金屬材料學(xué)課件_2

1、Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理1.3 合金鋼的分類、牌號(hào)合金鋼的分類、牌號(hào)一、合金鋼的分類（一、合金鋼的分類（1 -按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類） 1按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 按鋼中所含合金元素的種類按鋼中所含合金元素的種類，合金鋼分為：，合金鋼分為：錳鋼、鉻鋼、硅鋼、硅錳鋼、鉻錳鈦鋼等。錳鋼、鉻鋼、硅鋼、硅錳鋼、鉻錳鈦鋼等。 按鋼中合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)按鋼中合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合金鋼分為：，合金鋼分為： l低低合金鋼（合金鋼（Me總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%） l中中合金鋼（合金鋼（ Me總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%10%） l高高合金鋼（合金鋼（ Me總

2、質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%） 環(huán)境Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理2按鋼的用途分類按鋼的用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼還可分為工程構(gòu)件合金結(jié)構(gòu)鋼還可分為工程構(gòu)件用鋼（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）和機(jī)械制造用用鋼（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）和機(jī)械制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼和超高強(qiáng)度鋼）。滾動(dòng)軸承鋼和超高強(qiáng)度鋼）。 合金工具鋼合金工具鋼 合金工具鋼還可分為刃具鋼合金工具鋼還可分為刃具鋼（低合金刃具鋼和高速鋼）、量具鋼和模具（低合金刃具鋼和高速鋼）、量具鋼和模具鋼（冷作模具鋼和熱作模具鋼）。鋼（冷作

3、模具鋼和熱作模具鋼）。 特殊性能鋼特殊性能鋼 特殊性能鋼還可分為不銹鋼、特殊性能鋼還可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和磁鋼。耐熱鋼、耐磨鋼和磁鋼。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理3按冶金質(zhì)量分類按冶金質(zhì)量分類 普通低合金鋼普通低合金鋼：wS0.05%，wP0.045% 優(yōu)質(zhì)低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼：wS0.035%， wP0.035% 高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼：wS0.02% wP0.03% 特高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼特高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼：wS0.015%， wP0.025%。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理u專用工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)鋼還在牌號(hào)的頭部（或?qū)Ｓ霉?/p>

4、程構(gòu)件結(jié)構(gòu)鋼還在牌號(hào)的頭部（或尾部）標(biāo)注出代表產(chǎn)品用途的符號(hào)，例如尾部）標(biāo)注出代表產(chǎn)品用途的符號(hào)，例如 l表示壓力容器用鋼牌號(hào)表示為表示壓力容器用鋼牌號(hào)表示為“Q345R”； l焊接氣瓶用鋼牌號(hào)表示為焊接氣瓶用鋼牌號(hào)表示為“Q295HP”； l鍋爐用鋼牌號(hào)表示為鍋爐用鋼牌號(hào)表示為“Q390g”； l橋梁用鋼表示為橋梁用鋼表示為“Q420q”等等。等等。 二、合金鋼的牌號(hào)二、合金鋼的牌號(hào)Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理機(jī)器零件制造用鋼機(jī)器零件制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼和超高強(qiáng)度鋼等）。合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼和超高

5、強(qiáng)度鋼等）。 u牌號(hào)由三部分組成，即由牌號(hào)由三部分組成，即由“二位數(shù)字二位數(shù)字+元素符號(hào)元素符號(hào)+數(shù)數(shù)字字”組成。組成。前面的兩位數(shù)字表示鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)前面的兩位數(shù)字表示鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)倍，元素符號(hào)表示所含合金元素，后面的數(shù)字的萬(wàn)倍，元素符號(hào)表示所含合金元素，后面的數(shù)字表示合金元素含量的百倍。表示合金元素含量的百倍。凡合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小凡合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于于1.5%時(shí)，編號(hào)中只標(biāo)明元素符號(hào)，一般不標(biāo)含量；時(shí)，編號(hào)中只標(biāo)明元素符號(hào)，一般不標(biāo)含量；如果合金元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于或大于如果合金元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于或大于1.5%、2.5%、3.5%，則在元素符號(hào)后相應(yīng)標(biāo)出，則在元素符號(hào)后相應(yīng)標(biāo)出

6、2、3、4。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 合金結(jié)構(gòu)鋼中的合金結(jié)構(gòu)鋼中的Nb、Ti、B等元素，雖然等元素，雖然含量很低，但屬有意加入，故在鋼的牌號(hào)中仍應(yīng)含量很低，但屬有意加入，故在鋼的牌號(hào)中仍應(yīng)表示出來(lái)。如表示出來(lái)。如40B，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.0005% 0.0035%。 合金結(jié)構(gòu)鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（牌合金結(jié)構(gòu)鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（牌號(hào)后加號(hào)后加“A”字）或特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（牌號(hào)后加字）或特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（牌號(hào)后加“E”字）。字）。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 高

7、碳鉻軸承鋼的牌號(hào)在頭部加符號(hào)高碳鉻軸承鋼的牌號(hào)在頭部加符號(hào)“G”，但不標(biāo)碳含量。鉻含量以千分之幾計(jì)，其他合金但不標(biāo)碳含量。鉻含量以千分之幾計(jì)，其他合金元素按合金結(jié)構(gòu)鋼的合金含量表示。例如：平均元素按合金結(jié)構(gòu)鋼的合金含量表示。例如：平均含鉻量為含鉻量為1.50%的軸承鋼，其牌號(hào)表示為的軸承鋼，其牌號(hào)表示為“GCr15”。 專用機(jī)器零件制造用鋼也要在牌號(hào)的頭部專用機(jī)器零件制造用鋼也要在牌號(hào)的頭部（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號(hào)，例如鉚螺（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號(hào)，例如鉚螺鋼鋼“ML30CrMnSi”，高級(jí)優(yōu)質(zhì)滲碳軸承鋼，高級(jí)優(yōu)質(zhì)滲碳軸承鋼“G20CrNiMoA”等等Chapter 1 金屬材

8、料的合金化原理金屬材料的合金化原理2合金工具鋼合金工具鋼 合金工具鋼分為刃具鋼（低合金刃具鋼和合金工具鋼分為刃具鋼（低合金刃具鋼和高速鋼）、量具鋼和模具鋼（冷作模具鋼和熱高速鋼）、量具鋼和模具鋼（冷作模具鋼和熱作模具鋼）。作模具鋼）。 牌號(hào)表示方法與機(jī)器零件制造用結(jié)構(gòu)鋼相牌號(hào)表示方法與機(jī)器零件制造用結(jié)構(gòu)鋼相似，但當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于似，但當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，含碳時(shí)，含碳量不標(biāo)出，當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于量不標(biāo)出，當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，時(shí)，則牌號(hào)前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍。則牌號(hào)前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍。合金元素的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。合金元素的表

