工程材料

工程材料是指在各种工程活动中，被设计、生产、使用的材料。

本书是一本介绍材料基础知识、应用方法及实例的教科书。而不是一本系统地介绍材料科学及其原理的专业书籍。它适合于非材料科学专业人士，比如机械设计师，工业设计师，建筑师，室内设计师，发明家等。而不适合于材料科学专业人士，比如高分子系大学本科学生，材料系的研究生，从事材料科学教学的教授或讲师。

它的主要内容是材料的基础知识，材料的主要类别及功能特性，材料选择的方法和实例。

概论

在这一章节，我们将向您呈现材料学全貌，帮助您开始对材料的全新认识。

材料与文明

材料与人类文明的演进密切相关。

石器时代的石斧和石刀

人类所使用的最早的材料是从自然界中获取的石块、树枝、贝壳、骨头、动物皮毛等。早期人类使用这些材料制造了简易的工具，提高了人类捕猎和抵御攻击的能力。这个时代的工具主要由石头制成，因此被命名为“石器时代”。旧石器时代，人们主要使用打制石器；新石器时代，磨制石器开始出现。

南美洲蒂亚瓦纳科文明遗迹发现的陶器，公元前1500年

人类发明的第一种材料是陶，是用陶土烧制而成的。世界各地在不同时间相继独立地发展出了制造陶器的技术，时间相差约数千年。最早的陶器出现在距今1.5万年左右。陶器作为炊具、餐具、储存粮食的容器，并发展为祭祀用的器皿。陶器的造型和彩绘也作为重要的记事方式，传承历史与文明。

朝鲜的青铜器，公元6世纪

青铜是人类利用最早的金属材料，是铜与锡的合金。最早出现于约5,000到6,000年前，是“青铜时代”开始的标志。青铜器的使用极大地提高了人类的生产力，对耕种，生活，和战争产生了深刻影响。青铜器多带有铭文和图案，是了解古代历史的重要依据。

在英国Kirkburn村发现的铁剑，铁器时代

公元前2,000年，铁器逐步取代了青铜器，“铁器时代”来临。战争推动了铁器的发展，铁器比青铜器更加坚韧、锋利，铁器取代青铜是必然结果。但人类利用铁的历史却要更早，而最初铁的来源只有铁陨石（陨铁）。

早期的人类历史是以主要生产材料而划分的，足以证明材料对人类发展的重要性。

在近代，产生了新兴的的材料，包括新型无机非金属材料、高分子材料和复合材料，传统材料也不断发展。人类可以利用的材料种类极大丰富，使得科技进步速度加快。如果没有单晶硅材料的诞生，就无法实现大规模集成电路。没有耐高温的新型无机非金属材料，航天飞机便不能成功。可以说，材料科学是人类进步的关键之一。

材料的性能

力学性能

材料的力学性能属于物理性能的一部分。对于材料来说，力学性能决定了某种材料的强度、韧性、硬度是否能够满足使用要求，这些往往是选择材料时考虑的首要因素。因其内容庞大，故从物理性能中分离，独立成章。

强度

强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
外力加载方式不同,所测得的强度指标也不同。常用的强度指标有,抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。材料的种类不同,所常用的强度衡量指标也不同。一般塑性较好的金属材料和高分子材料常用抗拉强度来表征,如铸铁、水泥预制件等脆性材料用抗压强度表征,工程陶瓷等脆性材料用抗弯强度来表征。
强度的数值是通过实验获得的。不同的实验可以获得不同类型的强度值。

• 拉伸实验——拉伸强度、屈服强度、抗拉强度
• 三点弯曲实验——抗弯强度
• 压缩实验——抗压强度

【实验】拉伸实验

拉伸实验中断裂的铸铁

根据一次拉伸试验数据绘制的拉伸曲线

拉伸试验是常用来表征金属材料、高分子材料等塑性较好的材料抗拉强度的标准测试方法。
在拉伸试验中,试样被夹持在拉伸试验机的两个夹头上,对试样沿轴向缓慢地施加拉伸载荷F。试样受力后,标距长度L0伸长为L_x。试样随载荷的增加被逐渐拉长ΔL=(L_x-L₀),同时在试样的某个部位(一般是试样标距的中间附近)产生缩颈现象,横截面S₀变为S_x,直至断裂。断裂时的伸长为L₁,缩颈最小处的横截面积为S₁。在拉伸过程中,试验机自动记录拉力F为y轴,伸长量ΔL为x轴的拉伸曲线。
右图是低碳钢的拉伸曲线。低碳钢在静载荷拉力的作用下产生变形,分四个阶段:

1. 第一阶段为弹性变形阶段。在这一阶段的拉伸曲线OE呈一直线,外力与形变之间成正比,当外加载荷卸载后,试样立即恢复原状。这种变形被称为弹性变形,材料的这种不产生永久变形的能力称为弹性,顶点对应最大弹性变形载荷。
2. 载荷超过顶点后材料形变进入第二阶段,即屈服阶段。进一步加载超过顶点,载荷突然下降,同时在在圆柱形拉伸试样的过渡圆角处出现变形带,随后在载荷基本保持不变的情况下,产生不连续塑性变形,试件伸长显著增加,这种现象称为屈服现象,这一点称为屈服点。若在此阶段卸载,式样不能完全恢复到初始状态而产生永久变形,即塑性变形。值得注意的是塑性变形过程总是伴有弹性变形发生。
3. 屈服产生以后,只有继续增加载荷,试样才会继续伸长,但外加载荷与伸长量之间不再成正比,而是呈非线性关系,此阶段称为形变强化阶段。当载荷增加到F_b时,试样标距内的摩局部截面将开始缩小出现缩颈现象,此时的载荷为试样所能承受的最大载荷。
4. 达到最大载荷F_b后,由于缩颈现象的产生,此处受力面积减小,导致在缩颈处应力集中,缩颈处被快速拉长,当拉伸曲线到达K点时,发生断裂。此阶段为断裂阶段,尽管试样伸长量在增加,但所承受的载荷在快速减小。

拉伸曲线反映的载荷F与伸长量ΔL之间的关系,不仅与试验材料的性能有关,而且与试样的尺寸有关。例如,试样的直径d₀越大,则要获得相同伸长量ΔL所需施加的F就越大。为了消除尺寸的影响,而只反映材料的力学性能,一般用应力-应变曲线来代替拉伸曲线分析材料的相关力学性能。

物理性能

材料密度

材料密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量,即: ρ=m/V 式中,

• ρ —— 材料的密度(kg/m³);
• m —— 干燥材料的质量(kg);
• V —— 材料在绝对密实状态下的体积(m³)。

绝对密实状态下的体积是指材料无孔隙时的体积,只有结晶完善的的单晶材料才是真正的绝对密实,一般物体中都含有不同的孔隙,因此密度又称为理论密度或真密度。钢铁、玻璃、烧结致密的结构陶瓷等少数材料可视为绝对密实的材料,这时的密度接近真密度。

通常材料在自然状态下单位体积的质量称为视密度,或宏观密度,或容重。

熔点

熔点是晶体物质由固态转变为液态时的温度。对单晶材料,在由固态转变为液态时,温度恒定,有一个固定的熔点,如冰的熔点在一个大气压下是0°C。

而对非晶材料或多晶混合物,由固态转变为液态时,温度不是恒定的,而是存在一个软化点(Tg),经过一个温度范围,才完全转化为液态,如玻璃材料、合金材料等。高分子材料一般是由聚合度不同的高分子构成的混合物,因此也没有固定的熔点。有些材料在高温分解,有一个分解温度而没有熔点。

比热容

将1千克质量的材料温度升高1°C所需要的热量称为该材料的比热容,其单位为:焦耳每千克开尔文,即J/(kg·K)。

一般无机建筑材料的比热容为0.18~0.22×4.19×103(J/kg·K),有机材料约为0.4~0.6×4.19×103(J/kg·K),钢的比热容约为0.115×4.19×103(J/kg·K),水的比热容最大,约为 1×4.19×103 (J/kg·K)。材料的比热容随其含水量的增加而增大。

热导率

材料将热量从一个侧面传递到另一个侧面的性质称为材料的导热性,单位温差单位时间内由单位厚度材料的一个侧面传递到另一个侧面的热量称为热导率,被用来衡量材料的导热性,单位为:瓦特每米凯尔文,即 W/(m·K)。

• 金属键结合的金属材料由于自由电子的存在,不仅是电的良导体,也是热的良导体。
• 离子键或共价键结合侧无机非金属材料和共价键结合的高分子材料大部分是热的绝缘体,少数由于离子缺陷的移动,具有良好的导热性。
• 真空或气体的导热性相对较低,因此材料的孔隙度越高,则导热性越低。
• 材料的含水率增大,导热性提高。

热膨胀系数

材料由于温度的变化而产生的膨胀或收缩行为称为材料的热膨胀性,该性质用材料的热膨胀系数来表征。
热膨胀系数有两种表征方法：

1. 线膨胀系数,利用单位温度升高引起的材料两点之间距离的膨胀或收缩与这两点之间原距离的比值来表征
2. 体膨胀系数,利用单位温度升高引起的体积膨胀和原体积的比值来表征。

高分子材料的线膨胀系数最大,金属材料次之,无机非金属材料的最小。

耐热性,耐火性和耐燃性

材料的耐热性是指材料在热环境下抵抗热破坏的能力,通常用耐热度来表示。
材料的耐火性是指材料长期抵抗高温火焰而不熔化的性能。
耐火材料还应在高温高压下不变形,具有一定的承载能力。材料的耐热性和耐火性与材料的熔点有一定的关系,一般熔点越高,相应的耐热性越好,耐火温度也越高。 材料耐燃性是指材料在含有氧气的环境中抵抗燃烧的能力。
根据材料的耐燃能力可以分为不燃材料和易燃材料。一般无机非金属材料,除碳纤维、炭素材料等碳基材料以外均为不燃材料,而大部分有机高分子材料为易燃材料,在用于设计时要注意其燃点温度。

电性能

导电性

依据导电性能的好坏,可以将材料分为导体、绝缘体和半导体。
通常金属键结合的金属材料具有良好的导电性能,是电的良导体,共价键或离子键结合的无机非金属材料和高分子材料是电的绝缘体,导电性能介于导体和绝缘体之间的为半导体,如单晶硅、单晶锗,以及CdS、GaAs等II-VI族、III-V族化合物半导体等。
材料的导电性能用电导率来表示,电导率越大,导电性能越好。电阻率是电导率的倒数,电阻率越大,材料的电绝缘性越好。材料的电阻与电导率的倒数成正比,与材料的横截面积成反比,与材料的长度成正比。

