因子的变化而变化。为什 么？ 外力方向改变，加在滑移系上的取向因子也会发生改变， λ 、φ 都接近45 º ，取向因子取得极大值，s最低 ，称 为软位向，当λ 、φ 只要有一个接近90 º 时，取向因子趋 近于零， s 趋近于无穷大，为硬位向。 (4) 滑移的位错机制
(2)再结晶
定义：塑性变形金属加热到一定温度之后，在变形组织的基体中， 重新生成无畸变的新晶粒的过程。 再结晶驱动力来自储存能 再结晶温度：是指冷变形金属开始再结晶的最低温度。 T再= （(0.35~0.4) T熔)
原子活动能力增强，变形组织的基体上产生新的无畸变的 晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织。 经过再结晶后，冷变形金属的强度、硬度显著下降，塑性、 韧性显著提高，微观内应力完全消除，储存能全部释放。 加工硬化状态消除，金属又基本上恢复到冷变形之前的性 能。
变形黄铜的再结晶
金属的再结晶过程是通过形核和长大方式完成的。但它不是相变过 程，这与结晶不同。再结晶过程也不是一个恒温过程，而是自某一 温度开始，随着温度的升高和保温时间的延长而逐渐形核、长大的 连续过程。因而再结晶温度是指冷变形金属开始进行再结晶的最低 温度。通常定义为变形量很大(≥70%)的金属在1h的保温过程中， 能够完成再结晶的最低温度。大量实验表明，再结晶温度T再与熔 点T熔（以绝对温度表示）之间存在如下近似关系：T再 = (0.35~0.4)T熔 。
工程上应用的金属材料通常是多晶体。 最常见的强化方法： （1）形变强化 （2）固溶强化 （3）第二相强化 （4）细晶强化。
5.1 形变强化
形变强化（加工硬化）：金属材料经塑性变形后，其强度 和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。
金属制件的压力加工方法：锻造、轧制、拉拔、和冲压等。 压力加工特点 ：使金属在外力作用下，发生不能自行 恢复的形状和尺寸的变化，即塑性变形。 目的： （1）深入理解各种机械性能指标的本质； （2）充分发挥金属材料的潜力； （3）正确掌握压力加工和退火工艺。
单晶体的屈服强度将随着取向因子的变化而变化。为什 么？ 外力方向改变，加在滑移系上的取向因子也会发生改变， λ 、φ 都接近45 º ，取向因子取得极大值，s最低 ，称 为软位向，当λ 、φ 只要有一个接近90 º 时，取向因子趋 近于零， s 趋近于无穷大，为硬位向。 (4) 滑移的位错机制
(2)再结晶
定义：塑性变形金属加热到一定温度之后，在变形组织的基体中， 重新生成无畸变的新晶粒的过程。 再结晶驱动力来自储存能 再结晶温度：是指冷变形金属开始再结晶的最低温度。 T再= （(0.35~0.4) T熔)
原子活动能力增强，变形组织的基体上产生新的无畸变的 晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织。 经过再结晶后，冷变形金属的强度、硬度显著下降，塑性、 韧性显著提高，微观内应力完全消除，储存能全部释放。 加工硬化状态消除，金属又基本上恢复到冷变形之前的性 能。
变形黄铜的再结晶
金属的再结晶过程是通过形核和长大方式完成的。但它不是相变过 程，这与结晶不同。再结晶过程也不是一个恒温过程，而是自某一 温度开始，随着温度的升高和保温时间的延长而逐渐形核、长大的 连续过程。因而再结晶温度是指冷变形金属开始进行再结晶的最低 温度。通常定义为变形量很大(≥70%)的金属在1h的保温过程中， 能够完成再结晶的最低温度。大量实验表明，再结晶温度T再与熔 点T熔（以绝对温度表示）之间存在如下近似关系：T再 = (0.35~0.4)T熔 。
工程材料 第2版课件PDF 版05
钛 合 金 中 的 魏 氏 组 织
亚
素 体 魏 氏 组 织
共 析 碳 钢 中 片 状
铁
5.4 钢的普通热处理
5.4.1 退火与正火
2 完全退火
将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃， 保 温 后 随 炉 缓 冷 到 600℃ 出 炉 空 冷 。 组 织为α+P 。
目的
利用相变细化晶粒； 利用高温扩散消除组织缺陷； 利用缓冷去除应力； 降低硬度，改善加工性能。
均匀、且未过分长大。
组 织
工程材料学——第5章 钢的热处理
5.4 钢的普通热处理
AC3 AC1
5.4.2 淬火
淬火介质
理想的淬火介质应具有在中温区 冷却快，低温区冷却慢的特性。
温度
Ms
水
油
时间（对数）
工程材料学——第5章 钢的热处理
淬火介质
成分
特点
过饱和硝酸 盐水溶液
Na2CO3、 NaOH、KNO3
5.3 钢在冷却时的组织转变 5.3.2 过冷A连续冷却转变曲线
温度
Ps Pf
K' K
水冷
vk 油冷
vk′
临界点A1
炉冷
空冷
Ms
Mf
时间
工程材料学——第5章 钢的热处理
注意
KK′线为P转变终止线 Pf线为P转变终了线
共析碳钢连续冷却 时没有贝氏体形成（无 贝氏体转变区） 。
5.3 钢在冷却时的组织转变 5.3.3 过冷奥氏体转变
分级 淬火
在Ms点附近的热 减小了应力，防止变形、开
态介质中保温， 裂。适用于尺寸较小而形状
取出空冷或油冷。
复杂的高碳工具钢。
等温 淬火
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
工程材料力学第五章材料在拉压时的力学性能
19
注意： 1. 低碳钢的s，b都还是以相应的抗力除以试样横截 面的原面积所得，实际上此时试样直径已显著缩小，因而 它们是名义应力。 2. 低碳钢的强度极限b是试样拉伸时最大的名义应力，
并非断裂时的应力。
3. 超过屈服阶段后的应变还是以试样工作段的伸长量 除以试样的原长而得， 因而是名义应变(工程应变)。
21
§5-3 其他塑形材料在拉伸时的力学性质
22
由－曲 锰钢 √ × √ ×
5%
强铝 √ × √ √
5%
退火球墨 铸铁 √ × √ √
5%
23
伸长率
p0.2(规定非比例伸长应力，屈服强度)
用于无屈服阶段的塑性材料
24
铸铁拉伸时的应力应变曲线 割线弹性模量 用于基本上无线弹性阶段
卸载及再加载规律
若在强化阶段卸载，则卸载过 程中F－Δl关系为直线。可见在强
化阶段中，Δl=Δle+Δlp。
