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、牌號合金鋼的分類、牌號一、合金鋼的分類（一、合金鋼的分類（1 -按化學成分分類按化學成分分類） 1按化學成分分類按化學成分分類 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量分數按鋼中合金元素總質量分數，合金鋼分為：，合金鋼分為： l低低合金鋼（合金鋼（Me總質量分數小于總質量分數小于5%） l中中合金鋼（合金鋼（ Me總質量分數在總質量分數在5%10%） l高高合金鋼（合金鋼（ Me總

2、質量分數大于總質量分數大于10%） 環境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 合金結構鋼合金結構鋼 合金結構鋼還可分為工程構件合金結構鋼還可分為工程構件用鋼（低合金高強度結構鋼）和機械制造用用鋼（低合金高強度結構鋼）和機械制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、鋼（合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼和超高強度鋼）。滾動軸承鋼和超高強度鋼）。 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按冶金質量分類按冶金質量分類 普通低合金鋼普通低合金鋼：wS0.05%，wP0.045% 優質低合金鋼優質低合金鋼：wS0.035%， wP0.035% 高級優質合金鋼高級優質合金鋼：wS0.02% wP0.03% 特高級優質合金鋼特高級優質合金鋼：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專用工程構件結構鋼還在牌號的頭部（或專用工

4、程構件結構鋼還在牌號的頭部（或尾部）標注出代表產品用途的符號，例如尾部）標注出代表產品用途的符號，例如 l表示壓力容器用鋼牌號表示為表示壓力容器用鋼牌號表示為“Q345R”； l焊接氣瓶用鋼牌號表示為焊接氣瓶用鋼牌號表示為“Q295HP”； l鍋爐用鋼牌號表示為鍋爐用鋼牌號表示為“Q390g”； l橋梁用鋼表示為橋梁用鋼表示為“Q420q”等等。等等。 二、合金鋼的牌號二、合金鋼的牌號Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理機器零件制造用鋼機器零件制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調質鋼、（合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼和超高強度鋼等）。合金彈簧鋼、滾動軸承鋼和超高

5、強度鋼等）。 u牌號由三部分組成，即由牌號由三部分組成，即由“二位數字二位數字+元素符號元素符號+數數字字”組成。組成。前面的兩位數字表示鋼的碳的質量分數前面的兩位數字表示鋼的碳的質量分數的萬倍，元素符號表示所含合金元素，后面的數字的萬倍，元素符號表示所含合金元素，后面的數字表示合金元素含量的百倍。表示合金元素含量的百倍。凡合金元素質量分數小凡合金元素質量分數小于于1.5%時，編號中只標明元素符號，一般不標含量；時，編號中只標明元素符號，一般不標含量；如果合金元素平均質量分數等于或大于如果合金元素平均質量分數等于或大于1.5%、2.5%、3.5%，則在元素符號后相應標出，則在元素符號后相應標出

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 合金結構鋼中的合金結構鋼中的Nb、Ti、B等元素，雖然等元素，雖然含量很低，但屬有意加入，故在鋼的牌號中仍應含量很低，但屬有意加入，故在鋼的牌號中仍應表示出來。如表示出來。如40B，其平均碳的質量分數為，其平均碳的質量分數為0.4%，硼的質量分數僅為，硼的質量分數僅為0.0005% 0.0035%。 合金結構鋼都是優質鋼、高級優質鋼（牌合金結構鋼都是優質鋼、高級優質鋼（牌號后加號后加“A”字）或特級優質鋼（牌號后加字）或特級優質鋼（牌號后加“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、碳鉻軸承鋼的牌號在頭部加符號高碳鉻軸承鋼的牌號在頭部加符號“G”，但不標碳含量。鉻含量以千分之幾計，其他合金但不標碳含量。鉻含量以千分之幾計，其他合金元素按合金結構鋼的合金含量表示。例如：平均元素按合金結構鋼的合金含量表示。例如：平均含鉻量為含鉻量為1.50%的軸承鋼，其牌號表示為的軸承鋼，其牌號表示為“GCr15”。 專用機器零件制造用鋼也要在牌號的頭部專用機器零件制造用鋼也要在牌號的頭部（或尾部）加上代表產品用途的符號，例如鉚螺（或尾部）加上代表產品用途的符號，例如鉚螺鋼鋼“ML30CrMnSi”，高級優質滲碳軸承鋼，高級優質滲碳軸承鋼“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）。 牌號表示方法與機器零件制造用結構鋼相牌號表示方法與機器零件制造用結構鋼相似，但當其平均碳的質量分數大于似，但當其平均碳的質量分數大于1%時，含碳時，含碳量不標出，當其平均碳的質量分數小于量不標出，當其平均碳的質量分數小于1%時，時，則牌號前的數字表示平均碳的質量分數的千倍。則牌號前的數字表示平均碳的質量分數的千倍。合金元素的表示方法與合金結構鋼相同。合金元素的表