介电性能

电介质是指在电场作用下能建立极化的一切物质,介电常数是反应电介质极化能力的性能指标。电介质最重要的性质是在外电场大作用下产生极化。所谓极化,就是电介质内质点(原子、分子、离子)的正负电荷中心发生分离,从而产生偶极子的现象。电介质的极化一般包括三个部分,电子极化、离子极化和偶极子转向极化。电介质的电阻很大,甚至电压很高时穿过的电流也不大,这种电流称为传导电流或传导残余电流。但在电介质两端加上电压的瞬时间可以产生一个较大的电流,这种电流是由于极化引起的,称为位移电流或吸收电流。电介质填充于电容器可以增加电容器的电容量。

铁电性能

在一定温度范围内具有自发极化性质,并且自发极化方相可以随外加电场作可逆转动的晶体称为铁电体,铁电体所具有的自发极化性质叫做铁电性。铁电体也是一种电介质,在外加电场的作用下发生极化,并且当外加电场撤离时,极化仍然保持。钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅都是典型的铁电体。

磁性能

磁现象和电现象存在着本质的联系,物质的磁性本源是电荷的运动。因此,所有材料不论处于什么状态,都显示或强或弱的磁性。材料在外加磁场中,磁性将变弱或增强,这称之为磁化。根据材料的磁化行为,可以将材料的磁性分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。一般又把亚铁磁性和反铁磁性并入铁磁性范畴。
抗磁性材料的磁化方向与外加磁场方向相反,材料内部的磁场强度弱于外加磁场强度,材料表现为抗磁性。顺磁性材料在无外加磁场时,宏观上不表现出磁而在外加磁场作用下,磁化方向与外加磁场方向相同,材料显示极弱的磁性。
抗磁性和顺磁性材料只有在施加外加磁场时才显示出磁化现象,因而可以认为是无磁性材料或弱磁性材料。而铁磁性材料无论是否施加外磁场都具有永久磁矩,且在外加磁场或较弱磁场的作用下就能产生很大的磁化强度。铁磁性材料磁化后,当外加磁场移去后,仍可保留极强的磁性。铜、金、硅、银、锌属于抗磁性材料,铝、铬、钼、钛、锆属于顺磁性材料,铁、钴、镍和某些稀土金属如镉为铁磁性材料。

化学性能

材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力是衡量材料性能优良的主要质量指标。

耐蚀性

耐蚀性是材料抵抗空气、水蒸气及其它化学介质侵蚀的能力。
材料在常温下和周围介质发生化学反应或电化学作用而遭到损坏的现象称为腐蚀,分别称为化学腐蚀或电化学腐蚀。
化学腐蚀一般是在干燥气体及非电解液中产生的,腐蚀时没有电流产生;电化学腐蚀是在电解液中进行的,一般伴有微电流产生。

抗氧化性

材料在高温或低温时抵抗氧化作用的能力。

材料的化学性能是衡量材料适应环境能力的重要指标,在设计过程中,应当考量设计产品使用所处的环境条件,选择适宜的耐蚀性能、抗氧化性能的材料。
设计使用于潮湿环境中,尤其是酸碱性较大的环境中的产品,选用的材料必须具有良好的耐酸碱腐蚀性能。例如,海洋设备及船舶用钢必须耐海水和海洋大气腐蚀;而贮存和运输酸类容器、管道等,则应具有较高的耐酸性能。

材料科学基础

材料的性能依赖于材料本身的组织结构,而材料的组织结构又与材料的化学组成、键合方式及外部条件密切相关。金属材料、无机非金属材料、高分子材料性能上的差异,本质上就是由材料的化学组成的不同、键合方式的不同和晶体结构及微观组织的不同所造成的。

晶体结构

固体材料一般都是由具有一定晶体结构的晶粒构成的单晶或多晶体,而决定晶体结构的内在因素是原子或离子、分子间键合的类型及键的强弱。因此,欲了解材料的组织结构和性能,必须首先学习构成材料的元素原子间的键合方式,以及构成材料的晶格结构。

化学键

依照目前科学的认识来看，自然界的宏观物质是由一百多种元素构成的,其基本结构粒子是这些元素原子构成的的离子、原子或分子等。这些基本结构粒子通过化学键的相互作用结合在一起,形成各种各样的物质或材料。依据粒子之间的相互作用形式的不同,一般将化学键分为离子键、共价键、金属键和分子键等四种。由不同的化学键结合成的固体材料,通常表现出很大的性能差异。

离子键

各种元素原子获得或失去电子的能力不同,这种差别用元素原子的电负性是用来表征,电负性越大的元素原子越易于获得电子。而任何元素原子相互趋近、接触时,都具有通过失去或获得电子达到外层电子饱和,以实现电子结构稳定的趋势。
当电负性相差较大的元素原子相互接触时,电负性较小的元素原子将失去电子形成正离子,而电负性较大的元素原子将获得电子形成负离子,正、负离子之间通过电荷吸引,结合形成稳定的化学键,这种化学键就称为离子键。由离子键结合形成的化合物为离子化合物,由离子键化合物形成的晶体为离子晶体。大部分盐类、碱类和金属氧化物都是离子晶体,其中,食盐氯化钠是典型的离子晶体。
离子键结合力很强,所以,离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小,但脆性大。又由于离子键难以产生可移动的自由电子,所以离子晶体一般具有良好的电绝缘性。

共价键

共价键是由共用价电子而形成的一种化学键,被共用的价电子同时属于两个相邻的原子,使它们的原子核最外层电子都达到饱和,同时稳定的结合在一起。
由于共价键与元素原子的电子结构有关,导致共价键具有方向性和饱和性。能够形成共价键结合的元素原子一般是电负性相差较少的元素原子或同种元素原子。
由共价键结合形成的化合物为共价化合物,由共价化合物形成的晶体为共价晶体。锡、锗、铅等金属及金刚石、SiC、SiO2、BN、Si3N4 等非金属材料都是共价键晶体,其中,金刚石是典型的共价晶体。
共价键是结合力最强的一种化学键,所以,共价键晶体硬度高、强度大、脆性大、熔点高、结构稳定,并且由于相邻原子所共用的电子不能自由移动,一般具有良好的电绝缘性,是热的不良导体。
无机非金属材料一般为离子晶体或共价晶体形成的多晶材料,因此,一般均具有较高的硬度、强度和良好的电绝缘体、优异的隔热性能,但通常脆性较大。
高分子材料分子内也多是以共价键结合,因此也具有良好的电绝缘性。

金属键

在金属材料中,金属原子核外层的价电子可以从一个原子自由地流向另一个原子,价电子为所有金属原子所共有。这种为所有建树原子所共有的价电子可以在原子间自由的流动,被称为自由电子。这种由多个原子共用自由电子而形成的化学键称为金属键。有金属键结合形成的晶体即为金属晶体。
由于内部存在可以自由流动的电子,导致金属晶体是电和热的良导体。并且由于自由电子的共用,金属原子就像填充于自由电子气中,使得材料具有良好的延展性,适用于锻造、冲压、折弯等多种塑性加工工艺。

分子键

离子键、共价键和金属键是化学键的三大主要类型,由这三种类型结合的原子间具有比较强的相互作用。除了这三种较强的原子间相互作用之外,在分子之间还存在着一种较弱的相互作用,即分子键。分子键不同于离子键、共价键和金属键,没有电子的得失、共有或公有形成的化学键相互作用,主要的是色散引起的分子偶极之间的引力作用,严格意义上讲是一种物理键。 分子键又称范德华键,或分子力、范德华力。 气体分子能凝聚成液体和固体,主要就靠这种分子键作用。 水结成的冰,以及二氧化碳气体凝结成的干冰都是由分子键结合而成的典型的分子晶体。 分子键结合力较弱,纯粹由分子键结合形成的分子晶体一般具有较低的熔点和沸点,如冰和干冰。而高分子材料由于分子内是共价键结合,分子间主要是通过分子键结合,所以熔点相对较低,硬度和强度也相对较小。石墨、滑石、云母等层状无机非金属材料,层与层之间也是通过分子间结合的,因此也具有相对较低的硬度和强度。 大部分材料的结合往往并非是单纯的一种键合作用,而是两种或两种以上的键合的综合作用。 不同化学键结合的材料的共性

材料种类	化学键	共性
金属材料	金属键	有光泽、塑性、导电、导热、较高的强度和刚度
无机非金属材料	离子键、共价键	脆性、耐磨等
高分子材料	共价键、分子键	绝缘、轻、比强度高、耐磨、耐腐蚀、易老化、刚度小、橡胶具有高弹性
分子晶体	共价键（主要）	绝缘、熔点低、高膨胀等

晶体结构

晶体与非晶体

材料的性能不仅与基本粒子间的键合特点有关,而且与其聚积方式或排列方式密切相关。通过长期的观察和研究,人们发现可以把固体材料按其中原子或分子的排列状态,分为晶体和非晶体两大类。它们在结构和宏观性质上均有很大差异。

非晶体又称为无定形体或玻璃体,其组成质点(原子、离子或分子)在三维空间上的排列基本上是无规则的,处于所谓的短程有序长程无序状态,即在只在许多极其微小的区域内呈有规则排列,而在更大的区域内呈无规则排列。非晶体材料没有固定的熔点,只有一个逐渐软化的温度范围,在物理、机械性能上表现出各向同性的特点。玻璃和塑料是典型的非晶体材料,木材、纸张也属于非晶体材料。

晶体则相反,其组成质点在三维空间呈有规则的周期性重复排列,并且排列规则或排列方式可以各不相同。相对非晶体组成质点的长程无序排列,晶体的这种排列状态又称为长程有序。不同的键合方式和不同的组成质点排列方式,导致了各种晶体性能的差异。

与非晶体材料相比,晶体材料具有固定的熔点,在物理、机械性能上表现出各向异性的特点。

自然界中绝大多数固体材料是无数个晶粒聚集在一起而构成的多晶体。

晶格、晶胞和晶格常数

晶体中质点(原子或离子)在空间按一定规则排列构成晶体的结构。尽管实际晶体中的各类质点都是在不停的运动着,但是,通常在讨论晶体结构时,常把构成晶体的原子看成是一个个静止的刚性小球,这些刚性小球在空间按一定的几何方式有序堆积。为了便于描述晶体内部原子排列的规律,将每个原子视为一个几何结点,并用一些假想的直线将各结点连接起来,便形成一个空间格架,这种空间格架在晶体学上称为晶格或晶格点阵。