卸载后立即再加载时，F－Δl 关系起初基本上仍为直线(cb)，直 至当初卸载的荷载——冷作硬化现 象。试样重新受拉时其断裂前所能
产生的塑性变形则减小。
13
(4) 阶段Ⅳ——局部变形阶段 试样上出现局部收缩—— 颈缩，并导致断裂。
2
胡克定律计算变形：
Fl FN l l EA EA
E
（ ≤ p
）
其中的弹性模量 E 及比例极限 P 怎么确定？
常数
其中泊松比
怎么确定？
3
实验条件
一、实验试样
拉伸试样
圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。
矩形截面试样： l 11.3 A 或 l 5.65 A 。
注意： 1. 低碳钢的s，b都还是以相应的抗力除以试样横截 面的原面积所得，实际上此时试样直径已显著缩小，因而 它们是名义应力。 2. 低碳钢的强度极限b是试样拉伸时最大的名义应力，
并非断裂时的应力。
3. 超过屈服阶段后的应变还是以试样工作段的伸长量 除以试样的原长而得， 因而是名义应变(工程应变)。
21
§5-3 其他塑形材料在拉伸时的力学性质
22
由－曲 锰钢 √ × √ ×
5%
强铝 √ × √ √
5%
退火球墨 铸铁 √ × √ √
5%
23
伸长率
p0.2(规定非比例伸长应力，屈服强度)
用于无屈服阶段的塑性材料
24
铸铁拉伸时的应力应变曲线 割线弹性模量 用于基本上无线弹性阶段
卸载及再加载规律
若在强化阶段卸载，则卸载过 程中F－Δl关系为直线。可见在强
化阶段中，Δl=Δle+Δlp。
卸载后立即再加载时，F－Δl 关系起初基本上仍为直线(cb)，直 至当初卸载的荷载——冷作硬化现 象。试样重新受拉时其断裂前所能
产生的塑性变形则减小。
13
(4) 阶段Ⅳ——局部变形阶段 试样上出现局部收缩—— 颈缩，并导致断裂。
2
胡克定律计算变形：
Fl FN l l EA EA
E
（ ≤ p
）
其中的弹性模量 E 及比例极限 P 怎么确定？
常数
其中泊松比
怎么确定？
3
实验条件
一、实验试样
拉伸试样
圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。
矩形截面试样： l 11.3 A 或 l 5.65 A 。
土木工程材料(第5章 气硬性胶凝材料)
如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土， 二灰土（石灰、粉煤灰或炉灰），二灰碎石 （石灰、粉煤灰或炉灰、级配碎石）等。
灰砂砖和硅酸盐制品
石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，
加水搅拌, 经压振或压制，形成硅酸盐制品。 为使其获早期强度，往往采用高温高压养护 或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著 加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂
第一节 建筑石膏
建筑石膏及其制品具有轻质，高强，隔热，吸声， 美观及易于加工等优点，因此用途广泛，是一种有 发展前途的新型建筑材料之一。 自然界中存在有天然的无水石膏CaSO4和二水石膏 CaSO4〃2H2O。 在建筑工程中所使用的石膏是由天然二水石膏经过 加工而成的半水石膏CaSO4〃1/2H2O，又成熟石膏。 天然二水石膏在加工时随温度和压力等条件的不同， 会得到结构和性能不同的产物。 高强度石膏硬化后，密实度大，强度高，可用语建 筑抹灰或者 制成石膏制品，但成本高，建筑石膏生 产方便，成本低，可在建筑工程中广泛大量使用。
三 建筑石膏的技术性质
建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时 间。并按强度和细度分为优等品、一等品和 合格品。具体技术要求见GB9776-1988。
（1）凝结硬化速度快 建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。 一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝 时间不超过30min，这对于普通工程施工操 作十分方便。有时需要操作时间较长，可加 入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸 盐酒精废液等。
途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。
石灰土（灰土）和三合土
石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成
石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的 水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中 使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧 化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅
灰砂砖和硅酸盐制品
石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，
加水搅拌, 经压振或压制，形成硅酸盐制品。 为使其获早期强度，往往采用高温高压养护 或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著 加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂
第一节 建筑石膏
建筑石膏及其制品具有轻质，高强，隔热，吸声， 美观及易于加工等优点，因此用途广泛，是一种有 发展前途的新型建筑材料之一。 自然界中存在有天然的无水石膏CaSO4和二水石膏 CaSO4〃2H2O。 在建筑工程中所使用的石膏是由天然二水石膏经过 加工而成的半水石膏CaSO4〃1/2H2O，又成熟石膏。 天然二水石膏在加工时随温度和压力等条件的不同， 会得到结构和性能不同的产物。 高强度石膏硬化后，密实度大，强度高，可用语建 筑抹灰或者 制成石膏制品，但成本高，建筑石膏生 产方便，成本低，可在建筑工程中广泛大量使用。