9、示方法與合金結構鋼相同。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優質鋼，故不再在合金工具鋼都屬于高級優質鋼，故不再在牌號后標出牌號后標出“A”字。如字。如 9SiCr表示平均碳的質量分數為表示平均碳的質量分數為0.9%左右，左右，鉻、硅各為鉻、硅各為1%左右；左右； Cr12表示平均碳的質量分數大于表示平均碳的質量分數大于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必須指出的有三點： 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，不論碳的平均質量

10、分數為多少均不不論碳的平均質量分數為多少均不予標出予標出。如。如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，等， 當合金成分不相同時，對高碳者牌號前當合金成分不相同時，對高碳者牌號前冠以冠以“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）前加數字工具鋼，在鉻含量（以千分之幾計）前加數字“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，其牌號表示為其牌號表示為“Cr06”。 第三、塑料模具鋼在牌號頭部加第三、塑料模具鋼在牌號頭部加“SM”，牌號表示方法與優質碳素結構鋼和合金工具鋼牌號表示方法與優質碳素結構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前的數字表示平均碳不銹鋼及耐熱鋼牌號前的數字表示平均碳的質量分數的千倍，合金元素的表示方法與其的質量分數的千倍，合金元素的表示方法與其它合金鋼相

12、同。它合金鋼相同。 當碳的質量分數小于或等于當碳的質量分數小于或等于0.03%時，在時，在牌號前冠以牌號前冠以“00”， 當碳的質量分數小于或等于當碳的質量分數小于或等于0.08%時，在時，在牌號前冠以牌號前冠以“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%。 當當wSi1.5%、wMn2%時，牌號中不予標出。時，牌號中不予標出。

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，在牌號前特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在牌號前或后附以字母或后附以字母。 鑄造合金鋼的牌號鑄造合金鋼的牌號是在一般合金鋼的牌號是在一般合金鋼的牌號前加前加“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），易切削非調質機械結構鋼），易切削非調質

14、機械結構鋼YF35V和熱鍛用非調質機械結構鋼和熱鍛用非調質機械結構鋼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一、有色金屬材料的分類及特點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、在地殼中的儲量、被發現按其密度、熔點、在地殼中的儲量、被發現和利用的早晚、價格等因素可分為和利用的早晚、價格等因素可分為：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構材料使用的有色金屬合金按合金作為結構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，具有相對密如鋁、鎂、鈦等金屬及其合金，具有相對密度小、比強度高的特點，為度小、比強度高的特點，為輕質高強結構材料輕質高強結構材料； l銀、銅、鋁等金屬及其合金，具有優良的導銀、銅、鋁等金屬及其合金，具有優良的導電、導熱性能，是電氣工業和儀表工業不可缺電、導熱性能，是電氣工業和儀表工業不可缺少的材料，為少的材料，為導電材料導電材料；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所必須的優良是石油化工和航海工業所必須的優良耐蝕材耐