由于晶体中原子作周期性规则排列,因此可以在晶格中选择一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来表示原子排列规律,这个最小的几何单元称为晶胞。晶胞是晶体点阵中的最小排列周期单位。晶胞内的几何特征和质点空间位置通常用晶胞的三个棱长a、b、c和三个棱之间的夹角α、β、γ来描述,其中a、b、c称为晶格常数。晶胞作周期性的重复堆积,便可得到所对应晶体的晶格。

根据晶胞自身的对称性,可将晶体结构分为7个晶系,这7个晶系共包含14种晶格,称为布拉菲格子。

大多数金属材料的晶体结构属于比较简单的立方晶系和六方晶系。体心立方、面心立方和密排六方晶格是常见的几种金属晶体结构。

多晶结构和晶格缺陷

多晶结构

晶体材料又分为单晶材料或多晶材料,单晶材料是一块结构均匀的大晶体,多晶材料是多个微小晶体颗粒的聚集体。多晶材料中每个小晶体内的晶格位向是一致的,而各个小晶体之间彼此位向不同。这种位向不同、形状各异的小晶体称为晶粒,晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。这种由多个晶粒构成的晶体结构称为多晶结构,具有多晶结构的材料成为多晶材料。工业设计中所应用的金属材料一般是多晶材料,无机非金属材料大部分也是多晶材料。

多晶材料内部晶粒的大小、形状、数量、分布和结合情况构成材料显微组织。

多晶材料的组织对材料的性能具有决定性的影响,实验和理论都证明,晶粒越小,材料的强度、硬度越高。

另外,多晶材料由于是有许多位向不同、形状对不同的晶粒和晶界构成的,所以在各个方向上表现出相同的平均性能,即各向同性。因此,金属材料和和结构陶瓷等无机非金属材料大都表现出良好的各向同性性能。

晶格缺陷

在理想的晶体中,晶体的周期性重复排列是完整的、无缺陷的,而且在三维空间里是无限的、没有边界的,晶体中的原子都固定在其平衡位置上静止不动。

真实晶体和这种理想状态相去甚远,不仅构成晶体的原子总是处于不停的热振动状态,而且晶体中原子完全有规则排列是难以实现的,在真实晶体中总是或多或少的存在各种各样的偏离排列规则的不完整区域。

这种晶体中的一些原子不按晶格的周期性排列规律正常排列,而造成的晶格畸变即为晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形态可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

点缺陷

常见的点缺陷主要有三种,空位缺陷、间隙缺陷和置换性缺陷。空位缺陷是指在晶格结点上没有原子出现了空位,间隙缺陷是指在晶格的间隙位置出现了多余的原子,而置换性缺陷是指在晶格结点位置的原子被其它的元素原子所取代。金属材料通过退火处理可以消除晶格中的空位或间隙原子缺陷。

点缺陷的存在使其周围邻近的晶格原子偏离平衡位置,产生点阵畸变,形成局部应力。这种畸变有利于材料强度性能的提高。

线缺陷

线缺陷又称为位错,是指晶体中某一列或若干列的原子发生某种有规律的错排所形成的晶格缺陷,常见的有刃位错和螺旋位错。刃位错是一种比较典型的线缺陷,其结构特点如图 3-5 所示,在晶体的某一个晶面的上下两部分的原子面产生错排,就好像上部分沿着某个方位的晶面插入了一个多余的原子面,使得上部分比下部分多出一个晶面,犹如在晶格中插入了刀刃一般,故称为刃位错。刃位错的多余原子面的底边称为刃位错线。金属材料之所以具有良好的塑性加工性能,位错的存在和滑移有着至关重要的作用。

并且,在位错线附近由于晶格错排,产生畸变,局部将产生较大的内应力。位错的产生或数量的增加均可提高金属材料的强度,由于退火处理将减少晶格的缺陷,所以退火后的金属材料具有相对较低的强度。

面缺陷

面缺陷的特征为晶体的三维空间点阵的两个方向上的尺寸很大,而第三方向上尺寸很小。常见的面缺陷包括有金属晶体中的晶界、亚晶界、孪晶界堆垛层错等。

实际金属材料都是多晶体,其相邻晶粒之间存在一定的位向差,多数在15°以上,称为大角度晶界。晶界原子从一个晶粒的位向过渡到另一个晶粒的位向,因此晶界成为两个不同位向晶粒之间的过渡层,其原子呈无规则排列。

并且,在金属材料单个晶粒的内部,一般也存在许多尺寸更细小的晶块,它们之间的位向差很小,通常小于 1~2o,这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界,由于构成亚晶界的两块亚晶粒之间位向差很小,所以亚晶界又称为小角度晶界。亚晶界实际上是由一系列刃位错所构成的。

由于晶界处原子排列不规则,晶界附近晶格处于畸变状态,能量较高,使得晶界有许多不同于晶粒内部的特性。常温下,晶粒越细,晶界越多,则将使金属材料的强度、硬度越高,且晶界的熔点较低,易于被腐蚀。亚晶界对金属材料性能的影响与晶界相似,亚晶界越多,将使金属材料的屈服强度增大。

相

金属材料及多数无机非金属材料为晶体材料,是由液态物质结晶而成的。并且多数固体材料存在同质异构现象,各异质同构体之间随着温度或压力的变化,可以互相转化。不同的状态和晶格结构对应不同的相,不同相的组合构成材料的组织,而材料的组织最终决定材料的性能。因此研究相及相之间的转化,是了解和掌握材料组织和性能的一个重要途径。

基本相

实际材料可能是由多种具有不同的结构的相构成的。依据物相的结晶状态,构成材料的基本相可以分为晶相和非晶相两类,其中晶相按其晶格特点,又可分为固溶体和中间相。

固溶体

在固态条件下,一种组元所形成的晶格内溶解了另一种或几种组元所形成的单一、均匀的相叫做固溶体,其中保持了原来晶体结构的主要组元为溶剂,其他溶入的组元为溶质。固溶体是材料中一个基本相,在金属材料和无机非金属材料中占有重要地位。

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,可将固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。

置换固溶体

置换固溶体是指溶质原子在溶剂晶格中占据原溶剂原子的晶格位置形成的固溶体。很显然,如果相互替代的原子或离子大小比较接近,则容易形成置换性固溶体,而且比较稳定。若溶质和溶剂具有相同的晶格结构,则宜于形成易于形成连续固溶体。

间隙固溶体

有些原子半径很小,作为溶质溶解到溶剂晶格中时,能够嵌入到晶格的空隙中,从而形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度是有限的,例如,C在面心立方的Fe中最大的溶解度约为2.11wt%,在体心立方的Fe中溶解度更小,仅为0.02wt%。

无论何种固溶体,由于溶质与溶剂原子半径存在差异,必然导致固溶体晶格点阵的畸变。并且原子尺寸差别越大,这种点阵畸变越大。对金属材料来说,点阵的畸变将提高合金的抗变形能力,使合金塑性变形更加困难,但却能增强合金的强度和硬度。通常,将这种由于溶质原子的引入而使固溶体强度提高的强化方法称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料机械强度的一个常用方法。

中间相

固溶体是在材料某一组元形成的晶格结构中溶入另一组元的原子而形成的,具有与溶剂组元相同的晶体结构。与固溶体不同,中间相,是材料组元间发生相互作用而形成的一种新相,它的晶体结构和性能不同于任一组元。

在金属材料中,中间相一般为金属化合物或金属间化合物,通常是由共价键或部分金属键部分共价键结合而成的晶相,大多硬度高脆性大,在合金中起强化相作用。在实际的金属材料组织中有意地引入或生成一定的数量的中间相,是提高材料强度和耐磨性的一个有效手段。例如,铁碳合金钢中的渗碳体 Fe3C 就是共价键结合的铁碳金属化合物,布什硬度高达 800MPa,脆性大,塑性变化几乎为零,它的存在使材料的强度、硬度增加,而塑性和人性下降。

非晶相

在陶瓷及高分子材料中都存在着大量的玻璃相。 这种物相在微观结构上不具有晶格点阵的特征,而原子或分子均匀的随机排列,在性能上各向同性。在陶瓷材料中,非晶相主要沉积于晶粒之间,即晶界,对陶瓷材料的性能影响较大。

组织

材料内部各个相的颗粒大小、形状、数量、分布及各相之间的组合状态构成材料的显微组织,它是决定材料性能的基本因素。利用电子显微镜可以观察到材料显微组织的特征形貌。

金属材料的基本相是组元之间形成的固溶体和形成的金属间化合物,例如铁碳合金中的铁素体和渗碳体。铁素体是常温下存在的具有体心立方晶格的铁,在铁碳合金中往往固溶有部分碳,成为固溶体。渗碳体是共价键结合的铁碳化合物Fe₃C。

金属材料由液态转变为晶态时,由于具有良好的热导性,体系可以很快地达到或接近热力学平衡状态,因此在结晶时,将产生大量的晶核。这些晶核长大形成晶粒,通过大角度晶界或亚晶界结合到一起,形成固态金属材料。金属材料组织就由组成金属材料的各种基本相的晶粒大小、分布及晶界和亚晶界的结合状况构成的。单质金属材料的组织是由晶格结构相同的单一物相的晶粒和晶界、亚晶界构成的。金属合金材料,由于存在两个以上的基本组元,其基本相是各个组元之间形成的固溶体,或中间相化合物。

无机非金属材料中的陶瓷材料是压制成型后通过烧结而获得的致密材料。陶瓷材料的微观组织是许多小晶粒通过晶界的玻璃相结合在一起,其间可能包含有部分烧结过程中未排出的气孔,是一种由晶相、玻璃相和气相构成的多相和多晶组织结构。

材料的性能除决定于本身的化学组成、键合方式和晶体结构外,还受材料的组织的影响。构成金属材料组织的晶粒越细,则晶界和亚晶界越多,即面缺陷越多,因此产生较大的晶格畸变,将导致金属材料的强度提高。固溶体和中间相的形成,由于打破了晶粒中晶格的连续性和材料组织的连续性,也将在材料局部产生较大的畸变和应力,对材料具有强化作用。因此,合金材料一般比纯金属材料具有更高的强度和硬度。陶瓷材料也具有类似的性质,晶粒越小,玻璃相和气相越少,陶瓷材料的强度越高。在工业生产中,可以通过控制和改变材料中相的种类、大小、分布和形态及不同相的组合,来改变材料的组织,从而整合和提高材料的性能。