9、示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 合金工具鋼都屬于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，故不再在合金工具鋼都屬于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，故不再在牌號(hào)后標(biāo)出牌號(hào)后標(biāo)出“A”字。如字。如 9SiCr表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%左右，左右，鉻、硅各為鉻、硅各為1%左右；左右； Cr12表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%，含，含鉻為鉻為12%左右。左右。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理必須指出的有三點(diǎn)必須指出的有三點(diǎn)： 第一第一，高速工具鋼與一般合金工具鋼略，高速工具鋼與一般合金工具鋼略有不同，有不同，不論碳的平均質(zhì)量

10、分?jǐn)?shù)為多少均不不論碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少均不予標(biāo)出予標(biāo)出。如。如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，等， 當(dāng)合金成分不相同時(shí)，對(duì)高碳者牌號(hào)前當(dāng)合金成分不相同時(shí)，對(duì)高碳者牌號(hào)前冠以冠以“C”字。如字。如CW6Mo5Cr4V2等。等。W6Mo5Cr4V2wC=0.80%0.90%CW6Mo5Cr4V2wC=0.95%1.05%Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 第二，低鉻（平均鉻含量小于第二，低鉻（平均鉻含量小于1%）的合金）的合金工具鋼，在鉻含量（以千分之幾計(jì)）前加數(shù)字工具鋼，在鉻含量（以千分之幾計(jì)）前加數(shù)字“0”。如：平均含鉻量為。如：平均含鉻量為0.60%的合金

11、工具鋼，的合金工具鋼，其牌號(hào)表示為其牌號(hào)表示為“Cr06”。 第三、塑料模具鋼在牌號(hào)頭部加第三、塑料模具鋼在牌號(hào)頭部加“SM”，牌號(hào)表示方法與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼牌號(hào)表示方法與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼相同。例如：相同。例如：SM45、SM3Cr2Mo。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理3特殊性能鋼特殊性能鋼 特殊性能鋼可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨特殊性能鋼可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和磁鋼。鋼和磁鋼。 不銹鋼及耐熱鋼牌號(hào)前的數(shù)字表示平均碳不銹鋼及耐熱鋼牌號(hào)前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍，合金元素的表示方法與其的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍，合金元素的表示方法與其它合金鋼相

12、同。它合金鋼相同。 當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于0.03%時(shí)，在時(shí)，在牌號(hào)前冠以牌號(hào)前冠以“00”， 當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于0.08%時(shí)，在時(shí)，在牌號(hào)前冠以牌號(hào)前冠以“0”。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理如如 不銹鋼不銹鋼3Cr13的平均的平均wC=0.3%、wCr13%； 不銹鋼不銹鋼0Cr19Ni9的平均的平均wC0.08%、wCr19%、wNi9%； 不銹鋼不銹鋼00Cr19Ni11鋼的平均鋼的平均wC0.03%、wCr19%、wNi11%。 當(dāng)當(dāng)wSi1.5%、wMn2%時(shí)，牌號(hào)中不予標(biāo)出。時(shí)，牌號(hào)中不予標(biāo)出。

13、 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在牌號(hào)前特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在牌號(hào)前或后附以字母或后附以字母。 鑄造合金鋼的牌號(hào)鑄造合金鋼的牌號(hào)是在一般合金鋼的牌號(hào)是在一般合金鋼的牌號(hào)前加前加“ZG”，常用的鑄造合金鋼有：，常用的鑄造合金鋼有：ZGMn2、ZG35SiMn、ZG37SiMn2MoV、ZG40CrMnMo、ZGMn13（高錳鋼或耐磨鋼）、（高錳鋼或耐磨鋼）、ZG1Cr18Ni9（鑄造不銹鋼）等。（鑄造不銹鋼）等。 易切削鋼易切削鋼Y15、Y40Mn、Y15Pb（GB/T8731-1988），易切削非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼），易切削非調(diào)質(zhì)

14、機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼YF35V和熱鍛用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼和熱鍛用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼F45V（GB/T15712-1995）等。）等。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理1.4 有色金屬材料的分類及合金化原理有色金屬材料的分類及合金化原理 一、有色金屬材料的分類及特點(diǎn)一、有色金屬材料的分類及特點(diǎn)1有色金屬材料的分類有色金屬材料的分類 按其密度、熔點(diǎn)、在地殼中的儲(chǔ)量、被發(fā)現(xiàn)按其密度、熔點(diǎn)、在地殼中的儲(chǔ)量、被發(fā)現(xiàn)和利用的早晚、價(jià)格等因素可分為和利用的早晚、價(jià)格等因素可分為：l輕有色金屬輕有色金屬 l重有色金屬重有色金屬 l難熔金屬難熔金屬l稀有金屬稀有金屬 l稀土金屬稀土金屬 l貴金屬貴

15、金屬Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理按基體金屬的主要成分可分為按基體金屬的主要成分可分為：l鋁合金鋁合金 l鎂合金鎂合金 l鈦合金鈦合金 l銅合金銅合金 l鎳基合金鎳基合金l鈷基合金鈷基合金 l鋅合金鋅合金 l鉛或錫合金鉛或錫合金 l鋯或鉿合金鋯或鉿合金 l鉭合金鉭合金Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理作為結(jié)構(gòu)材料使用的有色金屬合金按合金作為結(jié)構(gòu)材料使用的有色金屬合金按合金相圖或成形方法可分為：相圖或成形方法可分為： l變形加工合金變形加工合金 l鑄造合金鑄造合金 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理按有色金屬的特性

16、可分為按有色金屬的特性可分為： l如鋁、鎂、鈦等金屬及其合金，具有相對(duì)密如鋁、鎂、鈦等金屬及其合金，具有相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，為度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，為輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料； l銀、銅、鋁等金屬及其合金，具有優(yōu)良的導(dǎo)銀、銅、鋁等金屬及其合金，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，是電氣工業(yè)和儀表工業(yè)不可缺電、導(dǎo)熱性能，是電氣工業(yè)和儀表工業(yè)不可缺少的材料，為少的材料，為導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料；Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 銅、鈦及其合金具有良好的抗腐蝕性能，銅、鈦及其合金具有良好的抗腐蝕性能，是石油化工和航海工業(yè)所必須的優(yōu)良是石油化工和航海工業(yè)所必須的優(yōu)良耐蝕材耐

17、蝕材料料； 鋯及其合金是反應(yīng)堆燃料元件包殼及堆鋯及其合金是反應(yīng)堆燃料元件包殼及堆芯結(jié)構(gòu)用必須的材料，芯結(jié)構(gòu)用必須的材料，核材料核材料； 鎢、鉬、鉭、鈮及其合金是制造在鎢、鉬、鉭、鈮及其合金是制造在1300以上使用的高溫零件及以上使用的高溫零件及電真空電真空元件的元件的理想理想材料材料。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理2有色金屬材料的特點(diǎn)有色金屬材料的特點(diǎn) 要求合金材料具有更高的強(qiáng)度，更高的韌要求合金材料具有更高的強(qiáng)度，更高的韌性和更低的密度。性和更低的密度。 提高合金材料的耐熱性是發(fā)展航空、航天提高合金材料的耐熱性是發(fā)展航空、航天及其它許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的要求。及其

