05 第5章 金属材料.pptx

第1页：金属材料章节封面

金属材料章节封面：本页为本章封面，标示课程名《材料化学》与本章主题。

第2页：本章教学要点

本章教学要点

• 本章教学要点相关知识掌握程度知识要点黑色金属、有色金属、立方最紧密堆积、六方最紧密堆积、体心立方密堆积、熟悉金属材料的分类、主要特性，了解金属键、金属的晶体结构、金属单质结构概况金属材料的概论及金属单质结构金属的光泽、导电性、导热性、延展性、金属的氧化反应、与水、酸、碱的反应掌握金属的物理性质和金属的化学性质金属的性质置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体、正常价化合物、电子化合物、间隙化合物了解金属固溶体及金属化合物的分类、特性及主要作用合金的结构脱碳、脱磷、脱硫、脱氧、炼铁、炼钢，铜、铝的冶炼掌握钢铁、有色金属冶炼的分类，了解相应的制备原理及工艺金属材料的制备奥氏体、铁素体、渗碳体、马氏体、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金熟悉钢铁、铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铜及铜合金的分类、特性及主要应用范围。
• 常见金属材料储氢合金、形状记忆合金、超耐热合金、超低温合金、超塑性合金、减振合金、硬质合金了解储氢合金、形状记忆合金、超耐热合金、超低温合金、超塑性合金、减振合金、硬质合金的特性及应用。
• 新型合金材料

第3页：【引例】Ti-Ni合金等

【引例】Ti-Ni合金等

【引例】Ti-Ni合金等一些金属具有神奇的形状记忆性能，故被称为“金属中的魔术师”，在许多工业和民用部门发挥着重要的作用。

在工业生产记忆合金管连接接头（图5-1），只要把常温下轻松连接的记忆合金连接件放入热水里，过一会再取出来，就会发现两根管子已经紧紧地连接在一起了。

在抗压实验中发现，先被击破的是钢管，形状记忆合金则完好无损。在汽车工业中，可以制造出“可复原”的汽车外壳，即使被撞扁，只要用80℃的热水一浇便可恢复原状。

美国曾用Ti-Ni记忆合金制成飞船的发射和接收天线。此天线被折叠后发射到月球上，可

第4页：【引例】Ti-Ni合金等（续）

【引例】Ti-Ni合金等（续）

减少飞船的体积。在月球上，由于吸收太阳的辐射而升温，又恢复成抛物面的形状。人们利用这种超弹性开发出手机天线、高级眼镜架（图5-2）等。

在医学方面，也常应用记忆合金。如对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可用形状记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长，而使脊椎被校直。

可用Ni-Ti形状记忆合金制造人造牙和牙床。传统治疗血管狭窄的办法是开刀手术，若用形状记忆合金的腔内支架，只需开一个小口，用导管把支架植入血管既可，大大减少了病人的痛苦。

第5页：记忆合金管连接接头

记忆合金管连接接头：本页为图示（图5-1），图5-1记忆合金管连接接头图5-2高级眼镜架。

第6页：5.1金属材料概论金属

5.1金属材料概论金属

• 5.1金属材料概论
• 金属是人类最早认识和开发利用的材料之一，在自然界的分布也非常广泛，在人类已发现的109种元素中，金属元素大约占80%。金属通常可分为黑色金属与有色金属两大类，黑色金属包括铁、锰、铬及其合金，主要是铁碳合金(钢铁)，常作为结构材料使用；有色金属通常指除钢铁之外的所有金属，常作为功能材料来使用。黑色金属和有色金属相辅相成，共同构成现代金属材料体系。
• 有色金属按其密度、价格、在地壳中的储量、分布情况及被人们发现和使用的早晚分为五大类:

第7页：(1)轻有色金属一般指密度

(1)轻有色金属一般指密度

(1)轻有色金属一般指密度小于4.5g·cm-3的有色金属，包括铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。这类金属的共同特点是：密度小，化学性质活泼，在自然界中多以氯化物、碳酸盐、硅酸盐等形式存在。

(2)有色金属一般指密度大于4.5g·cm-3的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、锑、汞、镉等。(3)贵金属一般指价格昂贵的金属，包括金、银和铂族元素(锇、铱、铂、钉、姥、钯)。

由于它们在地壳中的含量少，开采和提取比较困难，故价格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们的特点是密度大(10.4~22.4g·cm-3)、熔点高(1189~3273K)、

第8页：(4)准金属

(4)准金属

• 化学性质稳定。
• (4)准金属一般指硼、硅、锗、硒、砷、碲、钋，其物理化学性质介于金属与非金属之间，在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置。
• (5)稀有金属通常是指在自然界中含量很少、分布稀散、发现较晚、难以从原料中提取或在工业上制备及应用较晚的金属。这类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、稀土元素及人造超铀元素等。要注意，普通金属与稀有金属之间没有明显的界限，大部分稀有金属在地壳中并不稀少，许多稀有金属比铜、镉、银、汞等普通金属还多

第9页：5.2金属单质结构

5.2金属单质结构

5.2金属单质结构5.2.1金属键金属原子很容易形成阳离子，金属正是依靠阳离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的。金属键没有方向性，改变阳离子间的相对位置不会破坏电子与阳离子间的结合力，因而金属具有良好的塑性；金属之间具有溶解(或固溶)能力，即金属阳离子被另一种金属阳离子取代时也不会破坏结合键。

此外，金属的导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等也都是由金属键的特点所决定的。

第10页：5.2.2金属的晶体结构

5.2.2金属的晶体结构

• 金属键由数目众多的s轨道组成，s轨道没有方向性，可以和任何方向的相邻原子的s轨道重叠，同时相邻原子的数目在空间因素允许的条件下并无严格限制。金属键也没有饱和性，金属离子应按最紧密的方式堆积，使各个s轨道得到最大程度的重叠，从而形成最为稳定的金属结构。
• 金属阳离子可以视为圆球，一个圆球周围最靠近的圆球数目称作配位数。大多数金属单质采取的密堆积型式有三种，其中两种为最紧密堆积，另一种为次密堆积，如图5-3所示。

第11页：1.立方

1.立方

1.立方最紧密堆积第一层的每一个球都和相邻六个球相切，第二层球放在第一层球的空隙上，第三层球放在第一层球末被占用的空隙上方，称为ABC堆积，以后的堆积则按ABCABC…重复下去，重复周期为三层，图5-3（a）为这种堆积的侧面图。

从ABC堆积中可以划出立方面心晶胞，如图5-3（b）所示，故称这种堆积为立方最紧密堆积，通常用A1表示，英文缩写为ccp。

第12页：2.六方

2.六方

2.六方最紧密堆积如果第三层的每个圆球都正对着第一层球，称为AB堆积，以后的堆积则按ABAB…重复下去，重复周期为两层，图5-3（c）为这种堆积的侧面图。

从AB堆积中可以划出六方晶胞（d），故称这种堆积为六方最紧密堆积，通常用符号A3表示，英文缩写为hcp。

第13页：2.六方（续）

2.六方（续）：两种最紧密堆积中，每个圆球都和相邻的12个球相接触，故配位数均为12，空间利用率均为74.05%，图5-3（e）、（f）分别为立方最紧密堆积和六方最紧密堆积的配位。

第14页：3.体心立方密堆积

3.体心立方密堆积

3.体心立方密堆积除了Al、A3两种最密堆积以外，在金属晶体中还常出现体心立方密堆积，配位数为8-14，如图5-3（g）、（h）、（i）所示，与这种堆积方式相对应的晶胞为立方体心。

这种次密堆积的空间利用率为68.02%，用符号A2表示，英文缩写为bcp。

第15页：3.体心立方密堆积（续）

3.体心立方密堆积（续）

金属的晶体结构属于Al型的有Ca、Sr、Al、Cu、Ag、Au等属于A2型的有Li、Na、K、Rb、Cs、Ba等。属于A3型的有Be、Mg、Ca、Sc、Y、La、Ce、Zn、Cd等。

其中有的金属有两种不同的构型。

第16页：4.其它结构

4.其它结构：4.其它结构型式除以上三种典型型式外，少数金属单质还可采取其他型式的结构，图5-4示出了一些较复杂的最紧密堆积结构形式，分别是：…CAB…，重复周期为4层；…ABCACB…，重复周期为6层；…ABCBCACAB…,重复周期为9层；…ACBCBACACBAB…，重复周期为12层。

第17页：等径圆球堆积的几种型式非最紧

等径圆球堆积的几种型式非最紧：本页为图示（图5-5），图5-5等径圆球堆积的几种型式非最紧密堆积还有简单立方、简单六方、体心四方、金刚石型堆积等多种形式。。

第18页：等径圆球堆积的几种型式非最紧（续）

等径圆球堆积的几种型式非最紧（续）：表5-1几种非最密堆积与三种典型堆积型式对比实例配位数空间利用率（堆积系数）结构型式记号堆积名称Sn434.01A4金刚石型堆积α-Po652.36-简单立方堆积-860. 04-简单六方堆积K8-1468.02A2体心立方堆积Pa1069. 81A6体心四方堆积Cu1274.05Al立方最密堆积Mg1274.05A3六方最密堆积

第19页：5.3金属的性质

5.3金属的性质：5.3金属的性质5.3.1金属的物理性质自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同的性质，如良好的导电性、导热性、延展性以及金属光泽等。

第20页：1.金属光泽

1.金属光泽

• 由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到其表面时，自由电子吸收所有频率的光，并迅速放出，使绝大多数金属呈现钢灰色至银白色的光泽。此外，金呈黄色，铜呈赤红色，铋为淡红色，铂为淡黄色以及铅是灰蓝色，这是因为它们较易吸收某一些频率的光所致。
• 金属光泽只有在整块金属时才能表现出来，在粉末状时，一般金属都呈暗灰色或黑色。这是因为在粉末状时，晶格排列得不规则，把可见光吸收后辐射不出去，所以呈黑色。

第21页：1.金属光泽（续）

1.金属光泽（续）：许多金属在光的照射下能放出电子，其中在短波辐射照射下能放出电子的现象称为光电效应；在加热到高温时能放出电子的现象称为热电现象。

第22页：2.金属的导电性

2.金属的导电性

• 根据金属键的概念，所有金属中都有自由电子。在外加电场作用时，自由电子有了一定的运动方向，形成电流，显示出金属的导电性。其与电解质水溶液和熔融盐的导电机理不同，当温度升高时，金属离子和金属原子的振动增加，自由电子的运动受阻碍程度增加，因此金属的导电性就降低。
• 金属的导热性也与自由电子的存在密切相关，当金属中有温度差时，运动的自由电子不断与晶格结点上振动的金属离子相碰撞而交换能量，因此使金属具有较高的导热性。

第23页：2.金属的导电性（续）

2.金属的导电性（续）

大多数金属具有良好的导电性和导热性。常见金属导电、导热能力由大到小的顺序如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg金属和其他类型固体的导电性有很大差别，常以电导率表示，详见表5-2。

第24页：各种固体的导电性

各种固体的导电性：金属、离子晶体与大分子共价固体的电导率差异显著，键型是决定导电性的关键因素。

说明：源文本中数值为 OCR 粘连文本（如“6·3×l05”），此处按教材标准值还原并补全上下标格式。

第25页：3.金属的延展性

3.金属的延展性

• 金属有延性，可以抽成细丝；金属又有展性，可以压成薄片。金属的延展性也可以从金属的结构得到解释。当金属受到外力作用时，金属内原子层之间容易作相对位移，而金属离子和自由电子仍保持着金属键的结合力，金属发生形变而不易断裂，因此金属具有良好的变形性。金属延展性的强弱顺序如下：
• 延性Pt、Au、Ag、Al、Cu、Fe、Ni、Zn、Sn、Pb；
• 展性Au、Ag、Al、Cu、Sn、Pt、Pb、Zn、Fe、Ni
• 由于金属的良好延展性，作为材料使用的金属可以经受切削、锻压、弯曲、铸造等加工。也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没有延展性。

第26页：4.金属的密度

4.金属的密度

4.金属的密度锂、钠、钾密度很小，其他金属密度较大。20℃金属按密度（g·cm-3）由大到小的顺序排列如下：锂钾钠钙镁铝锌锡铁镍铜银铅汞金铂锇金属0.530.860.971.551.742.77.137.37.878.98.9610.511.3513.619.3221.4522.57密度

第27页：5.金属的硬度

5.金属的硬度

5.金属的硬度金属的硬度一般都较大，但不同金属间有很大差别。有的坚硬如钢，如铬、钨等；有的很软如钠、钾等，可用小刀切割。

现以金刚石的硬度作为10，将一些金属按相对硬度比较，由大到小的排列顺序如下：钠钾铅钙锡镁金锌银铝铜铁铂镍钨铬金属0.40.51.51.51.82.12.52.52.72.934-54.3579硬度

第28页：6.金属的熔点

6.金属的熔点

6.金属的熔点不同金属的熔点差别很大，最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和嫁。汞在常温下是液体，铯和嫁在手上就能熔化，几种金属的熔点如下：银金铜铍镍铁钛铂铼钨金属962106410831278145315351668177230803410熔点/℃汞铯镓钾钠锡铅锌镁铝钙金属-3928306498232327420649660839熔点/℃