金属材料

红热状态的铁

金属材料是一类历史悠久的材料，也是人类利用最多的材料。这一章，我们将向您介绍钢铁材料、铜及铜合金、铝及铝合金等重要金属材料，以及金属材料的加工成型工艺。

金属材料总论

金属材料的一般性能

金属材料是由金属键结合的多晶材料。

金属材料是电和热的良导体。

金属材料一般具有良好的塑形和延展性，因此具有良好的加工工艺性能，不仅适用于铸造成型，而且适用于锻造、轧制等塑形加工。

金属材料表面具有金属所特有的色彩和金属光泽。

金属材料易于氧化。

金属材料的优缺点

优点

导电，导热。

建设中的北京国家体育馆（鸟巢），主体为钢铁材料

强度高、硬度大、耐磨性好，可用于薄壳构造。

延展性好，适用于铸造、锻造等加工工艺。

易于保持清洁，不易污损。

易于实现和其他材料的配合，等等。

缺点

粗重的钢缆

• 密度大，使得设计产品笨重
  

生锈的钢铁

• 易于生锈，产生破坏
  

• 绝缘性差
  

• 缺乏色彩
  

• 加工成本高，等等。
  

金属材料的结构

金属从熔融状态凝固后，一般都是许多小晶体组成的集合体，又称为多晶体。

常见的金属晶体结构有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

体心立方晶格

体心立方晶格（示意图）

体心立方晶格的晶胞是一个正立方体，在其八个顶角和体心处各有一个金属原子。
铬、锢、钨、钒、钾、钼等金属都具有该种晶格结构，室温下的ɑ-Fe也具有该种晶格结构。

面心立方晶格

面心立方晶格（示意图）

面心立方晶格是由金属原子小球通过面心立方密堆而形成的晶格结构，其晶胞也是一个正立方体，除在体个角各有个立方体的八个顶角处各有一个原子外，在立方体的六个表面的中心还各有一个原子。
铝、铜、镍、铅、γ-Fe等金属都具有该种晶体结构。

密排六方晶格

密排六方晶格（示意图）

密排六方晶格是由金属原子小球通过六方密堆而形成的晶格结构，其晶胞是一个正六棱柱体，除在六棱柱的12个顶角各有一个原子外，在两个底面的中心也各有一个原子，在晶胞内部还均匀的分布有三个原子。
铍、镁、锌、镉等金属都具有这种晶格结构。

金属材料的性质与晶格结构的关系

金属材料的性质与其晶格结构有极大的联系，晶格类型相同的金属，一般在性质上也有其共性。
具有体心立方晶格的金属一般比较硬，延展性较差，如铬。
具有面心立方晶格或者密排六方晶格的金属材料，质地柔软，具有良好的延展性和塑性。
具有面心立方晶格结构的铝、铜，和具有密排六方结构的镁、锌，比体心立方晶格结构的纯铁具有更好的柔韧性、延展性和塑性。

钢铁材料

铁碳合金

铁碳合金就是基本组员为铁和碳的合金，它是工业上应用最广泛的合金。

普通的碳钢和铸铁都属于铁碳合金，合金钢和合金铸铁实铸铁都属于铁碳合金，合金钢和合金铸铁实际上都是加入合金元素的铁碳合金。

铁碳合金的基本相包括，铁素体、奥氏体和渗碳体Fe3C。

铁素体

纯铁在912°C以下为具有体心立方晶格的α-Fe 。碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F或α表示。

由于体心立方的间隙小，因此碳在α-Fe中的溶解度很小，在727°C时为0.0218%，在20°C时仅为0.0008% 。

铁素体的力学性能特点是，强度、硬度较低，但塑性、韧性较好。

奥氏体

纯铁在912°C~1394°C之间为面心立方晶格的γ-Fe，碳溶于γ-Fe中形成的间隙型固溶体成为奥氏体，常用符号A或γ表示。

由于γ-Fe的面心立方晶格中的间隙相对较大，所以碳在γ-Fe中的溶解度较大。1148°C时的最大溶解度为2.11％，在727°C的溶解度为0.77 ％。

奥氏体具有较低的硬度、良好的塑性和较低的变形抗力，适用于压力加工

渗碳体

渗碳体是铁和碳形成的共价键结合的金属化合物，具有不同于铁或碳的复杂晶体结构。渗碳体的分子式为Fe3C，其含碳量为6.69％。

渗碳体的强度低，硬度却非常高，塑性几乎为零，熔点为1227°C。

渗碳体是碳钢中的强化相，它的形状、大小、数量和分布对钢的性能影响较大。

渗碳体是是一种亚稳相，在一定条件下分解形成石墨。

铁碳合金在常温下的相主要有铁素体和渗碳体。由于碳在α-Fe中的溶解度很小，所以常温下，碳主要以渗碳体的形式存在铁碳合金中。又由于渗碳体是亚稳相，当铁碳合金中的碳含量较大时（如铸铁中），将易于析出铁素体和石墨。

Fe-C相图

工业纯铁 [ w(C) ≤ 0.0218%]
碳素钢 [0.0218%< w(C) ≤ 2.11%]
白口铸铁 [2.11%< w(C)<6.69%]

Fe-C相图在选材方面的应用

建筑结构用钢材要求塑性、韧性好，宜选用低碳钢；
机械零件设计，由于要求强度、塑性和韧性具有良好的配合，宜选用中碳钢；
模具或工具要求材料硬度高、耐磨性好，宜选用高碳钢。
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。

Fe-C相图在铸造工艺方面的应用

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℃。
从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。
在铸钢生产中, 碳质量分数在0.15%-0.6%之间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。

Fe-C相图在热锻、热轧工艺方面的应用

钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内。一般始锻温度为1150℃～1250℃，终锻温度为750℃～850℃。

Fe-C相图在热处理工艺方面的应用

Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火、回火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。这将在热处理一节中详细阐述。

碳素钢

大型碳素钢球阀

在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳钢或碳素钢。常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧性均较好，工程性能比较优越。 碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，是应用最多的工程金属材料。

实际使用的碳钢，除铁、碳两个主要元素之外，还含有少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。其中元素S和P对钢的性能损害较大，Si、Mn等能提高钢的强度和硬度。依据S、P含量的多少又可把碳钢分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。

碳素结构钢

碳素结构钢是指碳含量低于0.38%，硫、磷含量大于0.035wt%的碳钢

牌号常见碳素结构钢的牌号用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度的数值。例如，Q275表示屈服强度为275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D ，则表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同。其中A级钢含硫、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低，即A、B、C、D表示钢材质量依次提高

常用碳素结构钢：Q195、Q215、Q235A、Q235B塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等；Q235C、Q235D可用于重要的焊接件；Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。

优质碳素结构钢

优质碳素结构钢是指碳含量低于0.70wt%，硫、磷含量不大于0.035wt%的碳钢。

牌号：优质碳素结构钢的钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示。例如，钢号“20”即表示碳质量分数为0.20% （万分之二十）的优质碳素结构钢。若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。
优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

常用优质碳素结构钢：08F塑性好，可制造冷冲压零件；10、20钢冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；35、40、45、50钢经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；60、65钢主要用来制造弹簧。

优质碳素钢使用前都要经过热处理

合金钢

碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。为了提高钢的性能，在炼钢过程中特意引入某些元素固溶，改善碳素钢的机械性能，所获得的钢种称为合金钢。

合金元素与铁、碳的作用

有50多种元素可以作为合金元素制备合金钢，常用的合金元素：Mn，Si，Cr，Ni，Mo，W，V，Ti，Re等。

合金元素主要以三种形式存在钢中，即：
(1) 与铁形成固溶体——合金铁素体
(2) 与碳形成碳化物——合金渗碳体或特殊碳化物
(3) 在高合金钢中还可能形成金属间化合物

合金铁素体

几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中，形成合金铁素体或合金奥氏体。

合金元素溶入铁素体后产生固溶强化作用，使其强度、硬度提高，其中以Si、Mn的强化作用最显著。

当铁素体中的Si ＞0.6%, Mn＞1.5%, Ni ＞5%, Cr＞2%时，冲击韧性明显降低，可知钢中的合金元素含量应是有一个合理的范围。

合金渗碳体

合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。
常见非碳化物形成元素有：等Ni、Co、Cu、Si 、A l、N 、B等。它们基本上都溶于铁素体和奥氏体中。
常见碳化物形成元素有：Zr、Ti 、Nb、V 、W、Mo、Cr、Mn等( 按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) 。
它们在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体，含量高时可形成新的合金碳化物。

合金元素的作用

在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素将发生交互作用，形成合金铁素体、合金碳化物或金属间化合物，改变钢的组织，使钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性等显著提高。
在钢的热处理过程中，对各种组织的转变发生影响，从而改善钢的性能。如，有些合金元素的引入可以加速奥氏体化的速度，而有些合金元素则能显著延缓奥氏体的形成，从而改善钢的性能。

合金结构钢

合金结构钢的牌号
低合金结构钢牌号与碳素结构钢牌号相同，牌号由“Q+屈服点数值+质量等级符号（A 、B、C 、D）”三个部分组成，其中Q为汉字“屈”拼音的首字母。
合金结构钢的牌号：牌号由“数字+化学元素符号+数字”组成，前面的数字表示平均碳质量分数的万倍；化学元素符号为合金元素的符号；相应化学元素符号后面的数字表示其含量，以平均质量分数的百倍表示，少于或等于1.5%时则省略。若为滚动轴承钢，则在钢号前加“G”，含Cr则用平均质量分数的千倍表示。

低合金高强度结构钢

皮尔森机场的钢结构

主要用途
主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等

性能
A)高强度：一般屈服强度在300 MPa 以上；
B)高韧性：一般延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600 kJ/m2～800 kJ/m2；
C)良好的焊接性能和冷成型性能；
D)低的冷脆转变温度；
E)良好的耐腐蚀性。

成份特点
A)低碳，由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20% ；
B)合金元素以锰为主；
C)加入铌、钛或钒等辅加元素，在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。
D)加入少量铜（≤ 0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。