三 建筑石膏的技术性质
建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时 间。并按强度和细度分为优等品、一等品和 合格品。具体技术要求见GB9776-1988。
（1）凝结硬化速度快 建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。 一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝 时间不超过30min，这对于普通工程施工操 作十分方便。有时需要操作时间较长，可加 入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸 盐酒精废液等。
途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。
石灰土（灰土）和三合土
石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成
石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的 水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中 使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧 化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅
土木工程材料第5章_砂浆
砂浆强度等级
水泥用量（kg）
M2.5、M5
M7.5、M10 M15 M20
200～230
220～280 280～340 340～400 1m3干砂的堆积 密度值 270～330
表中水泥采用32.5级，当大于32.5级时，水泥用量宜取下限。
三.试配与调整
按计算配合比，采用工程实际使用材料进行试拌，测 定其拌合物的稠度和分层度，若不能满足要求，则应调整 用水量或掺加料，直到符合要求为止。然后，确定试配时 的砂浆基准配合比。试配时至少应采用三个不同的配合比， 其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水泥用量按基 准配合比分别增加及减少１０％，在保证稠度、分层度合 格的条件下，可将用水量或掺加料用量作相应调整。 对三个不同的配合比，经调整后，应按有关标准的规定成 型试件，测定砂浆强度等级，并选定符合强度要求的且水 泥用量较少的砂浆配合比。
二.水泥砂浆配合比设计
由于水泥砂浆按配合比设计规程计算时，普遍出现水泥 用量偏少现象。这主要是因为水泥强度太高（即使是32.5级 的水泥）和砂浆强度太低的缘故。为此规程规定，水泥砂浆 配合比用料可参照美国ASTM和英国BS标准直接查表选用， 见下表。
每立方米砂浆各材料用量 砂用量（kg） 用水量（kg）
用于砖墙的底层抹灰，多用石灰砂浆； 有防水、防潮要求时用水泥砂浆； 用于混凝土基层的底层抹灰，多用水泥混合砂浆； 中层多用水泥混合砂浆或石灰砂浆；面层抹灰多用 水泥混合砂浆、麻刀灰或纸筋灰。 注意：水泥砂浆不得涂抹在石灰砂浆层上。
抹面砂浆
第三节 装饰砂浆
装饰砂浆是指用作建筑物饰面的砂浆。它是在抹 面的同时，经各种加工处理而获得特殊的饰面形式， 以满足审美需要的一种表面装饰。 装饰砂浆饰面可分为两类，即灰浆类饰面和石碴 类饰面。 灰浆类饰面是通过水泥砂浆的着色或水泥砂浆表 面形态的艺术加工，获得一定色彩、线条、纹理质感 的表面装饰。 石碴类饰面是在水泥砂浆中掺入各种彩色石碴作 骨料，配制成水泥石碴浆抹于墙体基层表面，然后用 水洗、斧剁、水磨等手段除去表面水泥浆皮，呈现出 石碴颜色及其质感的饰面。 装饰砂浆所用胶凝材料与普通抹面砂浆基本相同， 只是灰浆类饰面更多地采用白水泥和彩色水泥。
工程材料第五章
孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
孪晶组织
与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
工业上，常利用回复现 象将冷变形金属低温加 热，既稳定组织又保留 加工硬化，这种热处理 方法称去应力退火。
㈡ 再结晶 当变形金属被加热到较
高温度时，由于原子活 动能力增大，晶粒的形 状开始发生变化，由破 碎拉长的晶粒变为完整 的等轴晶粒。
这种冷变形组织在加热 时重新彻底改组的过程 称再结晶。
处理，以消除或降低内应力。
第三节 回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复
到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
黄 铜
加热温度 ℃
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形 单个晶粒变形与单晶体相似,
多晶体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，
受到晶界的阻碍而堆积起来, 称位错的塞积。要使变形继 续进行, 则必须增加外力, 从 而使金属的变形抗力提高。
第三章 金属的塑性变形与 再结晶
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
孪生示意图
孪晶组织
与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
工业上，常利用回复现 象将冷变形金属低温加 热，既稳定组织又保留 加工硬化，这种热处理 方法称去应力退火。
㈡ 再结晶 当变形金属被加热到较
高温度时，由于原子活 动能力增大，晶粒的形 状开始发生变化，由破 碎拉长的晶粒变为完整 的等轴晶粒。
这种冷变形组织在加热 时重新彻底改组的过程 称再结晶。
处理，以消除或降低内应力。
第三节 回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复
到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
黄 铜
加热温度 ℃