第29页：7.金属的内聚力

7.金属的内聚力

• 内聚力指物质内部质点间的相互作用力。对金属来说，是指金属键的强度。金属的内聚力可以用升华热衡量。
• 升华热是指lmol金属由结晶态转变为自由原子(M晶体→M气体)所需的能量，也是拆散金属晶格所需的能量。金属键越强，内聚力越大，升华热就越高。一些金属在25℃时的升华热见表7-3。

第30页：7.金属的内聚力（续）

7.金属的内聚力（续）：表5-3 25℃时一些金属的升华热沸点/K熔点/K升华热/kJ·mol-1金属1620454161Li1156371108Na104733790K96131282Rb95130278Cs32431551326Be1363922149Mg17571112177Ca16571042164Sr1913998178Ba28232573565B2740933324Al2676303272Ga31051812326Sc35601941473Ti36532173515V

第31页：7.金属的内聚力（续）

7.金属的内聚力（续）：沸点/K熔点/K升华热/kJ·mol-1金属29452148397Cr22351518281Mn30231808416Fe31431768425Co30051726430Ni28401356340Cu1180693131Zn

第32页：7.金属的内聚力（续）

7.金属的内聚力（续）

从表5-3可以看出，从Li到Cs的升华热是递减的，这表明金属的升华热与金属的原子半径或核间距成反比。因为从Li到Cs，随着原子半径加大，原子核对电子的束缚力下降，因此拆散金属晶格所需的能量降低，升华热随之下降。

在同一周期中，硼族金属的升华热大于碱土金属，碱土金属又大于碱金属，这暗示金属键的强度与价电子的数目有关。过渡金属的s层、次外层d轨道上的电子均可参加成键，所以过渡金属金属键的强度都较大，内聚力都较高，在性能上表现为都具有较高的硬度、熔点、沸点，并且能彼此间或与非金属材料间形成具有多种特性的合金，因而过渡金属及其合金广泛地用作结构材料。

如铬、锰和铁形成的合金钢一般具有抗拉强度高、硬度大、耐

第33页：7.金属的内聚力（续）

7.金属的内聚力（续）

• 腐蚀、耐高温等特性，可用在制造超音速飞机和导弹上。钛对海水有特别强的耐蚀能力，因此用于航海造船工业等。
• 由于金属材料具有上述特性，使金属类元素在材料工业中具有非常重要的地位。除了上面所说的过渡金属多数可作为结构材料使用外，像镁、铝等轻金属也广泛地用作结构材料，尤其在航空领域具有非常重特殊地位。金、银、铜、铂等有色金属广泛用作导体材料，铝由于密度小、导电性能较好、价格便宜等也大量用作导体材料。

第34页：5.3.2金属的化学性质

5.3.2金属的化学性质

• 金属最主要的化学性质是易失去最外层的电子变成金属阳离子，因而表现出较强的还原性。
• 各种金属原子失去电子的难易不同，因此金属还原性的强弱也不同。在水溶液中金属失去电子的能力可用标准电极电势来衡量，按标准电极电势数值由负到正排成金属活动顺序，并将在材料工业中具有重要地位的几种金属的化学性质归纳在表5-4中。

第35页：5.3.2金属的化学性质（续）

5.3.2金属的化学性质（续）：表5-4金属的主要化学性质Ag Pt AuCu HgHMg Al Mn ZnFe Ni Sn Pb金属活动顺序在溶液中失去电子的能力依次减小，还原性减弱失去电子能力不被氧化加热时氧化常温时氧化在空气中与氧的反应不能从水中取代出氢加热时取代水中氢和水的反应难与硝酸及浓硫酸反应，可与王水反应能与硝酸及浓硫酸反应能取代稀酸（盐酸、硫酸）中氢和酸的反应仅铝、锌等两性金属与碱反应和碱的反应前面的金属可以从盐中取代后面的金属离子和盐的反应

第36页：1.金属的氧化反

1.金属的氧化反

1.金属的氧化反应金属与氧气等非金属反应的难易程度，和金属活动顺序大致相同。位于金属活动顺序表前面的金属很容易失去电子，常温下就能被氧化或自燃；位于金属活动顺序表后面的金属则很难失去电子。

金属与氧的反应情况和金属表面生成的氧化膜的性质也有很大的关系，有些金属如铝、铬形成的氧化物结构紧密，它紧密覆盖在金属表面，防止金属继续氧化。

这种氧化物的保护作用叫钝化，所以常将铁等金属表面镀铬、渗铝，起到美观且防腐的效果。在空气中铁表面生成的氧化物，结构疏松，因此铁在空气中易被腐蚀。

第37页：2.金属与水、酸

2.金属与水、酸

• 金属与水、酸反应的情况：①与反应物的本性有关，即与金属的活泼性、酸的性质有关；②与生成物的性质有关；③与反应温度、酸的浓度有关。
• 常温下纯水中氢离子的浓度为10-7mol·L-1，Φ(H+/H2)=-0.41V。因此电极电势Φ(H+/H2)<-0.41V的金属都可能与水反应。性质活泼的金属，如钠、钾在常温下就与水激烈地反应；钙的作用比较缓和；铁则需在炽热的状态下与水蒸气发生反应.

第38页：2.金属与水、酸（续）

2.金属与水、酸（续）

• 有些金属如镁等与水反应生成的氢氧化物不溶于水，覆盖在金属表面，在常温下反应难于继续进行，因此镁只能与沸水起反应。
• 一般Φ为负值的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。但有的金属由于表面形成了很致密的氧化膜而钝化，例如铅与硫酸作用生成PbSO4覆盖在铅表面，因而难溶于硫酸。
• Φ为正值的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化，只能被氧化性的酸氧化，或在氧化剂存在下与非氧化性酸作用。有的金属如铝、铬、铁等在浓HNO3、浓H2SO4中由于钝化而不发生作用。

第39页：3.金属

3.金属

• 金属除了少数显两性以外，一般都不与碱起作用，锌、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应如下:Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+H2↑
• 2A1+2NaOH+ 6H2O= 2Na[Al(OH)4]+3H2↑
• 此外，铍、嫁、铟、锡等也能与强碱反应。活泼性强的金属还可以将活泼性弱的金属从其盐溶液中置换出来。
• 在金属参加的化学反应中，都是金属原子失去电子，被氧化，是还原剂；非金属原子、氢离子或较不活泼的金属阳离子得电子，被还原。

第40页：5.4合金的结构

5.4合金的结构

• 合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金属性质的物质。例如，碳素钢和铸铁主要是由铁和碳组成的合金；黄铜是由铜和锌组成的合金；硬铝是由铝、铜、镁组成的合金。
• 与组成它的纯金属相比，合金不仅具有较高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能，而且价格低廉。此外，通过调节其组成的比例，可获得一系列性能不同的合金，以满足不同性能要求，因此研究合金具有重要的生产实际意义。

第41页：5.4合金的结构（续）

5.4合金的结构（续）

• 组成合金最基本的、独立的单元称为组元，组元可以是元素或稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。
• 合金中晶体结构和化学成分相同，与其他部分有明显分界的均匀区域称为相。只由一种相组成的合金称为单相合金，由两种或两种以上相组成的合金称为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的组成相的大小、方向、形状、分布及相间结合状态称为组织。合金的性能取决于它的组织，而组织的性能又取决于其组成相的性质。要了解合金的组织和性能，首先必须研究固态合金的相结构。按合金的结构和相图等特点，合金的结构一般可分为金属固溶体和金属化合物两大类。

第42页：5.4.1金属固溶体合金

5.4.1金属固溶体合金

• 5.4.1金属固溶体
• 合金在固态下由不同组元相互溶解而形成的相称为固溶体，即在某一组元的晶格中包含其他组元的原子，前一组元称为溶剂，其他组元称为溶质。
• 根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体、间隙固溶体和缺位固溶体三种。

第43页：1.置换固溶体

1.置换固溶体

• 由溶质原子代替部分溶剂原子而占据溶剂晶格中某些结点位置形成的固溶体，称为置换固溶体，如图5-6(b)所示。
• 图5-6纯金属与金属固溶体结构比较

第44页：1.置换固溶体（续）

1.置换固溶体（续）

形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于晶格类型、原子直径差及它们在元素周期表中的位置。晶格类型相同，原子直径差越小，在元素周期表中的位置越靠近，则溶解度越大，甚至可以任何比例溶解而形成无限固溶体。

反之，若溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。

第45页：2.间隙固溶体直径

2.间隙固溶体直径

• 2.间隙固溶体
• 直径很小的非金属元素的原子溶入溶剂晶格结点的空隙处，就形成了间隙固溶体，如图5-6(c)所示。能否形成间隙固溶体，主要取决于溶质原子和溶剂原子的尺寸。研究表明，只有当溶质元素与溶剂元素的原子直径的比值小于0.59时，间隙固溶体才有可能形成。此外，形成间隙固溶体还与溶剂金属的性质及溶剂晶格间隙的大小和形状有关。

第46页：2.间隙固溶体直径（续）

2.间隙固溶体直径（续）

在固溶体中，溶质原子的溶入导致晶格畸变(图5-7)。溶质原子与溶剂原子的直径差越大，溶入的溶质原子越多，晶格畸变就越严重。

晶格畸变使晶体变形的抗力增大，材料的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化。图5-7晶格畸变的三种类型

第47页：3.缺位固溶体

3.缺位固溶体：3.缺位固溶体指被溶元素溶于金属化合物中生成的固溶体，如Sb溶于NiSb中的固溶体，溶入元素Sb占据着晶格的正常位置，但另一元素（Ni）应占的某些位置是空着的。

第48页：5.4.2金属化合物两组元组成

5.4.2金属化合物两组元组成

• 5.4.2金属化合物
• 两组元组成的合金中，在形成有限固溶体的情况下，如果溶质含量超过其溶解度时，将会出现新相，若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的化合物，称为金属化合物或金属间化合物。
• 多数是金属与金属（或金属与非金属元素）之间形成的化合物，金属化合物中有金属键参与作用，因而具有一定的金属性质。常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物

第49页：1.正常价化合物

1.正常价化合物

1.正常价化合物正常价化合物是由元素周期表中位置相距甚远、电化学性质相差很大的两种元素形成的。这类化合物的特征是严格遵守化合价规律，可用化学式表示，如Mg2Si、Mg2Sn等。

正常价化合物具有高的硬度和脆性，能弥散分布于固溶基体中，可对金属起到强化作用。

第50页：2.电子化合物

2.电子化合物

• 电子化合物是由周期表中第Ⅰ族或过渡元素与第Ⅱ~Ⅴ族元素形成的金属化合物，它们不遵守化合价规律，服从电子浓度(价电子数与原子数的比值)规律。
• 电子浓度不同，所形成金属化合物的晶体结构也不同。电子化合物以金属键相结合、熔点一般较高、硬度高、脆性大，是有色金属中的重要强化相。

第51页：3.间隙化合物

3.间隙化合物

• 间隙化合物是由过渡元素与硼、碳、氮、氢等原子直径较小的非金属元素形成的化合物。若非金属原子与金属原子半径之比小于0.59，则形成具有简单晶体结构的间隙相；若非金属原子与金属原子半径之比大于0.59，则形成具有复杂结构的间隙化合物。
• 间隙相与间隙固溶体不同，后者保持金属的晶格，而前者的晶格则不同于组成它的任何一个组元的晶格。此外，尽管间隙相和间隙固溶体中直径小的原子均位于晶格的间隙处，但在间隙相中，直径小的原子呈现有规律的分布，

第52页：3.间隙化合物（续）

3.间隙化合物（续）

• 而在间隙固溶体中，直径小的原子(溶质原子)则是随机分布于晶格的间隙位置。
• 间隙化合物和间隙相都有高的熔点和硬度，但塑性较低。它们是硬质合金、合金工具钢中的重要组成相。
• 总之，使用不同的原料、改变原料的用量比例、控制合金的结晶条件，就可以制得具有各种特性的合金。现代的机器制造、飞机制造、化学工业、原子能工业的成绩，尤其是导弹、火箭、人造卫星、宇宙飞船的制造成功，都与各种优良性能的合金有非常密切的关系。

第53页：5.5金属材料的制备

5.5金属材料的制备

• 冶炼是金属材料制备的第一道工序也是最重要的一道工序。冶金学是一门研究如何经济的从矿物或原料中提取金属或金属化合物，并制成具有一定性能的金属材料的科学。
• 冶金的分类方法很多，根据过程性质可分为：物理冶金和化学冶金。物理冶金是指通过成型加工的方法制备有一定性能的金属或合金材料，研究其组成、结构的内在联系。包括：金属学、粉末冶金、金属铸造和压力加工等。化学冶金指的是从矿物中提取金属或金属化合物的生产过程，整个过程中伴随着化学反应故称为化学冶金。

第54页：5.5金属材料的制备（续）

5.5金属材料的制备（续）

• 根据冶金工艺过程不同分为：火法冶金、湿法冶金和电冶金。火法冶金指在高温下矿石经过熔炼和精炼反应和熔化作业，使其中的金属和杂质分开，获得较纯的金属的过程。大致流程是：采矿→选矿→熔炼→精炼。湿法冶金是在常温或低于100℃下，用溶剂处理矿石，使所要提取的金属溶剂在溶液里，而其它杂质不溶解，然后将金属从溶液里提出和分离的过程。
• 绝对大部分溶液是水溶液，所以又称为水法冶金。电冶金利用电能提取和精炼金属的方法。按电能的类型分为电热冶金和电化学冶金。前者是利用电能转变为热能，在高温下提炼金属的方法，过程大致与火法冶金相同。后者利用电化学反应使金属从金属的盐类水溶液或熔体中析出。如铜的电解精炼和电解铝等都属于此类方法。