热处理特点
这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。

常用的低合金高强度结构钢
Q345(16Mn)是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%。

Q420(15MnVN)中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

合金渗碳钢

汽油发动机的凸轮轴

用途
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机的凸轮轴、活塞销等机器零件。

这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。这要求零件的心部有足够的强度，较高的韧性和塑性，表面有高的硬度、耐磨性和疲劳强度。渗碳钢经过渗碳处理后可以达到这个要求。

成分和性能特点
低碳：碳质量分数一般为0.10% ～0.25% ，使零件心部有足够的塑性和韧性。
经表面渗碳热处理后，零件表层含碳量较高，可达0.85～1.05％，表面硬度可达60～62HRC，而心部硬度为25～48HRC。
主要合金元素有Cr、Ni、Mn、B等，以提高淬透性。
辅以少量Ti、V、W、Mo等合金元素，以提高强度和韧性。

热处理和组织性能
合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。

常用渗碳钢的牌号和特性
20Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心部强度较低。
20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。
18Cr2Ni4WA 和20Cr2Ni4A 高淬透性合金渗碳钢。含有较多的Cr、Ni 等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。

合金调制钢

调制钢是调制处理后使用的钢。常用于制造汽车、机床上的主要零件，如机床的连杆、齿轮、传动轴等。

他们在工作时承受较大的循环载荷或各种复合应力，故要求所用的材料具有高的强度、良好的塑形、韧性和高的疲劳强度。

成分特点
中碳，调质钢的含碳量在0.25 ～0.50 ％之间，主加合金元素Cr、Mn、Ni、Si 等，这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多。

热处理和组织性能
合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。
合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500℃～650℃回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。
合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa，冲击韧性为800 kJ/m2，心部硬度可达22 HRC～25 HRC。
若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。

弹簧钢

弹簧

弹簧钢是用来制造弹簧等弹性部件的钢。弹簧钢要具有较高的弹性极限和屈强比，较高的疲劳强度，一定的塑性和韧性。

合金弹簧钢的含碳量为：中碳和高碳0.40~0.70%，以保证钢具有高的弹性极限和疲劳强度。

合金弹簧钢的主要添加元素：Si(＜3.0%)、Mn(＜1.3%)、Cr ( 约1.0%)，它们能提高钢的淬透性，固溶强化铁素体，提高弹性极限，Si 的加入还可以使屈强比提高。

滚动轴承钢

滚动轴承钢简称轴承钢，主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等，属专用结构钢。

从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。

性能
轴承的工况要求材料具有良好的抗接触疲劳性能、高硬度、高耐磨性，足够的强度和冲击韧性，以及抗蚀能力。

成分
高碳(C，0.95～1.15％)，以保证热处理后的轴承钢的硬度、强度和耐磨性。
铬为基本合金元素铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe，Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40% ～1.65% 。

合金工具钢

按用途分类：
合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢。

共性

• 高硬度、高耐磨性，和足够的强度、塑性及一定的冲击韧性。
• 均需要经过淬火、回火等热处理。

牌号

• 牌号由“数字+ 化学元素符号+ 数字”组成，前面的数字与平均碳质量分数有关；化学元素符号为合金元素的符号；相应化学元素符号后面的数字与其含量有关。
• 碳质量分数大于等于1.0%时不标出，小于1.0%时以千倍表示，高速钢例外 其平均含碳量小于10时也不标出 合金元素的表示方法与 钢例外，其平均含碳量小于1.0时也不标出。合金元素的表示方法与合金结构钢相同，以合金元素平均质量分数的百倍表示，少于或等于1.5%时则省略。

         例子：
         5CrMnMo—— 平均碳质量分数为0.5%，铬、锰、钼质量分数小于1.5%。
         CrWMn——平均碳质量分数不小于1%，铬、钨、锰质量分数小于1.5%。

合金刃具钢

用途
合金刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。

性能要求
刃具切削时受工件的压力，刃部与切屑之间产生强烈的摩擦；由于切削发热，刃部温度可达500℃～600℃；此外，还承受一定的冲击和震动。因此对刃具钢提出如下基本性能要求：高硬度、高耐磨性、高热硬性、足够的强度和韧性。

 热硬性亦称红硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力。

低合金刃具钢

合金刃具钢的一种。低合金刃具钢的最高工作温度一般不超过300℃。

组成特点

• 高碳：碳质量分数为0.9%～1.5%，以保证淬火后马氏体的含碳量，保证足够的硬度和耐磨性。
• 常用的合金元素——Cr、Mn、Si 、W、V 等合金元素

   Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性，使其在230°C~250°C 之间回火时仍能保持60HRC以上的硬度，保证一定的红硬性。
   W、V的加入，在钢中形成合金碳化物，能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒，提高红硬性。

常用的的低合金刃具钢
9SiCr、CrWMn、Cr6等

高速钢

高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600 ℃时，其硬度无明显下降。

组成特点

• 高碳：碳质量分数在0.70%~1.65%，以保证淬火后马氏体的含碳量及与合金元素形成碳化物的量。
• 常用合金元素—Cr、W、Mo、V等合金元素。合金元素的量相对较高，Cr—3.5~5.0%；W—5.50~19.0%；Mo—2.7~10.0%。
• 形成合金碳化物，增加高速钢的硬度和红硬性。

常用高速钢

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

合金模具钢

用于制作模具的合金钢称为合金模具钢。根据模具的工作条件不同，可以分为冷作模具钢和热作模具钢。

冷作模具钢

冷作模具钢用于制造金属在冷态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模等等。

这类模具的工作温度一般不超过200~300°C 。

冷模具在冷态下工作，被加工材料的变形抗力较大，模具的刃口部位受到强烈的摩擦和挤压，所以模具钢应具有高的硬度、强度、耐磨性和较好的韧性。

组成特点

• 高碳，一般含碳量在1%左右，以保证高硬度和高耐磨性。
• 常用的合金元素——Cr、Mn、Mo、W、V等，Mn、Cr能提高淬透性，Mo、W、V等能形成碳化物，细化晶粒，提高耐磨性。

常用的冷作模具钢

Cr12、Cr12MoV等。

热作模具钢

热作模具钢用于制造使加热的固态或液态金属获得所需形状的模具。如热锻模、热挤压模、压铸模等。
这类模具的工作时的形腔温度可达600°C。

热作模具钢是在受热和冷却的条件下工作，同时受热应力和机械应力的作用，因此热作模具钢需要具有较高的强度、韧性、高温耐磨性及热稳定性，并应具有良好的抗热疲劳特性。

组成特点

• 中碳，含碳量≤ 0.5％，以保证良好的强度和韧性配合；
• 合金元素Cr，Ni，Mn，Si 等，主要是提高淬透性，强化基体；Mo、W、V 等的加入主要是提高钢的回火稳定性。

常用的热作模具钢

5CrNiMo，5CrMnMo，5Cr4W5Mo2V等。

合金量具钢

量具钢是用来制造各种测量工具的钢。量具是计量尺寸或角度的，必须具备精确而稳定的尺寸，因此，量具钢应有高硬度、高耐磨性和稳定的尺寸。

量具没有专门的用钢，工具钢和滚动轴承钢均可用来制作量具。

也要经过热处理。为了使尺寸稳定，最终的热处理要保证最终的材料组织是稳定的。一般要消除奥氏体组织，得到回火马氏体和弥散的碳化物组织。

特殊性能钢

凡具有特殊的物理、化学性能（如耐腐蚀、耐高温）的钢，均称为特殊性能钢。

在工程设计和工业设计中比较重要的有：不锈钢、耐热钢、耐磨钢

牌号

• 牌号由“数字+ 化学元素符号+ 数字”组成，前面的数字与平均碳质量分数有关；化学元素符号为合金元素的符号；相应化学元素符号后面的数字与其含量有关。
• 含碳量以平均碳质量分数千倍表示，当平均含铁能量不大于0.03% 时或0.08% 时，钢号前冠以00或0表示。
• 合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同，以合金元素平均质量分数的百倍表示，少于或等于1.5%时则省略。

   例子：2Cr3——平均碳质量分数为0.2%，Cr质量分数为13%。

不锈钢

不锈钢又称不锈耐酸钢，是指在空气、水、盐水溶液、酸及其它腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。

不锈钢在化工、石油、食品及国防工业中广泛应用。

不锈钢的牌号

不锈钢的牌号前的数字表示平均含碳量的1000倍，其合金元素的表示方法与其它合金钢相同。

   例子：含C ≤ 0.15% ，Cr11.50~13.5%的不锈钢牌号为——1Cr13 。

化学成分

• 低碳，不锈钢的含碳量增加会形成Cr23C6，使晶界周围贫Cr，导致钢的耐腐蚀性降低，因此不锈钢的含碳量一般＜0.15％。
• 合金元素主要为Cr，其含量≥13.0 ％，以提高钢的耐电化学腐蚀能力。

耐热钢

耐热钢是指在高温下有良好化学稳定性和较高强度，能较好的适应高温条件的特殊合金钢。耐热钢具有两方面的性能高温强度和高温抗 两方面的性能，高温强度和高温抗氧化性。

常用耐热钢

铁素体-珠光体耐热钢（15CrMo、12CrMoV等），马氏体耐热钢，奥氏体耐热钢。

高温强度

• 用于评定高温强度的性能指标有蠕变强度和持久强度。
• 在高温下工作的金属在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。如材料选择不当，蠕变量超过一定的允许量，将引起产品的破坏。
• 在一定的温度下，在规定的时间内允许一定蠕变量变形所承受的最大应力叫做蠕变强度。
• 金属的持久强度是试样在一定温度下和规定时间内不发生断裂的最大应力。

高温抗氧化性

为了提高钢的高温抗氧化性能，在钢中加入Cr、Al、Si 等，在钢的表面形成致密的Cr₂O₃、Al₂O₃或Fe₂SiO₄氧化膜，组织继续氧化织继续氧化。

合金元素

为了提高耐热钢的蠕变强度和持久强度，在钢中加入Cr，Mo，W，V 等合金元素，强化基体，提高再结晶温度，形成硬度高，热稳定性好的碳化物，阻止蠕变的发展。

耐磨钢

耐磨钢是指在冲击载荷下发生硬化的高锰钢。

耐磨钢是高锰钢的一种，但高锰钢不全都是耐磨钢。只有锰含量和碳含量在一定范围内的高锰钢才是耐磨钢。

化学成分

含锰10%～15%，碳含量较高，一般为0.90%～1.50%，大部分在1.0%以上。

   ZGMn13——含碳量为0.75 ~1. 45%，含锰量11% ~14%。
   Mn是扩大奥氏体相区的合金元素，11%~14%的Mn使A3点降至室温以下，在室温下为单相奥氏体。
   这种钢加工硬化快，切削困难，一般限于制作铸件使用。

