金屬材料基礎知識

1、金屬資料目前廠內(nèi)對各類金屬素材的使用有鐵合金 （不鏽鋼系列 ）、銅合金 （洋白銅、磷 青銅）、鋁合金（鋁鎂合金 ）。本報告的目的在於對上述合金，做基本資料的整理。不鏽鋼不鏽鋼就是不容易生鏽的鋼，實際上一部分不鏽鋼，既能不鏽，又有耐酸性 （耐蝕性）。不鏽鋼的不鏽性和耐蝕性是由於其表面上的鉻氧化膜 （鈍化膜）。這 種不鏽性和耐蝕性是相對的。試驗表明，鋼在大氣、水等弱介質(zhì)中和硝酸等氧化 性介質(zhì)中，其耐蝕性隨鋼中鉻含量的增加而提高，當鉻含量達到一定的百分比 時，鋼的耐蝕性發(fā)生突變，即從易生鏽到不易生鏽，從不耐蝕到耐腐蝕。目前已知的化學元素有 100 多種，在工業(yè)中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化 學元素約

2、二十多種 。對於人們在與腐蝕現(xiàn)象作長期鬥爭的實踐而形成的不鏽鋼這 一特殊鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對 不鏽鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、 錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學元素週期表中位於 過渡族的元素。實際上工業(yè)上應用的不鏽鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當幾種元 素共存於不鏽鋼這一個統(tǒng)一體中時，它們的影響要比單獨存在時複雜得多，因為 在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響， 因此不鏽鋼的組織決定于各種元素影響的總和。2.1 不鏽鋼的分類按室溫下的組織結構分類，有馬

3、氏體型、奧氏體型、鐵素體、雙相不鏽鋼和 沉澱硬化不鏽鋼；按主要化學成分分類，基本上可分為鉻不鏽鋼 （Cr 系）和鉻鎳不 鏽鋼 （Cr-Ni 系）兩大系統(tǒng)；按用途分則有耐硝酸不鏽鋼、耐硫酸不鏽鋼、耐海水 不鏽鋼等等，按耐蝕類型分可分為耐點蝕不鏽鋼、耐應力腐蝕不鏽鋼、耐晶間腐 蝕不鏽鋼等；按功能特點分類又可分為無磁不鏽鋼 、易切削不鏽鋼 、低溫不鏽鋼、 高強度不鏽鋼等等。由於不鏽鋼材具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性、相容性以及在很 寬溫度範圍內(nèi)的強韌性等系列特點，所以在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品行業(yè)以及 建筑裝飾等行業(yè)中獲取得廣氾的應用。2.2 命名規(guī)則 美國鋼鐵學會是用三位數(shù)字來標示各種標準級的可鍛不鏽鋼

4、的。其中：奧氏 體型不鏽鋼用 200 和 300 系列的數(shù)字標示，鐵素體和馬氏體型不鏽鋼用 400系列 的數(shù)字表示。例如，某些較普通的奧氏體不鏽鋼是以 201、 304、 316 以及 310 為標記，鐵素體不鏽鋼是以 430 和 446 為標記，馬氏體不鏽鋼是以 410、420以 及 440C 為標記，雙相（奧氏體鐵素體） ，不鏽鋼、沉澱硬化不鏽鋼以及含鐵 量低於 50%的高合金通常是採用專利名稱或商標命名。2.3 奧氏體不鏽鋼在常溫下具有奧氏體組織的不鏽鋼。鋼中含 Cr 約 18%、Ni 8%10%、C 約 0.1%時，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不鏽鋼包括著名的 18Cr-8Ni 鋼

5、和 在此基礎上增加 Cr、Ni 含量並加入 Mo 、Cu、Si、Nb、Ti 等元素髮展起來的高 Cr-Ni 系列鋼。奧氏體不鏽鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可 能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。如加入S, Ca, Se, Te等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu 等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳 量若低於0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不 鏽鋼濃硝酸肯有良好的耐蝕性。由於奧氏體不鏽鋼具有全面的和良好的綜合性 能,在各行各業(yè)中獲得了廣氾的應用。2.4 鐵素體不鏽

