1
材料导论第七章金属材料
7.1 铁碳合金
γ
α+γ
A
C
D
E F
α
过共晶白铸铁
1148
G 912
727
2.11 4.3
亚共晶白铸铁
B
0.53
N
0.17
H
1394
1538
1495
δ+γ
L+γ
L+δ
δ
α+Fe
3
C
γ+Fe
3
C
Fe
3
C
0.77
Q
P
S
L
L+Fe
3
C
K
Fe 1 2 3 4 5 6 6.69
1227
亚共析钢过共析钢工业纯铁
C wt%
代码温度
(°C)
碳含量
(wt%)
意义
C1148 4.3
共晶点
L
C
←→γ
E
＋Fe
3
C
E1148 2.1
碳在γ相中的最大溶解度
G912 0 α－γ转变
P 727 0.02
碳在α相中的最大溶解度
S727 0.8
共析点
γ←→α
P
＋Fe
3
C
7.1.1 碳钢
Fe- Fe
3
C相图
0.02
亚共析钢冷却过程
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
0.4 0.8
γ
γ
γ
γ
γ+α
α+Fe
3
C
0.02
723°C
温度
°
C
γ+Fe
3
C
γ
γ
γ
α
珠光体
α
α
100%
Fe
C wt%
过共析钢冷却过程
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
γ+α
α+Fe
3
C
0.02
723°C
温度
°
C
γ+Fe
3
C
α
珠光体
α
100%
Fe
C wt%
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢铁素体：即
α相。碳与
BCC铁形成的间隙固溶体。碳的溶解度在共析温度(727°C)
处最高,为
0.022wt%,是较软的合金。
2
奥氏体：即
γ相。碳与
FCC铁形成的间隙固溶体。共析温度的最高溶解度为
0.8wt%，
1148°C下的最高溶解度为2.11wt
%。
渗碳体：即化合物Fe
3
C,具有三方晶体结构，硬且脆。
马氏体：由γ相快速冷却（淬火）得到的亚稳相，四方体心结构，相图上看不到。它保持了γ相时的碳含量，坚硬而脆。
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢片状马氏体（C＞0.6%)
针状马氏体1000×
[001]γ
[100]γ
[010]γ
[001]α
[100]α
[010]α
a
0
a
c
2/
0
a
马氏体转变的可能机理珠光体：α与Fe
3
C形成的间层结构。共析组成（0.8wt%C）的
γ相经缓慢冷却得到。硬度高于α相，但远低于马氏体。
粗珠光体细珠光体贝氏体：Fe
3
C微粒分散于α基体中的微观结构。硬度介于珠光体与马氏体之间，具有良好的延展性与韧性。是最希望得到的微观结构。
上贝氏体马氏体铁素体渗碳体下贝氏体马氏体铁素体渗碳体
3
Spheroidite (球状贝氏体）
珠光体或贝氏体在略低于共析温度下(~700°C)长时间（＞24小时）保温生成
M α + Fe
3
C
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
γ（淬冷）马氏体(M)
碳钢的淬火不可逆过程
800
700
600
500
400
300
200
100
11
32
38
40
40
41
43
50
55
57
66
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
温度
°
C
起始线终止线共析温度粗珠光体细珠光体上贝氏体下贝氏体硬度
HR
C
γ
γ
γ
S
1
S
2
S
3
γ
Ms
α+Fe
3
C
α
Fe
3
C
A
B
C
D
马氏体
D
F
1
F
2
F
3
1小时1天时间(s)
T
T
T
图
+
冷却介质相态微观结构硬度
HRC
A：水马氏体马氏体65
B：油
α + Fe
3
C
+ 马氏体珠光体，贝氏体，
马氏体
40-45
C：空气α + Fe
3
C珠光体15-20
D：奥氏回火α + Fe
3
C贝氏体40-45
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢共析钢以不同方式冷却后的相态与微观结构
400 - 450°C，30min
M α + Fe
3
C
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢回火回火马氏体
(不是马氏体）
7.1 铁碳合金引入合金元素的理由：
1.固溶强化
2.提高耐腐蚀性
3.提高机加工性
4,提高淬透性
7.1.2 合金钢
4
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢含碳量与淬透性的关系
25 50 75 100
60
50
40
30
20
表面硬度
HR
C
样品直径mm
1095
1050
1040
1030
Jominy端部淬火法
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢合金元素的主要作用
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢合金元素典型用量
（wt%）
主要作用铝<2促进氮化，限制晶粒生长，从熔体中脱氧硫<0.5提高机加工性，降低焊接性与延展性铬0.3-4
提高耐腐蚀性与耐氧化性，提高淬透性，提高高温强度，可与碳结合生成坚硬微组织镍0.3-5促进奥氏组织，提高淬透性，提高韧性铜0.2-0.5生成坚硬氧化膜提高抗大气腐蚀性镁0.3-2
提高淬透性，促进奥氏组织，与硫结合降低其不利影响硅0.2-2.5促进脱氧，提高韧性，提高淬透性钼0.1-0.5促进晶粒细化，提高淬透性，提高高温强度钒0.1-0.3