高锰钢铸件在使用过程中，在冲击载荷下，表面层奥氏体发生强烈的加工硬化，使表层硬度迅速提高，可达450~550HBW ，而心部仍保持韧性高的奥氏体。

高锰钢只有在冲击载荷下才具有较高的耐磨性。

铸铁

铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。

易于铸造成型、机械加工，耐磨、减震。是汽车、拖拉机等机械部件的基座的铸造材料。

铸铁的分类和碳的存在形式
依据铸铁组织中的石墨形态的不同，铸铁分为四类

• 灰口铸铁——石墨呈片状
• 可锻铸铁——石墨呈团絮状
• 球墨铸铁——石墨呈球状
• 蠕墨铸铁——石墨呈蠕虫状

铸铁中碳主要以石墨相存在。石墨是铸铁中的缺陷，石墨的数量、大小、形状和分布均对材料的性能存在较大影响。

石墨的作用

• 因石墨的存在，造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。
• 铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。
• 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。
• 石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。
• 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。

灰口铸铁

石墨成片状，由于石墨的存在，其断口呈暗灰色而得名。灰口铸铁价格便宜，是应用最多的铸铁材料。

灰铸铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在：2. 5%～4. 0%C; 1. 0%～2. 0%Si。

灰口铸铁是典型得脆性材料，抗压强度较高，适用于铸造各种设计产品的基座。

灰口铸铁的牌号

“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度，如HT150 、HT250 、HT400

可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁,是在钢的基体上分布着团絮状石墨的一种铸铁。

由于石墨形态呈团絮状分布，减弱了对基体的割裂作用，因此可锻铸铁的力学性能比灰口铸铁高，具有更高的塑性和韧性。

   “可锻”并不是说可锻铸铁真的可以使用锻造加工，而仅仅是说明其具有较好的塑性，实际仍然是不可锻造的。

铁素体可锻铸铁以“KT” 表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。如：KT350-10、KTZ600-3

可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。

白口铸铁

三个石墨化阶段过程全被抑制住，完全按Fe-Fe₃C相图结晶的铸铁，碳固溶于铁素体和存在于渗碳体中，没有游离的碳。由于其断口呈银白色，故称为白口铸铁。

白口铸铁的性能硬而脆，不宜切削，很少用于制作机械零件或产品部件，一般主要用作炼钢原料或通过退火制备可锻铸铁。

球墨铸铁

球墨铸铁是在钢的基体上分布着球状石墨的一种铸铁。

球墨铸铁的性能

• 由于球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性，其综合机械性能接近于钢。
• 球墨铸铁可以像钢一样进行各种热处理和合金化，以改变其金属基体组织，提高力学性能。
• 铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。

球墨铸铁的牌号

球墨铸铁牌号用“QT” 标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。如：QT400-15、QT600-3、QT800-2

蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是钢的基体上分布着蠕虫状石墨的一种铸铁。

蠕虫状石墨为互不连接的蠕虫状石墨，为互不连接的短片状，其石墨片的长厚比较小，端部较钝，形态介于片状石墨和球状石墨之间。

蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能 和导热性。

蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。如：RuT300 、RuT420

蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。

钢的热处理

热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。

热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。

与锻、铸、焊切削等工艺方法不同，热处理是改变工件内在性质的一种工艺，而工件的形状和尺寸基本不变。

热处理工艺一般包含加热、保温和冷却三个过程，其中冷却过程是钢热处理的关键。

冷却过程是钢的热处理的关键部分，它对钢在热处理后的组织和性能起着极大的作用。采用不同的冷却速度和冷却方式，可以获得不同的组织和性能。

T8钢（碳素工具钢的一种）小试样，同时加热到800°C奥氏体化，经保温后，一块从炉中取出立即放入水中冷却，即淬火；另一快随炉冷去，即退火。结果，T8 钢经淬火后硬度高达64HRC，而退火后的硬度约为12HRC。

热处理

• 普通热处理
  • 退火
  • 正火
  • 淬火
  • 回火
• 表面热处理
  • 化学热处理
  • 表面淬火

退火

将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。

退火步驟

• 第一阶段是回复（recovery）。在回复的过程中，晶体內部缺陷（例如空位）會移动回复到正常晶格位置，同時內部应力场也會跟著消失。在回复阶段，先前的冷加工过的金属其电、热传导等性质将回复成原来状态。
• 第二阶段是再结晶（recrystallization）。再结晶过程中，新的晶粒成型，当退火过程继续进行中取代原本因內应力而变形的晶粒。
• 再结晶完成时，晶粒生长（grain growth）就会开始。晶粒生长过程中，小的晶粒会与大的晶粒合并，减少材料內部晶界的数目。晶粒生长的程度会严重影响到材料的机械性能。

退火的目的

• 通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。
• 使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。
• 由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。

正火

将钢材或钢件加热到A c3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上30 ℃～50 ℃, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。

正火的目的

• 作为最终热处理,正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。
• 作为预先热处理，截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火， 以获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。
• 改善切削加工性能

淬火

将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上30 ℃～50 ℃；共析钢和过共析钢为Ac1以上30 ℃～50℃），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。

淬火常用的冷却介质是水和油。

淬火配以回火作为最终的热处理。

淬火的目的是获得马氏体组织，为钢的回火做好组织准备，然后再配以回火工艺，以改善或调整钢的性能。

回火

钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1 以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。

回火热处理又分为，低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度( 一般为58 HRC～64 HRC) 和高耐磨性。

主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。

中温回火获得回火屈氏体，具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35 HRC～45 HRC，主要用于处理各类弹簧。

通常把淬火加高温回火称为调质处理。广泛用于各种重要的机器结构件，是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等。也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。

铜和铜合金

铜和铜合金的性能

• 优异的物理、化学性能

纯铜的导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。

铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。

铜是抗磁性物质。

• 良好的加工性能

铜具有面心立方晶格，塑性很好，容易冷、热成形；

铸造铜合金有很好的铸造性能。

• 具有某些特殊机械性能，如

青铜及部分黄铜具有优良的减摩性和耐磨性，

铍青铜具有高的弹性极限和疲劳极限。

• 色泽美观

纯铜

纯铜的特点

• 纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化铜膜后外观呈紫红色，故俗称紫铜。
• 熔点1083°C。
• 密度8.94g/cm³。
• 具有面心立方晶格，强度不高，但塑性好，有着良好的加工性能和可焊接性能，易于冷、热加工成形。
• 纯铜的导电性、导热性好，仅次于银。
• 化学稳定好，在大气、淡水及蒸汽中均有优良的抗蚀性，但在氨、氯盐，以及氧化性的硝酸、浓硫酸及海水中抗蚀性很差。
  

工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。

   注意与合金工具钢的牌号进行区分。

常用来制造电导线、散热器、冷凝器等。纯铜的强度低, 不宜作结构材料。

青铜

青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金为青铜，所以青铜实际上包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。

   注意，在某些情况下青铜可能特指锡青铜，您应当加以辨别。

青铜也可分为压力加工青铜(以青铜加工产品的形式供应)和铸造青铜两类。

青铜的牌号
青铜的牌号为“Q+主加合金元素符号+ 主加合金元素含量+ 其它元素含量”，其中，Q为汉字青的拼音首字母。

   例如，QSn4-3表示主加元素为Sn，Sn的含量为4%，Zn的含量为3%，其它为Cu的锡青铜。

锡青铜

以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。如QSn6.5-0.1

锡青铜的特点

• 锡青铜的铸造收缩率很小，可铸造形状复杂的零件。
• 锡青铜在大气、海水、淡水以及蒸气中的抗蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸和氨水中的抗蚀性较差。
  

锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件，以及抗蚀、抗磁零件等。

铝青铜

以铝为主要合金元素的铜合金称铝青铜。如QA119-4

铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及多有 大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。
铝青铜的耐磨性亦比黄铜和锡青铜好。主要用于制造齿轮、轴套、蜗轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件，以及弹簧和其它高耐蚀性弹性元件。

铍青铜

以铍为基本合金元素的铜合金(铍质量分数为1.7%～2.5%) 称铍青铜。如QBe2

铍青铜在淬火状态下塑性好，可进行冷变形和切削加工，制成零件经人工时效处理后，获得很高的强度和硬度：s_b达1200MPa～1500MPa，硬度达350HB～400HB, 超过其它铜合金。
铍青铜主要用于制作精密仪器的重要弹簧和其它弹性元件，钟表齿轮，高速高压下工作的轴承及衬套等耐磨零件，以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。

黄铜

黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。按照化学成分分为普通黄铜和复杂黄铜（特殊黄铜）。

• 黄铜的抗蚀性较好，与纯铜类似。
  
• 但冷加工的黄铜制品，由于残余应力的存在，在潮湿的大气、海水，以及含氨的介质中 易产生腐蚀开裂 因此冷加工的黄 及含氨的介质中，易产生腐蚀开裂。因此冷加工的黄铜合金应进行250~300°C的低温退火，以消除内应力。
  

普通黄铜的牌号为“H+数字”，H是“黄”字的拼音首字母，后面数字表示铜的百分含量。如，H70表示铜含量为70%的普通黄铜。
特殊黄铜的牌号用“H+主加合金元素（锌以外）的化学符号+ 铜含量+ 主加合金元素含量”，如，HPb59-1表示含59%Cu，1%Pb ，其余为锌的特殊黄铜。

普通黄铜

普通黄铜中Zn的含量对黄铜的组织和力学性能的影响很大。

• 当Zn含量小于30~32% 时，为单相黄铜。Zn完全固溶于Cu内，形成面心立方晶格的a固溶体，塑性好，并且随Zn含量的增加，强度和塑性都提高，适宜于冷热加工。
• 当Zn含量介于32%~45%时，为双相黄铜。黄铜的组织由a固溶体 „ 当Zn含量介于32% 45%时，为双相黄铜。黄铜的组织由a固溶体和体心立方晶格的b 相构成，此时的塑性下降，而强度仍很高，冷加工性能较差，但热加工性能良好。
• 当Zn含量超过45%时，铜合金组织全部为b 相，强度和塑性急剧下降。