17、蝕材料料； 鋯及其合金是反應堆燃料元件包殼及堆鋯及其合金是反應堆燃料元件包殼及堆芯結構用必須的材料，芯結構用必須的材料，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有色金屬材料的特點 要求合金材料具有更高的強度，更高的韌要求合金材料具有更高的強度，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展航空、航天提高合金材料的耐熱性是發展航空、航天及其它許多工業技術領域的要求。及其

18、它許多工業技術領域的要求。 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構材料在使用中遇到的基本問題之一。金屬結構材料在使用中遇到的基本問題之一。 此外，對于結構合金材料，要制造成零件此外，對于結構合金材料，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。切相關。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鋁合金的合金化特點 Al合金的強化是以合金的強化是以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的。固溶體中的溶解度變化為基礎的。 在在Al中有高的溶解度和能起顯著強化作用的中有高的溶解度和能起顯著強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烈地減小，故可通過熱處理的辦法來提低而強烈地減小，故可通過熱處理的辦法來提高強度。能形成這種化合物或強化相的合金有高強度。能形成這種化合物或強化相的合金有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“熱處理強化型熱處理強化型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，但熱處理強化效果不大，只能以退火或冷作但熱處理強化效果不大，只能以退火或冷作硬化狀態應用，放稱之為硬化狀態應用，放稱之為“非熱處理強化型非熱處理強化型”或或“熱處理不強化型熱處理不強化型”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小（表解度雖然很小（表1-6），但對合金強度和抗蝕），但對合金強度和抗蝕性的改善作用卻很明顯。因為這些過渡元素能性的改善作用卻很明顯。因為這些過渡元素能明顯地抑制再結晶和細化晶粒，有再結晶抑制明顯地抑制再結晶和細化晶粒，有再結晶抑制劑或晶粒細化劑之稱。劑或晶粒細化劑之稱。 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程，因而能顯著地提高從合金的形核和沉

23、淀過程，因而能顯著地提高時效硬化效應。時效硬化效應。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鋁合金的時效與組織結構變化鋁合金的時效與組織結構變化 鋁合金的時效硬化現象：鋁合金的時效硬化現象：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的的相區進行相區進行固溶處理和淬火，則會得到均勻的過飽和固溶處理和淬火，則會得到均勻的過飽和固溶固溶體。這種熱力學不穩定的固溶體在某一溫度加熱，體。這種熱力學不穩定的固溶體在某一溫度加熱，則會發生分解和析出則會發生分解和析出CuAl2（相），而引起強度相）

24、，而引起強度明顯升高。這種現象叫做時效硬化現象。明顯升高。這種現象叫做時效硬化現象。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.區區(圓盤圓盤)(圓盤圓盤) (CuAl2) Al-Mg-Si G.P.區區(棒狀棒狀) (Mg2Si) Al-Zn-Mg G.P.區區(球球形形)M(片狀片狀)MgZn2 Al-Mg-Cu G.P.區區(棒或球棒或球)S S(Al2CuMg) Al-Ag G.P.區區(球形球形) (片狀片狀)(Ag2Al) Al-Li G.P.區區(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合金退火狀態的強度很低，合金退火狀態的強度很低，b只有只有200 MPa，則淬火狀態的強度也不高，則淬火狀態的強度也不高，b約有約有250MPa，但自然時效，但自然時效7天后，天后，b可提高到可提高到400 MPa。 Al合金的時效硬化能力與合金的時效硬化能力與固溶體的濃度和固溶體的濃度和時效溫度有關。在理論上，時效溫度有關。在理論上，固溶體的濃度愈高，固溶體的濃度愈高，時效效果也愈高，以接近極限溶解度的合金，強時效效果也愈高，以接近極