促进晶粒细化，提高淬透性，可与碳结合生成坚硬微组织
7.1 铁碳合金7.1.3 工具钢与合金钢的主要区别在于加工方式碳钢合金钢工具钢组成基本：Fe + C + Mn Fe + C + Mn Fe + C + Mn
可加：S，P Cr,Ni,Mo,V,S,Pb,Al Cr,Ni,Mo,V,S,
Pb,Al,Si,W,Co
微观结构硬相：马氏体马氏体马氏体合金元素碳化物软相：铁素体＋珠光体铁素体＋珠光体铁素体＋碳化物三类钢的异同三类钢的异同碳钢合金钢工具钢
M
s Ms Ms
M
f
淬透性硬度耐磨性温度
HRC
磨损体积时间回火温度时间
5
腐蚀速率与铬含量的关系
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
wt% 铬腐蚀速率
10
－
9
cm
3
/
年
140
120
100
80
60
40
20
铁
-
铬相图
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
0 20 40 60 80 100
液体奥氏体铁素体
＋
＋
液体温度
°
C
%铬
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Sigma
奥氏体铁素体铁素体
＋
铁素体
＋
铁素体磁性转变铁素体不锈钢碳含量低于
0.2%，铬含量为
16~20%耐腐蚀性强，强度低
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
C+N>2%
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 10 20 30 40
%铬
%铁液体温度
°
C
Si
g
m
a
铁素体αα
σ + α
奥氏体γ
马氏体不锈钢
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢铬含量为12-18
%，碳含量可高达1.2% 强度高
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 10 20 30 40
%铬
%铁液体温度
°
C
Si
g
m
a
铁素体α
σ + α
奥氏体
γ
α + 液体奥氏体不锈钢
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢含碳量只有0.1%，
铬含量为16-26%，
镍含量为8－24%
延展性好奥氏体γ
铁素体α
α + γ
1400
1200
1000
800
600
400
200
液体温度
°
C
α + 液体
82% Fe 0% C 2 4 6 8 10
18% Cr 0% Ni Ni%
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢五类不锈钢铁素体：铁-铬+ 低含量碳马氏体：铁-铬+ 高含量碳奥氏体：铁-铬-镍+ 低含量碳沉淀强化：铁-铬+ 低含量碳+ 沉淀元素二元：铁素体+ 奥氏体
6
7.1 铁碳合金碳含量高于2%。
只能用浇铸的方法，故名铸铁。
钢中的碳或处于合金状态，或处于化合物Fe
3
C
状态。
铸铁碳或处于合金状态，或处于石墨的状态。
γ
α+γ
C
D
E F
α
过共晶白铸铁
1148
G 912
727
2.11 4.3
亚共晶白铸铁
L+γ
δ
α+Fe
3
C
γ+Fe
3
C
Fe
3
C
0.77
Q
P
S
L
L+Fe
3
C
K
1227
亚共析钢过共析钢工业纯铁
Fe- Fe
3
C相图
7.1.5 铸铁合金中的碳含量超过溶解限度钢的加工条件铸铁加工过程形成亚稳相Fe
3
C石墨化
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
石墨硬度低且易于粉碎，使铸铁具有优异的切削性能
石墨在铸件凝固时产生的膨胀，减少了铸铁的体积收缩，
降低了铸件中的内应力
内润滑剂的作用
减振剂的作用
增韧的作用石墨赋予铸铁的特殊性能
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
(a)灰铸铁
500×
(b)球墨铸铁
200×
(c)白铸铁
400 ×铁素体与渗碳体间层结构
(d)可锻铸铁
(a)
(b)
(c)
(d)
7.1.5 铸铁灰铸铁中石墨的析出过程
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
γ 相
1.39 2.11%
γ 冷却
2.11 0.77%
二次石墨
L
3.0 4.26%
共晶
4.26 2.11%
共晶石墨
1.39
2.11
0.77
3.0
4.26
γ
0.02
共析
0.77 0.02%
共析石墨制备可锻铸铁的热处理过程
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁温度缓慢加热临界温度渗碳体分散生成球墨奥氏体分散出碳与铁素体空气冷却或液体淬火时间
7
7.2有色金属主要有色金属的性能与价格金属密度(Mg/m
3)
拉伸强度
(MPa)
比强度
(m
2
/s
2)
价格($/kg)
铝2.70 570 211000 1.30
铍1.85 380 205000 660.00
铜8.93 1300 146000 2.45
铅11.36 70 6000 0.80
镁1.74 380 218000 3.00
镍8.90 1360 153000 9.00
钛4.51 1350 299000 12.15
钨19.25 1030 54000 22.00