6、鋼在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不鏽鋼。含鉻量在 11%30%,具有體心立 方晶體結構。這類鋼一般不含鎳,有時還含有少量的 Mo、 Ti、 Nb 等到元素,這 類鋼具導熱係數(shù)大,膨脹係數(shù)小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優(yōu)良等特點,多用於 製造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑 性和耐蝕性明顯降低等缺點，因而限制了它的應用。爐外精鍊技術（AOD或VOD） 的應用可使碳、氮等間隙元素大大降低,因此使這類鋼獲得廣氾應用。2.5奧氏體-鐵素體雙相不鏽鋼為奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不鏽鋼。在含 C較低的情況下，Cr含量 在 18%28%， Ni 含量在 3%10%。有些鋼還

7、含有 Mo、 Cu、 Si、 Nb、 Ti， N 等 合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不鏽鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌 性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵 素體不鏽鋼的475C脆性以及導熱係數(shù)高，具有超塑性等特點。與奧氏體不鏽鋼 相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高，雙相不鏽鋼具有優(yōu) 良的耐孔蝕性能。2.6 馬氏體不鏽鋼 為通過熱處理可以調(diào)整其力學性能的不鏽鋼，通俗地說，是一類可硬化的不 鏽鋼。典型牌號為Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火後硬度較高，不同 回火溫度具有不同強韌性組合，主要用於蒸汽輪機葉片、餐具、

8、外科手術器械。根據(jù)化學成分的差異，馬氏體不鏽鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根 據(jù)組織和強化機理的不同，還可分為馬氏體不鏽鋼、馬氏體和半奧氏體 （或半馬 氏體）沉澱硬化不鏽鋼以及馬氏體時效不鏽鋼等。2.7 不鏽鋼的特性磁性：奧氏體型是無磁或弱磁性，馬氏體或鐵素體是有磁性的。通常用作裝飾管板的不鏽鋼多數(shù)是奧氏體型的 304 材質(zhì)，一般來講是無磁或 弱磁的，但因冶煉造成化學成分波動或加工狀態(tài)不同也可能出現(xiàn)磁性，但這不能 認為是冒牌或不合格，這是什麼原因呢？上面提到奧氏體是無磁或弱磁性，而馬氏體或鐵素體是帶磁性的，由於冶煉 時成分偏析或熱處理不當，會造成奧氏體 304 不鏽鋼中少量馬氏體或鐵素

9、體組 織。這樣， 304 不鏽鋼中就會帶有微弱的磁性。另外， 304 不鏽鋼經(jīng)過冷加工，組織結構也會向馬氏體轉(zhuǎn)化，冷加工變形度越大，馬氏體轉(zhuǎn)化越多，鋼的磁性也越大。如同一批號的鋼帶，生產(chǎn)76管，無明顯磁感，生產(chǎn)9.5管。因泠彎變形較大磁感就明顯一些，生產(chǎn)方矩形管因 變形量比圓管大，特別是折角部分，變形更激烈磁性更明顯。要想完全消除上述 原因造成的 304 鋼的磁性，可通過高溫固溶處理開恢復穩(wěn)定奧氏體組織，從而消 去磁性。特別要提出的是，因上面原因造成的 304不鏽鋼的磁性，與其他材質(zhì)的不鏽 鋼，如 430、碳鋼的磁性完全不是同一級別的，也就是說 304 鋼的磁性始終顯示 的是弱磁性。這表示如果