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形 单个晶粒变形与单晶体相似,
多晶体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，
受到晶界的阻碍而堆积起来, 称位错的塞积。要使变形继 续进行, 则必须增加外力, 从 而使金属的变形抗力提高。
第三章 金属的塑性变形与 再结晶
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
工程材料第5章
工程材料第5章：钢铁材料引言钢铁是人类社会发展史上的重要材料之一，早在古代，人们就开始使用铁器了。
随着科技的发展，钢铁材料的生产和应用不断创新，已经成为现代工业领域中不可或缺的材料之一。
本章主要介绍钢铁的基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护。
钢铁基础知识钢铁是由铁与碳混合而成的合金，碳与铁的相互作用是决定钢铁特性的重要因素。
根据其化学成分和性质，钢铁可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢等多种类型。
除碳外，钢铁中常见的合金元素还有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。
这些元素的加入可以改善钢铁的特性，例如增强硬度、延展性、耐蚀性等。
钢铁分类根据碳含量、成分和性能，钢铁可分为以下几类：1.低碳钢：碳含量不超过0.25%，具有良好的焊接性、塑性和韧性，通常用于制造汽车、建筑、家具等产品。
2.中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%之间，硬度较高，适用于制造车轴、弹簧等产品。
3.高碳钢：碳含量在0.60%-1.5%之间，硬度特别高，但韧性和塑性较差，通常用于制造锯条、钻头、刀片等工具。
4.合金钢：在钢铁中添加一定的合金元素，具有较好的耐磨性、耐腐蚀性及高温性能，广泛用于航空、航天、机床等领域。
合金元素及其制备方法钢铁中常见的合金元素有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。
这些元素的加入可以改变钢铁的化学成分和微观结构，从而提高钢铁的性能。
合金元素的制备方法取决于元素的化学性质、物理性质和工业生产需求。
例如，锰可采用矿物热还原法、电解法和化学还原法等多种方法制备；铬可采用硅铬还原法、电解法和铝热还原法等多种方法制备。
表面处理和防腐保护表面处理和防腐保护是钢铁材料应用中非常重要的环节。
在工程应用中，钢铁材料存在着许多易腐蚀、受潮、老化等问题，表面处理和防护是有效防止这些问题的方法。
常见的表面处理方法包括亚光处理、沙化处理、喷砂处理等。
防腐保护方法包括物理防护、化学防护、电化学防护等。
钢铁材料作为工程领域中广泛应用的材料，其基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护具有重要的理论意义和实践应用价值。
工程材料学5第五章 铸铁
(白口铁)
东北大学
14
（a）铁素体基灰口铁;（b）铁素体、珠光体基灰口铁;（c）珠光体基灰口铁
东北大学
15
5.4 影响石墨化因素
（1）化学成分 普通铸铁中合金元素主要为C、Si、Mn、P、S 等。其中C、Si、P是促进石墨化元素，而Mn、 S为阻止石墨化元素。
a. 碳的影响
强烈促进石墨化，并对石墨形状、大小有显著影响。
铸铁成分 铸铁壁厚 对铸铁组 织的影响
东北大学
20
5.5 铸铁热处理
铸铁生产除适当地选择优学成分以得到～定的组织外，热处理也是 进一步调整和改进基体组织以提高铸铁性能的一种重要途径。 铸铁的热处理和钢的热处埋有相同之处 ，也有不同之处。铸铁的热 处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。
东北大学
第五章 铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素 的多元铁基合金。 普通铸铁成分:C 2.4~4.0％， Si 0.6~3.0%，Mn 0.2~1.2，S 0.08~0.15％， P 0.1~1.2%。
成分特点： C、Si含量高；S、P等杂质较多；
（普通碳素钢 Si ≤0.35%，Mn 0.25~0.80%，S≤0.055%，P≤0.045％）
东北大学
11
5.2 铸铁石墨化过程
3、若共析石墨化受 到抑制，则得到的 组织是珠光体基体 加片状石墨。
东北大学
12
5.2 铸铁石墨化过程
4、如果冷速过快， 两阶段石墨化均被 抑制，则得到白口 铁。
东北大学
13
5.3 铸铁组织
铁素体 珠光体和铁素体 珠光体
+ 石墨
钢基体上加石墨的组织。
珠光体 + 渗碳体
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14
（a）铁素体基灰口铁;（b）铁素体、珠光体基灰口铁;（c）珠光体基灰口铁
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5.4 影响石墨化因素
（1）化学成分 普通铸铁中合金元素主要为C、Si、Mn、P、S 等。其中C、Si、P是促进石墨化元素，而Mn、 S为阻止石墨化元素。
a. 碳的影响
强烈促进石墨化，并对石墨形状、大小有显著影响。
铸铁成分 铸铁壁厚 对铸铁组 织的影响
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20
5.5 铸铁热处理
铸铁生产除适当地选择优学成分以得到～定的组织外，热处理也是 进一步调整和改进基体组织以提高铸铁性能的一种重要途径。 铸铁的热处理和钢的热处埋有相同之处 ，也有不同之处。铸铁的热 处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。
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第五章 铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素 的多元铁基合金。 普通铸铁成分:C 2.4~4.0％， Si 0.6~3.0%，Mn 0.2~1.2，S 0.08~0.15％， P 0.1~1.2%。