锌7.13 520 73000 1.25
铁7.87 2070 263000 0.22
铝合金与纯铝性能比较材料
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（％）
相对屈服强度纯铝（99.999%） 45 17 60 1
工业纯铝（99％） 90 35 45 2.0
固溶强化
（1.2％Mn）
110 41 35 2.4
75%冷加工
（99％铝）
165 152 15 8.8
分散强化
（5％Mg）
290 152 35 8.8
时效强化
（5.6%锌2.5%镁）
572 503 11 29.2
重要镁合金的性能组成拉伸强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
冷加工纯镁160 90 3-15
退火纯镁180 115 2-10
10%Al-0.1%Mn 275 150 1
7.6%Al-0.7%Zn 275 85 15
6%Zn-0.7Zr 310 195 10
8.5%Al-0.5%Zn 380 275 7
4%Zn-0.45%Zr 275 255 4
3%Th-0.6%Zr 260 205 8
典型铜合金的性能合金材料
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（%）
强化机理
纯铜 210 35 60
工业纯铜 395 365 4 应变
Cu-35%Zn 325 105 62 固溶
Cu-10%Sn 455 195 68 固溶
Cu-35%Zn 675 435 3 固溶＋应变
Cu-2%Be 1310 1205 4 时效
Cu-Al 760 415 5 马氏体反应
锰青铜 490 195 30 共析反应
一些镍与钴合金的组成与性能合金类别合金组成
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（%）
强化机理
Ni-31.5%Cu 540 270 37 退火
镍-铜合金
Ni-29.5%Cu-2.
7%Al-0.6%Ti
1030 760 30 时效
Ni-15.5Cr-8%
Fe
620 200 49 碳化物
Ni-28%Mo 900 415 61 碳化物
镍超合金
Ni-2%ThO2 490 330 14 分散
铁-镍超合金
Ni-46%Fe-21
%Cr
615 258 37 碳化物
钴超合金
60%Co-30%C
r-4,5%W
1220 710 4 碳化物
超合金指能在1000°C以上保持强度
8
一些钛合金的性能合金类别合金组成拉伸强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
99.5%钛 240 170 24
工业纯钛
99.0%钛 550 485 15
α－钛合金
5%Al-
2.5%Sn
860 780 15
β－钛合金
13%V-
11%Cr-
3%Al
1290 1210 5
α－β钛合金6%Al-4%V 1030 970 8
密度4.54 883°C以下：HCP（α）以上：BCC（β）
α－β钛合金的淬火温度
°
C
1000
800
600
400
200
0
Ti 20 40 60 80 V
沉淀固溶处理淬火时效回火时效强化淬火与回火时间
α
β
Ms
α’
β
ss
wt%
7.3金属的加工
Wrought processing（锻）Joining (焊）
Rolling （轧）Welding (电焊）
Extrusion （挤）Brazing （铜焊）
Forming （压）Soldering （锡焊）
Stamping （冲）Powder metallurgy （粉末冶金）
Forging （锻）Hot isostatic pressing（均匀热压）
Drawing （拉）Superplastic forming（超塑性成型）
Casting （铸）Rapid solidification（快速固化）
Major Processing Methods for Metals
（主要方法）
粉末冶金预热烧结冷却充模压实顶出绿坯成品绿坯外模焊上内模装入粉末加热脱气用惰性气体均匀施压脱去内模均匀热压（HIP）
9
超塑性加工
7.4表面工程
?提高耐腐蚀性
?提高磨擦性质
?控制尺寸
?改善物理性质，如反光、颜色、电导率、电阻率等改变材料表面性质的目的：
7.4表面工程
7.4表面工程7.4.1 镀层
A
V
A
+
电解质电镀
A
B
2,浸镀
3.自催化镀
NiSO
4
+ NaH
2
PO
2
+ H
2
O
→ Ni（镀层）+ NaHPO
3
+ H
2
SO
4
难镀材料如铝、镁、塑料的底层例：从硫酸铜中沉淀铜
7.4表面工程7.4.2 转化膜
1.氧化膜（钢表面氧化，防腐，微孔结构）
2.磷酸盐膜(1%磷酸处理钢表面形成磷酸盐）
3.铬酸盐膜(重铬酸钾或钠处理铝或锌表面）
10
化学气相沉积装置
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法抽气泵
H
2
物质流控制器蒸汽源控制器
H
2
＋金属氯化物
H
2
金属氯化物蒸发器
CVD
反应器视窗光学高温计热炉压力传感器被涂物洗涤塔真空泵控制阀控制压力的惰性气体三类沉积反应：
还原反应（金属氯化物或氟化物的氢还原）：
TiCl
4
(g) + 2BCl
3
(g) +5H
2
(g) → TiB
2
(s) + 10HCl(g)
热分解（羰基金属、氢化物、氯化物与有机金属）：
Ni(CO)
4
(g) → Ni(s) + 4CO(g)
取代反应：
SiCl
4
(g) + CH
4
(g) → SiC(s) + 4HCl(g)
7.4 表面工程7.4.3 气相沉积法低反应物浓度和高扩散速率：
