第1章　工程材料導論

1.1　常用金屬材料

1.1.1　碳素鋼

含C質量分數小于2.11％的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。碳素鋼中除含有Fe（鐵）、C（碳）元素以外，還含有少量Mn（錳）、Si（硅）、S（硫）、P（磷）等雜質元素。碳素鋼由于其價格低廉，容易生產，并通過不同的熱處理方法可改變其力學性能，因此能滿足工業生產上的很多要求，所以廣泛應用于建筑、交通運輸及機械制造工業中。

1.化學成分對碳素鋼組織與性能的影響

（1）C（碳）的影響　C是影響碳素鋼的組織和性能的主要元素。在鋼中C主要以滲碳體（Fe3C）的形式存在。當鋼中含C質量分數等于或小于1.0％時，隨著含C質量分數的增加，鐵素體減少，珠光體增加，又由于層片狀滲碳體起著強化作用，因此，致使鋼的強度、硬度上升，而塑性、韌性下降，如圖1.1.1所示。但是，當鋼中含C質量分數大于1.0％后，鋼中出現網狀滲碳體，隨著含C質量分數增加，盡管鋼的硬度直線上升，但由于脆性增大，強度反而下降。鋼中含C質量分數愈大，滲碳體網愈密，所以高碳鋼的性能硬而脆。

（2）Mn（錳）和Si（硅）　Mn（錳）和Si（硅）在鋼中是有益元素，來源于煉鋼材料——生鐵和脫氧劑中的錳鐵。在室溫下，Mn和Si能熔于鐵素體，對鋼有一定的固溶強化作用。同時，Mn具有一定的脫氧和脫硫能力，能使鋼中的FeO還原成Fe，又可與S生成MnS，減輕S的有害作用。碳素鋼中含Mn質量分數一般在0.25％～0.80％之間，含Si質量分數一般不超過0.40％。

（3）S（硫）和P（磷）　S和P是從煉鋼原料及燃料中帶入鋼中的，是鋼的有害元素。在鋼中，S常以FeS的形式存在。FeS與Fe（鐵）形成低熔點共晶體（熔點980℃），當鋼材在軋制或鍛造時（加熱溫度為800～1250℃），沿著晶界分布的低熔點共晶體呈現熔融狀態。因而，削弱了晶粒之間的連接，使鋼材在熱加工時容易產生裂紋，這種現象稱為熱脆性。鋼中S的含量不超過0.05％。P在結晶時容易形成脆性很大的Fe3P，使鋼在室溫下的塑性和韌性急劇下降，這種現象稱為冷脆性。通常，鋼的含P質量分數限制在0.045％以下。另外，鋼中還含有H（氫）、O（氧）、N（氮）等元素，它們對鋼的力學性能也帶來不利的影響。

2.碳素鋼的分類、牌號及用途

根據用途，碳素鋼一般分為碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼。

（1）碳素結構鋼　碳素結構鋼的含C質量分數一般小于0.38％，而最常用的是含C質量分數小于0.25％的低碳鋼。碳素結構鋼具有較高的強度、良好的塑性與韌性，工藝性能優良，冶煉成本低。因此，廣泛應用于一般建筑、工程結構、普通機械零件制造等。

碳素結構鋼的牌號是由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數值、質量等級符號（A，B，C，D）及脫氧方法符號（F，b，Z，TZ）四個部分按順序組成。質量等級反映了碳素結構鋼中有害元素（S、P）含量的多少，從A級到D級，鋼中S和P的含量依次減少。C級和D級的碳素結構鋼的S和P含量最少，質量好，可用作重要焊接結構件。脫氧方法符號F、b、Z、TZ分別表示沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼。鋼的牌號中“Z”和“TZ”可以省略，如Q215AF表示屈服強度數值為215MPa的A級沸騰鋼。

碳素結構鋼常見的牌號及用途：Q195鋼和Q215鋼通常軋制成薄板、鋼筋等，可用于制作鉚釘、螺釘、地腳螺栓、輕負荷的沖壓零件和焊接結構件等；Q235鋼和Q255鋼用于制作鉚釘、螺釘、螺栓、螺母、吊鉤和不太重要的滲碳件，以及建筑結構中的螺紋鋼、T字鋼、鋼筋等；Q235C鋼和Q235D鋼可用于重要的焊接件；Q275鋼屬中碳鋼，強度高，可部分代替優質碳素結構鋼使用。Q235鋼是用途最廣的碳素結構鋼，屬于低碳鋼，通常熱軋成鋼板、型鋼、鋼管、鋼筋等，因其鐵素體含量多，故其塑性、韌性優良，常用來制造建筑構件，車輛中的軸類、螺釘、螺母、沖壓件、鍛件、焊接件等。

（2）優質碳素結構鋼　優質碳素結構鋼的S、P含量較低（wP≤0.035％），主要用來制造較為重要的機件。依據GB699—1999，優質碳素結構鋼的牌號用兩位數字表示，這兩位數字即是鋼中平均含碳質量分數的萬分數。例如，20鋼表示平均含C質量分數為0.20％的優質碳素結構鋼。對于沸騰鋼則在尾部增加符號F，如10F、15F等。

08、10、15、20、25等牌號屬于低碳鋼。其塑性好，易于拉拔、沖壓、擠壓、鍛造和焊接。其中20鋼用途最廣，常用來制造機罩、焊接容器、銷子、法蘭盤、螺釘、螺母、墊圈、小鈾以及沖壓件、焊接件，有時也用于制造滲碳凸輪、齒輪等。