第55页：5.5.1钢铁的冶炼

5.5.1钢铁的冶炼

5.5.1钢铁的冶炼钢铁工业是一个国家一切工业的基础。它的产量是一个国家工业水平和生产能力的主要标志。钢铁是应用最多的金属材料主要原因是：铁在自然界的储量达，仅次于铝；冶炼加工容易，成本低；其具有良好的物理、力学和工艺性能；还可以利用钢铁制作性能更好的合金。

第56页：1.炼铁炼铁

1.炼铁炼铁

• 1.炼铁
• 炼铁的主要过程是将铁矿石在高炉（图5-8为高炉结构示意图）里通过复杂的物理、化学反应生成金属铁的过程。其过程如图5-9所示。

第57页：高炉炼铁工艺流程原料

高炉炼铁工艺流程原料：本页为图示（图5-9），图5-9高炉炼铁工艺流程原料、燃料高炉铁水炉渣煤气铸铁渣场重力除尘煤气。

第58页：（1）原料铁矿石的种类

（1）原料铁矿石的种类

（1）原料铁矿石的种类繁多，在自然界存在300多种含铁矿物。目前在炼铁行业应用最广泛的是铁矿石主要有：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种。

它们的分类、组成和性能见表5-1所示。还原性性能颜色含铁量%代表性的化学式矿石类别难坚硬致密黑色或灰色72.4Fe3O4磁铁矿焙烧后易还原易破碎灰色带黄褐色48.2FeCO3菱铁矿易疏松黄褐色60Fe2O3·3H2O褐铁矿易软易破碎红色至浅灰色70Fe2O3赤铁矿表5-5常用的铁矿石分类、组成与性能

第59页：（2）反应高炉炼铁的过程

（2）反应高炉炼铁的过程

（2）反应高炉炼铁的过程非常复杂，其大致的过程是：将矿石、焦炭、助溶剂等按一定比例组成炉料，从高炉顶部加入，并从上到下进行一系列复杂的过程。

焦炭的作用是产生还原气体、使熔融的铁增碳和产生反应需要的热量。助溶剂的作用是去除矿石里的杂质元素使之产生渣与铁水分离。如所示为高炉炼铁的工艺流程。

从炉底部吹入800-1000℃的热空气。焦炭在炉的底部燃烧生成CO2，并与C进行反应生成CO。反应式为：2C+O2→2CO2CO2+C→2CO

第60页：（2）反应高炉炼铁的过程（续）

（2）反应高炉炼铁的过程（续）

• 在这里CO的还原成为简介还原，约在500-1000℃进行，当处于高温的炉体部分时，产生的焦炭的直接还原。但是由于焦炭是固体，发生还原反应时与氧化铁表面接触时面积不如气体CO大，所以炼铁中的主要反应依然是CO还原反应。
• 3Fe2O3+ CO→2Fe3O4+2CO2
• Fe3O4+ CO→3FeO+CO2
• FeO+ CO→Fe+CO2焦炭产生的CO气体与下落被加热的炉料相遇产生如下反应：

第61页：（2）反应高炉炼铁的过程（续）

（2）反应高炉炼铁的过程（续）：另外还包括相应的造渣过程，反应如下：CaCO3→CaO+ CO2CaO+ SiO2→CaSiO33CaO+Al2O3→Ca3(AlO3)2

第62页：2.炼钢炼钢

2.炼钢炼钢

• 2.炼钢
• 炼钢根据工艺流程可以分为三类：
• 间接炼钢法是先将矿石还原熔化成生铁，然后在将生铁装入炼钢炉得到钢的方法。其有高炉炼铁和转炉炼钢两步构成。其优点是工艺成熟，生产效率高，成本低，是现代炼钢大规模采用的方法。
• 熔融还原法将铁矿石高温熔融状态下用碳把铁氧化物还原成金属铁的非高炉炼铁方法。其产品为液态生铁，可用传统转炉精炼成为钢。其为全粉末流程，用非焦煤取代昂贵的焦炭，故工艺简单，是一个非高炉炼铁的好的技术方法。

第63页：2.炼钢炼钢（续）

2.炼钢炼钢（续）

直接炼钢法由铁矿石一步冶炼得到钢的方法。此法不用高炉和昂贵的焦炭，而是将矿石放入直接还原的电炉中，用气体或固体还原剂还原出含碳量比较低的、含有杂质的半熔融状态的海绵铁，从而形成直接还原-电炉串联生产钢的未大规模使用，只在某些地区作为典型钢铁的生产的补充方法。

此外，炼钢根据所使用的炉子不同，可以分为：平炉炼钢、转炉炼钢和电炉炼钢的三种。平炉是历史悠久的一种炼钢方法。转炉炼钢现在使用的最广。

电炉炼钢炼制的钢材质量高。

第64页：（1）原料炼钢

（1）原料炼钢

• （1）原料
• 炼钢用的原料可分为金属和非金属两类。金属料主要有铁水、废钢和铁合金等，非金属材料主要是造渣材料、氧化剂、冷却剂和增碳剂等。
• 铁水是氧气转炉的必备材料，占金属材料的70-100%。铁水的成分和温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作十分重要。铁水应控制其含Si、Mn、S、P等量，应努力保证进入转炉的铁水温度大于1200-1300℃，且保持稳定，易利于炉子热行，迅速成渣，减少喷溅。
• 废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量达到70-90%。对于

第65页：（1）原料炼钢（续）

（1）原料炼钢（续）

• 硅锰铝合金等。造渣材料主要目的是去除钢中多余的杂质元素。主要有废钢矿石法的平炉，其也是主要金属材料。而氧气转炉，即是金属料也是冷却剂。
• 铁合金在炼钢中主要起到脱氧和合金化元素的作用。主要有：Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr及复合脱氧剂，如硅锰合金等。
• 造渣材料的目的是除去钢中多余的杂质元素，主要有：石灰、萤石、白云石及合成造渣材料等。氧化剂主要作用是在炼钢过程中除去过多的C。主要有：氧气、铁矿石和氧化铁皮等。冷却剂主要作用是使钢快速冷却。使用的有：废钢、富铁矿和石灰石等。还原剂和增碳剂主要有：石墨电极、焦炭、电石、硅铁、硅钙和铝等。

第66页：（2）反应炼钢的基本任务

（2）反应炼钢的基本任务

• （2）反应
• 炼钢的基本任务主要有：
• 脱碳由于从高炉出来的生铁，含碳量高于4.3%，要达到钢的成分必须脱去多余的碳元素。钢中随着碳含量的增加，其硬度、强度和脆性增加，而延展性降低。
• 脱碳的反应：2C+O2→2CO2
• 脱磷磷是钢中的有害杂质，会引起冷脆性，要严格的加以控制。脱磷的反应式为：
• 4P+5O2→2P2O5

第67页：（2）反应炼钢的基本任务（续）

（2）反应炼钢的基本任务（续）

• 脱硫
• 磷与硫一样都是钢中的有害杂质，会引起热脆性，要严格的加以控制。
• 反应式为：2S+O2→2SO2
• 脱氧
• 由于在氧化精炼中，向熔池输入了大量的氧及氧化杂质，导致钢液中融入大量的氧，将大大影响钢的质量。因此必须降低钢中的含氧量。一般做法是往钢里加入与氧更和亲和力的Al、Si和Mn等元素。其原理是：C+FeO→Fe+COSi+2FeO→2Fe+SiO2Mn+FeO→Fe+MnO2Al+3FeO→3Fe+Al2O3去除气体和非金属夹杂钢中的气体主要溶解的是氮和氢。

第68页：（2）反应炼钢的基本任务（续）

（2）反应炼钢的基本任务（续）

• 非金属夹杂物包括：
• 氧化物、硫化物、磷化物、氮化物已经它们形成的复杂化合物。其主要是依靠CO引起熔池的沸腾降低气体。非金属夹杂可以通过以下反应去除：
• SiO2+ 2CaO +O2→2CaSO4
• P2O5+3CaO →Ca3(PO4)2
• SiO2+CaO→CaSiO3
• SiO2+MnO→MnSiO3

第69页：5.5.2有色金属的冶炼现代冶金工业通常

5.5.2有色金属的冶炼现代冶金工业通常

• 5.5.2有色金属的冶炼
• 现代冶金工业通常把金属分为黑色金属和有色金属，或者钢铁和非铁金属两大类。铁、铬、锰三种金属称为黑色金属，其余各种金属，例如铝、镁、钛、铜、铅、锌、钨、钼、稀土、金、银等数十种金属，称为有色金属。下面简单介绍生产中常用的铜、铝和锌金属的冶炼。

第70页：1.铜的冶炼

1.铜的冶炼

1.铜的冶炼目前自然界中含铜矿物有240多种，其中常见的约30～40种，而具有工业开采价值的铜矿仅10余种。铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。

自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。表3-2所示为硫化铜和氧化铜的相关性质。特别是硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。

目前工业开采的铜矿石最低品位为0.4%~0.5%。开采出来的低品位矿石，经过选矿富集，使铜的品位提高到10% ~30％。

第71页：1.铜的冶炼（续）

1.铜的冶炼（续）：表5-6硫化铜和氧化铜的相关介绍颜色含铜量化学分子式矿物名称矿物类别灰黑色红蓝色黄色红蓝色灰黑色灰黑色79.866.734.663.549.025.0Cu2SCuSCuFeS2Cu4FeS4Cu3AsS4（Cu,Fe)12Sb4S13辉铜矿铜蓝黄铜矿斑铜矿硫砷铜矿黝铜矿硫化矿红色灰黑色亮绿色亮蓝色蓝绿色蓝色88.879.957.568.236.225.5Cu2OCuOCuCO3·Cu(OH)22CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2OCuSO4·5H2O赤铜矿黑铜矿孔雀石蓝铜矿硅孔雀石胆矾氧化矿

第72页：1.铜的冶炼（续）

1.铜的冶炼（续）

• 铜的冶金工艺
• 铜的生产方法概括起来有火法和湿法两大类。
• 火法炼铜是当今生产铜的主要方法，世界上80％左右的铜是用火法炼铜方法生产的。图5-10为火法生产铜的流程图。图5-11湿法炼铜的流程
• 湿法炼铜是在常压或高压下，用溶剂浸出矿石或焙烧矿中的铜，经净液使铜与杂质分离，而后用电积或置换等方法，将溶液中的铜提取出来。对氧化矿，大多数工厂用溶剂直接浸出；对硫化矿，一般先经焙烧然后浸出焙烧矿。其流程如图5-11所示。

第73页：干法炼铜的流程

干法炼铜的流程：本页为图示（图5-10），图5-10干法炼铜的流程图5-11湿法炼铜的流程。

第74页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环节

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环节

• 2.铝的冶炼
• 铝工业有三个主要生产环节：从铝土矿提取氧化铝-氧化铝生产；用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产金屑铝——铝电解；铝的加工。图5-12所示为铝生产流程。
• 铝土矿按其含有的氧化铝水合物的类型可分为：三水铝石型铝土矿；一水软铝石型铝土矿；一水硬铝石型铝土矿和混合型铝土矿。其主要化学成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO、硫化物、微量的镓、钒、磷、铬等元素的化合物。氧化铝生产方法有：碱法、酸法、酸碱联合法、热法等。

第75页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

• 碱法
• 碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。

第76页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

• 酸法
• 酸法生产氧化铝就是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理铝矿石，得到含铝盐溶液，然后用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧化铝或各种铝盐的水合物晶体，便得到氧化铝。图5-13铝电解生产流程
• 用酸法处理铝矿石时，存在于矿石中的铁、钛、钒、铬等杂质与酸作用进入溶液中，这不但引起酸的消耗，而且它们与铝盐分离比较困难。

第77页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

• 氧化硅绝大部分成为不溶物进入残渣与铝盐分离，但有少量成为硅胶进入溶液，所以铝盐溶液还需要脱硅，而且需要昂贵的耐酸设备。
• 用酸法处理酸分布很广的高硅低铝矿(如粘土、高岭土、煤矸石和煤灰)在原则上是合理的，在铝土矿资源缺乏的情况下可以采用此法。

第78页：

本页源文件未提取到文字内容，仅有图片。建议对照原课件图片补充本页要点说明（位于「2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）」与「2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）」之间）。

第79页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

• 酸碱联合法
• 酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。

第80页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

• 热法
• 热法适合于处理高硅高铁的铝矿，其实质是在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化铁、氧化硅、氧化钛等杂质还原，形成硅合金。而氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而分离，所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。
• 现代铝工业生产，主要采取冰晶石-氧化铝融盐电解法。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物，阴极上是铝液，阳极上是CO和CO2气体。铝液用真空抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其含铝质量达到99.5-99.8%。阳极气体中还含有少量有害的氟

第81页：2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

2.铝的冶炼铝工业有三个主要生产环（续）

化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气收回的氟化物返回电解槽。图5-13是铝电解生产流程图。炼铝的原科是氧化铝，氧化铝是一种白色粉末，熔点为2050℃，比重3.5-3.68g/cm3，工业氧化铝中通常含有氧化铝铝99%左右。