纤维状的沉积；
高浓度反应物与较低扩散速率：
无规取向粒子堆积而成的柱状沉积物更高的原料浓度与更低的扩散速率：
精细的等轴晶粒，这种结构具有最好的力学性能与断裂韧性。
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法物理气相沉积：电子蒸发
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法蒸汽基底电子束熔融池水冷坩埚电子枪物理气相沉积
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法材料靶（－）
离子离子等离子
（＋）
喷镀基底离子枪喷镀
7.4表面工程7.4.4 离子注入电源粉末气体制件电弧镀层等离子等离子喷镀钨电极
11
7.4 表面工程7.4.5 扩散过程封盖石棉垫钢容器活性碳制件包裹渗碳法加热到渗碳温度
（转变温度以上）
CC
CO CO
7.4 表面工程7.4.5 扩散过程渗氮装置
NH
3
流量计气体出口气体入口鼓泡热炉热釜制件碳氮共渗工艺
7.4表面工程7.4.5 扩散过程中性气含碳气氨预热传送渗碳氮段中性气淬火
7.5 金属基复合材料
Metal Matrix Composites
Aluminum Alloys（铝合金）：
Al-Cu-Mg,Al-Zn-Mg-Cu，Al-Li
常用基体
Titanium Alloys（钛合金）
Density,4.5,Young’s modulus,115 GPa,melting
point (1672°C)
Magnesium Alloys（镁合金）
Density,1.74
Copper（铜）
As a matrix material in niobium-based superconductors.
Ni
3
Al with extremely small amounts of boron (0.06 wt.%),the
ductility increases from about 2% to about 50%,shows a
marked increase in strength up to 800°C,
MoSi
2
has a high melting point and shows good stability at
temperatures greater than 1200°C in oxidizing atmosphere,
The high oxidation resistance comes from a protective
SiO
2
film that it tends to form at high temperatures.
Intermetallic Compounds（中间金属化合物
）
常用基体
12
Ceramic particles
Ingot-Grade Aluminum
Special
Treatment
Melt
Extrusion Billet
Foundry Ingot
Rolling Bank
Duralcan Process
Agitator
Whisker
and
Water
Die
Water
Piston
Filter
Agitation
Molding Squeezing
Wa
t
e
r
Fiber Preform
Drying
Slurry
Suction
Agitator
Whisker,Binder
and Water
Preform
Filter
Suction
Demolding
Fiber Preform
Drying
Suction Forming of Preform
EjectionSolidificationPressurizationPouring
Melt Infiltration
Foil-fiber-foil Process
Apply aluminum foil
and cut to shape
Lay up desired plies
Vacuum encapsulate
Heat to fabrication
temperature
Apply pressure and hold
for consolidation cycle
Cool,remove
and clean part
The microstructure of SiC fiber/titanium matrix composite made
by diffusion bonding,Each fiber is 142 μm in diameter.
13
Fiber Volume Density σ
max
E
Fraction (%) gcm
-3
(MPa)
(GPa)
B/Al
0° 50 2.65 1500 210
90° 50 2.65 140 150
SiC/Al
0° 50 2.84 250 310
90° 50 2.84 105 -
SiC/Ti-6 Al-4V
0° 35 3.86 1750 300
90° 35 3.86 410 -
Al
2
O
3
/Al-Li
0° 60 3.45 690 262
90° 60 3.45 172-207 152
C/Mg alloy 38 18 510 -
Representative properties of some MMCs
Transverse section of in situ composites obtained at different solidification rates
(cm/h),The nickel alloy matrix has been etched away to reveal the TaC fibers.