26、限溶解度的合金，強化效果最大。反之，愈低。化效果最大。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 分析時效硬化曲線可以發現，在時效初期分析時效硬化曲線可以發現，在時效初期強度升高很慢或不升高，這段時間叫強度升高很慢或不升高，這段時間叫“孕育孕育期期”。在孕育時間內合金的塑性很高，可以進。在孕育時間內合金的塑性很高，可以進行鉚接、彎曲成型或矯直操作，是對生產加工行鉚接、彎曲成型或矯直操作，是對生產加工極為有利的現象。極為有利的現象。 發生在室溫的時效稱之為自然時效發生在室溫的時效稱之為自然時效; 發生在較高

27、溫度（發生在較高溫度（120）的時效稱之為）的時效稱之為人工時效。人工時效。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：鋁合金時效硬化效應是可逆的，回歸效應：鋁合金時效硬化效應是可逆的，自然時效的合金迅速加熱到自然時效的合金迅速加熱到230250短時間短時間保溫（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，又回復到新淬火狀態。這種可逆效應叫做又回復到新淬火狀態。這種可逆效應叫做“回回歸效應歸效應”。回歸后的合金還能再時效，可以重。回歸后的合金還能再時效，可以重復多次。但應指出，回歸操作每重復一次，都復多次。但應指出，回歸操作每重復一

28、次，都會發生一部分不可逆分解，使再時效的能力減會發生一部分不可逆分解，使再時效的能力減弱。弱。 回歸效應在實際生產中很有實用價值，自回歸效應在實際生產中很有實用價值，自然時效后的鉚釘塑性降低，鉚接困難，即可在然時效后的鉚釘塑性降低，鉚接困難，即可在回歸處理后再鉚接。回歸處理后再鉚接。 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 鋁合金在時效過程中的結構變化：鋁合金在時效過程中的結構變化： 時效硬化現象是德國科學家時效硬化現象是德國科學家AWilm在在1906年發現的，但直到年發現的，但直到1919年才弄清楚是由過年才

29、弄清楚是由過飽和固溶體分解引起的，在飽和固溶體分解引起的，在1935年發現在相年發現在相（CuAl2）析出之前還有過渡相，最后到）析出之前還有過渡相，最后到1938年年Guinier和和Preston才發現了才發現了GP區。至此才完全區。至此才完全弄清楚過飽和固溶體的分解程序：弄清楚過飽和固溶體的分解程序： GP區區過渡相過渡相平衡相平衡相 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Al-Cu合金的詳細分解程序：合金的詳細分解程序： GP區區（CuAl2） 過飽和固溶體的缺陷結構：與合金的成過飽和固溶體的缺陷結構：與合金的成分或濃度有關分或濃度有關-空位、位錯環和位錯等結構

30、缺陷，空位、位錯環和位錯等結構缺陷，對對GP區和沉淀相的形核和長大過程起重要作用；區和沉淀相的形核和長大過程起重要作用； GP區的結構：區的結構：GP區是圓片狀的區是圓片狀的Cu原子原子富集區。富集區。GP區無獨立的晶格結構，溶質原子連區無獨立的晶格結構，溶質原子連續地分布在續地分布在Al的晶格格點上。的晶格格點上。GP區的形狀可以區的形狀可以是片狀、球狀，也可以是針狀；是片狀、球狀，也可以是針狀；GP區與母相間區與母相間沒有相界面。沒有相界面。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（）區的結構：）區的結構：Al-4Cu合金合金時效溫度提高到時效溫度提高到1

31、50175還能形成還能形成相或相或GP（）區（正方晶格）區（正方晶格 ）。）。 相是相是Cu原子在原子在GP區中有序化后形成的，區中有序化后形成的，是有獨立晶格結構的中間沉淀相是有獨立晶格結構的中間沉淀相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，其錯配度為：的軸共格，其錯配度為： (0.404-0