第82页：5.6常见金属材料

5.6常见金属材料

5.6常见金属材料5.6.1钢铁钢铁材料是指所有的铁碳合金，又称黑色金属材料，包括碳钢、合金钢及铸铁。钢铁材料是工程中最重要的金属材料，其工程性能好、成本低、应用广泛。

第83页：1.钢的分类

1.钢的分类

1.钢的分类（1）按化学成分分类按化学成分不同，可将钢材分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢按含碳量不同，可分为低碳钢(C%≤0.25%)、中碳钢(C%=0.25%~0.60%)和高碳钢(C%＞0.60%)三类。

合金钢按合金元素的含量可分为低合金钢(合金元素总量<5%)、中合金钢(合金元素总量为5%~10%)和高合金钢(合金元素总量>10%)三类。

合金钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。

第84页：（2）按冶金质量分类

（2）按冶金质量分类

• 按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为普通钢(S%≤0.055%，P%≤0.045%)、优质钢(S、P≤0.040%)和高级优质钢(S%≤0.030%，P%≤0.035%)三类。
• 根据冶炼时脱氧程度，又可将钢分为沸腾钢(脱氧不完全)、镇静钢(脱氧较完全)和半镇静钢三类。

第85页：（3）按用途分类

（3）按用途分类

• 按钢的用途分类可分为结构钢、工具钢、特殊钢三大类。
• 结构钢又分为工程构件用钢和机器零件用钢两部分。工程构件用钢包括建筑、桥梁、船舶、车辆工程用钢。机器零件用钢包括调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等。这类钢一般属于低、中碳钢和低、中合金钢。
• 工具钢分为刃具钢、量具钢、模具钢，主要用于制造各种刃具、模具和量具，这类钢一般属于高碳、高合金钢。
• 特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢等。这类钢主要用于各种特殊要求的场合，如化学工业用的不锈耐酸钢、核电站用的耐热钢等。

第86页：（4）按金相组织分类

（4）按金相组织分类

• 按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。
• 按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢四种。
• 在对钢的产品命名时，往往把成分、质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢等

第87页：2.钢的牌号

2.钢的牌号

• 为了方便管理和使用，每一种钢都需要有简明的编号。世界各国钢的编号方法不一样，但编号原则主要是：根据编号可大致看出钢的成分或用途。
• 我国的钢材编号是采用国际化学元素符号和汉语拼音字母并用的原则，即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示。例如，Si、Mn、Cr、W等，稀土元素用“RE”表示。具体的编号方法如下所述。

第88页：（1）普通碳素结构

（1）普通碳素结构

（1）普通碳素结构钢与低合金高强度结构钢普通碳素结构钢的牌号以“Q+数字+字母+字母”表示。其中“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的分别是屈服强度值、质量等级符号和脱氧方法。

例如，Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。又如2008北京奥运会建成的标志性建筑“鸟巢”，以钢结构最大跨度达到343m而创造世界钢结构之最。

最终采用我国自主研究生产的Q460钢材，“460”代表钢材受力强度达到460MPa时才会发生塑性变形。“Q460”建筑用钢是我国科研人员经过三次技术攻关研制出来温性、可焊性等特点。

第89页：（1）普通碳素结构（续）

（1）普通碳素结构（续）

• 牌号中规定了A、B、C、D四种质量等级，A级质量最差，D级质量最好。
• 按脱氧方法，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加“b”，镇静钢则不加任何字母。普通低合金高强度结构钢的牌号与普通碳素结构钢的表示方法相同，屈服强度一般在300MPa以上。普通低合金高强度结构钢质量等级分为A、B、C、D、E五种质量等级，如Q345C、Q345D。

第90页：（2）优质碳素结构

（2）优质碳素结构

（2）优质碳素结构钢与合金结构钢优质碳素结构钢与合金结构钢编号的方法是相同的，都是以“两位数字+元素+数字+…”的方法表示。

钢号的前两位数字表示平均含碳量的万分之几，沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几表示。

凡合金元素的平均含量小于1.5%时，钢号中一般只标明元素符号而不标明其含量。如果平均含量≥1.5%，≥2.5%，≥3. 5%，…时，则相应标以2，3，4，…。

第91页：（2）优质碳素结构（续）

（2）优质碳素结构（续）

如为高级优质钢，则在其钢号后加“高”或“A”。钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素，虽然它们的含量很低，但在钢中能起相当重要的作用，故仍应在钢号中标出。

例0.45%的优质碳素结构钢；20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量Ti的合金结构钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.5%~2.5%的合金结构钢。

第92页：（3）碳素工具钢

（3）碳素工具钢

（3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号以“T+数字+字母”表示。钢号前面的“碳”或“T”表示碳素工具钢，其后的数字表示含碳量的千分之几。

例如，平均含碳量为0.8%的碳素工具钢，其钢号为“碳8”或“T8”。含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”，如“碳8锰”或“T8Mn”。

如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加“高”或“A”，如“碳10高”或“T10A”。

第93页：（4）合金工具钢与特殊性能

（4）合金工具钢与特殊性能

• 合金工具钢的牌号以“一位数字(或没有数字)+元素+数字+……”表示。
• 其编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量的表示方法，当含碳量≥1.0%时，则不予标出。如平均含碳量<1.0%，则在钢号前以千分之几表示它的平均含碳量，如9CrSi钢，平均含碳量为0.90%，主要合金元素为铬、硅，含量都小于1.5%。而对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均含Cr=0.6%的低铬工具钢的钢号为“Cr06”。

第94页：（4）合金工具钢与特殊性能（续）

（4）合金工具钢与特殊性能（续）

• 在高速钢的钢号中，一般不标出含碳量，只标出合金元素含量平均值的百分之几。
• 特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示相同。

第95页：（5）专用钢这类

（5）专用钢这类

• （5）专用钢
• 这类钢是指用于专门用途的钢种。以其用途名称的汉语拼音第一个字母表明该钢的类型，以数字表明其含碳量，化学元素符号表明钢中含有的合金元素，其后的数字标明合金元素的大致含量。
• 例如，滚珠轴承钢在编号前标以“G”字，其后为“铬(Cr)+数字”，数字表示铬含量为平均值的千分之几，如“滚铬15”(GCrl5)。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量为1.5%，其他元素仍按百分之几表示。又如易切钢前标以“Y”字，Y40Mn表示含碳量约0.4%，含锰量小于1.5%的易切钢。

第96页：3.钢的结构纯铁有

3.钢的结构纯铁有

• 3.钢的结构
• 纯铁有α、β、γ、δ四种变体，其中α、β、δ变体具有立方体心(A2型)结构，γ变体具有立方面心(Al型)结构。770℃是α-Fe的居里点(即铁磁物质升温开始失去铁磁性的温度)，a-Fe具铁磁性而其他变体均无铁磁性。Fe-C体系的相图如图5-14所示。

第97页：3.钢的结构纯铁有（续）

3.钢的结构纯铁有（续）

• 含碳量小于0.02%的称为纯铁，大于2.0%的称为生铁，0.02~2.0%之间的称为钢。
• 钢铁的性能随着它的化学成分和热处理工艺而改变是由于内部结构变化所引起的，组成钢铁的物相除石墨外主要有下面四种含铁物相：

第98页：(1)奥氏体

(1)奥氏体

(1)奥氏体奥氏体是碳在γ-Fe(晶胞参数a=356pm)中的间隙固溶体，在723℃时奥氏体中溶入碳约0.8%，相当于Fe原子和碳原子数目之比约为27:1，即平均6~7个立方面心晶胞中含有一个C原子，C原子无序地分布在Fe原子所组成的八面体空隙中，如图5-15所示。

图5-15奥氏体的结构

第99页：(2)铁素体

(2)铁素体

(2)铁素体铁素体是碳在α-Fe(晶胞参数a=286.6pm)中的固溶体。由于α-Fe结构中的孔隙很小，所以铁素体溶碳能力极低，在723℃最高含碳量只有0.02%。

所以几乎就是纯的α-Fe，只是在晶体的各种缺陷处填入极少量的碳。铁素体的性质和纯铁相似。

第100页：(3)渗碳体

(3)渗碳体

(3)渗碳体渗碳体是铁和碳组成比为3：1的化合物，含碳量为6.67%(质量分数)，化学式为Fe3C。渗碳体结构属正交晶系，每个晶胞中含12个Fe原子和4个C原子。

其晶胞如图5-16所示(图中只示出1个八面体)。

第101页：(4)马氏体

(4)马氏体

钢骤冷至150℃以下时，仍然不能冻结在奥氏体结构中，也不转化为铁素体和渗碳体的混合物，而变为质地很脆很硬的马氏体。马氏体的结构如图5-17所示，为四方单位，c与a的长度随含碳量而变。

当含碳量降至零时，c与a的长度趋于一致。

第102页：(4)马氏体（续）

(4)马氏体（续）

马氏体可看作是α-Fe中含碳量可达到1.6%的过饱和固溶体。骤冷的钢或马氏体一般可经回火过程转化为由铁素体和渗碳体组成的机械性能很好的钢料。

回火过程一般在200~300℃进行。控制马氏体的回火过程可以控制形成铁素体和渗碳体的颗粒大小和组织等，从而控制钢的机械性能。

这一原理是钢热处理过程的理论基础。

第103页：4.钢的性能

4.钢的性能

4.钢的性能由图5-14可见，室温下铁素体和渗碳体是稳定的晶型，不同成分的钢铁冷却较慢时都可得到这两种晶型。奥氏体在高温时稳定，在钢中渗入锰、镍、铬等成分时，在骤冷过程中可将钢冻结在奥氏体结构中，奥氏体一般不具铁磁性。

碳钢迅速冷却时最初得到的是过冷奥氏体，在200~350℃转变为马氏体，碳钢淬火主要得到马氏体，马氏体是不稳定的晶型，在相图上显示不出来。

生铁主要由渗碳体和铁素体组成，它硬而脆，断口呈白色称为灰口铁，它具有优良的切削加工性能，广泛应用在机器制造上；

第104页：4.钢的性能（续）

4.钢的性能（续）

• 若在熔化铁液中加镁处理，使石墨呈球状，则成为可锻造、切削、机械强度较高的球墨铸铁。
• 钢铁的性能依赖于钢铁的化学成分和内部的结构。钢铁结构主要指微观晶体结构和亚微观金相组织两个结构层次,同结构性能差别很大，表5-8示出四种晶相的机械性能。
• 纯铁质地软，富延展性，可拉制成丝，受外力作用晶面间易滑动。当铁中渗入碳原子，由于铁和碳原子间有牢固的结合力，在碳原子周围形成不易滑动的较固定的硬化点，这使钢比纯铁坚硬而塑性不如纯铁。
• 一般钢中含碳量越高，硬度也越高，含渗碳体和马氏体等物相比例越高则越硬而脆。

第105页：4.钢的性能（续）

4.钢的性能（续）：表5-7四种晶相铁的机械性能马氏体渗碳体奥氏体铁素体性能650~760800120~18080~100布氏硬度175~2103.540~8525~30强度极限/(kg·cm-2)2~8~040~6030~50延伸率/ %-~0-75面缩率/ %

第106页：4.钢的性能（续）

4.钢的性能（续）

一般形成化合物的合金，特别是碳化物，其硬度比纯金属高得多，固溶体硬度和强度也较纯金属高。混合物相的机械性能一般近似地表现为混合物中各相性能的平均值。

可以通过改变化学组成、热处理工艺、改变和调节硬度和韧性，而获得所需要的性能。金属在弹性变形时，晶格形状发生暂时的变化，原子间距改变，除去外力后又恢复原状。

塑性变形时，晶体内原子沿晶面滑动，除去外力后不复原。钢材是由许多晶粒组成的，晶粒取向和晶粒间的晶界对变形影响很大。

第107页：4.钢的性能（续）

4.钢的性能（续）

滑动一般不易穿过晶界，而在晶界上产生应力集中，这种集中的应力再加上外互约束，相互协调，以适应外力的影响。所以细晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高。

经过塑性变形后的金属，由于晶面之间产生滑动、晶粒破碎或伸长等原因，致使金属产生内应力，从而发生硬化以阻止再产生滑动，这使金属的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

硬化的金属结构处于不稳定的状态，有自发地向稳定状态转化的倾向。加热提高温度，原子运动加速可促进这种转化以消除内应力。加热时应力较集中的部位，能量最高，优先形成新的晶核，进行再结晶。

第108页：4.钢的性能（续）

4.钢的性能（续）

经再结晶的金属硬度和强度降低，塑性和韧性提高，使金属恢复到变形前的性能。再结晶在实际生产工艺上有重要意义，例如，不能在室温下连续地将一块钢锭经多次轧制而制成薄钢板，而必须经过若干次轧制和加温再结晶的重复工序，才能制出合格的钢板。

钢锭经过锻炼轧制，将粗晶粒的结构，破碎成小晶粒，同时使原来晶界间的微隙弥合，成为致密的结构，从而大大提高了其机械性能。

第109页：5.6.2铝及铝合金

5.6.2铝及铝合金

• 铝是地球上蕴藏量最丰富的金属，约占地壳质量的8%左右。铝的密度为2.7g·cm-3，为钢的1/3，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性能。
• 钝铝中含有铁、硅、铜、锌等杂质元素，按其纯度可分为工业纯铝、工业高纯铝及高纯铝。工业纯铝主要用来制作铝箔、电缆、日用器皿等。高纯铝及工业高纯铝主要用于科学研究、制作电容器、铝箔等。