18、它許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的要求。 提高合金材料的耐腐蝕性能也一直是有色提高合金材料的耐腐蝕性能也一直是有色金屬結(jié)構(gòu)材料在使用中遇到的基本問(wèn)題之一。金屬結(jié)構(gòu)材料在使用中遇到的基本問(wèn)題之一。 此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)合金材料，要制造成零件此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)合金材料，要制造成零件或成品，還與其工藝性能（鑄造性能、壓力加工或成品，還與其工藝性能（鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理性能和切削性能等）密性能、焊接性能、熱處理性能和切削性能等）密切相關(guān)。切相關(guān)。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理1鋁合金的合金化特點(diǎn)鋁合金的合金化特點(diǎn) Al合金的強(qiáng)化是以合金的強(qiáng)化是以Al與合金元素間形成的金與合金

19、元素間形成的金屬間化合物在屬間化合物在固溶體中的溶解度變化為基礎(chǔ)的。固溶體中的溶解度變化為基礎(chǔ)的。 在在Al中有高的溶解度和能起顯著強(qiáng)化作用的中有高的溶解度和能起顯著強(qiáng)化作用的元素有元素有Zn、Mg、Cu、Si四種四種（表（表1-6）；）； Ag、Ge、Li的極限溶解度雖很大，但由于的極限溶解度雖很大，但由于它們是稀貴金屬，作它們是稀貴金屬，作Al合金的主要合金元素而大合金的主要合金元素而大量加入是有困難的。量加入是有困難的。 二、鋁合金的合金化原理二、鋁合金的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 主

20、要合金元素與主要合金元素與Al組成的二元（組成的二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元化合物（）和三元化合物（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3），在），在Al中的溶解度能隨溫度的降中的溶解度能隨溫度的降低而強(qiáng)烈地減小，故可通過(guò)熱處理的辦法來(lái)提低而強(qiáng)烈地減小，故可通過(guò)熱處理的辦法來(lái)提高強(qiáng)度。能形成這種化合物或強(qiáng)化相的合金有高強(qiáng)度。能形成這種化合物或強(qiáng)化相的合金有Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg和和Al-Zn-Mg-Cu系，可稱之為系，可稱之為“熱處理強(qiáng)化型熱處理強(qiáng)化型Al合合金金”。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 有些合金

21、如有些合金如Al-Mg、Al-Si和和Al-Mn等，等，加入加入 的合金元素雖然也有明顯的溶解度變化，的合金元素雖然也有明顯的溶解度變化，但熱處理強(qiáng)化效果不大，只能以退火或冷作但熱處理強(qiáng)化效果不大，只能以退火或冷作硬化狀態(tài)應(yīng)用，放稱之為硬化狀態(tài)應(yīng)用，放稱之為“非熱處理強(qiáng)化型非熱處理強(qiáng)化型”或或“熱處理不強(qiáng)化型熱處理不強(qiáng)化型”Al 合金合金 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Chapter

22、1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 有些合金元素如有些合金元素如Cr、Mn、Zr等在等在Al中的溶中的溶解度雖然很?。ū斫舛入m然很?。ū?-6），但對(duì)合金強(qiáng)度和抗蝕），但對(duì)合金強(qiáng)度和抗蝕性的改善作用卻很明顯。因?yàn)檫@些過(guò)渡元素能性的改善作用卻很明顯。因?yàn)檫@些過(guò)渡元素能明顯地抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒，有再結(jié)晶抑制明顯地抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒，有再結(jié)晶抑制劑或晶粒細(xì)化劑之稱。劑或晶粒細(xì)化劑之稱。 還有些元素，它們的極限溶解度雖很低，還有些元素，它們的極限溶解度雖很低，但加入極微量（但加入極微量（0.0050.15）也能顯著改變）也能顯著改變從合金的形核和沉淀過(guò)程，因而能顯著地提高從合金的形核和沉

23、淀過(guò)程，因而能顯著地提高時(shí)效硬化效應(yīng)。時(shí)效硬化效應(yīng)。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 2鋁合金的時(shí)效與組織結(jié)構(gòu)變化鋁合金的時(shí)效與組織結(jié)構(gòu)變化 鋁合金的時(shí)效硬化現(xiàn)象：鋁合金的時(shí)效硬化現(xiàn)象：Cu含量位于含量位于0.15.65間的間的Al-Cu合金于合金于500的的相區(qū)進(jìn)行相區(qū)進(jìn)行固溶處理和淬火，則會(huì)得到均勻的過(guò)飽和固溶處理和淬火，則會(huì)得到均勻的過(guò)飽和固溶固溶體。這種熱力學(xué)不穩(wěn)定的固溶體在某一溫度加熱，體。這種熱力學(xué)不穩(wěn)定的固溶體在某一溫度加熱，則會(huì)發(fā)生分解和析出則會(huì)發(fā)生分解和析出CuAl2（相），而引起強(qiáng)度相）

24、，而引起強(qiáng)度明顯升高。這種現(xiàn)象叫做時(shí)效硬化現(xiàn)象。明顯升高。這種現(xiàn)象叫做時(shí)效硬化現(xiàn)象。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理合金系合金系沉淀的序列沉淀的序列平衡沉淀相平衡沉淀相 Al-Cu G.P.區(qū)區(qū)(圓盤圓盤)(圓盤圓盤) (CuAl2) Al-Mg-Si G.P.區(qū)區(qū)(棒狀棒狀) (Mg2Si) Al-Zn-Mg G.P.區(qū)區(qū)(球球形形)M(片狀片狀)MgZn2 Al-Mg-Cu G.P.區(qū)區(qū)(棒或球棒或球)S S(Al2CuMg) Al-Ag G.P.區(qū)區(qū)(球形球形) (片狀片狀)(Ag2Al) Al-Li G.P.區(qū)區(qū)(球形球形) (Al3Li)Chapter 1

25、 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理二、鋁合金的合金化原理二、鋁合金的合金化原理 Al-4Cu合金退火狀態(tài)的強(qiáng)度很低，合金退火狀態(tài)的強(qiáng)度很低，b只有只有200 MPa，則淬火狀態(tài)的強(qiáng)度也不高，則淬火狀態(tài)的強(qiáng)度也不高，b約有約有250MPa，但自然時(shí)效，但自然時(shí)效7天后，天后，b可提高到可提高到400 MPa。 Al合金的時(shí)效硬化能力與合金的時(shí)效硬化能力與固溶體的濃度和固溶體的濃度和時(shí)效溫度有關(guān)。在理論上，時(shí)效溫度有關(guān)。在理論上，固溶體的濃度愈高，固溶體的濃度愈高，時(shí)效效果也愈高，以接近極限溶解度的合金，強(qiáng)時(shí)效效果也愈高，以接近極