32、.768)/ 0.404=2.4% 沿沿c軸方向產生較大的共格應變場，在片狀沉淀相軸方向產生較大的共格應變場，在片狀沉淀相的兩側引起較大的應變衍射襯度，使電子顯微圖象變成的兩側引起較大的應變衍射襯度，使電子顯微圖象變成凸透鏡狀，失去了片狀特點。這種強大的共格應變場，凸透鏡狀，失去了片狀特點。這種強大的共格應變場，是是Al-Cu合金人工時效后強度顯著升高的原因。合金人工時效后強度顯著升高的原因。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 相的結構與相的結構與相一樣，也是過渡相，其相一樣，也是過渡相，其化學組成與化學組成與CuAl2相當，也是正方晶格，相當，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軸解除共格關系）。軸解除共格關系）。相是高溫時效產物，相是高溫時效產物，它的出現說明合金的強度已經降低，故又稱它的出現說明合金的強度已經降低，故又稱“過過時效時效”產物。產物。 平衡相平衡相相是退火產物相是退火產物(CuAl2)，具有正方，具有正方晶格，晶格，a=0.6054nm，c=0.4874nm，與，與Al的晶格的晶格結構相差更大，與母相無共格關系，也無固定的結構相差更大，與母相無共格關系，也無固定的取向關系。取向關系。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理時效硬化的位

34、錯理論時效硬化的位錯理論 位錯切割質點的模型 位錯形環或 Orowan 模型 位錯與沉淀質點 的交互作用沉淀相類型與質 點間距，pGP 區，共格沉淀相p 10-5cm 加工硬化率， 屈服應力 y 與 溫度 t 間的關系 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 鋁合金的屈服強度與時效時間的關系 Al 合金的屈服強度隨著時效溫度的升高或時間的延長，強化機理由切 割模型向形環模型轉變時，先升高而后降低。當形成共格應變場最大的相時，屈服強度達最高值。出現 或 相時，由于過時效反而降低。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理時效對鋁合金組織性能的

35、影響鋁合金的機械性能和應力腐蝕敏感性（SCC） 與沉淀相同位錯間的交互作用特點有關。以 GP 區為主要強化相的合金，GP 區一旦被 切割，質點的阻力截面即減小，位錯能順利地沿同一滑移面通過，易使變形局限于少 數沿滑移內，形成嚴重變形的滑移帶，在晶界附近引起應力集中和裂紋，對疲勞和 SCC均不利。另外，GP 區同位錯發生切割作用，雖能得到較高的屈服強度（ y ），但加工硬化率（ d/d）卻較低， y 隨溫度的變化也較強烈。與此相反，沉淀相尺 寸大，間距寬，位錯以形環方式通過質點時，隨著變形度的增加，質點周圍的位錯環增多，質點間距 L 縮小，位錯通過的阻力逐漸增大，合金的屈服應力雖較低，但加工硬化

36、率（ d/d ）卻較高， y與溫度間的相關性也較小。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 合金塑性變形特點與熱處理狀態間的關系。當沉淀相為 GP 區時，拉伸變 形后出現明顯的滑移帶（圖 1-41(a)），抗應力腐線性能極低。空冷的組織，由于出現了 不易被位錯切割的沉淀相，位錯分布均勻（圖 1-41(b)），故抗應力腐蝕性能也明顯提高。圖 1-41 AlZnMg1 合金拉伸變形 3%后的位錯分布與熱處理狀態間的關系（a）水淬（900/h）和（b）空冷（30/h）后自然時效 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鎂合金的合金化特點 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，固溶強化和時效硬化是主要強化手段，只是沒固溶強化和時效硬化是主要強化手段，只是沒有有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，都是強化大量固溶的元素，都是強化Mg合金的有效合金合金的有效合金元素。元素。 根據合金元素的作用特點和極限溶解度，根據合金元素的作用特點和極限溶解度，可大致分為包晶反應類和共晶反應類兩大類。可大致分為包晶反應類和共晶反應類兩大類。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 包晶反應類：包晶反應類：Zr（3.8），），Mn（3.4）。）。包晶反應型元素的主要作用是細化晶粒，但也包晶反應型元素的主要作用是細化晶粒，但也有凈化合金（消除雜質有凈化合金（消除雜質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。 共晶反應類：共晶反應類： 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 共晶反應型元素是高強度鎂合金的主要合共晶反應型元素是高強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合金的主要強化相，有明顯的時效硬化效應。合金的主要強化相，有明顯的時效硬化效應。 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型元素，不僅共稀土元素也多屬共晶反應型元素，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，原子擴散速度強，有利于抗蠕變性能，熱性也高，原子擴散速度強，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、固二態合金的氧化速度，改善鑄造和變形性能。態合金的氧化速度，改善鑄造和變形性能。Nd的綜合作用最佳，能同時提高室溫和高溫強化的綜合作用最佳，能同時提