0.32 0.64
1.27
1.91
2.54 3.80
In Situ Process
System Carbide (vol,%) T
E
(°C)
Co-NbC 12 1365
Co-TiC 16 1360
Co-TaC 10 1402
Ni-HfC 15-28 1260
Ni-NbC 11 1330
Ni-TiC 7.5 1307
Some important in situ composite systems
完
材料导论第七章金属材料
7.1 铁碳合金
γ
α+γ
A
C
D
E F
α
过共晶白铸铁
1148
G 912
727
2.11 4.3
亚共晶白铸铁
B
0.53
N
0.17
H
1394
1538
1495
δ+γ
L+γ
L+δ
δ
α+Fe
3
C
γ+Fe
3
C
Fe
3
C
0.77
Q
P
S
L
L+Fe
3
C
K
Fe 1 2 3 4 5 6 6.69
1227
亚共析钢过共析钢工业纯铁
C wt%
代码温度
(°C)
碳含量
(wt%)
意义
C1148 4.3
共晶点
L
C
←→γ
E
＋Fe
3
C
E1148 2.1
碳在γ相中的最大溶解度
G912 0 α－γ转变
P 727 0.02
碳在α相中的最大溶解度
S727 0.8
共析点
γ←→α
P
＋Fe
3
C
7.1.1 碳钢
Fe- Fe
3
C相图
0.02
亚共析钢冷却过程
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
0.4 0.8
γ
γ
γ
γ
γ+α
α+Fe
3
C
0.02
723°C
温度
°
C
γ+Fe
3
C
γ
γ
γ
α
珠光体
α
α
100%
Fe
C wt%
过共析钢冷却过程
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
γ+α
α+Fe
3
C
0.02
723°C
温度
°
C
γ+Fe
3
C
α
珠光体
α
100%
Fe
C wt%
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢铁素体：即
α相。碳与
BCC铁形成的间隙固溶体。碳的溶解度在共析温度(727°C)
处最高,为
0.022wt%,是较软的合金。
2
奥氏体：即
γ相。碳与
FCC铁形成的间隙固溶体。共析温度的最高溶解度为
0.8wt%，
1148°C下的最高溶解度为2.11wt
%。
渗碳体：即化合物Fe
3
C,具有三方晶体结构，硬且脆。
马氏体：由γ相快速冷却（淬火）得到的亚稳相，四方体心结构，相图上看不到。它保持了γ相时的碳含量，坚硬而脆。
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢片状马氏体（C＞0.6%)
针状马氏体1000×
[001]γ
[100]γ
[010]γ
[001]α
[100]α
[010]α
a
0
a
c
2/
0
a
马氏体转变的可能机理珠光体：α与Fe
3
C形成的间层结构。共析组成（0.8wt%C）的
γ相经缓慢冷却得到。硬度高于α相，但远低于马氏体。
粗珠光体细珠光体贝氏体：Fe
3
C微粒分散于α基体中的微观结构。硬度介于珠光体与马氏体之间，具有良好的延展性与韧性。是最希望得到的微观结构。
上贝氏体马氏体铁素体渗碳体下贝氏体马氏体铁素体渗碳体
3
Spheroidite (球状贝氏体）
珠光体或贝氏体在略低于共析温度下(~700°C)长时间（＞24小时）保温生成
M α + Fe
3
C
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢
γ（淬冷）马氏体(M)
碳钢的淬火不可逆过程
800
700
600
500
400
300
200
100
11
32
38
40
40
41
43
50
55
57
66
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
温度
°
C
起始线终止线共析温度粗珠光体细珠光体上贝氏体下贝氏体硬度
HR
C
γ
γ
γ
S
1
S
2
S
3
γ
Ms
α+Fe
3
C
α
Fe
3
C
A
B
C
D
马氏体
D
F
1
F
2
F
3
1小时1天时间(s)
T
T
T
图
+
冷却介质相态微观结构硬度
HRC
A：水马氏体马氏体65
B：油
α + Fe
3
C
+ 马氏体珠光体，贝氏体，
马氏体
40-45
C：空气α + Fe
3
C珠光体15-20
D：奥氏回火α + Fe
3
C贝氏体40-45
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢共析钢以不同方式冷却后的相态与微观结构
400 - 450°C，30min
M α + Fe
3
C
7.1 铁碳合金7.1.1 碳钢回火回火马氏体
(不是马氏体）
7.1 铁碳合金引入合金元素的理由：
1.固溶强化
2.提高耐腐蚀性
3.提高机加工性
4,提高淬透性
7.1.2 合金钢
4
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢含碳量与淬透性的关系
25 50 75 100
60
50
40
30
20
表面硬度
HR
C
样品直径mm
1095
1050
1040
1030
Jominy端部淬火法
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢合金元素的主要作用
7.1 铁碳合金7.1.2 合金钢合金元素典型用量
（wt%）
主要作用铝<2促进氮化，限制晶粒生长，从熔体中脱氧硫<0.5提高机加工性，降低焊接性与延展性铬0.3-4
提高耐腐蚀性与耐氧化性，提高淬透性，提高高温强度，可与碳结合生成坚硬微组织镍0.3-5促进奥氏组织，提高淬透性，提高韧性铜0.2-0.5生成坚硬氧化膜提高抗大气腐蚀性镁0.3-2