10、不鏽鋼帶弱磁性或完全不帶磁性，應判別為304 或 316材質(zhì)；如果與碳鋼的磁性一樣，顯示出強磁性，因判別為不是304材質(zhì)。物理性能：不鏽鋼和碳鋼的物理性能數(shù)據(jù)對比，碳鋼的密度略高于鐵素體和馬氏體型不 鏽鋼，而略低於奧氏體型不鏽鋼；電阻率按碳鋼、鐵素體型、馬氏體型和奧氏體 型不鏽鋼排序遞增；線膨脹係數(shù)大小的排序也類似，奧氏體型不鏽鋼最高而碳鋼 最?。惶间?、鐵素體型和馬氏體型不鏽鋼有磁性，奧氏體型不鏽鋼無磁性，但其 冷加工硬化生成成氏體相變時將會產(chǎn)生磁性 ，可用熱處理方法來消除這種馬氏體 組織而恢復其無磁性。奧氏體型不鏽鋼與碳鋼相比，具有下列特點：1）高的電陰率，約為碳鋼的 5倍。2）大的線膨脹係

11、數(shù)，比碳鋼大 40，並隨著溫度的升高，線膨脹係數(shù)的數(shù) 值也相應地提高。3）低的熱導率，約為碳鋼的 1/3。力學性：不論不鏽鋼板還是耐熱鋼板，奧氏體型的鋼板的綜合性能最好，既有足夠的 強度，又有極好的塑性同時硬度也不高，這也是它們被廣氾採用的原因之一。奧 氏體型不鏽鋼同絕大多數(shù)的其它金屬材料相似，其抗拉強度、屈服強度和硬度， 隨著溫度的降低而提高；塑性則隨著溫度降低而減小。其抗拉強度在溫度 1580 °C 範圍內(nèi)增長是較為均勻的。更重要的是：隨著溫度的降低，其衝擊韌度減少 緩慢，並不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。所以不鏽鋼在低溫時能保持足夠的塑性和韌性。耐熱性能： 高耐熱性能是指高溫下，既有抗氧化

12、或耐氣體介質(zhì)腐蝕的性能即熱穩(wěn)定性， 同時在高溫時雙有足夠的強度即熱強性。2.8 各類主要不鏽鋼用途、特性比較SUS304:具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能,沖壓彎曲等熱加 工性好,無熱處理硬化現(xiàn)象 ,無磁性。廣氾用於家庭用品（ 1、 2類餐具）、櫥櫃、 室內(nèi)管線、熱水器、鍋爐、浴缸、汽車配件、醫(yī)療器具、建材、化學、食品工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、船舶部件。SUS304L:奧氏體基本鋼種，用途最為廣氾；耐蝕性和耐熱性優(yōu)良；低溫強 度和機械性能優(yōu)良；單相奧氏體組織，無熱處理硬化現(xiàn)象（無磁性，使用溫度 -196-800C）。SUS304Cu:以17Cr-7Ni-2Cu為基本組成的奧氏不鏽鋼；成形性優(yōu)良

13、，特別 是拔絲和抗時效裂紋性好；耐腐蝕性與 304相同。SUS316耐蝕性和高溫強度特別好,可在苛刻的條件下使用,加工硬化性好， 無磁性。適於海水用設備、化學、染料、造紙、草酸、肥料生產(chǎn)設備、照相、食 品工業(yè)、沿海設施。SUS316L:鋼中添加Mo （2-3%）,故耐蝕性和高溫強度優(yōu)良；SUS316L含碳量比SUS316低，因此，抗晶間腐蝕性比SUS316優(yōu)良；高溫蠕變強度高?？稍?苛刻的條件使用 ,加工硬化性，好無磁性。適於海水用設備、化學、染料、造紙、 草酸、肥料生產(chǎn)設備、照相、食品工業(yè)、沿海設施。SUS321:在304鋼中添加Ti，故抗晶間腐蝕性優(yōu)良；高溫強度和高溫抗氧性 優(yōu)良；成本高，