成分特点： C、Si含量高；S、P等杂质较多；
（普通碳素钢 Si ≤0.35%，Mn 0.25~0.80%，S≤0.055%，P≤0.045％）
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5.2 铸铁石墨化过程
3、若共析石墨化受 到抑制，则得到的 组织是珠光体基体 加片状石墨。
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5.2 铸铁石墨化过程
4、如果冷速过快， 两阶段石墨化均被 抑制，则得到白口 铁。
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5.3 铸铁组织
铁素体 珠光体和铁素体 珠光体
+ 石墨
钢基体上加石墨的组织。
珠光体 + 渗碳体
05--《工程材料》第五章
②成分在C点：温度达到C点，发生共晶转变，即含碳量 为4.3%的液体，在1148℃时同时析出A、 Fe3C；
③成分在C与F之间：温度达到CD线，开始析出Fe3C ， 液体含碳量降低；温度达到ECF线, 液体含碳量达4.3%，发生共晶转变
二、典型铁碳合金结晶过程 (一)工业纯铁(<0.0218%C)——组织为铁素体。 (二)钢（0.0218%～2.11%C）
来源：也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁 含量：在碳钢中含Si量通常＜0.35%
3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。 ①硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体 （熔点为989℃），分布于奥氏体晶界。当钢材 在1000℃-1200℃压力加工时，共晶已经熔化, 并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现 象称为热脆。 ②在钢中增加含锰量，可消除S 的有害作用，Mn 能与S形成熔点为1620℃的MnS,而且MnS在高 温 时具有塑性，这样避免了热脆现象。
有液相剩余。
③匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所有A的
成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含 碳0.40%的奥氏体所组成。 ④析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变 化, A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。 ⑤共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳 0.77%)便发生共析转变 ⑥析出Fe3CⅢ：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 析出Fe3CⅢ，Fe3CⅢ量很少，可忽略。
室温组织：P，含P量100%。 相组成物：F 、Fe3C
3.含碳0.40%的亚共析钢结晶过程分析（合金③） 冷却曲线：如下图
结晶过程: ①匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出δ固溶体. ②包晶转变：到2点，δ含0.09%的C，液体含0.53%的C，
③成分在C与F之间：温度达到CD线，开始析出Fe3C ， 液体含碳量降低；温度达到ECF线, 液体含碳量达4.3%，发生共晶转变
二、典型铁碳合金结晶过程 (一)工业纯铁(<0.0218%C)——组织为铁素体。 (二)钢（0.0218%～2.11%C）
来源：也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁 含量：在碳钢中含Si量通常＜0.35%
3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。 ①硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体 （熔点为989℃），分布于奥氏体晶界。当钢材 在1000℃-1200℃压力加工时，共晶已经熔化, 并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现 象称为热脆。 ②在钢中增加含锰量，可消除S 的有害作用，Mn 能与S形成熔点为1620℃的MnS,而且MnS在高 温 时具有塑性，这样避免了热脆现象。
有液相剩余。
③匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所有A的
成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含 碳0.40%的奥氏体所组成。 ④析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变 化, A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。 ⑤共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳 0.77%)便发生共析转变 ⑥析出Fe3CⅢ：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 析出Fe3CⅢ，Fe3CⅢ量很少，可忽略。
室温组织：P，含P量100%。 相组成物：F 、Fe3C
3.含碳0.40%的亚共析钢结晶过程分析（合金③） 冷却曲线：如下图
结晶过程: ①匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出δ固溶体. ②包晶转变：到2点，δ含0.09%的C，液体含0.53%的C，
工程材料第5章非金属材料
•橡 胶 弹 簧
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工程材料第5章非金属材料