第110页：2.铝合金纯铝的强度

2.铝合金纯铝的强度

• 2.铝合金
• 纯铝的强度和硬度都很低，不适宜作为结构材料使用。在铝中加入适量硅、铜、镁、锰等合金元素，可形成具有较高强度的铝合金，如图5-18所示。
• 若再经过冷变形加工或热处理强化，还可以进一步提高强度，用来制造承受较大载荷的重要结构部件，是飞机机体、运载火箭箭体等装备的主要工程材料。图5-18铝合金

第111页：（1）铝合金的分类方法

（1）铝合金的分类方法

• 根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为两类，如图5-19所示。
• 图中成分位于D点左侧的合金，加热时能形成单相固溶体，合金塑性好，适于加工成型，故称为变形铝合金；
• 成分位于D点右侧的合金，具有共晶组织，且共晶温度低，塑性差，不适于塑性加工，但其流动性好，适合于铸造，故称为铸造铝合金。

第112页：（1）铝合金的分类方法（续）

（1）铝合金的分类方法（续）

变形铝合金分为不可热处理强化和可热处理强化两类。成分在F点左侧的合金，温度化时无溶解度变化，属于不能用热处理强化的铝合金；成分在F点和D点之间的合金，由于溶解度随温度变化，可以用热处理来强化，称其为热处理强化铝合金。

第113页：（2）变形铝合金国际上

（2）变形铝合金国际上

• （2）变形铝合金
• 国际上，变形铝合金采用4位数字体系命名(如图5-20所示)，第一位数字表示主要合金系；第二位数字表示合金的改型；第三位和第四位数字表示合金的编号。我国变形铝合金的牌号采用4位字符体系命名，第一位数字表示合金系；第二位(英文大写字母)表示合金的改型；第三位和第四位数字表示合金的编号。图5-20变形铝合金的分类
• 变形铝合金按性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝，其中，后三类铝合金可进行热处理强化。

第114页：（2）变形铝合金国际上（续）

（2）变形铝合金国际上（续）

• 1)防锈铝合金
• 防锈铝合金主要含Mn、Mg，属Al-Mn系及Al-Mg系合金，不可热处理强化，锻造退火后为单相固溶体。该类合金的特点是抗蚀性、焊接性及塑性好，易于加工成形，有良好的低温性能；但其强度较低，只能通过冷变形加工产生硬化，且切削加工性能较差。
• 主要用于焊接零件、构件、容器及经深冲和弯曲的零件制品。我国常用的Al-Mn系合金有3A21等，Al-Mg系合金有5A02、5A03、5A06等。

第115页：（2）变形铝合金国际上（续）

（2）变形铝合金国际上（续）

• 2)硬铝合金
• 该类合金属Al-Cu-Mg系，铜和镁在硬铝中可形成θ相(CuAl)、S相(CuMgAl)等强化相，故合金可热处理强化。强化效果随主强化相(S相)的增多而增大，但塑性降低。
• 硬铝中还含少量Mn、Fe、Si等杂质，Mn可提高硬铝的抗腐蚀能力、细化晶粒、提高强度，但过多的Mn会使塑性下降，故一般控制在1%以下；Fe、Si则是有害杂质，应予以限制。硬铝淬火时效后强度明显提高，可达420MPa，比强度与高强度钢相近，可制作飞机螺旋桨、飞机结构件、铆钉、飞机蒙皮等。我国常用的Al-Cu-Mg系合金有2A12等。

第116页：（2）变形铝合金国际上（续）

（2）变形铝合金国际上（续）

• 3)超硬铝合金
• 超硬铝合金属Al-Cu-Mg-Zn系合金，是室温强度最高的铝合金，常用的超硬铝合金有7A04、7A06等。
• 超硬铝合金经固溶处理和人工时效后有很高的强度和硬度，b可达680MPa，但耐蚀性差、高温软化快，故常用包铝法来提高其耐蚀性。
• 包铝时用含Zn量为1%的铝合金，不用纯铝。超硬铝主要用作受力大的重要结构件和承受高载荷的零件，如飞机大梁、起落架、加强框等。

第117页：（3）铸造铝合金

（3）铸造铝合金

• 用来制作铸件的铝合金称为铸造铝合金。它的力学性能不如变形铝合金，但适宜铸造生产形状复杂的铸件。为使合金具有良好的铸造性能和足够的强度，加入总量为8~25%的合金元素。
• 合金元素主要有Si、Cu、Mg、Mn、Ni、Cr、Zn等，故铸造铝合金的种类很多，主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四类，其中Al-Si系应用最广泛。我国铸造铝合金的代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL”及其后面的3位数字组成。

第118页：（3）铸造铝合金（续）

（3）铸造铝合金（续）

• 其中，第一位数字表示合金系列(l为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系)，第二位和第三位数字表示合金顺序号。常用的铸造铝合金有ZLl02、ZL201等。
• 开发能够代替部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金可以缩短制造周期、减低成本。国外最著名的高强韧铸造铝合金是法国的A-U5GT，具有很好的力学性能。我国制造的Z L205A，抗拉强度为510Mpa，延伸率可达13%。近年来，铸造铝合金复合材料发展较为迅速，例如，铸造Al-Si基SiC颗粒增强复合材料，提高了金属的性能，尤其是刚性和耐磨性，并已应用到航空、航天、汽车等领域。

第119页：5.5.3镁及镁合金

5.5.3镁及镁合金

• 1.纯镁
• 镁是地壳中储量最丰富的金属之一，储量占地壳质量的2.5%，仅次于铝和铁。纯镁为银白色，密度仅为1.74 g·cm-3。镁的晶体结构为密排六方点阵，滑移系数小，塑性较低，延伸率仅约为10%，冷变形能力差，当温度升高至150~250℃时，滑移系数提高，塑性增加，可进行各种热加工变形。

第120页：5.5.3镁及镁合金（续）

5.5.3镁及镁合金（续）

• 镁的电极电位很低，因此，抗腐蚀能力差，在大气、淡水及大多数酸、盐介质中易受腐蚀。镁的化学活性很高，在空气中极易被氧化，其熔点约为650℃，熔化时极易氧化燃烧。
• 工业上主要采用熔盐电解法制备镁。纯镁强度低，主要用作制造镁合金的原料、化工及冶金生产的还原剂及烟火工业等。

第121页：2.镁合金

2.镁合金

2.镁合金镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。镁合金作为结构材料应用最多的是铸件，其中90%以上是压铸件。

第122页：(1)耐热镁合金耐热性差是阻碍

(1)耐热镁合金耐热性差是阻碍

• (1)耐热镁合金
• 耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，合金的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使其难以作为关键零件(如发动机零件)材料广泛应用。
• 已开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素和硅。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。含稀土的镁合金具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的成本高是其被广泛应用的一大阻碍。Mg-Al-Si(AS)系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。

第123页：(1)耐热镁合金耐热性差是阻碍（续）

(1)耐热镁合金耐热性差是阻碍（续）

• 175℃时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ9l和AM60合金。从20世纪80年代以来，国外致力于提高镁合金的高温抗拉强度和蠕变性能。
• 例如，美国开发的Mg-8Zn-5Al-0.6Ca，以及加拿大研究的Mg-5Al-0.8Ca等镁合金，其抗拉强度和蠕变性能都较好。
• 2001年用快速凝固法制成的具有100~200nm晶粒尺寸的高强镁合金Mg-2%Y-1%Zn，其强度为超级铝合金的3倍，且具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。

第124页：(2)耐蚀镁合金

(2)耐蚀镁合金

• 镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：
• (a)严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni等杂质元素的含量。例如，高纯AZ9lHP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是A791C的100倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。
• (b)对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。

第125页：(3)阻燃镁合金

(3)阻燃镁合金

• 镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。
• 纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重降低镁合金的机械性能，故该方法无法应用于生产实践。钛可以阻止镁合金进一步氧化，但是钛含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。

第126页：(3)阻燃镁合金（续）

(3)阻燃镁合金（续）

• 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心通过同时加入几种元素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃
• 镁合金，成功地进行了轿车变速箱壳盖的工业试验，并生产出手机壳体、MP3壳体等电子产品外壳。

第127页：(4)高强高韧镁合金现

(4)高强高韧镁合金现

• (4)高强高韧镁合金
• 现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加入Ag和Th能够提高Mg-RE-Zr合金的力学性能，如含Ag的QE22A合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，己广泛用作飞机、导弹的优质铸件；
• 通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤压等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。

第128页：(5)变形镁

(5)变形镁

• 虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，开发变形合金是未来的发展趋势。
• 新型变形镁合金及其成型工艺的开发，己受到国内外材料工作者的高度重视。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，如通过挤压+热处理后的ZK60高强变形镁合金，其强度及断裂韧性可相当于时效状态的A17075或A17475合金，而采用快速凝固(RS)+粉末冶金(PM)+热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，

第129页：(5)变形镁（续）

(5)变形镁（续）

• 成为迄今报道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过常规镁合金，比强度甚至超过7075铝合金，且具有超塑性，腐蚀速率与2024-T6铝合金相当，还可同时加入SiCp等增强相，成为先进镁合金材料的典范。
• 日本1999年开发出超高强度的变形镁合金材料，以及可以冷压加工的镁合金板材。英国开发出挤压镁合金，用于核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金，法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料。

第130页：(6)镁合金成形技术

(6)镁合金成形技术

(6)镁合金成形技术镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺，压铸是应用最广的镁合金成形方法，其产品如图5-21所示。

近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者己成功生产出镁合金汽车轮毂和方向盘，后者也已开始用于生产汽车的镁合金零件。

图5-21镁合金压铸产品

第131页：(6)镁合金成形技术（续）

(6)镁合金成形技术（续）

• 镁合金半固态触变铸造成形新技术，近年来受到美国、日本和加拿大等国家的重视。与传统的压铸相比，触变铸造法无需熔炼、浇注及气体保护，生产过程更加清洁、安全和节能。
• 目前己研制出镁合金半固态触变铸造用压铸机，到1998年底，全世界已有超过100台机器投入运行，约有40种标准镁合金半固态产品用于汽车、电子和其他消费品。但相对来说，半固态铸造镁合金材料的选择性小，目前用的只有AZ9lD合金，需要进一步发展适用于半固态铸造的镁合金系。其他正在发展的镁合金铸造成形新技术有镁合金消失模铸造、挤压铸造-低压铸造结合法、挤压铸造-流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。

第132页：5.5.4钛及钛合金

5.5.4钛及钛合金

• 1.纯钛
• 钛的资源丰富，在地球中的储藏量位于铝、铁、镁之后居第四位。钛是一种银白色的过渡金属，其密度为4.588g·cm-3，熔点为1668℃。钛具有同素异构转变，882.5℃以下为密排六方的α-Ti，高于882.5℃为体心立方的β-Ti。
• 钛的突出优点是比强度高、耐热性好、抗蚀性能优异。钛在大气、海水中具有极高的耐腐蚀性，在室温下的硫酸、盐酸、硝酸中均具有很高的稳定性。钛在大多数有机酸及碱溶液中的耐蚀性也很高，但在HF中耐蚀性很差。

第133页：5.5.4钛及钛合金（续）

5.5.4钛及钛合金（续）

• 钛的化学性质非常活泼，易与O、N、H等元素形成稳定的化合物，这使钛的冶炼难度很大，钛一般采用活泼金属还原法或碘化法制取。
• 碘化法制得的钛纯度为99.9%为高纯钛，主要用于科学研究；活泼金属还原法制得的钛纯度为99.5%，称为工业纯钛，强度很高，可直接用于工程结构材料。

第134页：2.钛合金钛

2.钛合金钛

• 2.钛合金
• 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，如图5-22所示。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。图5-22钛合金

第135页：2.钛合金钛（续）

2.钛合金钛（续）：特点典型合金类别强韧性一般，焊接性能好，抗氧化强，蠕变强度较高Ti-5Al-2.5Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Moα强韧性较好，可热处理强化，可焊，耐疲劳性能好Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Moα+β强度高，热处理强化能力强，可锻性及冷成形性良好Ti-13V-llCr-3A1 Ti-6Cr-5Mo-5V-3A1β使用温度有望达到900℃，但室温塑韧性差Ti3Al(a3)及TiAl(γ)TixAl表5-8几种典型钛合金及其特点

第136页：2.钛合金钛（续）

2.钛合金钛（续）

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6A1-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75 ~85%。

其他许多钛合金都可认为是Ti-6A1-4V合金的改型。20世纪50~60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。

耐热钛合金的使用温度从50年代的400℃提高到90年代的600~650℃。Ti3Al(a3)和TiAl(γ)基合金的出现，

第137页：2.钛合金钛（续）

2.钛合金钛（续）

使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推进。结构钛合金向高强高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

目前，世界上己研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20~30种。近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。

国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。

第138页：(1)高温钛合金Ti-6A1-4V

(1)高温钛合金Ti-6A1-4V

• (1)高温钛合金
• Ti-6A1-4V是世界上第一个研制成功的高温钛合金，使用温度为300~350℃。随后相继研制出使用温度为400℃、450~500℃的钛合金，新型高温钛合金目前已成功应用在军用和民用飞机的发动机上。
• 近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度。

第139页：(2)高强高韧

(2)高强高韧：(2)高强高韧β型钛合金β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造、可轧制、可焊接、可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力、强度与断裂韧性的很好配合，具有优异的锻造性能；且具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；超塑性延伸率高达2000%，可取代Ti-6A1-4V合金用超塑成形-扩散连接技术制造各种航空航天构件。