14、加工性比SUS304差。耐熱材料、汽車、飛行器排氣管管路，鍋 爐爐蓋、管道，化學裝置、熱交換器。SUH409H :加工性能、焊接性能良好，高溫抗氧化性能良好，能夠承受的溫 度範圍從室溫直到575C。廣氾用於汽車尾氣排氣系統(tǒng)。SUS409L:控制鋼中的C和N含量，故焊接性、成形性和耐蝕性優(yōu)良；含11%Cr，高溫和常溫下為具有BCC結構的鐵素體不鏽鋼；因填了 Ti，750E以下 有空氧化性和耐蝕性。SUS410:馬氏體代表鋼種，強度高，硬度高（有磁性）；抗腐蝕性差，不適 合於嚴重腐蝕環(huán)境下使用；含 C 量低，加工性好，通過熱處理可使表面硬化。SUS420J2:馬氏體代表鋼種，強度高，硬度高（有磁性

15、）；耐腐蝕性差，加 工成形性差，耐磨性好；能夠進行熱處理改善機械性能。廣氾用於加工刀具、管 嘴、閥門、板尺、餐具。SUS430:熱膨脹率低，成型型及耐氧化性正好適用於耐熱器具、燃燒器、家 電產(chǎn)品、2類餐具、廚房洗滌槽。價格低，加工性好是理想的SUS304的替代品；抗英里腐蝕性好，典型的非熱處理硬化性鐵素體系不鏽鋼。三、 鋁合金3.1鋁合金的分類鋁合金的種類，以所含之主要合金元素做為區(qū)分，編號主要合金元素熱處理狀況常用鋁合金(wt.%):1XXX 純鋁系含鋁量至少 99 wt.%非熱處理型 AA1100(pure AI);AA1060 (99.60% Al)2XXX Al-Cu 合金銅(Cu)熱

16、處理型 AA2014(4.5Cu-0.8Si-0.8Mn-1.5Mg);Forgings3XXX Al-M n 合金錳(Mn)非熱處理型 AA3003(1.2Mn);AA3004(stronger,1.2Mn-1.0Mg)4XXX Al-Si 合金矽(Si)非熱處理型 AA4032(12%Si-1% each Mn,Cu,Ni);汽缸、活塞5XXX Al-Mg 合金鎂(Mg)非熱處理型 5052(2.5Mg-0.5Cr)/ 5056/5083/5186(4.5Mg-0.5Cr-0.8 Mn);裝甲運兵車6XXX Al-Mg-Si 合金鎂(Mg)及矽(Si)熱處理型AA6061;Extrusio

17、ns,門窗骨幹7XXX Al-Zn 合金鋅(Zn)熱處理型 AA7075(5.5Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.4Cr)超超杜拉鋁；AA7005;航太結構件、滑雪杖等運動器材8XXX鋰(Li)錫(Sn)熱處理型Al-Li複合材料(MMC)9XXX鋯(Zr)硼(B)3. 2鋁合金的加工或熱處理條件命名法鋁合金析出硬化熱處理程序，實用的析出硬化熱處理程序必須包括下列三個 基本步驟：固溶熱處理(solution treatment) 淬火(quench)時效處理(aging treatment) 固溶處理係指將材料生溫至固溶體單相區(qū)一段時間，以便讓溶質(zhì)全部溶入基 地而成單一a相；淬火係指將固溶處理

18、後的材料迅速冷卻以得飽和固溶體。時效 處理則將此過飽和固溶體放置在恆溫，使其逐漸析出析出物而造成性質(zhì)上的變 化。此恆溫若為室溫則稱為自然時效(natural aging),若在叫高溫爐中進行則稱之為人工時效(artificial aging)。符號狀態(tài)FAs fabricated :表示如製造狀態(tài)未施行任何熱處理或冷加工OAnnealed :表示退火至最低強度水平之鍛製品，及經(jīng)退火增加延展性及尺寸安定性之鑄造品WSolution heat treated :表示僅固溶體處理後自然時效W1/2 hr，不穩(wěn)疋回火，固溶熱處理後行常溫自然時效HStrain Hardened :表示經(jīng)加工變形之鍛製品