26、限溶解度的合金，強(qiáng)化效果最大。反之，愈低?；Ч畲?。反之，愈低。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 分析時(shí)效硬化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)效初期分析時(shí)效硬化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)效初期強(qiáng)度升高很慢或不升高，這段時(shí)間叫強(qiáng)度升高很慢或不升高，這段時(shí)間叫“孕育孕育期期”。在孕育時(shí)間內(nèi)合金的塑性很高，可以進(jìn)。在孕育時(shí)間內(nèi)合金的塑性很高，可以進(jìn)行鉚接、彎曲成型或矯直操作，是對(duì)生產(chǎn)加工行鉚接、彎曲成型或矯直操作，是對(duì)生產(chǎn)加工極為有利的現(xiàn)象。極為有利的現(xiàn)象。 發(fā)生在室溫的時(shí)效稱之為自然時(shí)效發(fā)生在室溫的時(shí)效稱之為自然時(shí)效; 發(fā)生在較高

27、溫度（發(fā)生在較高溫度（120）的時(shí)效稱之為）的時(shí)效稱之為人工時(shí)效。人工時(shí)效。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 回歸效應(yīng)：鋁合金時(shí)效硬化效應(yīng)是可逆的，回歸效應(yīng)：鋁合金時(shí)效硬化效應(yīng)是可逆的，自然時(shí)效的合金迅速加熱到自然時(shí)效的合金迅速加熱到230250短時(shí)間短時(shí)間保溫（幾十秒到幾分鐘），冷到室溫后即變軟，保溫（幾十秒到幾分鐘），冷到室溫后即變軟，又回復(fù)到新淬火狀態(tài)。這種可逆效應(yīng)叫做又回復(fù)到新淬火狀態(tài)。這種可逆效應(yīng)叫做“回回歸效應(yīng)歸效應(yīng)”?；貧w后的合金還能再時(shí)效，可以重?；貧w后的合金還能再時(shí)效，可以重復(fù)多次。但應(yīng)指出，回歸操作每重復(fù)一次，都復(fù)多次。但應(yīng)指出，回歸操作每重復(fù)一

28、次，都會(huì)發(fā)生一部分不可逆分解，使再時(shí)效的能力減會(huì)發(fā)生一部分不可逆分解，使再時(shí)效的能力減弱。弱。 回歸效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中很有實(shí)用價(jià)值，自回歸效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中很有實(shí)用價(jià)值，自然時(shí)效后的鉚釘塑性降低，鉚接困難，即可在然時(shí)效后的鉚釘塑性降低，鉚接困難，即可在回歸處理后再鉚接?；貧w處理后再鉚接。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 鋁合金在時(shí)效過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化：鋁合金在時(shí)效過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化： 時(shí)效硬化現(xiàn)象是德國(guó)科學(xué)家時(shí)效硬化現(xiàn)象是德國(guó)科學(xué)家AWilm在在1906年發(fā)現(xiàn)的，但直到年發(fā)現(xiàn)的，但直到1919年才弄清楚是由過(guò)年才

29、弄清楚是由過(guò)飽和固溶體分解引起的，在飽和固溶體分解引起的，在1935年發(fā)現(xiàn)在相年發(fā)現(xiàn)在相（CuAl2）析出之前還有過(guò)渡相，最后到）析出之前還有過(guò)渡相，最后到1938年年Guinier和和Preston才發(fā)現(xiàn)了才發(fā)現(xiàn)了GP區(qū)。至此才完全區(qū)。至此才完全弄清楚過(guò)飽和固溶體的分解程序：弄清楚過(guò)飽和固溶體的分解程序： GP區(qū)區(qū)過(guò)渡相過(guò)渡相平衡相平衡相 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Al-Cu合金的詳細(xì)分解程序：合金的詳細(xì)分解程序： GP區(qū)區(qū)（CuAl2） 過(guò)飽和固溶體的缺陷結(jié)構(gòu)：與合金的成過(guò)飽和固溶體的缺陷結(jié)構(gòu)：與合金的成分或濃度有關(guān)分或濃度有關(guān)-空位、位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)

30、缺陷，空位、位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)對(duì)GP區(qū)和沉淀相的形核和長(zhǎng)大過(guò)程起重要作用；區(qū)和沉淀相的形核和長(zhǎng)大過(guò)程起重要作用； GP區(qū)的結(jié)構(gòu)：區(qū)的結(jié)構(gòu)：GP區(qū)是圓片狀的區(qū)是圓片狀的Cu原子原子富集區(qū)。富集區(qū)。GP區(qū)無(wú)獨(dú)立的晶格結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)原子連區(qū)無(wú)獨(dú)立的晶格結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)原子連續(xù)地分布在續(xù)地分布在Al的晶格格點(diǎn)上。的晶格格點(diǎn)上。GP區(qū)的形狀可以區(qū)的形狀可以是片狀、球狀，也可以是針狀；是片狀、球狀，也可以是針狀；GP區(qū)與母相間區(qū)與母相間沒(méi)有相界面。沒(méi)有相界面。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 相或相或GP（）區(qū)的結(jié)構(gòu)：）區(qū)的結(jié)構(gòu)：Al-4Cu合金合金時(shí)效溫度提高到時(shí)效溫度提高到1

31、50175還能形成還能形成相或相或GP（）區(qū)（正方晶格）區(qū)（正方晶格 ）。）。 相是相是Cu原子在原子在GP區(qū)中有序化后形成的，區(qū)中有序化后形成的，是有獨(dú)立晶格結(jié)構(gòu)的中間沉淀相是有獨(dú)立晶格結(jié)構(gòu)的中間沉淀相Cu2Al5 ，以，以(100)而與母相完全共格。而與母相完全共格。a=b=0.404nm;c=0.768nm Cu Al0.404nm0.404nm0.768nm0.202nm0.202nm0.182nmChapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理在（在（100）面上，、軸共格、軸倍于）面上，、軸共格、軸倍于l基基的軸共格，其錯(cuò)配度為：的軸共格，其錯(cuò)配度為： (0.404-0

32、.768)/ 0.404=2.4% 沿沿c軸方向產(chǎn)生較大的共格應(yīng)變場(chǎng)，在片狀沉淀相軸方向產(chǎn)生較大的共格應(yīng)變場(chǎng)，在片狀沉淀相的兩側(cè)引起較大的應(yīng)變衍射襯度，使電子顯微圖象變成的兩側(cè)引起較大的應(yīng)變衍射襯度，使電子顯微圖象變成凸透鏡狀，失去了片狀特點(diǎn)。這種強(qiáng)大的共格應(yīng)變場(chǎng)，凸透鏡狀，失去了片狀特點(diǎn)。這種強(qiáng)大的共格應(yīng)變場(chǎng)，是是Al-Cu合金人工時(shí)效后強(qiáng)度顯著升高的原因。合金人工時(shí)效后強(qiáng)度顯著升高的原因。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 相的結(jié)構(gòu)與相的結(jié)構(gòu)與相一樣，也是過(guò)渡相，其相一樣，也是過(guò)渡相，其化學(xué)組成與化學(xué)組成與CuAl2相當(dāng)，也是正方晶格，相當(dāng)，也是正方晶格，a=b