丁苯橡胶（SBR）
l 2、丁苯橡胶（SBR）
丁二烯和苯乙烯的共聚体。 性能接近天然橡胶，是目 前产量最大的通用合成橡胶， 优点：耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天 然橡胶均匀。 缺点：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差， 特别是自粘性差、生胶强度低。 使用温度范围：约－50℃~＋100℃。 主要用以代替天然橡胶 制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。
l 橡胶组成 生胶
配合剂（硫化剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等）
l
橡胶性能
•高的回弹性 •可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性
•隔音、吸震以及与其它物质的粘结性
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工程材料第5章非金属材料
常 用 橡 胶 的 代 号
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工程材料第5章非金属材料
汽车上的橡胶制品
• 橡胶占汽车用材料总重量 的5%，每辆汽车需橡胶件 400-500个。汽车上大量使用 的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸 酯橡胶等高档橡胶和耐热... •轮胎 •车门窗密封条 •雨刮器 •连接软管 •密封件 •防振件 •传动件 •衬垫类 •液压制动缸中的皮碗 •风扇皮带
• (2)大分子链的柔顺 性
• 由于内旋转，大分子 •链形态频繁变化 引起大 •分子不同程度卷曲，伸展
•的特性。 •
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•大分子内旋转示意图
工程材料第5章非金属材料
•根据排列有序度划分:
•
晶态结构
•聚集态结构
•
无定形结构
•4.高聚物的聚集态结构
• 聚集态结构 大分子链之间 •的几何排列方式和堆砌状态。
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工程材料第5章非金属材料
丁苯橡胶（SBR）
l 2、丁苯橡胶（SBR）
丁二烯和苯乙烯的共聚体。 性能接近天然橡胶，是目 前产量最大的通用合成橡胶， 优点：耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天 然橡胶均匀。 缺点：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差， 特别是自粘性差、生胶强度低。 使用温度范围：约－50℃~＋100℃。 主要用以代替天然橡胶 制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。
l 橡胶组成 生胶
配合剂（硫化剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等）
l
橡胶性能
•高的回弹性 •可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性
•隔音、吸震以及与其它物质的粘结性
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工程材料第5章非金属材料
常 用 橡 胶 的 代 号
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工程材料第5章非金属材料
汽车上的橡胶制品
• 橡胶占汽车用材料总重量 的5%，每辆汽车需橡胶件 400-500个。汽车上大量使用 的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸 酯橡胶等高档橡胶和耐热... •轮胎 •车门窗密封条 •雨刮器 •连接软管 •密封件 •防振件 •传动件 •衬垫类 •液压制动缸中的皮碗 •风扇皮带
• (2)大分子链的柔顺 性
• 由于内旋转，大分子 •链形态频繁变化 引起大 •分子不同程度卷曲，伸展
•的特性。 •
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•大分子内旋转示意图
工程材料第5章非金属材料
•根据排列有序度划分:
•
晶态结构
•聚集态结构
•
无定形结构
•4.高聚物的聚集态结构
• 聚集态结构 大分子链之间 •的几何排列方式和堆砌状态。
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加工性能较差等.
• 可用于制作400 º C 以下工作或低温下工作的零件, 如航空发动机零件,化工用泵、低温高压容器等.
• 二、镁及镁合金
• 镁的相对密度为1.74,约为铝的2/3,溶点615º C,固 态下无同素异晶转变. • 镁合金化主要也是依靠合金元素的固溶化和时效 过程中的沉淀强化来提高合金的强度.在镁中加 入的合金元素有铝、锌、锆、稀土和锰等.镁合 金的强度可达到300 MPa左右,镁合金的性能特点 是比强和比刚度高,减震性好,抗冲击能力较强, 切削加工性和抛光性能优良,易于铸造和热加工. 镁合金是目前为止常用的工程材料中密度最小的, 因此多用于航天工焐,此外在电子、仪器仪表等 行业中也获得应用.
• 一、软基体硬质点的轴承合金
• 这类合金应用最广的是锡基和锡基轴承
合金 , 其代号为 :Z+ 基体元素和主加元素
符号 + 主加元素含量 + 辅加元素符号及含
量,牌号中的Z为铸字的汉语拼音定首.
• 1) 锡基轴承合金 ——是 Sn-Sb-Cu 系合金 .
• 4.稀有金属:如钨、钒、钼、铌、钛和锆等金属。
• 5.放射性金属:如镭、铀和钍等金属。
• 非铁合金具有许多钢铁材料所没有的特
殊的物理、化学和力学性能、因而成为
现代工业尤其是许多高科技产业中不可
缺少的材料.工业上广泛使用的有铝、
铜、钛、镁、锌、合金以及轴承合金.