41、高室溫和高溫強化效應，效應，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，但常溫強化效果很弱；但常溫強化效果很弱；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鎂合金的沉淀過程與結構變化鎂合金的沉淀過程與結構變化 不連續沉淀：不連續沉淀：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時效，先時效，先從晶界或缺陷部位發生不連續沉淀，不經從晶界或缺陷部位發生不連續沉淀，不經GP區區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部生長。此時，沉淀區的基體濃度向往晶粒內部生長。此時，沉淀區的基體濃度和晶格常數已達平衡狀態，未發生沉淀反應的和晶格常數已達平衡狀態，未發生沉淀反應的晶粒內部，晶格常數和濃度保持不變。晶粒內部，晶格常數和濃度保持不變。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 這種片層狀不連續反應結構又稱珠光體型這種片層狀不連續反應結構又稱珠光體型沉淀。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，無共格或半共），基體濃度低，無共格或半共格應力場，故強化效果低。格應力場，故強化效果低。 當不

43、連續沉淀向晶內發展到一定程度后，當不連續沉淀向晶內發展到一定程度后，晶粒內部才能發生連續分解。晶粒內部才能發生連續分解。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 連續沉淀：細小的片狀連續沉淀：細小的片狀Mg4Al3相一邊析出相一邊析出和長大，固溶體濃度和晶格常數也發生連續變和長大，固溶體濃度和晶格常數也發生連續變化，最終達到與時效溫度相適應的平衡狀態。化，最終達到與時效溫度相適應的平衡狀態。這種沉淀的特點是基體濃度和晶格常數是連續這種沉淀的特點是基體濃度和晶格常數是連續變化的，與不連續沉淀相對應，故稱連續沉淀。變化的，與不連續沉淀相對應，故稱連續沉淀。 由連續和不連續反應組

44、織的組成，即兩類由連續和不連續反應組織的組成，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決定。理制度來決定。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 Mg合金的沉淀過程較復雜合金的沉淀過程較復雜 Mg-RE合金的沉淀過程合金的沉淀過程： GP區區(Mg3Ndx)(Mg3Nd)(Mg12Nd) Mg-Th合金的沉淀過程合金的沉淀過程： （Mg3Th）1（六方），（六方），2 （體心）（體心）（Mg2Th） （Mg23Th6） GP區和區和與母相完全共格，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型晶體結構，與母相完全共型晶體結構，與母相完全共格。這種過渡相與格。這種過渡相與Al-Cu合金的合金的相類似，經常相類似，經常在組元原子尺寸相差較大的合金中出現。相對在組元原子尺寸相差較大的合金中出現。相對Mg合金的強化貢獻較大，在許多時效溫度出現合金的強化貢獻較大，在許多時效溫度出現的峰值硬度，就與它的存在有關。的峰值硬度，就與它的存在有關。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 DO19型結構的型結構