33、 =0. 404nm，c=0.580nm，以（，以（100）面與母相部分）面與母相部分共格共格(C軸解除共格關(guān)系）。軸解除共格關(guān)系）。相是高溫時(shí)效產(chǎn)物，相是高溫時(shí)效產(chǎn)物，它的出現(xiàn)說(shuō)明合金的強(qiáng)度已經(jīng)降低，故又稱它的出現(xiàn)說(shuō)明合金的強(qiáng)度已經(jīng)降低，故又稱“過(guò)過(guò)時(shí)效時(shí)效”產(chǎn)物。產(chǎn)物。 平衡相平衡相相是退火產(chǎn)物相是退火產(chǎn)物(CuAl2)，具有正方，具有正方晶格，晶格，a=0.6054nm，c=0.4874nm，與，與Al的晶格的晶格結(jié)構(gòu)相差更大，與母相無(wú)共格關(guān)系，也無(wú)固定的結(jié)構(gòu)相差更大，與母相無(wú)共格關(guān)系，也無(wú)固定的取向關(guān)系。取向關(guān)系。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理時(shí)效硬化的位

34、錯(cuò)理論時(shí)效硬化的位錯(cuò)理論 位錯(cuò)切割質(zhì)點(diǎn)的模型 位錯(cuò)形環(huán)或 Orowan 模型 位錯(cuò)與沉淀質(zhì)點(diǎn) 的交互作用沉淀相類型與質(zhì) 點(diǎn)間距，pGP 區(qū)，共格沉淀相p 10-5cm 加工硬化率， 屈服應(yīng)力 y 與 溫度 t 間的關(guān)系 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理圖 1-40 鋁合金的屈服強(qiáng)度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系 Al 合金的屈服強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度的升高或時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化機(jī)理由切 割模型向形環(huán)模型轉(zhuǎn)變時(shí)，先升高而后降低。當(dāng)形成共格應(yīng)變場(chǎng)最大的相時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)最高值。出現(xiàn) 或 相時(shí)，由于過(guò)時(shí)效反而降低。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理時(shí)效對(duì)鋁合金組織性能的

35、影響鋁合金的機(jī)械性能和應(yīng)力腐蝕敏感性（SCC） 與沉淀相同位錯(cuò)間的交互作用特點(diǎn)有關(guān)。以 GP 區(qū)為主要強(qiáng)化相的合金，GP 區(qū)一旦被 切割，質(zhì)點(diǎn)的阻力截面即減小，位錯(cuò)能順利地沿同一滑移面通過(guò)，易使變形局限于少 數(shù)沿滑移內(nèi)，形成嚴(yán)重變形的滑移帶，在晶界附近引起應(yīng)力集中和裂紋，對(duì)疲勞和 SCC均不利。另外，GP 區(qū)同位錯(cuò)發(fā)生切割作用，雖能得到較高的屈服強(qiáng)度（ y ），但加工硬化率（ d/d）卻較低， y 隨溫度的變化也較強(qiáng)烈。與此相反，沉淀相尺 寸大，間距寬，位錯(cuò)以形環(huán)方式通過(guò)質(zhì)點(diǎn)時(shí)，隨著變形度的增加，質(zhì)點(diǎn)周圍的位錯(cuò)環(huán)增多，質(zhì)點(diǎn)間距 L 縮小，位錯(cuò)通過(guò)的阻力逐漸增大，合金的屈服應(yīng)力雖較低，但加工硬化

36、率（ d/d ）卻較高， y與溫度間的相關(guān)性也較小。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 1-41是 Al-Zn-Mg 合金塑性變形特點(diǎn)與熱處理狀態(tài)間的關(guān)系。當(dāng)沉淀相為 GP 區(qū)時(shí)，拉伸變 形后出現(xiàn)明顯的滑移帶（圖 1-41(a)），抗應(yīng)力腐線性能極低?？绽涞慕M織，由于出現(xiàn)了 不易被位錯(cuò)切割的沉淀相，位錯(cuò)分布均勻（圖 1-41(b)），故抗應(yīng)力腐蝕性能也明顯提高。圖 1-41 AlZnMg1 合金拉伸變形 3%后的位錯(cuò)分布與熱處理狀態(tài)間的關(guān)系（a）水淬（900/h）和（b）空冷（30/h）后自然時(shí)效 6 周 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理1

37、鎂合金的合金化特點(diǎn)鎂合金的合金化特點(diǎn) Mg合金的合金化原則與合金的合金化原則與Al合金大致相同，合金大致相同，固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化是主要強(qiáng)化手段，只是沒(méi)固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化是主要強(qiáng)化手段，只是沒(méi)有有Al合金那樣明顯而已。因此，凡是能在合金那樣明顯而已。因此，凡是能在Mg中中大量固溶的元素，都是強(qiáng)化大量固溶的元素，都是強(qiáng)化Mg合金的有效合金合金的有效合金元素。元素。 根據(jù)合金元素的作用特點(diǎn)和極限溶解度，根據(jù)合金元素的作用特點(diǎn)和極限溶解度，可大致分為包晶反應(yīng)類和共晶反應(yīng)類兩大類?？纱笾路譃榘Х磻?yīng)類和共晶反應(yīng)類兩大類。三、鎂合金的合金化原理三、鎂合金的合金化原理Chapter 1 金屬材料的合金化原理

38、金屬材料的合金化原理 包晶反應(yīng)類：包晶反應(yīng)類：Zr（3.8），），Mn（3.4）。）。包晶反應(yīng)型元素的主要作用是細(xì)化晶粒，但也包晶反應(yīng)型元素的主要作用是細(xì)化晶粒，但也有凈化合金（消除雜質(zhì)有凈化合金（消除雜質(zhì)Fe），提高抗蝕性和耐），提高抗蝕性和耐熱性的作用。熱性的作用。 共晶反應(yīng)類：共晶反應(yīng)類： Ag(15.5)，Al (12.7%)，Zn（8.4），），Li（5.7），），Th（4.5）；）； 稀土元素（稀土元素（RE）：）：Y（12.5），），Nd（3.6），），La（1.9），），Ce（0.85），），Pr（0.5%），混合），混合RE（以（以Ce或或La為主）。為主）。Chapter

39、1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 共晶反應(yīng)型元素是高強(qiáng)度鎂合金的主要合共晶反應(yīng)型元素是高強(qiáng)度鎂合金的主要合金元素，如金元素，如Mg-Al-Zn和和Mg-Zn-Zr系合金等。這系合金等。這類元素形成的類元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、）、MgZn2和和地地Mg23Th6等在等在Mg中有明顯的溶解度變化，是中有明顯的溶解度變化，是Mg合金的主要強(qiáng)化相，有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。合金的主要強(qiáng)化相，有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 稀土元素也多屬共晶反應(yīng)型元素，不僅共稀土元素也多屬共晶反應(yīng)型元素，不僅共晶溫度比晶溫度比Mg-Al和