单相黄铜H80、H70、H68 塑性很好，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。

双相黄铜H62、H59 可进行热变形，常热轧成棒材、板材。可铸造。

特殊黄铜

• 铅黄铜HPb63-3 铅改善切削加工性能，提高耐磨性，对强度影响不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如钟表零件等) ，铸造铅黄铜可制作轴瓦和衬套。
• 锡黄铜HSn62-1 锡显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，并使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。 使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。
• 铝黄铜HAl60-1-1 铝提高黄铜的强度和硬度( 但使塑性降低)，改善在大气中的抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，还可得到高强度、高耐蚀性的复杂黄铜，制造大型蜗杆、海船螺旋浆等重要零件。
• 硅黄铜HSi65-1.5-3硅显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工，主要用于制造船舶及化工机械零件。

白铜

以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。
在固态下，铜与镍无限固溶，因此工业白铜的组织为单相α固溶体。它有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度。它的抗蚀性很好，电阻率较高。
白铜的牌号，“B+合金元素Ni 的含量”或“B+第二主加合金元素符号+Ni 含量+ 第二主加元素含量”，其中，B为汉字青的拼音首字母。
用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰含量高的锰白铜可制作热电偶丝。
常用白铜B30、B19、B5、BZn 15-20、BMn 3-12、BMn 40-1.5等。

铝和铝合金

纯铝

纯铝的性能特点

• 纯铝是一种银白色的金属。
• 熔点低、密度小。熔点—— 657°C ；密度—— 2.7g/cm³，仅为铁的三分之一。
• 导电导热性能好，仅次于金、银和铜等。
• 抗大气腐蚀性能好。
• 具有优异的加工工艺性能。铝具有面心立方晶格，强度低、塑性好，可经冷塑性变形使其强化，能通过冷、热变形制成各种型材，并且便于切削。

纯铝的牌号

• 工业纯铝牌号—— L1、L2、……L7，L为铝的汉语拼音声母，其后的数字越大，纯度越低。
  

   L1——L2——L3——L4——L5——L6——L7
   纯度降低>>>

• 高纯铝牌号——L01 、L02 、L03 、L04 ，编号越大，纯度越高。

   L01——L02——L03——L04——L05——L06——L07
   纯度升高>>>

纯铝的主要用途
工业纯铝主要用来制造电线、电缆，以及要求具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的零件和生活用具。

铝合金

纯铝因其强度很低，不宜用来制造承受载荷的产品部件。如在铝中加入适量的Si 、Cu、Mg、Mn等元素，则可以得到较高强度的铝合金。
根据成分及工艺特点，铝合金分为两类： 变形铝合金和铸造铝合金。
铝合金与纯铝一样，熔点低、密度小，热和电的良导体，抗氧化，并且具有比钢铁材料更高的比强度。
铝合金具有优异的加工性能，铸造铝合金的铸造性能极好。
铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。

铝合金的时效

铝合金的热处理是通过固溶强化和时效强化来达到的，尤其是时效强化的效果更为显著。
铝合金的时效一般经过两个过程，即固溶处理和时效硬化，固溶处理是为时效硬化做准备的。
固溶处理
将成分位于相图中D～F之间的合金加热到a相区, 经保温获得单相a 固溶体后迅速水冷，可在室温得到过饱和的a固溶体 , 这种处理方式称为固溶处理。
时效
固溶处理后得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明 在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。
在室温下进行的称为自然时效；在加热条件下进行的称人工时效。

合金发生时效的条件
合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低

时效温度和时间对时效的影响

• 时效温度越高, 强度峰值越低, 强化效果越小。
• 时效温度越高, 时效速度越快, 强度峰值出现所需时间越短。
• 低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性, 抑制时效的进行。

变形铝合金

根据热处理及性能特点，变形铝合金可分为
热处理不能强化的铝合金

• 防锈铝合金

热处理强化的铝合金

• 硬铝合金
• 超硬铝合金
• 锻造铝合金

防锈铝合金

防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。镁固溶强化，同时降低密度。
防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能高，塑性好。不能进行时效硬化，属于不可热处理强化的铝合金，但可冷变形，利用加工硬化提高强度。
防锈铝合金的牌号
防锈铝合金的牌号前的字母为“LF”是铝防的汉语拼音声母。
常用防锈铝合金
LF21—— Al-Mn系合金；LF5、LF11 —— Al-Mg系合金，适用于制造油箱油管铆钉及其它冷变形部件。

硬铝合金

硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。经过时效强化后，具有很高的强度和硬度。

牌号，“LY” 是铝硬的汉语拼音声母。
硬铝合金按其合金元素的含量及性能不同，可分为三类

• 低硬铝合金——LY1、LY10等。Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝。
• 标准硬铝——LY11等。合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件。
• 高合金硬铝—— LY12、LY6 等。合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。

超硬铝合金

超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu 系合金, 含有少量的铬和锰，是强度最高的一类铝合金，牌号有LC4、LC6 等。但这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝法可提高抗蚀性。
锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相( 例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu 等) ，合金经固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。

锻铝合金

锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。
牌号有LD5 、LD7 、LD10等。合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。
这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件，通常要进行固溶处理和人工时效。

铸造铝合金

铸造铝合金的牌号ZL是“铸造”两个汉字拼音声母。

铸造铝合金具有良好的抗蚀性及铸造工艺性，但塑性较差，常采用变质处理和热处理来提高其力学性能。

铸造铝合金主要有四大类

• Al-Si系铸造铝合金（铝硅明）
• Al-Cu系铸造铝合金
• Al-Mg系铸造铝合金
• Al-Zn系铸造铝合金

Al-Si系铸造铝合金（铝硅明）

Al-Si系铸造铝合金又称铝硅明，其中不含有其它合金元素的称为简单铝硅明，除硅外还含有其它合金元素的称为特殊铝硅明。

简单铝硅明——ZL102(含10%～13%Si)

• 铸造后几乎全部得到共晶体组织(a+Si) ，由于熔点低、流动性好、收缩小，具有优良的铸造性能。
  
• 铸造性能很好，焊接性能也好，密度小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，但不能时效强化，强度较低，经变质处理后, sb最高不超过180 MPa 。
  
• 该合金仅适于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，例如仪表、水泵壳体以及一些承受低载荷的零件。
  

特殊硅铝明

为了提高硅铝明的强度，在合金中加入一些能形成强化相CuAl₂( θ 相)、Mg₂Si( β 相)、Al₂CuMg(s 相)的Cu、Mg等元素，以获得能进行时效硬化的特殊硅铝明。

ZL101和ZL104Al-Si系铸造铝合金（铝硅明）

• 含有少量镁，经淬火时效后，强度σ_b可达200 MPa～230 MPa。
• 用于制造低强度的、形状复杂的铸件，例如电动机壳体、气缸体以及一些承受低载荷的零件等。

ZL107

• 含有少量铜，经淬火时效后，强度σ_b可达260 MPa。
• 可用来铸造强度要求较高的部件，如气缸盖等。

钛及钛合金

• 钛及钛合金是具有优异特性的金属材料。
• 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点。
• 钛资源丰富，目前已广泛应用于航空、航天、航海、冶金、化工工业等领域。
• 但是钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了其应用。

纯钛

纯钛性能

• 钛呈银白色，密度小4.5g/cm3 ，熔点高1668oC，热膨胀系数小，导热性差。
  
• 纯钛塑性好、强度低，容易加工成形，可制成细丝和薄片。
  
• 钛在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。
  
• 钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢，甚至可以抵抗腐蚀能力很强的王水的腐蚀。
  

钛的晶体结构
钛在固态有两种结构，882.5 ℃以上直到熔点为体心立方晶格, 称β-Ti 。882.5℃以下为密排六方晶格, 称α-Ti。冷却时在882.5℃发生同素异构转变: β-Ti→α-Ti。

牌号及用途

• 工业纯钛的牌号以“TA+ 数字”表示，TA为汉字“钛”的拼音前两个字母，数字越大，其杂质越多，则强度升高，塑性降低。
• 工业纯钛的牌号有TA1、TA2、TA3编号越大杂质越多。
• 纯钛可制作在350℃以下工作的、强度要求不高的零件。如笔记本电脑外壳，飞机构架、船舶有管道、阀门等。

钛合金

根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：

• α钛合金
• β钛合金
• (α+β)钛合金。

牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。

α 钛合金

钛中加入铝、硼等a稳定化元素获得a钛合金。

• α 钛合金的室温强度低于β钛合金和(a+b)钛合金，但高温(500 ℃～600 ℃) 强度比它们的高。
• 组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。
• α 钛合金不能淬火强化，主要依靠固溶强化，热处理只进行退火( 变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火)。

典型牌号是TA7 ，成分为Ti-5Al-2.5Sn。其使用温度不超过500 ℃，主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。

β 钛合金

钛中加入钼、铬、钒等β稳定化元素得到β钛合金。

• β 钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。
• 在时效状态下，合金的组织为β相和弥散分布的细小α相粒子。

典型牌号是TB1，成分为Ti-3Al-13V-11Cr, 一般在350 ℃以下使用, 适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。

(α+β) 钛合金

(α + β )钛合金中通常加入β稳定化元素，大多数还加入a稳定化元素。

• 所得到的( α+β ) 钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压。
• 可通过淬火和时效进行强化。热处理后强度可提高50%～100%。

典型牌号是TC4 ，成分为Ti-6Al-4V。适于制造在400 ℃以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。

加工成型工艺

加工工艺主要有：铸造、塑形加工、焊接、切削等。

• 铸造，把熔化的金属熔液浇铸到具有与设计部件形状相适应的铸型空腔中，待熔液冷却凝固后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。
  
• 塑性加工，利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为塑性加工或压力加工。
  
• 焊接，是指将分离的金属通过局部加热或同时加压手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用而牢固地连接起来，形成永久性接头的材料加工工艺。
  
• 切削，指用刀具等切割打磨金属
  

铸造

铸造，把熔化的金属熔液浇铸到具有与设计部件形状相适应的铸型空腔中，待熔液冷却凝固后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。

根据铸型不同，铸造工艺分为：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造等

根据铸造工艺的不同，分为：压力铸造、离心铸造、重力铸造、低压铸造等

优点：

• 适应性强，使金属一次成型，工艺灵活，各种成分、尺寸、形状和重量的铸件几乎都适用。
• 成本低廉。
• 铸件的形状、尺寸与零件可以十分接近。
• 采用铸件可节约金属和机械加工工作量。

