材料导论第五章金属合金

第六章 工程合金
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）
材料导论第五章金属合金
第一节 黑色金属
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。
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不锈钢
➢ 金属腐蚀的基本概念
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。 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。
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提高抗电化学腐蚀能力的措施： ① 减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单
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碳钢
碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳。
➢ 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。
钢的通常分类
➢ 按用途分类：
钢
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➢ 按化学成分分类：
➢ 按质量分类：
钢
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➢ 按冶炼方法分类：
钢
➢ 按金相组织分类：
按退火组织分类：
按正火组织分类：
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钢的编号
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。
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。
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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。
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➢ 铸铁的石墨化过程
① 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）。 ② 可以直接析出石墨。
➢ 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。
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合金钢
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。
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。
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➢ 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）。
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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。
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。
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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。
镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式，当 Wcr≤18%，WNi＞8%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。
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➢ 碳含量对性能的影响
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。
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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“ZG200—400”表示其屈服点为20MPa,其抗拉强度 为400MPa。
不锈钢的wc为0.08%～1.0%，主加元素为Cr、Cr—Ni， 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Wcr＞12%。
相组织； ② 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； ③ 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。
➢ 不锈钢的性质
1）良好的耐蚀性；2）良好的力学性能；3）良好的 工艺性能；4）价格低廉。
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➢ 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。