40、和Mg-Zn系高，系高，Mg-RE系的系的固固溶體和稀土化合物（溶體和稀土化合物（Mg9Nd，Mg9Ce等）的耐等）的耐熱性也高，原子擴(kuò)散速度強(qiáng)，有利于抗蠕變性能，熱性也高，原子擴(kuò)散速度強(qiáng)，有利于抗蠕變性能，故故Mg-RE-Zr和和Mg-RE-Mn系合金是耐熱系合金是耐熱Mg合金，合金，可在可在150250工作。工作。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 RE除了提高耐熱性外，還能降低液、固二除了提高耐熱性外，還能降低液、固二態(tài)合金的氧化速度，改善鑄造和變形性能。態(tài)合金的氧化速度，改善鑄造和變形性能。Nd的綜合作用最佳，能同時(shí)提高室溫和高溫強(qiáng)化的綜合作用最佳，能同時(shí)提

41、高室溫和高溫強(qiáng)化效應(yīng)，效應(yīng)，Ce和混合和混合RE次之，有改善耐熱性的作用，次之，有改善耐熱性的作用，但常溫強(qiáng)化效果很弱；但常溫強(qiáng)化效果很弱；La的效果更差，兩方面的效果更差，兩方面都趕不上都趕不上Nd和和Ce。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理2鎂合金的沉淀過(guò)程與結(jié)構(gòu)變化鎂合金的沉淀過(guò)程與結(jié)構(gòu)變化 不連續(xù)沉淀：不連續(xù)沉淀：Mg-Al和和Mg-Al-Zn系合金緩系合金緩冷試樣（空冷或油淬）在冷試樣（空冷或油淬）在150222時(shí)效，先時(shí)效，先從晶界或缺陷部位發(fā)生不連續(xù)沉淀，不經(jīng)從晶界或缺陷部位發(fā)生不連續(xù)沉淀，不經(jīng)GP區(qū)區(qū)階段即直接析出片狀平衡相階段即直接析出片狀平衡相M

42、g4Al3，沿一定取，沿一定取向往晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。此時(shí)，沉淀區(qū)的基體濃度向往晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。此時(shí)，沉淀區(qū)的基體濃度和晶格常數(shù)已達(dá)平衡狀態(tài)，未發(fā)生沉淀反應(yīng)的和晶格常數(shù)已達(dá)平衡狀態(tài)，未發(fā)生沉淀反應(yīng)的晶粒內(nèi)部，晶格常數(shù)和濃度保持不變。晶粒內(nèi)部，晶格常數(shù)和濃度保持不變。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 這種片層狀不連續(xù)反應(yīng)結(jié)構(gòu)又稱珠光體型這種片層狀不連續(xù)反應(yīng)結(jié)構(gòu)又稱珠光體型沉淀。其組織中的沉淀。其組織中的Mg4Al3相彌散度低，片間距相彌散度低，片間距大（大（200nm），基體濃度低，無(wú)共格或半共），基體濃度低，無(wú)共格或半共格應(yīng)力場(chǎng)，故強(qiáng)化效果低。格應(yīng)力場(chǎng)，故強(qiáng)化效果低。 當(dāng)不

43、連續(xù)沉淀向晶內(nèi)發(fā)展到一定程度后，當(dāng)不連續(xù)沉淀向晶內(nèi)發(fā)展到一定程度后，晶粒內(nèi)部才能發(fā)生連續(xù)分解。晶粒內(nèi)部才能發(fā)生連續(xù)分解。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 連續(xù)沉淀：細(xì)小的片狀連續(xù)沉淀：細(xì)小的片狀Mg4Al3相一邊析出相一邊析出和長(zhǎng)大，固溶體濃度和晶格常數(shù)也發(fā)生連續(xù)變和長(zhǎng)大，固溶體濃度和晶格常數(shù)也發(fā)生連續(xù)變化，最終達(dá)到與時(shí)效溫度相適應(yīng)的平衡狀態(tài)?；罱K達(dá)到與時(shí)效溫度相適應(yīng)的平衡狀態(tài)。這種沉淀的特點(diǎn)是基體濃度和晶格常數(shù)是連續(xù)這種沉淀的特點(diǎn)是基體濃度和晶格常數(shù)是連續(xù)變化的，與不連續(xù)沉淀相對(duì)應(yīng)，故稱連續(xù)沉淀。變化的，與不連續(xù)沉淀相對(duì)應(yīng)，故稱連續(xù)沉淀。 由連續(xù)和不連續(xù)反應(yīng)組

44、織的組成，即兩類由連續(xù)和不連續(xù)反應(yīng)組織的組成，即兩類組織所占比例的大小，則由合金的濃度和熱處組織所占比例的大小，則由合金的濃度和熱處理制度來(lái)決定。理制度來(lái)決定。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Mg合金的沉淀過(guò)程較復(fù)雜合金的沉淀過(guò)程較復(fù)雜 Mg-RE合金的沉淀過(guò)程合金的沉淀過(guò)程： GP區(qū)區(qū)(Mg3Ndx)(Mg3Nd)(Mg12Nd) Mg-Th合金的沉淀過(guò)程合金的沉淀過(guò)程： （Mg3Th）1（六方），（六方），2 （體心）（體心）（Mg2Th） （Mg23Th6） GP區(qū)和區(qū)和與母相完全共格，與母相完全共格，相部分共格，相部分共格，相是相是非共格的平衡相非共格的平

45、衡相。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 六方沉淀相（六方沉淀相（Mg3Th、Mg3Nd或或Mg3X型化型化合物），具有合物），具有DO19型晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共型晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共格。這種過(guò)渡相與格。這種過(guò)渡相與Al-Cu合金的合金的相類似，經(jīng)常相類似，經(jīng)常在組元原子尺寸相差較大的合金中出現(xiàn)。相對(duì)在組元原子尺寸相差較大的合金中出現(xiàn)。相對(duì)Mg合金的強(qiáng)化貢獻(xiàn)較大，在許多時(shí)效溫度出現(xiàn)合金的強(qiáng)化貢獻(xiàn)較大，在許多時(shí)效溫度出現(xiàn)的峰值硬度，就與它的存在有關(guān)。的峰值硬度，就與它的存在有關(guān)。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 DO19型結(jié)構(gòu)的型結(jié)構(gòu)

46、的a軸相當(dāng)于軸相當(dāng)于Mg的二倍，的二倍，c軸軸相等，相等，Mg原子組成的面是低能面，只有次近鄰原子組成的面是低能面，只有次近鄰原子鍵發(fā)生改變。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表明原子鍵發(fā)生改變。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表明Mg3X相在相在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)較穩(wěn)定，是提高抗蠕變性相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)較穩(wěn)定，是提高抗蠕變性能的重要因素。能的重要因素。Mg-RE系合金工作溫度可達(dá)系合金工作溫度可達(dá)250，Mg-Th系合金可達(dá)系合金可達(dá)350，就是與，就是與DO19型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)Mg3Nd和和Mg3Th有關(guān)。有關(guān)。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理1鈦合金的合金化特點(diǎn)鈦合金的合金化特點(diǎn) 鈦合金的性能由鈦合金的