46、的a軸相當于軸相當于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生改變。這種結構特點表明原子鍵發生改變。這種結構特點表明Mg3X相在相在相當寬的溫度范圍內較穩定，是提高抗蠕變性相當寬的溫度范圍內較穩定，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系合金工作溫度可達250，Mg-Th系合金可達系合金可達350，就是與，就是與DO19型結構型結構Mg3Nd和和Mg3Th有關。有關。 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鈦合金的合金化特點 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反應特點來決定，即由形成的學反應特點來決定，即由形成的固溶體固溶體和和化合化合物物的特性及對的特性及對轉變的影響等來決定。這些轉變的影響等來決定。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、電化學性質電化學性質（在（在周期表中的相對位置）、周期表中的相對位置）、晶格類型晶格類型和和電子濃度電子濃度等有關。作為等有關。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，有其獨有的特點有其獨有的特點： 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鈦合金的合金化特點）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 轉變，通過合金化和熱處理可轉變，通過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是過渡族元素，有未填滿的是過渡族元素，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以內的置換式元素形以內的置換式元素形成高濃度的固溶體；成高濃度的固溶體； Ti及其合金在遠遠低于熔點的溫度中能同及其合金在遠遠低于熔點的溫度中能同O、N、H、C等間隙式雜質發生反應，使性能發生等間隙式雜質發生反應，使性能發生強烈的改變；強烈的改變； Ti同其它元素能形成金屬鍵、共價鍵和離同其它元素能形成金屬鍵、共價鍵和離子鍵固溶

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： 利用合金元素對利用合金元素對或或相的穩定作用，來控制相的穩定作用，來控制和和相的組成和性能。各種合金元素的穩定作用相的組成和性能。各種合金元素的穩定作用又與元素的電子濃度（價電子數與原子的比值）又與元素的電子濃度（價電子數與原子的比值）有密切關系，一般來說，電子濃度小于有密切關系，一般來說，電子濃度小于4的元素的元素能穩定能穩定相，電子濃度大于相，電子濃度大于4的元素能穩定的元素能穩定相，相，電子濃度等于電子濃度等于4的元素，既能穩定的元素，既能穩定相

50、，也能穩定相，也能穩定相。相。Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 工業用工業用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，按其對轉變溫度的等，按其對轉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，在提高相變點，在相中大量溶解和擴大相中大量溶解和擴大相區的相區的元素叫元素叫穩定元素；能降低相變溫度，在穩定元素；能降低相變溫度，在相中相中大量溶解和擴大大量溶解和擴大相區的元素叫相區的元素叫穩定元素；對穩定元素；對轉變溫度影響

51、小，在轉變溫度影響小，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的反應特點或二元狀態圖的反應特點或二元狀態圖的類型，可以分成四大類：的類型，可以分成四大類： 穩定型狀態圖：穩定型狀態圖：Al、Ga、Sn和間隙式元和間隙式元素素C、N、O等與等與Ti形成這種狀態圖。這些元素形成這種狀態圖。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）數4，如如Al為為3S2P1，故為，故為穩定元素；穩定元素；Sn的外層電子的外層電子為為5S2P2=4

52、，對相變溫度影響小，故又屬于中，對相變溫度影響小，故又屬于中性元素。性元素。 全溶固溶體型狀態圖：全溶固溶體型狀態圖：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（各為數（各為d3s2和和d4s2）4，是，是穩定元素，能穩定元素，能降低相變溫度，縮小降低相變溫度，縮小相區，擴大相區，擴大相區。相區。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 鈦與常見元素（鈦與常見元素（E）間的四種典型二元狀態圖）間的四種典型二元狀態圖 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 共析型狀態圖：形成這種狀態圖的元素

53、是共析型狀態圖：形成這種狀態圖的元素是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，穩定能降低相變溫度，形成共析反應，穩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層電層電子數子數5，有從，有從Ti原子取得電子形成原子取得電子形成d10穩定殼穩定殼層的傾向。合金元素層的傾向。合金元素d層電子數愈多，這種傾向層電子數愈多，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圖。態圖。 Chapter