提高淬透性，促进奥氏组织，与硫结合降低其不利影响硅0.2-2.5促进脱氧，提高韧性，提高淬透性钼0.1-0.5促进晶粒细化，提高淬透性，提高高温强度钒0.1-0.3
促进晶粒细化，提高淬透性，可与碳结合生成坚硬微组织
7.1 铁碳合金7.1.3 工具钢与合金钢的主要区别在于加工方式碳钢合金钢工具钢组成基本：Fe + C + Mn Fe + C + Mn Fe + C + Mn
可加：S，P Cr,Ni,Mo,V,S,Pb,Al Cr,Ni,Mo,V,S,
Pb,Al,Si,W,Co
微观结构硬相：马氏体马氏体马氏体合金元素碳化物软相：铁素体＋珠光体铁素体＋珠光体铁素体＋碳化物三类钢的异同三类钢的异同碳钢合金钢工具钢
M
s Ms Ms
M
f
淬透性硬度耐磨性温度
HRC
磨损体积时间回火温度时间
5
腐蚀速率与铬含量的关系
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
wt% 铬腐蚀速率
10
－
9
cm
3
/
年
140
120
100
80
60
40
20
铁
-
铬相图
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
0 20 40 60 80 100
液体奥氏体铁素体
＋
＋
液体温度
°
C
%铬
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Sigma
奥氏体铁素体铁素体
＋
铁素体
＋
铁素体磁性转变铁素体不锈钢碳含量低于
0.2%，铬含量为
16~20%耐腐蚀性强，强度低
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢
C+N>2%
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 10 20 30 40
%铬
%铁液体温度
°
C
Si
g
m
a
铁素体αα
σ + α
奥氏体γ
马氏体不锈钢
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢铬含量为12-18
%，碳含量可高达1.2% 强度高
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 10 20 30 40
%铬
%铁液体温度
°
C
Si
g
m
a
铁素体α
σ + α
奥氏体
γ
α + 液体奥氏体不锈钢
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢含碳量只有0.1%，
铬含量为16-26%，
镍含量为8－24%
延展性好奥氏体γ
铁素体α
α + γ
1400
1200
1000
800
600
400
200
液体温度
°
C
α + 液体
82% Fe 0% C 2 4 6 8 10
18% Cr 0% Ni Ni%
7.1 铁碳合金7.1.4 不锈钢五类不锈钢铁素体：铁-铬+ 低含量碳马氏体：铁-铬+ 高含量碳奥氏体：铁-铬-镍+ 低含量碳沉淀强化：铁-铬+ 低含量碳+ 沉淀元素二元：铁素体+ 奥氏体
6
7.1 铁碳合金碳含量高于2%。
只能用浇铸的方法，故名铸铁。
钢中的碳或处于合金状态，或处于化合物Fe
3
C
状态。
铸铁碳或处于合金状态，或处于石墨的状态。
γ
α+γ
C
D
E F
α
过共晶白铸铁
1148
G 912
727
2.11 4.3
亚共晶白铸铁
L+γ
δ
α+Fe
3
C
γ+Fe
3
C
Fe
3
C
0.77
Q
P
S
L
L+Fe
3
C
K
1227
亚共析钢过共析钢工业纯铁
Fe- Fe
3
C相图
7.1.5 铸铁合金中的碳含量超过溶解限度钢的加工条件铸铁加工过程形成亚稳相Fe
3
C石墨化
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
石墨硬度低且易于粉碎，使铸铁具有优异的切削性能
石墨在铸件凝固时产生的膨胀，减少了铸铁的体积收缩，
降低了铸件中的内应力
内润滑剂的作用
减振剂的作用
增韧的作用石墨赋予铸铁的特殊性能
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
(a)灰铸铁
500×
(b)球墨铸铁
200×
(c)白铸铁
400 ×铁素体与渗碳体间层结构
(d)可锻铸铁
(a)
(b)
(c)
(d)
7.1.5 铸铁灰铸铁中石墨的析出过程
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁
γ 相
1.39 2.11%
γ 冷却
2.11 0.77%
二次石墨
L
3.0 4.26%
共晶
4.26 2.11%
共晶石墨
1.39
2.11
0.77
3.0
4.26
γ
0.02
共析
0.77 0.02%
共析石墨制备可锻铸铁的热处理过程
7.1 铁碳合金7.1.5 铸铁温度缓慢加热临界温度渗碳体分散生成球墨奥氏体分散出碳与铁素体空气冷却或液体淬火时间
7
7.2有色金属主要有色金属的性能与价格金属密度(Mg/m
3)
拉伸强度
(MPa)
比强度
(m
2
/s
2)
价格($/kg)
铝2.70 570 211000 1.30
铍1.85 380 205000 660.00
铜8.93 1300 146000 2.45
铅11.36 70 6000 0.80
镁1.74 380 218000 3.00
镍8.90 1360 153000 9.00
钛4.51 1350 299000 12.15
钨19.25 1030 54000 22.00
锌7.13 520 73000 1.25
铁7.87 2070 263000 0.22
铝合金与纯铝性能比较材料