47、性能由Ti與合金元素間的物理化與合金元素間的物理化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)來(lái)決定，即由形成的學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)來(lái)決定，即由形成的固溶體固溶體和和化合化合物物的特性及對(duì)的特性及對(duì)轉(zhuǎn)變的影響等來(lái)決定。這些轉(zhuǎn)變的影響等來(lái)決定。這些影響與合金元素的影響與合金元素的原子尺寸原子尺寸、電化學(xué)性質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)（在（在周期表中的相對(duì)位置）、周期表中的相對(duì)位置）、晶格類型晶格類型和和電子濃度電子濃度等有關(guān)。作為等有關(guān)。作為Ti合金與其它有色金屬如合金與其它有色金屬如Al、Cu、Ni等比較，等比較，有其獨(dú)有的特點(diǎn)有其獨(dú)有的特點(diǎn)： 四、鈦合金的合金化原理四、鈦合金的合金化原理（1 -鈦合金的合金化特點(diǎn)鈦合金的合金化特點(diǎn)）Chapter 1

48、 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 利用利用Ti的的 轉(zhuǎn)變，通過(guò)合金化和熱處理可轉(zhuǎn)變，通過(guò)合金化和熱處理可以隨意得到以隨意得到、和和+相組織；相組織； Ti是過(guò)渡族元素，有未填滿的是過(guò)渡族元素，有未填滿的d電子層，能電子層，能同原子直徑差位于同原子直徑差位于20以內(nèi)的置換式元素形以內(nèi)的置換式元素形成高濃度的固溶體；成高濃度的固溶體； Ti及其合金在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度中能同及其合金在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度中能同O、N、H、C等間隙式雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使性能發(fā)生等間隙式雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使性能發(fā)生強(qiáng)烈的改變；強(qiáng)烈的改變； Ti同其它元素能形成金屬鍵、共價(jià)鍵和離同其它元素能形成金屬鍵、共價(jià)鍵和離子鍵固溶

49、體和化合物。子鍵固溶體和化合物。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Ti合金合金化的主要目的：合金合金化的主要目的： 利用合金元素對(duì)利用合金元素對(duì)或或相的穩(wěn)定作用，來(lái)控制相的穩(wěn)定作用，來(lái)控制和和相的組成和性能。各種合金元素的穩(wěn)定作用相的組成和性能。各種合金元素的穩(wěn)定作用又與元素的電子濃度（價(jià)電子數(shù)與原子的比值）又與元素的電子濃度（價(jià)電子數(shù)與原子的比值）有密切關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，電子濃度小于有密切關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，電子濃度小于4的元素的元素能穩(wěn)定能穩(wěn)定相，電子濃度大于相，電子濃度大于4的元素能穩(wěn)定的元素能穩(wěn)定相，相，電子濃度等于電子濃度等于4的元素，既能穩(wěn)定的元素，既能穩(wěn)定相

50、，也能穩(wěn)定相，也能穩(wěn)定相。相。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 工業(yè)用工業(yè)用Ti合金的主要合金元素合金的主要合金元素 Ti合金中的合金元素合金中的合金元素Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和和Si等，按其對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的等，按其對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的影響和在或相中的固溶度可以分為三大類。能影響和在或相中的固溶度可以分為三大類。能提高相變點(diǎn)，在提高相變點(diǎn)，在相中大量溶解和擴(kuò)大相中大量溶解和擴(kuò)大相區(qū)的相區(qū)的元素叫元素叫穩(wěn)定元素；能降低相變溫度，在穩(wěn)定元素；能降低相變溫度，在相中相中大量溶解和擴(kuò)大大量溶解和擴(kuò)大相區(qū)的元素叫相區(qū)的元素叫穩(wěn)定元素；對(duì)穩(wěn)定元素；對(duì)轉(zhuǎn)變溫度影響

51、小，在轉(zhuǎn)變溫度影響小，在和和相中均能大量溶解或相中均能大量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。完全互溶的元素叫中性元素。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 按合金元素與按合金元素與Ti的反應(yīng)特點(diǎn)或二元狀態(tài)圖的反應(yīng)特點(diǎn)或二元狀態(tài)圖的類型，可以分成四大類：的類型，可以分成四大類： 穩(wěn)定型狀態(tài)圖：穩(wěn)定型狀態(tài)圖：Al、Ga、Sn和間隙式元和間隙式元素素C、N、O等與等與Ti形成這種狀態(tài)圖。這些元素形成這種狀態(tài)圖。這些元素分別屬于分別屬于BB族，外層電子（族，外層電子（S、P）數(shù)）數(shù)4，如如Al為為3S2P1，故為，故為穩(wěn)定元素；穩(wěn)定元素；Sn的外層電子的外層電子為為5S2P2=4

52、，對(duì)相變溫度影響小，故又屬于中，對(duì)相變溫度影響小，故又屬于中性元素。性元素。 全溶固溶體型狀態(tài)圖：全溶固溶體型狀態(tài)圖：B族的族的V、Nb、Ta和和B族的族的Mo，晶格與，晶格與-Ti相同，外層電子相同，外層電子數(shù)（各為數(shù)（各為d3s2和和d4s2）4，是，是穩(wěn)定元素，能穩(wěn)定元素，能降低相變溫度，縮小降低相變溫度，縮小相區(qū)，擴(kuò)大相區(qū)，擴(kuò)大相區(qū)。相區(qū)。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理圖圖1-44 鈦與常見(jiàn)元素（鈦與常見(jiàn)元素（E）間的四種典型二元狀態(tài)圖）間的四種典型二元狀態(tài)圖 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 共析型狀態(tài)圖：形成這種狀態(tài)圖的元素

53、是共析型狀態(tài)圖：形成這種狀態(tài)圖的元素是Fe、Mn、Co、Ni、Cr、Cu、Si、H等，在等，在和和相中都能溶解，但在相中都能溶解，但在相中的溶解度比相中的溶解度比大，并大，并能降低相變溫度，形成共析反應(yīng)，穩(wěn)定能降低相變溫度，形成共析反應(yīng)，穩(wěn)定相的能相的能力比上述力比上述同晶型元素還大。這類元素的同晶型元素還大。這類元素的d層電層電子數(shù)子數(shù)5，有從，有從Ti原子取得電子形成原子取得電子形成d10穩(wěn)定殼穩(wěn)定殼層的傾向。合金元素層的傾向。合金元素d層電子數(shù)愈多，這種傾向?qū)与娮訑?shù)愈多，這種傾向愈大，愈容易形成化合物和同相組成共析型狀愈大，愈容易形成化合物和同相組成共析型狀態(tài)圖。態(tài)圖。 Chapter