54、1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 按按相共析轉變的快慢或難易，相共析轉變的快慢或難易，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等非過渡族元素是活性等非過渡族元素是活性穩定元穩定元素，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，但能賦予合金時效硬化能力。相，但能賦予合金時效硬化能力。 Fe、Mn、Cr等過渡族元素是非活性元素，等過渡族元素是非活性元素，共析轉變速度極慢，在通常的冷卻條件下，共析轉變速度極慢，在通常的冷卻條件下， 相相來不及分解，在室溫只能得到來不及分解，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 - 全溶固溶體型狀態圖：與全溶固溶體型狀態圖：與Ti同族（同族（B）的的Zr和和Hf不僅外層電子結構完全相同（不僅外層電子結構完全相同（d2s2），），而且有同素異晶轉變，而且有同素異晶轉變， 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能強化能強化相，在工業相，在工業合金中已得到廣泛的應用，但合金中已得到廣泛的應用，但Hf的密度高的密度高（13.28103kg/m3），而且稀少，還未得到實），

56、而且稀少，還未得到實際應用。際應用。 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律為指導原則，根據實際需要，合理地述作用規律為指導原則，根據實際需要，合理地控制元素的種類和加入量，以得到預期的組織、控制元素的種類和加入量，以得到預期的組織、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鈦合金的固態相變鈦合金的固態相變 純純Ti的的轉變，是體心立方晶格向密排轉變，是體心立方晶格向密排六方晶格的轉變，但六方晶格的轉變，但Ti合金因合金系、濃度和合金因合金系、濃度和熱處理條件不同，還會出現一系列復雜的相變熱處

57、理條件不同，還會出現一系列復雜的相變過程。這些相變可歸納為兩大類，即過程。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變馬氏體轉變 穩定型穩定型Ti合金自相區淬火，會發生無擴散合金自相區淬火，會發生無擴散的馬體轉變，生成過飽和固溶體的馬體轉變，生成過飽和固溶體(馬氏體馬氏體)。如果。如果合金的濃度高，馬氏體轉變點合金的濃度高，馬氏體轉變點Ms降低到室溫以降低到室溫以下，相將被凍結到室溫。這種下，相將被凍結到室溫。這種相稱相稱“殘留殘留相相”或或“過冷過冷相相”，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明的是，值得說明的是， 當合金的當合金的相穩定元素含量少，轉變阻力小，相穩定元素含量少，轉變阻力小， 相可由體心立方晶格直接轉變為密排六方晶格，相可由體心立方晶格直接轉變為密排六方晶格，這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。 如果如果相穩定元素含量高，轉變阻力大，不相穩定元素含量高，轉變阻力大，不能直接轉變成六方晶格，只能轉變為斜方晶格，能直接轉變成六方晶格，只能轉變為斜方晶格，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合金的馬氏體轉變如圖合金的馬氏體轉變如圖1-45所示，與所示，與相的濃度和相的濃度和轉變溫度有密切關系。轉變溫度有密切關系。 馬氏體轉變溫度馬氏體轉變溫度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；當淬火溫度降低到一定溫當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生馬氏體轉變。發生馬氏體轉變。 Chapter 1 金屬材料的合金化原理金屬材料的合金化原理 馬氏體的形態與合金的濃度和馬氏體的形態與合金的濃度和Ms高低有關。高低有關。 六方馬氏體有兩種形態：六方馬氏體有兩種形態： 合金元素含量低，馬氏體轉變溫度合金元素含量低，

60、馬氏體轉變溫度Ms高時，高時，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，基本上沒有孿晶，是單晶馬氏體。錯，基本上沒有孿晶，是單晶馬氏體。 合金元素含量高，合金元素含量高，Ms點降低，形成針狀或點降低，形成針狀或鋸齒形馬氏體，這種六方馬氏體有高的位錯密度鋸齒形馬氏體，這種六方馬氏體有高的位錯密度和層錯，還有大量孿晶，是孿晶馬氏體。和層錯，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點低，點低，馬氏體針更細，可以看到更密集的孿晶。馬氏體針更細，可以看