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（％）
相对屈服强度纯铝（99.999%） 45 17 60 1
工业纯铝（99％） 90 35 45 2.0
固溶强化
（1.2％Mn）
110 41 35 2.4
75%冷加工
（99％铝）
165 152 15 8.8
分散强化
（5％Mg）
290 152 35 8.8
时效强化
（5.6%锌2.5%镁）
572 503 11 29.2
重要镁合金的性能组成拉伸强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
冷加工纯镁160 90 3-15
退火纯镁180 115 2-10
10%Al-0.1%Mn 275 150 1
7.6%Al-0.7%Zn 275 85 15
6%Zn-0.7Zr 310 195 10
8.5%Al-0.5%Zn 380 275 7
4%Zn-0.45%Zr 275 255 4
3%Th-0.6%Zr 260 205 8
典型铜合金的性能合金材料
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（%）
强化机理
纯铜 210 35 60
工业纯铜 395 365 4 应变
Cu-35%Zn 325 105 62 固溶
Cu-10%Sn 455 195 68 固溶
Cu-35%Zn 675 435 3 固溶＋应变
Cu-2%Be 1310 1205 4 时效
Cu-Al 760 415 5 马氏体反应
锰青铜 490 195 30 共析反应
一些镍与钴合金的组成与性能合金类别合金组成
拉伸强度
（MPa）
屈服强度
（MPa）
伸长率
（%）
强化机理
Ni-31.5%Cu 540 270 37 退火
镍-铜合金
Ni-29.5%Cu-2.
7%Al-0.6%Ti
1030 760 30 时效
Ni-15.5Cr-8%
Fe
620 200 49 碳化物
Ni-28%Mo 900 415 61 碳化物
镍超合金
Ni-2%ThO2 490 330 14 分散
铁-镍超合金
Ni-46%Fe-21
%Cr
615 258 37 碳化物
钴超合金
60%Co-30%C
r-4,5%W
1220 710 4 碳化物
超合金指能在1000°C以上保持强度
8
一些钛合金的性能合金类别合金组成拉伸强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
99.5%钛 240 170 24
工业纯钛
99.0%钛 550 485 15
α－钛合金
5%Al-
2.5%Sn
860 780 15
β－钛合金
13%V-
11%Cr-
3%Al
1290 1210 5
α－β钛合金6%Al-4%V 1030 970 8
密度4.54 883°C以下：HCP（α）以上：BCC（β）
α－β钛合金的淬火温度
°
C
1000
800
600
400
200
0
Ti 20 40 60 80 V
沉淀固溶处理淬火时效回火时效强化淬火与回火时间
α
β
Ms
α’
β
ss
wt%
7.3金属的加工
Wrought processing（锻）Joining (焊）
Rolling （轧）Welding (电焊）
Extrusion （挤）Brazing （铜焊）
Forming （压）Soldering （锡焊）
Stamping （冲）Powder metallurgy （粉末冶金）
Forging （锻）Hot isostatic pressing（均匀热压）
Drawing （拉）Superplastic forming（超塑性成型）
Casting （铸）Rapid solidification（快速固化）
Major Processing Methods for Metals
（主要方法）
粉末冶金预热烧结冷却充模压实顶出绿坯成品绿坯外模焊上内模装入粉末加热脱气用惰性气体均匀施压脱去内模均匀热压（HIP）
9
超塑性加工
7.4表面工程
?提高耐腐蚀性
?提高磨擦性质
?控制尺寸
?改善物理性质，如反光、颜色、电导率、电阻率等改变材料表面性质的目的：
7.4表面工程
7.4表面工程7.4.1 镀层
A
V
A
+
电解质电镀
A
B
2,浸镀
3.自催化镀
NiSO
4
+ NaH
2
PO
2
+ H
2
O
→ Ni（镀层）+ NaHPO
3
+ H
2
SO
4
难镀材料如铝、镁、塑料的底层例：从硫酸铜中沉淀铜
7.4表面工程7.4.2 转化膜
1.氧化膜（钢表面氧化，防腐，微孔结构）
2.磷酸盐膜(1%磷酸处理钢表面形成磷酸盐）
3.铬酸盐膜(重铬酸钾或钠处理铝或锌表面）
10
化学气相沉积装置
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法抽气泵
H
2
物质流控制器蒸汽源控制器
H
2
＋金属氯化物
H
2
金属氯化物蒸发器
CVD
反应器视窗光学高温计热炉压力传感器被涂物洗涤塔真空泵控制阀控制压力的惰性气体三类沉积反应：
还原反应（金属氯化物或氟化物的氢还原）：
TiCl
4
(g) + 2BCl
3
(g) +5H
2
(g) → TiB
2
(s) + 10HCl(g)
热分解（羰基金属、氢化物、氯化物与有机金属）：
Ni(CO)
4
(g) → Ni(s) + 4CO(g)
取代反应：
SiCl
4
(g) + CH
4
(g) → SiC(s) + 4HCl(g)
7.4 表面工程7.4.3 气相沉积法低反应物浓度和高扩散速率：
纤维状的沉积；
高浓度反应物与较低扩散速率：
无规取向粒子堆积而成的柱状沉积物更高的原料浓度与更低的扩散速率：
精细的等轴晶粒，这种结构具有最好的力学性能与断裂韧性。