第140页：(3)阻燃钛合金常规

(3)阻燃钛合金常规

• (3)阻燃钛合金
• 常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，已用于Fll9的发动机。俄罗斯研制的阻燃钛合金具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。

第141页：(4)医用钛合金钛无毒、质轻、强度

(4)医用钛合金钛无毒、质轻、强度

• (4)医用钛合金
• 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用植入人体等。目前，在医学领域中广泛使用的合金会析出极微量的钒离子和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，并将其用于矫形术。
• 日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展，已开发出一系列具有优良生物相容性的a+β钛合金，这些合金具有更高的强度、切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。

第142页：5.5.5铜及铜合金

5.5.5铜及铜合金：5.5.5铜及铜合金铜及铜合金具有优异的物理化学性能、良好的加工性能以及特殊的使用性能，在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门获得了广泛的应用。

第143页：1.纯铜

1.纯铜

1.纯铜纯铜为赤红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫色，故工业纯铜常称为紫铜或电解铜。单质铜具有面心晶格，无同素异构转变。

密度为8~9g·cm-3，熔点为1083℃，无磁性。纯铜具有较高的化学稳定性，良好的导电性，大量用于制造电线、电缆、电刷等，纯铜具有优良的成型加工性、可焊性，塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。

冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度，但塑性、电导率降低，经退火后可消除加工硬化现象。

第144页：1.纯铜（续）

1.纯铜（续）

工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜的导电能力下降。根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：Tl、T2、T3、T4。

“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。纯铜除工业纯铜外，还有一类无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，牌号有TUl、TU2，主要用来制作电真空器件及高导电性铜线，这种导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。

第145页：2.铜合金(1)黄铜

2.铜合金(1)黄铜

• 2.铜合金
• (1)黄铜
• 黄铜是铜与锌的合金，如图5-23所示。最简单的黄铜是铜-锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度越高，塑性降低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，否则将会产生脆性，使合金性能降低图5-23铜合金

第146页：2.铜合金(1)黄铜（续）

2.铜合金(1)黄铜（续）

• 为了改善黄铜的某种性能，在一元黄铜的基础上加入其他合金元素的黄铜称为特殊黄铜。常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。
• 在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性，稍降低塑性。含铝量小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”，锡还能改善黄铜的切削加工性能。

第147页：2.铜合金(1)黄铜（续）

2.铜合金(1)黄铜（续）

• 黄铜中加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗蚀性，在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得表面光洁的铸件。
• 黄铜可分为压力加工黄铜(以黄铜加工产品供应)和铸造黄铜两类。特殊黄铜的编号方法是“H+主加元素符号+铜含量+主加元素含量”。例如HPb60-1表示平均成分为60%Cu、l%Pb、余为Zn的铅黄铜；铸造黄铜在编号前加“Z”，例如ZCuZn3lAl2表示平均成分为31%Zn、2%Al、余为Cu的铝黄铜。

第148页：(2)青铜青铜

(2)青铜青铜

• (2)青铜
• 青铜是人类历史上应用最早的一种合金，我国公元前2000多年的夏商时期就开始使用青铜铸造钟、鼎、武器、镜等。青铜最早是指Cu-Sn合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。
• 为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其他合金元素，如铅、锌、磷等，常把Cu-Al，Cu-Si，Cu-Be，Cu-Mn，Cu-Pb合金都称为青铜。为了区别，分别称为铝青铜、硅青铜、铅青铜等。此外还有成分较为复杂的三元或四元青铜。现在除黄铜和白铜(铜镍合金)以外的铜合金均称为青铜。

第149页：(2)青铜青铜（续）

(2)青铜青铜（续）

• 锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和可铸造性，对过热气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。
• 无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等。青铜也可分为压力加工青铜(以青铜加工产品供应)和铸造青铜两类。青铜的编号规则是：“Q+主加元素符号+主加元素含量(+其他元素含量)”，“Q”表示青的汉语拼音字头。例如，QSn4-3表示成分为4%Sn、3%Zn、其余为Cu的锡青铜。铸造青铜的编号前加“Z”。

第150页：(3)白铜

(3)白铜

• 以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色，称为白铜。铜镍二元合金称为普通白铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。
• 工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足不同耐蚀和特殊电、热性能的需要。

第151页：5.7新型合金材料

5.7新型合金材料

5.7新型合金材料5.7.1储氢合金1.氢气储存与储氢合金氢气是一种来源丰富且热值很高的燃料，燃烧热是汽油发热值的3倍，是焦炭发热值的4.5倍，但氢气的储存和运输却是个难题。

储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。氢气储存有物理和化学两大类。但因储氢方式存在能耗高、储运不便、效率低、不安全等方面问题，只适合于特定场合。

最早发现的储氢金属是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。

第152页：5.7新型合金材料（续）

5.7新型合金材料（续）

• 1968年美国布鲁海文国家实验室发现镁-镍合金具有吸氢特性。1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴(SmCo5)合金能大量吸收氢，随后又发现镧-镍合金(LaNi5)在常温下具有良好的可逆吸放氢性能，每克镧镍合金能储存0.157L氢气。
• 在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量吸收氢气，生成金属氢化物，放出热量；将金属氢化物加热，又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收-释放”氢气的金属，称为储氢合金。
• 储氢合金的储氢能力很强，单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。

第153页：5.7新型合金材料（续）

5.7新型合金材料（续）：本页为图示（图5-24），储氢合金粉如图5-24所示，由于储氢合金都是固体，不需要储存高压氢气所需的大量钢瓶，又不需存放液态氢极低的温度条件，需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电，因此储氢合金是一种极其简便易行的理想储氢方法。图5-24储氢合金粉。

第154页：2.储氢原理

2.储氢原理

• 在一定温度和压力下，许多金属、合金或金属间化合物与氢能生成金属氢化物。
• 反应过程一般是在吸收少量的氢时，金属、合金或金属间化合物的结构不变，当氢含量提高到一定量时氢与金属、合金或金属间化合物化合生成金属氢化物，如果氢压高，可以形成过饱和氢化物。
• 金属、合金或金属间化合物与氢的反应是可逆过程，改变温度和压力条件可以使金属氢化物释放出氢。

第155页：3.常见储氢合金正

3.常见储氢合金正

• 3.常见储氢合金
• 正在研究和发展中的储氢合金通常是把吸热型的金属(如铁、铜、铬、钼等)与放热型的金属(如钛、镧、铈、钽等)组合起来，制成适当的金属间化合物，使之起到储氢的功能。
• 吸热型金属是指在一定的氢压下，随着温度的升高，氢的溶解度增加；反之为放热型金属。
• 储氢合金主要有三大系列：以LaNi5为代表的稀土系储氢合金系列；以TiFe为代表的钛系储氢合金；以Mg2Ni为代表的镁系储氢材料。

第156页：(1)镁系合金

(1)镁系合金

• 由于镁资源丰富、价格低廉，在氢的规模储运方面具有较大的优势，并且镁基合金储氢容量大、寿命长、质量轻、体积小、无污染，因此被认为是最有希望的燃料电池、燃氢汽车等用的储氢合金材料，并且在二次碱性电池中也有较广阔的应用前景，因而吸引了众多的科学家致力于开发新型镁基合金。
• 镁基储氢合金的代表是Mg2Ni，吸氢后生成Mg2NiH4，储氢量为3.6%(理论电化学容量近1000mAh·g-1)。因资源丰富及价格低廉，各国科学家均高度重视，纷纷致力于新型镁基合金的开发。但其缺点是放氢需要在相

第157页：(1)镁系合金（续）

(1)镁系合金（续）

• 对高温下进行，一般为250~300℃，且放氢动力学性能较差，使其难以在储氢领域得到广泛应用。研究发现通过机械合金化法使晶态Mg2Ni合金非晶化，利用非晶合金表面的高催化性，可以显著改善镁基合金吸放氢的热力学和动力学性能。
• 元素取代是改善Mg2Ni系储氢合金性能最根本的途径，主要方法是3d元素部分取代Ni、主族金属元素部因为镁及其合金表面通常被氧化物和氢氧化物所覆盖，从而严重影响了其吸、放氢特性。为了解决这个问题，人们对Mg基合金表面处理进行了大量的研究，表面F处理是近年来兴起的一种有效的镁及其合金的表面处理方法。

第158页：(2)稀土系合金

(2)稀土系合金

• 在已开发的储氢材料中，稀土系合金的性能最佳，应用也最为广泛。人们很早就发现，稀土金属与氢气反应生成稀土氢化物REH2，这种氢化物加热到100O℃以上才会分解。而在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后，在较低温度下也可吸放氢气，是良好的储氢合金材料。典型的储氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究
• LaNi5是六方晶体结构的金属间化合物，在间隙中可以固溶大量的氢，晶体结构类型不变，故氢化容易，反应速度快，吸、放氢性能优良。

第159页：(2)稀土系合金（续）

(2)稀土系合金（续）

• 添加第三组元可改变稀土系储氢合金的分解压、生成热和其传性质，或用第三组元替代Ni改善储氢性能。如LaNi5-xMx型合金，M为Al、Cu、Fe、Mn、Ga、In等元素。M不同，对稀土系储氢合金的分解压、生成热和其他性质的改变程度不同。
• LaNi5的主要缺点是循环退化严重、易于粉化、密度大、在强碱条件下耐腐蚀性差且La的价格高。

第160页：(3)钛锆系

(3)钛锆系

• 钛锆系储氢合金一般是指具有Laves相结构的AB2型金属间化合物，具有储氢容量高、循环寿命长等优点，是目前高容量新型储氢电极合金研究、开发的热点。
• 锆基AB2型Laves相合金主要有Zr-V系、Zr-Cr系和Zr-Mn系，其中ZrMn2是一种吸氢量较大的合金(理论容量为482mAh·g-1)。20世纪80年代末，为适应电极材料的发展，在ZrMn2合金的基础上开发了一系列电极材料。

第161页：(3)钛锆系（续）

(3)钛锆系（续）

• 这类材料具有放电容量高、活化性能好等优点，所以具有较好的应用前景。钛基AB2型储氢合金主要有TiMn基储氢合金和TiCr基储氢合金两大类。
• 在此基础上，通过其他元素替代开发出了一系列多元合金，钛锆系储氢合金的典型代表是TiFe。

第162页：4.储氢材料的应用

4.储氢材料的应用

• (1)高容量的氢储存
• 高纯及超纯氢是电子、冶金、医药、食品、建材等工业中必不可少的重要原料，目前这些部门是采用电解水附加低温吸附净化处理，投资大、耗能多、不便于运输，如果利用储氢合金储存氢，简单易行，节能环保。(2)氢燃料发动机设计制作氢燃料发动机用于汽车和飞机，可提高热效率，减少环境污染，重量虽不如用汽抽轻，但比用其他能源电池的重量轻。

第163页：(3)热-压传感器

(3)热-压传感器

(3)热-压传感器和热液激励器利用储氢合金有恒定的p-c-T曲线的特点，氢化物的氢分解压与温度有对应关系，通过压力来测量温度，有较高的温度敏感性。

因氢分子量小，无重力效应，因而，探头的体积小，使用较长的导管而不影响测量精度。(4)氢同位素分离和核反应堆中应用在原子工业中，制造重水；在核动力装置中，使用储氢材料吸收、去除泄漏的氕、氘、氚，确保安全运行。

第164页：(5)空调、热泵

(5)空调、热泵

(5)空调、热泵及热储存储氢合金吸-放氢过程中伴随着巨大的热效应，发生热能-化学能的相互转换，这种反应的可逆性好，反应速度快，是一种特别有效的蓄热和热泵介质，是一种化学储能方式，长期储存毫无损失。

利用储氢材料的热装置可以充分回收利用太阳能和各种中低温(300℃以下)余热、废热、环境热，用于供热、发电或空调。

第165页：(6)催化剂

(6)催化剂

(6)催化剂储氢材料用作加氢和脱氢反应的催化剂具有较高的比活性，但比表面较小，采用非晶晶化、共沉淀-还原扩散、机械合金化、预处理等新的制备方法或工艺，在不降低比提高比表面。

(7)氢化物-镍电池材料利用金属氢化物电极代替有毒的镉电极制成的金属氢化物-镍电池，是一种高功率新型碱性二次电池，是该领域第一个已商品化、产业化的应用项目。

在储氢材料的开发与应用领域，人们除了不断改善已发现的金属氢化物的性能外，还在不断探寻其他具有高容量储氢能力的储氢材料，如单壁纳米碳管，特殊结构的纳米碳纤维等材料机理的研究等。

第166页：5.7.2形状记忆合金

5.7.2形状记忆合金

• 1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，记忆合金的开发时间不长，但由于其在各领域的特效应用，为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料"”
• 形状记忆合金的特征可概述为，材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值时，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆。合金材料恢复形状所需的刺激源通常为热源，故又称热致形状记忆合金。

第167页：5.7.2形状记忆合金（续）

5.7.2形状记忆合金（续）

例如：1969年阿波罗-11号登月舱所使用的无线通讯天线即为形状记忆合金制造。首先将Ni-Ti合金丝加热到65℃，使其转变为奥氏体物相，然后将合金丝冷却到65℃以下，合金丝转变为马氏体物相。