19、，加工硬化狀態(tài)-H1n表示僅受應變硬化（Stra in-harde ned）-H2n表示受應變硬化後，再行部份退火-H3n表示受應變硬化後，再行安定化處理（類似H2n，但僅對5XXX系列鋁鎂合金而言）n=2為20 %常溫加工（1/4硬質(zhì)，quarter hard）n=4為40%常溫加工（1/2硬質(zhì)，half hard ）n=6為60%常溫加工（3/4硬質(zhì)）n=8為80%常溫加工（全硬質(zhì)，full hard ）n=9為90 %常溫加工（特別硬質(zhì)，extra hard ）T表示行固溶熱處理後，再行時效使安疋化(Heat treated to produce stable tempers other

20、 than F . O . or H)T-1表示鑄造或擠型後，行室溫自然時效至安定狀態(tài)T-2表示鑄造或擠型後，施行完全退火T-3表示固溶熱處理後，行常溫加工以增加強度T-4表示固溶熱處理、淬火後，再施行常溫時效至安定狀態(tài)T-5表示僅施做人工時效（其前不做固溶熱處理）T-6表示固溶熱處理、淬火後，再施行低溫人工時效T-7表示固溶熱處理後，再行安定化T-8表示先固溶熱處理、淬火、行常溫冷加工後，再施行低溫人工時效T-9表示固溶熱處理、淬火、先行低溫人工時效後，再行常溫加工T-10表示僅施做人工時效後，即行常溫加工TX-51固溶體處理後用伸張的方法消除內(nèi)部應力TX-52固溶體處理後用壓縮的方法消除內(nèi)

21、部應力TX-53用伸張及壓縮的方法消除內(nèi)部應力4 . 3鋁合金的特性質(zhì)輕：鋁的比重為鋼鐵的三分之一，在運輸工具及自動化設備上扮演極重要 的角色。強度：利用各種合金之添加和軋延、鍛壓及不同等級之熱處理製程，可產(chǎn)生 之強度達HB25 ? HB167 ?之各種鋁合金產(chǎn)品。耐蝕性：鋁在自然環(huán)境中，表面會自然形成薄層之氧化膜，可阻絕空氣中之 氧避免進一步氧化，具有優(yōu)良之耐蝕性。鋁表面如再經(jīng)各種不同之處理，其耐蝕 性更佳，可適用於較為惡劣之環(huán)境。成形性：利用完全退火或局部退火可產(chǎn)生較為軟質(zhì)之鋁合金，適用於各種成 形加工及折彎、沖壓、深沖等加工。導電性：鋁的導電性為銅之60%，但重量僅為銅的三分之一，相同重

22、量之鋁 其導電度為銅之二倍，故以導電度計算，鋁的成本遠低於銅。導熱性：鋁的熱傳導性極佳，故在電器、電子散熱系統(tǒng)及家庭五金，熱交換 器上被廣汎使用。加工性：鋁的加工特性佳可被加工成棒、線、擠型、片、板、塑型材，供各 種用途使用。尤其2XXX/6XXX/7XXX 等系列鋁合金，可做精密車、銑，被廣泛 用於航太、電子、機械零組件、自動化生產(chǎn)及高科技設備等。耐熱性：一般鋁合金均不耐高溫，且在高溫狀態(tài)下會產(chǎn)生變形，但在研究人 員的努力下，已研發(fā)出可耐高溫達 427 E不變形的新鋁合金材料。無毒性：鋁不具毒性，在食品容器及食品包裝材料如鋁罐、鋁箔包(利樂包). 應用極多。環(huán)保性：鋁之價格較一般鐵、鋼材高，