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法物理气相沉积：电子蒸发
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法蒸汽基底电子束熔融池水冷坩埚电子枪物理气相沉积
7.4表面工程7.4.3 气相沉积法材料靶（－）
离子离子等离子
（＋）
喷镀基底离子枪喷镀
7.4表面工程7.4.4 离子注入电源粉末气体制件电弧镀层等离子等离子喷镀钨电极
11
7.4 表面工程7.4.5 扩散过程封盖石棉垫钢容器活性碳制件包裹渗碳法加热到渗碳温度
（转变温度以上）
CC
CO CO
7.4 表面工程7.4.5 扩散过程渗氮装置
NH
3
流量计气体出口气体入口鼓泡热炉热釜制件碳氮共渗工艺
7.4表面工程7.4.5 扩散过程中性气含碳气氨预热传送渗碳氮段中性气淬火
7.5 金属基复合材料
Metal Matrix Composites
Aluminum Alloys（铝合金）：
Al-Cu-Mg,Al-Zn-Mg-Cu，Al-Li
常用基体
Titanium Alloys（钛合金）
Density,4.5,Young’s modulus,115 GPa,melting
point (1672°C)
Magnesium Alloys（镁合金）
Density,1.74
Copper（铜）
As a matrix material in niobium-based superconductors.
Ni
3
Al with extremely small amounts of boron (0.06 wt.%),the
ductility increases from about 2% to about 50%,shows a
marked increase in strength up to 800°C,
MoSi
2
has a high melting point and shows good stability at
temperatures greater than 1200°C in oxidizing atmosphere,
The high oxidation resistance comes from a protective
SiO
2
film that it tends to form at high temperatures.
Intermetallic Compounds（中间金属化合物
）
常用基体
12
Ceramic particles
Ingot-Grade Aluminum
Special
Treatment
Melt
Extrusion Billet
Foundry Ingot
Rolling Bank
Duralcan Process
Agitator
Whisker
and
Water
Die
Water
Piston
Filter
Agitation
Molding Squeezing
Wa
t
e
r
Fiber Preform
Drying
Slurry
Suction
Agitator
Whisker,Binder
and Water
Preform
Filter
Suction
Demolding
Fiber Preform
Drying
Suction Forming of Preform
EjectionSolidificationPressurizationPouring
Melt Infiltration
Foil-fiber-foil Process
Apply aluminum foil
and cut to shape
Lay up desired plies
Vacuum encapsulate
Heat to fabrication
temperature
Apply pressure and hold
for consolidation cycle
Cool,remove
and clean part
The microstructure of SiC fiber/titanium matrix composite made
by diffusion bonding,Each fiber is 142 μm in diameter.
13
Fiber Volume Density σ
max
E
Fraction (%) gcm
-3
(MPa)
(GPa)
B/Al
0° 50 2.65 1500 210
90° 50 2.65 140 150
SiC/Al
0° 50 2.84 250 310
90° 50 2.84 105 -
SiC/Ti-6 Al-4V
0° 35 3.86 1750 300
90° 35 3.86 410 -
Al
2
O
3
/Al-Li
0° 60 3.45 690 262
90° 60 3.45 172-207 152
C/Mg alloy 38 18 510 -
Representative properties of some MMCs
Transverse section of in situ composites obtained at different solidification rates
(cm/h),The nickel alloy matrix has been etched away to reveal the TaC fibers.
0.32 0.64
1.27
1.91
2.54 3.80
In Situ Process
System Carbide (vol,%) T
E
(°C)
Co-NbC 12 1365
Co-TiC 16 1360
Co-TaC 10 1402
Ni-HfC 15-28 1260
Ni-NbC 11 1330
Ni-TiC 7.5 1307
Some important in situ composite systems
完