在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，弯成天线形状，再将各小段合金丝焊接固定成工作状态，将天线压成小团状，便于升空携带。太空舱登月后，利用太阳能加热到77℃，合金转变成奥氏体，压缩天线便自动张开，恢复到原工作状态，如图5-25所示。

第168页：(1)一次记忆材料加热恢复原形状后

(1)一次记忆材料加热恢复原形状后

(1)一次记忆材料加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状，此为一次记忆能力，如图5-26.a所示；(2)可逆记忆物体不但能记忆高温的形状，而且能记忆低温的形状，当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动在两种形状间变化，如图5-26.b所示。

不同材料有不同的记忆特点，一般可分为三类(3)全方位记忆除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形状向与高温形状相反的方向变化。

一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多，如图5-26.c所示，(a)一次记忆(b)可逆记忆(c)全方位记忆

第169页：2.形状记忆合金的原理

2.形状记忆合金的原理

2.形状记忆合金的原理“记忆”性能，源于马氏体相变及其逆转变的特性。镍钛合金的母相为有序结构的奥氏体，结构如图5-27(a)。

当温度降低时，变为热弹性马氏体，结构如图5-27(b)，热弹性马氏体和淬火钢中的马氏体不同，比母相还要软。受外力作用产生变形，成为变形马氏体，其结构如图5-27(c)所示。

图5-27形状记忆合金的工作原理

第170页：2.形状记忆合金的原理（续）

2.形状记忆合金的原理（续）

热弹性马氏体含有许多孪晶，对它施加外力容易变形，但其原子的结合方式并没有产生变化。所以将它再加热到一定的温度就会发生逆转变，又变成稳定的母相。

根据其转变机理，形状记忆合金应具备以下三个特点：①马氏体是热弹性类型；②马氏体的形变主要通过孪晶取向改变产生；③母相通常是有序结构。

具有形状记忆效应的合金现已发现很多，主要有Ni-Ti系合金、Cu-Zn-Al系合金以及Cu-Al-Ni系合金。

第171页：3.形状记忆合金材料至今

3.形状记忆合金材料至今

• 3.形状记忆合金材料
• 至今为止，已发现的形状记忆合金体系有十几种，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类，包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb等。
• 它们具有两个共同特点：①弯曲量大，塑性高；②大于记忆温度能恢复初始形状。
• 最早发现的记忆合金是50%Ti + 50%Ni，一些比较典型的形状记忆合金材料及其特性列于表5-9。

第172页：3.形状记忆合金材料至今（续）

3.形状记忆合金材料至今（续）：表5-9具有形状记忆效应的合金记忆功能有序无序体积变化/%热滞后/℃TMs/℃相变性质组成/%合金S有-0.16约I5-190~-50热弹性44~49Cd(原子分数)Ag-CdS有-0.41约15-30~100热弹性46.5~50Cd(原子分数)Au-CdS有-0.5约10-180~-10热弹性38.5~41.5Zn(原子分数)Cu-ZnS、T有-约l0-180~100热弹性X=Si,Sn,Al,Ga(质量分数)Cu-Zn-XS、T有-0.30约35-140~100热弹性14~14.5A1-3~4.5Ni(质量分数)Cu-Al-NiS有---120~-30热弹性约15Sn(原子分数)Cu-SnS有-0.15约6-190~-5023~28Au-45~47Zn(原子分数)Cu-Au-SnS部分有0.4~2.0约20约-140热弹性33Ni-l0Co-4Ti(质量分数)Fe-Ni-Co-Ti

第173页：3.形状记忆合金材料至今（续）

3.形状记忆合金材料至今（续）

S无--约-100热弹性30Pd(原子分数)Fe-PdS有0.5~0.8约3约-130执弹性25Pt(原子分数)Fe-PtS、T无-0.2约460~100热弹性18~23Ti(原子分数)In-TiS无-约25-250~185执弹性5~35Cu(原子分数)Mn-CuS有-0.42约l0-180~100热弹性36~38A1(原子分数)Ni-AlS、T、A有-0. 34约30-50~100热弹性49~51Ni(原子分数)Ti-Ni注：S-单向记忆效应；T-双向记忆效应；A-全方位记忆效应目前性能最佳的形状记忆合金仍然是钛镍合金。

不同合金、相同合金不同成分以及采用不同的热处理工艺，可以调节相变温度，以满足不同的使用需求。

第174页：4.形状记忆合金的应用

4.形状记忆合金的应用

4.形状记忆合金的应用具有形状记忆效应和超弹性的合金己经发现很多，但是目前进入实际使用阶段的主要有Ti-Ni合金和Cu-Zn-Al合金，前者价格较贵，但是性能优良，并与人体有生物相容性；后者具有价廉物美的特点，普遍受到人们的青睬。

目前主要在以下几方面得到了应用：(1)军事和航天工业方面最早报道的应用实例之一是美国国家航空和宇航航行局用形状记忆合金做成天线，有效地解决了体态庞大的天线的运输问题。

第175页：(2)工程方面形状记忆合金

(2)工程方面形状记忆合金

• (2)工程方面
• 形状记忆合金目前使用量最多的是制作管接口。把形状记忆合金加工成内径稍小于待接管外径的套管，在使用前将此套管在低温下加以机械扩管，使其内径稍大于待接管的外径，将该套管套在两根待接管的接头上，然后在常温下自然升温或加热，由于形状记忆效应而恢复至扩管前的口径，从而将两根管牢固而紧密地连接在一起，如图5-28所示。目前已在F-14战斗机油压系统、沿海或海底输送管的接口固接取得了成功的应用。图5-28形状记忆合金管接头

第176页：(2)工程方面形状记忆合金（续）

(2)工程方面形状记忆合金（续）

把形状记忆合金制成的弹簧与普通弹簧安装在一起，可以制成自控元件。在高温和低温时，形状记忆合金弹簧由于发生相变，母相与马氏体强度不同，使元件向左、右不同方向运动。

这种构件可以作为暖气阀门、温室门宙自动开启的控制、描笔式记录器的驱动、温度的检测和驱动

第177页：(3)医疗方面Ti-Ni形状记忆合金对

(3)医疗方面Ti-Ni形状记忆合金对

• (3)医疗方面
• Ti-Ni形状记忆合金对生物体有较好的相容性，可以埋入人体作为移植材料。在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板，由于体内温度使Ti-Ni合金发生相变，形状改变，不但能将两段骨固定住，而且能在相变过程中产生压力，迫使断骨很快愈合。另外，假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板，都是利用形状记忆合金治疗的实例。
• 在内科方面，可将细的Ti-Ni丝插入血管，由于体温使其恢复到母相的网状，阻止95%的凝血块不流向心脏。用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动，制造人工心脏。

第178页：(4)形状记忆

(4)形状记忆

• 最早发现的形状记忆热发动机为Banks热发动机，与转动轮处于偏心位置的曲轴和转动轮之间由20根弯成U字形的钛镍合金线连接着。在通过热水浴时，合金线伸直而推动偏心曲轴，其中沿切线的分量使得转动轮旋转，属于偏心曲轴发动机，此后又相继开发了汽轮发动机、斜板型发动机和场致发动机等，但其工作原理都是一样的。
• 1973年，美国试制成第一台Ti-Ni热机，利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能与热能之间的相互转换。

第179页：(4)形状记忆（续）

(4)形状记忆（续）

• 目前，形状记忆效应和超弹性己广泛用于医学和生活各个领域，如制造血栓过滤器、脊柱矫形棒、接骨板、人工关节、人造心脏等，还可以广泛地应用于各种自动调节和控制装置。
• 形状记忆薄膜和细丝可能成为未来超微型机械手和机器人的理想材料，由于形状记忆合金质轻、强度高和耐蚀性等特点，使它备受各个领域青睐，如图5-1、5-2所示。作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发图5-1记忆合金紧固环图5-2形状记忆合金眼镜

第180页：5.7.3超耐热合金

5.7.3超耐热合金

5.7.3超耐热合金1.超耐热合金的定义超耐热合金又称高温合金，如图5-29所示，对于需要高温条件的工业部门和应用技术，有着重大的意义，最具有代表性的领域包括航天航空发动机及相关零部件制造。

图5-29高温合金零件

第181页：5.7.3超耐热合金（续）

5.7.3超耐热合金（续）

先进飞机的关键部件之一就是发动机，其涡轮进口需要耐受高温、高压、高速气流的冲击，涡轮进口气体温度常可达1700℃以上，气压高达几十个大气压，由此才可能产生数万马力的功率。

如果把涡轮前温度由900℃提高到1300℃，则发动机推力将会增加到130%，耗油率会大幅度下降。更先进的矢量推进发动机对矢量喷管结合处的耐温要求更高达2000℃，可见耐高温、高强度材料的重要性。

第182页：5.7.3超耐热合金（续）

5.7.3超耐热合金（续）

一般金属材料的熔点越高，其可使用的温度限制越高，这是因为随着温度的升高，金属材料的机械性能显著下降，氧化腐蚀的趋势相应增大。

因此，一般的金属材料都只能在500~60O℃下长期工作，在700~1200℃高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，能满足工作条件的金属材料通称为超耐热合金。

尽管有的纯金属材料熔点高达2000℃以上，但在远低于其熔点时，力学强度迅速下降，高温氧化、腐蚀严重，因而，极少用纯金属直接作为超耐热材料。

第183页：5.7.3超耐热合金（续）

5.7.3超耐热合金（续）

普通的碳钢在800~900℃时强度大大降低，但是在其中加入一些成耐热合金，耐高温水平就明显提高了。第V副族、第Ⅵ副族、第Ⅶ副族元素是高熔点金属。

因为其原子中未成对的价电子数很多，在金属晶体中形成牢固化学键，而且其原子半径较小，晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大，所以其熔点高、硬度大。

超耐热合金主要是指第V~Ⅶ副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金。

第184页：2.超耐热合金的分类

2.超耐热合金的分类

• 超耐热合金典型组织是奥氏体基体，在基体上弥散分布着碳化物、金属间化合物等强化相。高温合金的主要合金元素有铬、钴、铝、钛、镍、钼、钨等。合金元素起稳定奥氏体基体组织、形成强化相、增加合金的抗氧化和抗腐蚀能力的作用。
• 常用的高温合金有铁基、镍基和钴基三种

第185页：(1)铁基超耐热合金

(1)铁基超耐热合金

• 铁基高温合金是从奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的铬和镍等元素。它是中等温度(600~800℃)条件下使用的重要材料，具有较好的中温力学性能和良好的热加工塑性，合金成分简单、成本低。
• 主要用于制造航空发动机、燃气轮机的涡轮盘和柴油机的废气增压涡轮，也可制作导向叶片、涡轮叶片、燃烧室等。由于沉淀强化型铁基合金的组织不够稳定、抗氧化性较差、高温强度不足，因而铁基合金不能在更高温度条件下应用。

第186页：(2)镍基超耐热合金

(2)镍基超耐热合金

• 以镍为基体(含量一般大于50%)，在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。
• 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因如下：①镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；②可以形成共格有序的A3B型金属间化合物，以其作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；

第187页：③含铬的镍基合金

③含铬的镍基合金

• ③含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。
• 镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。按其强化作用方式可分为固溶强化型合金和沉淀强化型合金，其中固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。

第188页：(3)钴基超耐热合金

(3)钴基超耐热合金

• 钴基高温合金是含钴量40~65%的奥氏体高温合金，在730~1100℃时，具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力，用于制作工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片等。钴是一种重要战略资源，但大多数国家缺钴，以致钴基合金的发展受到限制。
• 钴基合金一般含镍10~22%、铬20~30%及钨、钼、钽和铌等固溶强化和碳化物形成元素，含碳量高，是一类以碳化物为主要强化相的高温合金。其耐热能力与固溶强化元素和碳化物形成元素的含量多少有关。提高超耐热合金高温强度和耐腐蚀性通常通过两种途径，即改变合金的组织结构和采用特种工艺技术。

第189页：5.7.4超低温合金

5.7.4超低温合金

• 1.超低温材料的特性
• 通常把常温至热力学零度的温度范围称为低温。针对不同的特定用途、低温领域，必须采用与之相适应的合金材料，如图5-30所示。常见低温环境，天然气的沸点：-163℃；液氮：-195.8℃；液氢：-253℃；液氦：-269℃。图5-30低温合金三通

第190页：(1)防止低温脆性

(1)防止低温脆性

• 一般合金在低温下强度会增加，但是延伸率、断面收缩率、冲击值等都会下降，从而产生脆性破坏。例如，铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200℃时，会出现韧性-脆性转变。如果添加13%的镍，可以使其过渡温度下降至液氦温度，即在液氦温度以上不会出现低温脆性。
• 防止低温脆性的另一种方法是采用面心立方结构的金属，例如铝合金、奥氏体系不锈钢等。现代研究表明，1912年泰坦尼克号豪华轮船在北海与冰山相撞后迅速沉没，就是由于那时候所用的钢材中硫、磷含量高，在冰冷的海水中与冰山碰撞发生脆性断裂所致。

