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

钢的通常分类钢 按用途分类按用途分类：：

按化学成分分类按化学成分分类：：

按质量分类按质量分类：：钢

按冶炼方法分类按冶炼方法分类：： 钢

按金相组织分类按金相组织分类：：按退火组织分类：

按正火组织分类：

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“ ZG200—400” 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：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：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金属腐蚀的基本概念

电化学腐蚀：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：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；； 44 ））价格低廉。

合金元素对性能的影响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。

碳含量对性能的影响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 、 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% 。

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。

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。

① 第二阶段石墨化进行充分时：铁素体 +石墨； ② 第二阶段石墨化部分进行时：（铁素体 +珠光体） 基体 +石墨； ③ 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影响铸铁石墨化的因素冷却速度的影响：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：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。

铸铁的分类铸铁的分类白口铸铁白口铸铁 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。2 ）可锻铸铁（俗称马钢） 将白口铸铁坯件经高温、常时间的石墨化退火后，使渗碳体在固体下分解而获得具有团絮状石墨的组织。

可锻铸铁具有较高的强度、塑性和韧性，多用于制造受震动、强度和韧性要求较高的小型零件。

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）。

铸铁的牌号铸铁的牌号普通灰口铸铁普通灰口铸铁：： HTHT(灰铁） ++ 数字数字（最低抗拉强度） HT100 表示最低抗拉强度为 100MP 的普通灰口铸铁。可锻铸铁可锻铸铁：： KTKT(可锻） ++ 数字数字（同上）－数字－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。球墨铸铁球墨铸铁：： QTQT(球铁） ++ 数字数字（同上）－数字－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（ 2.63～ 2.85g/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）。

铝合金概述铝合金概述

工业纯铝工业纯铝物理性能：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 0～ 253℃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。

铝合金分类铝合金分类

变形铝合金变形铝合金 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。防锈铝合金防锈铝合金：： LFLF( 铝防） ++顺序号顺序号（化学成分） 如 LF5LF5 是 Mg含量为（ 4.8～ 5.5 ％）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。

硬铝合金硬铝合金：： LYLY( 铝硬） ++顺序号顺序号（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。超硬铝合金超硬铝合金：： LCLC( 铝超） ++顺序号顺序号（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。

锻铝合金锻铝合金：： LDLD(锻铝） ++顺序号顺序号（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。 铸造铝合金铸造铝合金

合金含量较高，适于铸造成形。 牌号： ZLZL( 铸铝） + + 三位数字三位数字 说明：第一位数字表示合金系列； 第二、三位数字表示合金序号（化学成分）。

铸 造铝合金铝锌系合 金铝镁系合 金铝铜系合 金铝硅系合 金

铸造、机械性能良好

高温强度高（耐热），易腐蚀

强度、塑性高，耐腐蚀，铸造时易氧化强度高，易腐蚀，价格低

铜及铜合金 纯铜（紫铜）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 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。普通黄铜普通黄铜：： HH(黄） ++ 数字数字（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 β′。 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。

特殊黄铜特殊黄铜：： HH(黄） ++ 主加元素符号（主加元素符号（锌除外）） ++ 数字（数字（铜含量）） --数字（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，并提高强度， HSn70-1 称为（海军黄铜）。

青铜青铜 除了以锌或镍为主加元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，通称为青铜。表示方法： QQ(青） ++ 主加元素符号主加元素符号 ++ 数字数字（（主加元素含量）－）－数字数字（（其他合金元素平均含量））普通青铜普通青铜：： 普通青铜以锡为主加元素，又称锡青铜。它是人类历史上应用最早的合金，具有良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，但耐酸性差。 锡青铜铸件凝固时，含锡高的低熔点液相从中部向表面渗出，严重时表面出现灰白色斑点的“锡汗”。

特殊青铜特殊青铜：： 特殊青铜是不含锡的青铜合金。 铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用最为广泛。铍青铜有较高的弹性极限和疲劳强度，无磁，冲击无火化；强毒，限制生产。 另外，还有硅青铜、铅青铜等。

镁及镁合金 纯镁纯镁物理性能：银白色光泽，密度 1.74g/cm3 ，熔点 651℃， hcp结构，力学性能差，耐蚀性差。 应用：纯镁在冶金工艺中脱氧剂、脱硫剂和配置镁合金，还用作制造照明弹和烟火的原料。

纯镁通过合金化处理可以改善其机械性能，镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。

变形镁合金变形镁合金：： MBMB （镁变）＋顺序号＋顺序号（化学成分）铸造镁合金铸造镁合金：： ZMZM （铸镁）＋顺序号＋顺序号（化学成分） 如 MB2 表示： Al ： 3.0～ 4.0 ％， Zn ： 0.2～ 0.8

％， Mn ： 0.15～ 0.35 ％，余量为 Mg 。

镁合金镁合金

镁合金特性及应用镁合金特性及应用：： 1 、密度小，比强度、比刚度高； 2 、良好的抗冲击能力； 3 、易切削加工、抛光，易于铸造和热加工。 4 、应用（教材 P91 ）

钛及钛合金 纯钛纯钛

纯钛加入铝、铬、钼、锡、锰、钒、铁、锆、铜和硅等，可以改善其机械性能。合金化的主要目的是改变 α和 β的同素异构转变温度，提高 α相或 β相的稳定性，形成稳定的固溶体或与钛形成合金，提高强度。

物理性能：银白色光泽，密度 4.507g/cm3 ，熔点 1677℃， α-Ti （ hcp） 882.5℃ β-Ti （ bcc）。 应用：制造化工设备，船舶用零件和化工用热交换器等。

钛合金钛合金

钛合金特点钛合金特点：： 1 、比强度、热强度高（工作温度 550℃以上）； 2 、较好的低温韧性； 3 、抗腐蚀性能好。 4 、主要缺点是不易切削和塑性加工。

钛及钛合金已有近 60年的历史，由于它具有高的比强度和耐蚀性，是世界各国大力发展的宇航轻金属材料。

高温合金 高温合金是以高熔点金属 Ni （ 1450℃）、 Co （ 1480℃）、Mo （ 2620℃）等为基体，加入一定量的其他元素构成的在高温下使用的金属材料。

分类分类 1 、按基体类型：分为铁基、镍基、钴基高温合金； 2 、按强化方式：分为固溶强化型和时效强化型合金； 3 、按成形方式：变形高温合金和铸造高温合金。

高温合金的特点高温合金的特点 1 、具有高的热稳定性； 2 、具有高的热强性； 3 、比强度高和弹性模量高，热膨胀系数小，导热性好； 4 、具有良好的加工工艺性能。