缺点：

• 铸件的力学性能低于同样金属支持的锻件。
• 工序多。
• 质量不稳定。
• 工人劳动条件差。

常用的铸造金属

• 铸铁 铸铁是一种Fe-C合金，普通铸铁一般含C 含2.11wt%~4.0wt% 。灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、白口铸铁
• 铸钢
• 铸铝 铸造铝合金重量小、外观质量佳，具有适当的强度，与铸铁、铸钢相比，具有更好的外观装饰效果。铝硅明是常用的铸铝合金
• 铸铜 如青铜

沙型铸造

砂型铸造，俗称翻砂，是传统的铸造工艺。

砂型铸造的特点

• 砂型铸造适应性广，几乎不受铸件的形状、大小、复杂程度及金属种类的限制。
• 铸件表面粗糙。
• 工艺设备简单，成本低。
• 工人劳动强度大。

砂型铸造的主要工序：

• 制模
• 造型
• 浇注
• 落砂
• 清理

熔模铸造

熔模铸造与砂型铸造的根本区别是用蜡模代替木模或金属模，溶模铸造没有分型面。

熔模制造的特点及适用范围

• 铸件的精度及表面质量较高。
• 适用于各种合金铸件。
• 可制造形状复杂的铸件。
• 生产批量没有限制，能实现机械批量化生产。
• 铸件质量不宜过大，一般不超过25kg。

主要工序：

• 制造蜡摸
• 制造型壳
• 浇注金属

金属型铸造

将液体金属注入金属制成的铸型以获得金属铸件的过程，称为金属型铸造。

特点

• 机械加工余量小。
• 冷区速度快。
• 铸件型能提高。
• 可实现多次浇注。
• 压力铸造、低压铸造等一般都是金属型铸造。

塑性加工

利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为塑性加工或压力加工。

常见的塑性加工方法

• 轧制
• 挤压
• 拉拔
• 自由锻造
• 模锻
• 冲压

金属材料的加工硬化

金属材料在常温下进行锻造、压延或拉拔等塑性加工时，随着变形量的增加，材料组织中的晶粒变小，晶界和亚晶界增多，变形抗力增大，导致材料的强度、硬度增大，而延伸率减小，塑性降低，这种现象称为加工硬化或加工强化现象。
压延和拉拔等塑性加工将使金属材料在单方向产生很大的变形，导致材料的强度和延伸率随方向的不同而不同，即产生各向异性。

尽管金属材料具有良好的塑性和延展性，可以通过塑性加工，获得设计的形式结构，提高材料的强度和硬度，但是金属材料承受加工变形的能力是有限的。当超出这个极限时，材料就会产生破坏。

金属材料的再结晶现象

将加工硬化的金属材料加热到某一温度时，将发生剧烈的软化现象。这是因为，加热使得因加工而导致的不正常的原子排列得到恢复，拉长或细晶化的晶粒再结晶成为结构缺陷较少，尺寸较大的晶粒所致。这种缺陷减少，晶粒重新长大的过程称为再结晶。

再结晶的开始温度随金属材料的种类、合金程度、加工程度及加热时间的不同而不同。一般而言，熔点越低，纯度越高，加工度越大，加热时间越长，再结晶开始的温度越低。

金属材料的退火

退火就是把经过塑性加工的金属材料加热到再结晶温度以上，经一段时间的保温处理，材料晶粒变大，晶格结构缺陷降低，塑性恢复到加工前的状态。

退火温度不宜过高，退火时间不宜过长，否则将会导致材料晶粒粗化，性能恶化。通常，在工程的实际操作中，金属材料的退火温度控制在结晶温度以下100°C，退火时间一般设为30分钟至1小时。经过退火过程的热处理，材料的塑性恢复，可以再次对金属材料进行塑性加工。

焊接

焊接，将分离的金属通过局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用老固地结合在一起，形成永久性的接头的过程。

材料化学成分是影响材料焊接型的最基本的因素，塑性较好的金属具有较好的焊接性。如，低碳钢的焊接性优于中碳钢和高碳钢，以及合金钢。

常见的焊接方法：

• 熔焊（电弧焊）
• 压焊（电阻焊、摩擦焊等）
• 钎焊

熔焊

熔焊是将焊件的被连接处局部加热至熔化状态形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，是构件连成一体的方法。

• 气焊
• 电弧焊
• 埋弧焊
• 氩弧焊
• 等离子弧焊

压焊

压焊，利用摩擦、扩散和加压方法，使两个连接件表面上的原子相互接近到晶格距离，从而在固态下实现连接，称为压焊。在加压的同时一般都板有加热。

电阻焊又称接触焊，它是利用电流通过焊接接头的接压焊触面时产生的电阻热将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在一定压力作用下形成焊接接头的压焊方法。分 点焊、缝焊、对焊。

摩擦焊，是利用工件接触面摩擦时产生的热量为热源，将工件端面加热到塑性状态，然后再压力作用下使金属连接在一起的焊接方法。

钎焊

利用某些低溶点母料的填充金属（钎料）熔化后，填入接头间隙并与固态母材通过扩散联接的方法称为钎焊。

• 硬钎焊，是使用熔点高于450°C的钎料进行的钎焊。
• 软钎焊，是使用熔点低于450°C的钎料进行的钎焊。

金属切削

手工加工

• 钳工
• 手工切削

机械加工

• 车
• 铣
• 刨
• 磨
• 钻
• 镗

金属的表面处理

表面处理的意义

• 保护产品，消除产品的表面缺陷，提高产品的耐腐蚀性能改善产品的耐候性，提高产品的工作性能和使用寿命。
• 美化装饰产品，通过表面处理的方式来改变产品表面所需的色彩、光泽、肌理等需要提高产品的审美功能，从而增加产品的附加值。

表面处理分为

• 表面精加工处理
• 表面层改质处理
• 表面被覆处理

表面精工处理

• 纹理加工，模制，碾压。
• 切削，得到高精度的表面。
• 研磨，抛光；可以得到光面、镜面、梨皮面的效果。
• 化学刻蚀或化学抛光。

表面层改质处理

表面层改质处理是通过化学或者电化学的方法将金属表面转变成金属氧化物或者无机盐覆盖膜的过程。

改变金属表面的颜色、肌理及硬度，提高及金属表面的耐蚀性、耐磨性及着色性。

表面被覆处理

纪念英女皇伊丽莎白二世登基而制造的搪瓷托盘（香港历史博物馆）

过在材料表面覆盖一层皮膜，从而改变材料表面的物理化学性质，赋予材料的表面肌理、色彩等。

• 电镀，化学气相沉积，物理气相沉积，热喷涂
• 表面氧化处理
• 涂装，在金属材料的表面覆盖以有机物为主体的涂料层的加工工艺，也被称为涂装
• 搪瓷，景泰蓝

无机非金属材料

这一章节将为您介绍两类无机非金属材料：传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。

传统无机非金属材料主要分为水泥、陶瓷、玻璃三种，都有很悠久的历史。制造工艺多为窑炉烧制。

新型无机非金属材料多为特种陶瓷，具有高强度、耐高温等优异特性。

水泥

密排的水泥砖

玻璃

玻璃杯

玻璃是一种硬且脆的不透气、透明非晶体材料，具有良好的抗化学介质（氢氟酸除外）腐蚀的特性。
狭义的玻璃定义为：熔融物在冷却过程中不发生结晶而形成的无机物质。根据这个定义，用熔融法以外的其他方法，如真空蒸发、放射线照射、凝胶加热等方法制作的非晶态物质不能称为玻璃。还有组成上不同于无机物质的非晶态金属和非晶态高分子材料也不能称为玻璃。然而，广义的玻璃定义根据制成的材料状态及性质等方法对玻璃进行科学的分类，若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质，那么，不管其组成如何，都可以称之为玻璃。
玻璃又称为璧流璃或琉璃。
玻璃的主要产品

• 平板玻璃
• 玻璃棒和玻璃管
• 瓶子、花瓶、车灯、显象管
• 光学镜片、棱镜、光纤等
• 玻璃纤维等

玻璃的组织和结构

玻璃态二氧化硅(SiO₂)的结构，呈现无定形态

玻璃是一种熔体受冷却固化形成的一种非晶态固体材料,其原子排列呈现长程无序,短程有序的非晶态特征,没有晶粒或晶界存在。
硅酸盐玻璃的组织结构是由硅氧四面体为结构单元无序排列构成的三维网络结构。
构成硅酸盐玻璃的氧化物,在玻璃的形成过程中和组织中所起的作用不同。依据其在玻璃中所起的作用分为:

• 玻璃网络生成体,SiO2,B2O3,P2O5等
• 网络改变体,Na₂O,CaO,SrO,BaO等
• 网络中间体,Al₂O₃,BeO,MgO,ZnO,Ga₂O₃等

玻璃的性质决定于玻璃的化学组成和结构,当玻璃主要有网络生成体构成时,强度和硬度都较高,且具有较高的软化温度。

玻璃的性质

• 没有固定的熔点,玻璃的熔化和凝固过程是在一个温度范围内完成的。
• 各向同性,玻璃属于非晶态固体材料,内部质点呈无规则排列,其物理和机械性能各向同性。
• 密度,玻璃的密度与其化学组成有关,随温度的升高而减小。硅酸盐玻璃的密度一般在2.2g/cm3~2.5g/cm3之间。
• 强度,玻璃是一种脆性材料,抗压强度较高,可达589~1570MPa,而抗拉强度较低。
• 硬度,硬度较大,莫氏硬度约为4~7,比一般金属材料要高。
• 光学特性,玻璃是一种高度透明的物质,具有一定的光学常数、光谱特性。
• 电学性能,常温下玻璃是绝缘体,有些玻璃是半导体材料。温度升高时,玻璃的导电性迅速是半导体材料 温度升高时 玻璃的导电性迅速提高,熔融状态时则变为良导体。
• 热性质,玻璃的导热性很差,膨胀系数较小,抗热震性较差。
• 化学稳定性,化学性质稳定,耐氢氟酸以外的酸腐蚀,耐碱腐蚀性能较差。

有机高分子材料

有机高分子材料又称为有机高分子聚合物，简称高分子或高聚物，是以高分子化合物为主要组分的有机材料。高分子材料按其性能和使用特点，一般分为三类，塑料、橡胶和合成纤维。
高分子材料是发展最快的一类工程材料，到20世纪70年代高分子材料的体积产量已赶上钢铁产量，在很多领域已经取代了传统的金属材料和无机非金属材料。