§5.1 铝及铝合金
• 铝及铝合金是目前工业中重要性仅次于钢铁的金 属材料,应用范围也日益增大. • 一、工业纯铝 • 铝具有面心立方晶格，无同素异构转变。 • 铝的比重为2.72（g/cm3），约为铁的三分之一。 • 铝的熔点与其纯度有关，当纯度为 99.996%时， 熔点为660.24℃。 • 铝具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银 和铜，居第三位。 • 铝在大气中具有优良的抗蚀性。
铸造收缩率、小的线膨胀系数和优良的焊
接性、抗蚀性以及足够的机械性能。但合
金的致密度较小，适宜制造致密度要求不 太高的、形状复杂的铸件。
• (2)铝-铜铸造合金 • 铝-铜铸造合金的最大特点是耐热性高， 是所有铸造铝合金中最高的一类合金.其 高温强度随铜含量的增加而提高，而合金 的铸缩率和形成裂纹的趋向则减小。但由 于铜含量增加，使合金的脆性增加,故铸 造铝铜合金的铜含量一般不超过14％。
导电、导热性优良,还具有无磁性、受冲击时无 火花等优点,但价格较贵. • 主要用于制造精密仪器或仪表的弹性元件、耐 磨零件以及塑料模具等.
§5.3其他非铁合金简介
• 一、钛及钛合金 • 纯钛的相对密度为 4.54, 约为钢的 3/5; 熔点 1668º C,固态下具有同素异晶转变.在882.5º C以 下为密排六方晶格的 α -Ti, 882.5º C 以上为体 心立方晶格的 β -Ti. 钛有很好塑性 , 强度不高 ( σ b=230～260MPa). 钛在硫酸、硝酸、盐酸和 碱溶液中有优良的耐蚀性 , 且抗大气和海水腐 蚀的能力超过不锈钢和铜合金.钛中的杂质O2、 N2、H2 对钛的性能影响很大 . 钛的资源丰富 , 但 冶炼工艺复杂,所以成本较高.
• 铸造铝合金的牌号用“铸铝”二字的汉语拼音 第一个大写字母“ZL”加三位数字表示， • 第一位数表示合金系别：（1为铝硅系合金； 2为铝铜系合金；3为铝镁系合金；4为铝锌系 合金）。第二、三位数字表示合金的顺序号。 如ZL111表示11号铝硅系铸造铝合金。
• (1)铝-硅铸造合金
• 铝-硅铸造合金具有极好的流动性，小的
• 钛的合金化可以使其强度大大提高 , 钛合金的抗 拉强度σ b 可达1500 MPa, 其比强度是常用金属材 料中最高的 . 钛合金是很好耐热材料 , 可在 500 ～ 600º C下工作,又有很好的低温韧性,是唯一能在低
温(-253º C)下使用的工程金属材料.
• 钛合金的主要缺点是硬度低 , 耐磨性不好和切削
• 铜的储量小,价格较贵.工业纯铜有T1、T2、T3 三个牌号,“T”为铜的汉语拼音字首,其后的数 字越大,纯度越低.纯铜中的杂质主要有铅、铋、 氧、硫、和磷等,它们对纯铜的性能影响极大, 不仅可以使其导电性能降低,而且还会使其在 冷、热加工中发生冷脆和热脆现象.因此,必须
控制纯铜中的杂质含量.
• 二、铜合金的分类、牌号及应用
高合金的强度，故铝锌铸造合金具有较
高的强度，是最便宜的一种铸造铝合金。
其主要缺点是抗蚀性差。
§5.2铜及铜合金
• 铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属 材料,并且至今仍在工业中有着重要应用.
• 一、工业纯铜：
• 1、纯铜的外观呈紫色,常称紫铜.相对密度为 8.96,熔点为1083º C,纯铜的导电、导热性能极 好，无磁性，有高的化学稳定性,且具有优良 的耐蚀性和塑性、韧性,但硬度很低,不能热处 理强化. 工业纯铜常用于制造导线、电缆、传 热体及耐蚀器材、电器元件等，一般不用于制 造结构零件。
• 超硬铝合金中，主要合金元素是锌、镁、铜， 有时还加入少量铬、锰、钛等元素。在超硬铝 中加入锰和铬可以提高合金在淬火状态下的强 度和人工时效强化效果，同时改善合金的抗应 力腐蚀性能。这类合金有较好的热塑性、适宜 压延、挤压和锻造,焊接性能也较好.