23、但易於回收重熔使用，為目前最環(huán)保 之金屬材料。表面處理：鋁具有優(yōu)良之表面處理性，包括陽極處理、塗覆、電鍍 .尤其陽 極處理可利用不同之化學染劑產(chǎn)生各種色彩及及高硬度之皮膜。無低溫特性：鋁在超低溫之狀態(tài)下，無一般碳鋼的脆化問題。四、 銅合金銅合金主要分成黃銅、紅銅、磷青銅和洋白銅，主要因其化學成份差異而造 成外觀色澤上的不同而命名。下面整理各主要銅合金的特性：4.1黃銅黃銅系列產(chǎn)品之規(guī)格、成份、特性及用途種類質(zhì)別化學成份(%)機械性質(zhì)特性與用途銅Cu鐵Fe鉛Pd鋅Zn抗拉 強度伸長 率%硬度測試HVC2600O68.571.50.05<0.05<餘量28>40>90<

24、;特性：延展性、電鍍性、沖製加工 性佳。用途：電器品、裝 飾品、端子等。1/4H68.571.50.05<0.05<餘量334235>901101/2H68.571.50.05<0.05<餘量364528>1101353/4H68.571.50.05<0.05<餘量404815>130145H68.571.50.05<0.05<餘量4255-140160EH68.571.50.05<0.05<餘量53>-160>SH68.571.50.05<0.05<餘量60>-180>C2680

25、O64.068.00.05<0.05<餘量28>40>90<特性：延展性、電鍍性、沖製加工 性佳。用途：電器品、裝 飾品、端子等。1/4H64.068.00.05<0.05<餘量334235>901101/2H64.068.00.05<0.05<餘量364528>1101353/4H64.068.00.05<0.05<餘量404815>130145H64.068.00.05<0.05<餘量4255-140160EH64.068.00.05<0.05<餘量53>-160>SH6

26、4.068.00.05<0.05<餘量60>-180>4.2紅銅紅銅系列產(chǎn)品之規(guī)格、成份、特性及用途種類質(zhì)別化學成份（）機械性質(zhì)導電率(%)Electric 2 0 CCon ductivity特性與用途銅Cu磷P抗拉 強度伸長率%硬度測試HVC1020無氧銅O99.96>-20>35>70<97>特性：電導性、傳 熱性、耐蝕性佳。 用途:散熱片、接 線端子等高導電 導熱材料。1/4H99.96>-222825>658597>1/2H99.96>-253215>8010097>H99.96>-28&

27、gt;-100>97>C1100軔煉銅O99.90>-20>35>70<97>特性：電導性、傳 熱性、耐蝕性佳。 用途:端子、電器 品、化學工業(yè)、建 築業(yè)。1/4H99.90>-222825>658597>1/2H99.90>-253215>8010097>H99.90>-28>-100>97>C1201磷脫酸銅O99.90>0.0040.01520>35>70<90>特性：電導性、傳 熱性、耐蝕性佳。 用途:端子、電器 品、化學工業(yè)、建 築業(yè)。1/4H99.90

28、>0.0040.015222825>658590>1/2H99.90>0.0040.015253215>8010090>H99.90>0.0040.01528>-100>90>C1220磷脫酸銅O99.90>0.0150.04020>35>70<80>特性：電導性、傳 熱性、耐蝕性佳。 用途:端子、電器 品、化學工業(yè)、建 築業(yè)。1/4H99.90>0.0150.040222825>658580>1/2H99.90>0.0150.040253215>8010080>H99.90>0.0150.04028>-100>80>4.3磷青銅磷青銅系列產(chǎn)品之規(guī)格、成份、特性及用途種類質(zhì)別化學成份()機械性質(zhì)特性與用途銅+錫+磷Cu+Sn+P鐵Fe鉛Pd鋅Zn抗拉 強度伸長 率%硬度測試HVC51911/2H99.5>-506220>150170特性：延展性、耐勞 性、耐蝕