第191页：(2)需要具备低温下的热性能

(2)需要具备低温下的热性能

(2)需要具备低温下的热性能低温构件在经历低温和室温之间反复多次变化后容易发生热变形。要防止这种现象，需要低温合金的热膨胀系数尽可能小。

但低温下强度和韧性都较好的不锈钢、铝合金的热膨胀系数却都较大，因此低膨胀合金，例如铁镍合金、铁合金的开发研究受到关注。

第192页：(3)必须是非磁性合金超低温技术

(3)必须是非磁性合金超低温技术

• (3)必须是非磁性合金
• 超低温技术多在磁场下利用，在这种情况下，如果采用带有磁性的合金，在构件中就会由于产生电磁力的作用而造成对磁场的不良影响。奥氏体系不锈钢虽然属于非磁性合金，但是其在低温下不稳定，在超低温反复冷却循环中，会生成有磁性的马氏体相，因而会产生磁性。

第193页：2.超低温合金的研究高锰奥氏体钢

2.超低温合金的研究高锰奥氏体钢

• 2.超低温合金的研究
• 高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金，即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。
• 如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代替，则可以制得铁锰铝新合金钢，其强度、韧性都十分优异。在铁锰铝合金钢中添加多量的锰，仍可以保持面心立方结构，还可以使得过量的铝固溶；而在铁锰铝新合金中添加过量的铝，可以增加奥氏体的强度和耐腐蚀性。

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2.超低温合金的研究高锰奥氏体钢（续）

• 对这种合金添加碳和硅也可以增加其强度，硅还有助于增加其耐腐蚀性，但是硅能强化铁素体的形成，为了维持奥氏体，硅不能添加过多。
• 由于锰、铝密度都较小，所以铁锰铝新合金钢具有密度小的特点，此外其在常温下有良好的加工性，被认为是对低温技术发展产生重要影响的优秀材料。

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5.7.5超塑性合金

5.7.5超塑性合金1.超塑性合金的特征长期以来，人们一直希望能够较容易地对高强度材料进行塑性加工成型，成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。

随着超塑性合金（superplastic alloy）的出现，这种想像成为了现实。20世纪70年代的初期，世界各国学者都在探索金属的超塑性，并己发现170多种合金材料具有超塑性。

塑性是金属自身具有的一种物理性质，指当材料或物体受到外力作用时，发生显著的变形而不立即断裂的性质。塑性大小标志着材料变形能力的好坏。

对于同种材料，塑性越高表示材料的杂质越少，在加工过程中容易成型，可以

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5.7.5超塑性合金（续）

• 制造出形状复杂的零件。
• 延伸率是衡量材料塑性的指标，在通常情况下，金属的延伸率不超过90%，一般铝材在室温下拉伸变形时，伸长值达到30~40%就会断裂，即使在400℃高温下，伸长率也只有50~100%。但具有特殊组织的材料，在适当的变形条件下，变形所需应力小、变形均匀、延伸率大且不会断裂、颈缩，此现象称为超塑性。
• 合金发生超塑性时的断后伸长率通常大于100%，有的甚至可以超过1000%。最初发现的超塑性合金是锌与22%铝的合金。1920年，德国人罗森汉在锌-铝-铜三元共晶合金的研究中，发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。

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5.7.5超塑性合金（续）

• 从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑性温度Ts。金属不会自动具有超塑性，必须在一定的温度条件下进行预处理，产生超塑性的合金。
• 利用金属的超塑性可以制造高精度的形状极其复杂的零件，超塑性金属的加工温度范围和变形速度虽有限制，但因其晶粒组织细致，又容易和其他合金压接在一起，组成复合材料，故在材料加工中具有很大的优势。

第198页：2.超塑性

2.超塑性

2.超塑性合金的类别根据金属学特征可将超塑性分为细晶超塑性和相变超塑性两大类(1)细晶超塑性即等温超塑性，是研究得最早、最多的一类超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指这一类超塑性的合金，其晶粒一般为微小等轴晶粒，是塑性合金的组织结构基础。

产生细晶超塑性的必要条件是：①温度要高，Ts=(0.4~0.7)T熔；②变形速率要小，低于10-3s-1；③材料组织为非常细的等轴晶粒，晶粒直径<5μm。

第199页：(2)相变超塑性

(2)相变超塑性

• 相变超塑性不要求金属有超细晶粒组织，但要求金属有固态相变特性。在一定外力作用下，使金属或合金在一定相变温度附近循环加热和冷却，经过一定的循环次数以后，就可能诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现超塑性，从宏观上获得很大的伸长率。
• 相变超塑性总的伸长率与温度循环次数有关，循环次数越多，总的伸长率越大。相变超塑性是在一个温度变动频繁的范围内，依靠结构的反复变化，不断使材料组织从一种状态转变到另一种状态，故又称它为动态超塑性。

第200页：(2)相变超塑性（续）

(2)相变超塑性（续）

相变超塑性的主要工业用途是在焊接和热处理方面，可以利用金属在反复加热和冷却过程中，原子具有很强的扩散能力，使两块具有相变或同素异构转变的金属贴合，在很小的负荷下，经过一定的循环次数以后，完全黏合在一起。

这就是所谓的超塑性焊接。现有超塑性合金种类较多，其中重要的工业用合金有5种：①锌基合金是最早的超塑性合金，具有很大的无颈缩延伸率。

但其蠕变强度低，冲压加工性能差，不宜作结构材料，用于一般不需切削的简单零件。

第201页：②铝基合金虽具有超塑性

②铝基合金虽具有超塑性

②铝基合金虽具有超塑性，但综合力学性能较差，室温脆性大，限制了其在工业上的应用。含有微量细化晶粒元素(如Zr等)的超塑性铝合金则具有较好的综合力学性能，可加工成复杂形状的部件。

③镍合金镍基高温合金由于其高温强度大，难以锻造成型。利用超塑性进行精密锻造，压力小，节约材料和加工费，制品均匀好。④超塑性钢将超塑性用于钢方面，至今尚未达到商品化程度。

含碳1.25%的碳钢在650~700℃的加工温度范围内，具断后伸长率。⑤钛基合金钛合金变形抗力大、回弹严重、加工困难，难于获得高精度的零件，如图5-31所示。

利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制出形状复杂的精密零件。

第202页：3.超塑性合金的应用

3.超塑性合金的应用

• 超塑性合金的研究与开发为金属结构材料的加工技术和功能材料的发展，开拓了新的前景，受到各国普遍重视，下面介绍典型的应用实例。
• (1)高变形能力的应用在温度和变形速度合适时，利用超塑性合金的极大伸长率，可完成通常压力加工方法难以完成或用多道工序才能完成的加工任务。如Zn-22A1合金可加工成“金属气球”，即可像气球一样易于变形到任何程度。这对于一些形状复杂的深冲加工、内缘翻边等工艺的完成有十分重要的意义。超塑性加工的缺点是加工速度慢、效率低。优点是作为一种固态铸造方式，成型零件尺寸精度高、可制备复杂零件。

第203页：3.超塑性合金的应用（续）

3.超塑性合金的应用（续）

对于超塑性合金可采用无模拉拔技术，它是利用感应加热线圈来加热棒材的局部，使合金达到超塑性温度，并通过拉拔和线圈移动速度的调整来获得各种减面率。

图5-31钛合金超塑成型零件图5-32硬质合金复合刀具

第204页：(2)固相黏结能力的应用

(2)固相黏结能力的应用

(2)固相黏结能力的应用细晶超塑性合金的晶粒尺寸远小于普通粗糙金属表面微小凸起的尺寸(约10μm)，所以当它与另一金属压合时，超塑性合金的晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的黏结能力大大提高。

利用这一点可轧合多层材料、包覆材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料。这些性能包括结构强度、刚度、减振能力、共振点移动、韧脆转变及耐热性等。

(3)减振能力的应用合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下需要。

第205页：(4)其他性能的应用

(4)其他性能的应用

(4)其他性能的应用利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行弯曲变形达120°。对于铸铁等焊接后易开裂的材料，在焊后于超塑性温度保温，可消除内应力、防止开裂。

超塑性还可以用于高温苛刻条件下使用的机械及结构件的设计、生产及材料的研制，也可应用于金属陶瓷和陶瓷材料中。总之，超塑性合金的开发与利用前景广阔，超塑性成型工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门广泛应用。

第206页：5.7.6减振合金金属材料大量地

5.7.6减振合金金属材料大量地

• 5.7.6减振合金
• 金属材料大量地用于制造各种机器和设备，多数机械会带来严重的噪声污染。治理振动产生的噪声，固然可以采用附加隔音装置等方法，但势必使机器大型化、质量增加。发明一种不产生振动噪声的金属材料来达到减振、消声的目的，一直是材料科学家梦寐以求的目标。20世纪50年代，英国和美国首先开始研究金属的减振特性，并开发了锰-铜系减振合金。
• 传统的金属材料强度高、振动衰减性差，容易产生振动和噪声。为了兼顾高强度和振动衰减性好这两方面的要求，材料科学家们研制了减振合金(vibrationreductionalloy)。

第207页：5.7.6减振合金金属材料大量地（续）

5.7.6减振合金金属材料大量地（续）

用减振合金又称阻尼合金、无声合金、消声合金或安静合金等。减振合金具有优异的减振性，是由材料的内部微观结构决定的，它能够依靠材料内部易于移动的微结构界面，将在运动过程中将产生的内摩擦(内耗)较快地转化为热能消耗掉，使振动迅速衰减，从而能有效地降低噪声的产生。

如锰铜合金的减振是低碳钢的10倍，被称作“哑巴金属”，锤子敲打，甚至用力摔到水泥地上，也只发出较小声音。目前生产中应用的减振合金有数十种，根据作用机制可将减振合金分为复合型、铁磁性型、位错型等类型。

第208页：5.7.6减振合金金属材料大量地（续）

5.7.6减振合金金属材料大量地（续）

• 除减振和强度兼优的锰铜合金外，还有经常被用做机床床身的镍钛合金；用于机器底座的灰口铸铁；用于制造立体声放大器底板的铝锌合金；作为蒸汽涡轮机叶片材料的铬钢；用作火箭、卫星上精密仪器减振台架的镁锆合金等。
• 最初，减振合金用在导弹、飞行器和潜艇等先进武器上，以达到减振和消音的目的。后来其使用范围迅速扩展，成为机械制造业中的传动耐磨件、结构材料、家电、电力、汽车等行业有效减振和降低噪声的新型材料。减振合金的发展和应用为降低噪声、创造安静的工作和生活环境提供了可能。

第209页：5.7.7硬质合金由

5.7.7硬质合金由

• 5.7.7硬质合金
• 由ⅣB~ⅥB金属元素和C、N、B形成的金属化合物的硬度和熔点特别高。其中Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等与碳的原子半径关系，符合rB/rA<0.59，可形成简单晶格结构的间隙相；而Cr、Mn、Fe、Co、Ni等金属原子半径较小，晶格间隙也相应较小，与碳原子形成间隙化合物时原金属晶格发生较显著变化，形成的是晶格结构复杂的间隙化合物。
• 金属碳化物中碳原子的价电子进入过渡元素原子次外层d亚层的空轨道，空轨道越多，则金属与碳的结合力就越强，碳化物的稳定性也就越高。因此，就同一周期而言，从ⅣB族开始，由左及右，其碳化物稳定性依次降低。

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5.7.7硬质合金由（续）

• 例如第四周期中，Ti、V的碳化物稳定；Cr、Mn、Fe的碳化物稳定性较差；Co、Ni的碳化物不稳定，而Cu则不能形成碳化物。
• 间隙化合物还能溶解其他合金组元形成固溶体。金属碳化物是许多合金钢中的重要组成部分，对合金钢性能有重大影响。例如，一般工具钢在温度高于300℃时硬度就有显著的下降，而含18%W、4%Cr、l%V的高速钢即使在温度接近600℃时，仍然具有足够的硬度和耐磨性，主要是这些添加元素与碳生成了金属碳化物，使得高速钢不但可在较高的切削速度下进行工作，而且有较长的工作寿命。为满足对热硬性要求不断提高的需要（如大直径工件高速切削用刀具材料），

第211页：5.7.7硬质合金由（续）

5.7.7硬质合金由（续）

• 普遍应用的是由一种或多种难熔金属的高硬度碳化物与作为黏合剂用的钴为材料，用粉末冶金法制成的硬质合金。常用的难熔金属元素有W、Ti、Ta、Nb等。
• 这种硬质合金具有高硬度(HRA=89~92)、高热硬性(1000℃)且有一定的韧性，图5-32为硬质合金复合刀具。其中，钛钨钴类合金(主要成分是TiC、WC和黏合剂Co)比钨钴类(主要成分是WC和Co)具有更高的硬度、热硬度、抗氧化性和抗腐蚀性，但抗弯、抗压强度和导热性较差。同一类合金中，黏合剂Co含量增大则使其密度相对降低，抗弯强度和韧性提高，但硬度下降。添加NbC或TaC，硬质合金的强度变化不太显著，但热硬性可明显提高。

第212页：5.7.7硬质合金由（续）

5.7.7硬质合金由（续）

• 特别要指出的是TiC具有高硬度、高熔点、抗高温氧化、密度小、成本低等诸多优点，是一种非常重要的金属碳化物，已获得广泛的应用。
• B、N原子与过渡金属元素所生成的间隙化合物和上述讨论的金属碳化物具有类似的性质，熔点高、硬度大。B原子半径略大于C原子半径，所以金属硼化物晶格结构多为复杂结构。N原子半径则略小于C原子半径，它不仅能和那些可与C原子形成间隙相的金属元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta等)，还能与Cr、Mn、Fe、Co、Ni等形成简单晶格结构的间隙相，不过Mn、Fe、Co、Ni的金属氮化物晶格会发生某种程度的畸变。

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