• (4)锻铝合金
• 包括铝-镁-硅-铜系和铝-铜-镁-镍-铁系两类 合金,具有优良的锻造工艺性能，主要用作制 作外形复杂的锻件,故称为锻铝合金。锻铝合
三、铝合金的分类、牌号及应用
• 铝合金依据工艺特点不同，可分为变形铝合金 和铸造铝合金两类。 • 1、变形铝合金
• 变形铝合金与铸造合金不同之处在于，变形铝 合金是铸锭经过冷、热压力加工后形成的各种 型材. • 根据主要性能特点和用途,变形铝合合金又可分 为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝 合金.(见表5-1 P127)
金是在铝-镁-硅系合金的基础上发展起来的。
• 2、铸造铝合金
• 铸造铝合金除要求具备一定的使用性能外，还 要求具有优良的铸造工艺性能。成分处于共晶 的合金具有最佳铸造性能，但由于此时合金组
织中出现大量硬脆的化合物，使合金的脆性急
剧增大。因此，实际使用的铸造合金并非都是 共晶合金。它与变形铝合金相比较只是合金元 素含量高一些,约为8～25％。
• 利用冷变形强化可使铜的强度σ b由约230MPa
提高到400～500MPa,但塑性急剧下降,因此要 在增加强度的同时保持较高的塑性，必须使铜 合金化.常用的合金元素有锌、锡、铝、锰、 镍等,它们加入铜中可起到固溶强化和第二相
强化等作用. 铜合金获得较高的力学性能的同
时,仍基本保持了纯铜的各项优点.
§5.4 轴承合金
• 轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦 , 轴瓦与轴发生强烈的摩擦 , 同时
承受轴颈传递的交变载荷.
• 根据滑动轴承的工作条件和应具备的性能 , 对 轴承合金的要求:
• 1 ）有足够的强度和硬度，以承受较高的周期 性载荷；
• 2 ）塑性和韧性好，以保证轴承与轴的配合良 好，并耐冲击和振动； • 3 ）与轴之间有良好的磨合能力及较小的摩擦 系数，并能保留润滑油，减少磨损； • 4）有良好的导热性和抗蚀性； • 5）有良好的工艺性，容易制造且价格低廉。
• 铝在室温中即能与空气中的氧化合，表 面生成一层薄而致密并与基体金属牢固 结合的氧化膜，阻止氧向金属内部扩散 而起保护作用。但在碱和盐的水溶液中 铝的氧化膜会很快被破坏，故铝在碱和 盐的溶液中抗蚀性不好。此外，铝的氧 化膜在热的稀硝酸中也极易被溶解。
•铝资源丰富,成本相对较低.工业纯铝的压力加工
• 常用的铜合金有黄铜和青铜两大类,另外 还有白铜(铜镍合金). • 根据生产方法的不同,铜合金又分压力铜 合金和铸造铜合金.
• 1、黄铜―― 黄铜是以锌为主要合金元素的铜 合金，其外观色泽呈金黄色。黄铜可分为 • 普通黄铜:铜锌二元合金为普通黄铜,压力加工 普通黄铜的代号为“H”后跟表示铜含量的百分 数,例如H58表示Wcu=68%,其余为锌的普通黄铜. • 特殊黄铜:在普通黄铜的基础上加入其他元素 的铜合金称为特殊黄铜.其代号由“H”、主加 合金元素符号、铜平均含量百分数、合金元素 含量百分数组成,例如HMn58-2表示Wcu=58%、 WMn=2%、其余为锌的锰黄铜.
组织不致密,因此凝固时体积收缩率很小,适合
于浇注外形尺寸要求严格的铸件.锡青铜多用
于制造轴承、轴套、弹性元件以及耐蚀、抗磁
零件等.
• (2)铝青铜—铝青铜是以铝为主加元素的铜合金. 铝青铜的耐蚀性和耐磨性优良,力学性能高于黄 铜和锡青铜. • (3)铍青铜--铍青铜是以铍为主加元素的铜合金.
铍青铜不仅强度大、弹性好、而且耐蚀、耐磨、
• (2)硬铝合金
• 铝-铜-镁系合金是应用较早，用途很广的铝合 金。它有强烈的时效强化作用，经时效处理后 具有很高的硬度、强度，故铝-铜-镁系合金总 称为硬铝合金。此外，这类合金还具有优良的 加工工艺性能，可以加工成板、棒、管、线、 型材及锻件等半成品，广泛应用在国民经济和 国防建设中。
• 硬铝合金的主要合金元素是铜、镁，此外还含
• (1)防锈铝合金
• 防锈铝合金包括铝-镁系合金以及工业纯铝。这类 铝合金的主要性能特点是具有优良的抗腐蚀性能, 因而得名防锈铝合金，简称为防锈铝。此外,还具
有良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。
• 这类铝合金不能进行热处理强化，机械性能比较低。 为了提高其强度，可用冷加工方法使其强化。但由 于防锈铝的切削加工工艺性能差，故适用制作焊接 管道、容器、铆钉以及其它冷变形零件。
第五章 工程非铁合金(有色金属) 及粉末冶金材料
• 通常，人们将铁、铬、锰及其合金称为 黑色金属。除此以外的所有其它金属统 称为非铁合金,也称为有色金属。
• 它们的种类很多,包括:
• 1.轻金属:比重小于3.5的金属称为轻金属； • 如铝、镁、铍、锂等。