54、1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 按按相共析轉(zhuǎn)變的快慢或難易，相共析轉(zhuǎn)變的快慢或難易，共析型元素共析型元素還可分成活性的和非活性的兩種：還可分成活性的和非活性的兩種： Cu、Si、H等非過(guò)渡族元素是活性等非過(guò)渡族元素是活性穩(wěn)定元穩(wěn)定元素，共析分解速度快，一般冷卻條件下，在室溫素，共析分解速度快，一般冷卻條件下，在室溫得不到得不到相，但能賦予合金時(shí)效硬化能力。相，但能賦予合金時(shí)效硬化能力。 Fe、Mn、Cr等過(guò)渡族元素是非活性元素，等過(guò)渡族元素是非活性元素，共析轉(zhuǎn)變速度極慢，在通常的冷卻條件下，共析轉(zhuǎn)變速度極慢，在通常的冷卻條件下， 相相來(lái)不及分解，在室溫只能得到來(lái)不及分解，在室溫只

55、能得到 + 組織。組織。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 - 全溶固溶體型狀態(tài)圖：與全溶固溶體型狀態(tài)圖：與Ti同族（同族（B）的的Zr和和Hf不僅外層電子結(jié)構(gòu)完全相同（不僅外層電子結(jié)構(gòu)完全相同（d2s2），），而且有同素異晶轉(zhuǎn)變，而且有同素異晶轉(zhuǎn)變， 和和相的晶格也完全相相的晶格也完全相同，故與同，故與Ti能形成完全互溶的能形成完全互溶的和和固溶體，和固溶體，和Sn一樣，同屬中性元素。一樣，同屬中性元素。Zr能強(qiáng)化能強(qiáng)化相，在工業(yè)相，在工業(yè)合金中已得到廣泛的應(yīng)用，但合金中已得到廣泛的應(yīng)用，但Hf的密度高的密度高（13.28103kg/m3），而且稀少，還未得到實(shí)），

56、而且稀少，還未得到實(shí)際應(yīng)用。際應(yīng)用。 綜上所述，綜上所述，Ti的合金化就是以合金元素的上的合金化就是以合金元素的上述作用規(guī)律為指導(dǎo)原則，根據(jù)實(shí)際需要，合理地述作用規(guī)律為指導(dǎo)原則，根據(jù)實(shí)際需要，合理地控制元素的種類和加入量，以得到預(yù)期的組織、控制元素的種類和加入量，以得到預(yù)期的組織、性能和工藝特性。性能和工藝特性。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理2鈦合金的固態(tài)相變鈦合金的固態(tài)相變 純純Ti的的轉(zhuǎn)變，是體心立方晶格向密排轉(zhuǎn)變，是體心立方晶格向密排六方晶格的轉(zhuǎn)變，但六方晶格的轉(zhuǎn)變，但Ti合金因合金系、濃度和合金因合金系、濃度和熱處理?xiàng)l件不同，還會(huì)出現(xiàn)一系列復(fù)雜的相變熱處

57、理?xiàng)l件不同，還會(huì)出現(xiàn)一系列復(fù)雜的相變過(guò)程。這些相變可歸納為兩大類，即過(guò)程。這些相變可歸納為兩大類，即 淬火相變：淬火相變： ，q ，r 回火相變：回火相變： (，r)+a+ Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 穩(wěn)定型穩(wěn)定型Ti合金自相區(qū)淬火，會(huì)發(fā)生無(wú)擴(kuò)散合金自相區(qū)淬火，會(huì)發(fā)生無(wú)擴(kuò)散的馬體轉(zhuǎn)變，生成過(guò)飽和固溶體的馬體轉(zhuǎn)變，生成過(guò)飽和固溶體(馬氏體馬氏體)。如果。如果合金的濃度高，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)合金的濃度高，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms降低到室溫以降低到室溫以下，相將被凍結(jié)到室溫。這種下，相將被凍結(jié)到室溫。這種相稱相稱“殘留殘留相相”或或“過(guò)冷過(guò)冷相相”，用，用r表

58、示。表示。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理值得說(shuō)明的是，值得說(shuō)明的是， 當(dāng)合金的當(dāng)合金的相穩(wěn)定元素含量少，轉(zhuǎn)變阻力小，相穩(wěn)定元素含量少，轉(zhuǎn)變阻力小， 相可由體心立方晶格直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц?，相可由體心立方晶格直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц瘢@種馬氏體稱這種馬氏體稱“六方馬氏體六方馬氏體”，用，用“”表示。表示。 如果如果相穩(wěn)定元素含量高，轉(zhuǎn)變阻力大，不相穩(wěn)定元素含量高，轉(zhuǎn)變阻力大，不能直接轉(zhuǎn)變成六方晶格，只能轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄Ц瘢苤苯愚D(zhuǎn)變成六方晶格，只能轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄Ц?，這種馬氏體稱這種馬氏體稱“斜方馬氏體斜方馬氏體” ，用，用“”表示表示 。Chapter 1 金屬材料的合金

59、化原理金屬材料的合金化原理 Ti合金的馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D合金的馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D1-45所示，與所示，與相的濃度和相的濃度和轉(zhuǎn)變溫度有密切關(guān)系。轉(zhuǎn)變溫度有密切關(guān)系。 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms是隨合是隨合金元素含量的增加而降低；金元素含量的增加而降低；當(dāng)淬火溫度降低到一定溫當(dāng)淬火溫度降低到一定溫度，淬火到室溫度，淬火到室溫相也不相也不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 馬氏體的形態(tài)與合金的濃度和馬氏體的形態(tài)與合金的濃度和Ms高低有關(guān)。高低有關(guān)。 六方馬氏體有兩種形態(tài)：六方馬氏體有兩種形態(tài)： 合金元素含量低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度合金元素含量低，

60、馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms高時(shí)，高時(shí)，形成板條狀馬氏體。這種六方馬氏體有大量的位形成板條狀馬氏體。這種六方馬氏體有大量的位錯(cuò)，基本上沒(méi)有孿晶，是單晶馬氏體。錯(cuò)，基本上沒(méi)有孿晶，是單晶馬氏體。 合金元素含量高，合金元素含量高，Ms點(diǎn)降低，形成針狀或點(diǎn)降低，形成針狀或鋸齒形馬氏體，這種六方馬氏體有高的位錯(cuò)密度鋸齒形馬氏體，這種六方馬氏體有高的位錯(cuò)密度和層錯(cuò)，還有大量孿晶，是孿晶馬氏體。和層錯(cuò)，還有大量孿晶，是孿晶馬氏體。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 斜方馬氏體斜方馬氏體，合金元素含量高，合金元素含量高，Ms點(diǎn)低，點(diǎn)低，馬氏體針更細(xì)，可以看到更密集的孿晶。馬氏體針更細(xì)，可以看