30、35、40、45、50、55等牌號屬于中碳鋼。因鋼中珠光體含量增多，其強度和硬度較高，淬火后的硬度可顯著增加。其中，以45鋼最為典型，它不僅強度、硬度較高，且兼有較好的塑性和韌性，即綜合性能優良。45鋼在機械結構中用途最廣，常用來制造軸、絲杠、齒輪、連桿、套筒、鍵、重要螺釘和螺母等。

60、65、70、75等牌號屬于高碳鋼。它們具有較高的強度、硬度和彈性，但可焊性、可切削性差，主要用做各種彈簧、高強度鋼絲及其他耐磨件。經過淬火、回火后，不僅強度、硬度提高，特別是彈性優良，因此，常用來制造小彈簧、發條、鋼絲繩、軋輥等。

（3）碳素工具鋼　碳素工具鋼的含C質量分數高達0.7％～1.35％，它們淬火后有高的硬度（>60HRC）和良好的耐磨性，常用來制造鍛工、木工、鉗工工具和小型模具。

碳素工具鋼較合金工具鋼價格便宜，但淬透性和紅硬性差。由于淬透性差，只能在水類淬火介質中才能淬硬，且工件不宜過大和復雜。因紅硬性差，淬火后工件的工作溫度應小于250℃，否則硬度將迅速下降。

碳素工具鋼的牌號以符號“T”起首，其后面的一位或兩位數字表示鋼中平均含C質量分數的千分數。例如，T8表示平均含C質量分數為0.8％的碳素工具鋼（屬優質鋼材）。對于S、P含量更低的高級優質碳素工具鋼，則在數字后面增加符號“A”表示，如T8A。常用的碳素工具鋼為T8、T10、T10A和T12等牌號。在上述牌號中，T8韌性最好，多用于制造承受沖擊的工具，如鏨子、錘子等鍛工工具；T10、T10A硬度較高，且仍有一定韌性，常用來制造鋼鋸條、小沖模等；T12硬度最高，耐磨性好，但脆性大，適用于制造不承受沖擊的耐磨工具，如鋼銼、刮刀等。見表1.1.1。

1.1.2　合金鋼

合金鋼是為改善鋼的某些性能、特意加入一種或幾種合金元素所煉成的鋼。如果鋼中的含Si質量分數大于0.5％，或者含Mn質量分數大于1.0％，也屬于合金鋼。

1.合金結構鋼

合金結構鋼是在優質碳素結構鋼的基礎上加入一些合金元素而形成的鋼種。因加入合金元素較少（大多數小于5％），所以合金結構鋼都屬于中、低合金鋼。合金結構鋼中的主加元素一般為Mn、Si、Cr、B等，這些元素對于提高淬透性起主導作用；輔加元素主要有W、Cu、V、Ti、Ni等。

合金結構鋼的牌號通常以“數字+元素符號+數字”的方法來表示。牌號中起首的兩位數字表示平均含C質量分數的萬分數，元素符號及其后的數字表示所含合金元素種類及其平均含量的質量分數。若合金元素的質量分數小于1.5％，則不標其質量分數。高級優質鋼在牌號尾部增加符號“A”。例如，16Mn、20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAlA等。

合金結構鋼比碳素鋼有更好的力學性能，特別是熱處理性能優良，因此便于制造尺寸較大、形狀復雜或要求淬火變形小的零件。

合金結構鋼都是優質鋼、高級優質鋼（牌號后加“A”字）或特級優質鋼（牌號后加“E”字）。一般按用途及熱處理特點，合金結構鋼可分為：合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼等。

（1）合金滲碳鋼　合金滲碳鋼是指經滲碳淬火、低溫回火后使用的合金鋼。主要用來制造在工作中承受強烈的摩擦損耗，同時又承受較大的交變載荷，尤其是沖擊載荷的機械零件。如汽車、拖拉機中的變速齒輪，內燃機上的凸輪軸、活塞銷等。工作表面應具有很高的硬度（可達60～80HRC）和高的耐磨性，而心部應具有良好的塑性和足夠高的強度。

合金滲碳鋼含C質量分數一般為0.10％～0.25％，以保證心部具有足夠的塑性和韌性；加Cr、Ni、Mn、B等元素主要是提高鋼的淬透性，保證淬火后零件心部的強度和韌性；另外，加入少量的Ti、V、W、Mo等元素，能形成穩定的碳化物，不僅能夠阻止奧氏體晶粒的長大，還能增加滲碳層的硬度，提高耐磨性。合金滲碳鋼的熱處理是滲碳后淬火，再低溫回火。熱處理后滲碳層組織為高碳回火馬氏體和特殊碳化物，硬度為60～62HRC。心部組織與鋼材的淬火性及零件的截面尺寸有關，一般為低碳回火馬氏體或珠光體和鐵素體組織。

應用最廣泛的鋼種是20CrMnTi，大量用于制造承受高速、重載、抗沖擊和耐磨損的零件，尤其是汽車、拖拉機上的重要零件。

（2）合金調質鋼　合金調質鋼是指經調質（淬火+高溫回火）處理后使用的鋼。主要用于制造在重載荷作用下，同時又受沖擊載荷作用的零件，如拖拉機、汽車、機床等機器上的用于傳遞動力的軸、連杠、齒輪、螺栓等。

調質件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復雜。所以調質件應具有良好的綜合力學性能，既具有高的強度，同時又具有良好的塑性和韌性。一般要求合金調質鋼的含C質量分數為0.25％～0.50％。含C質量分數過低，不易淬硬，回火后強度不夠；含C質量分數過高則韌性不夠。主加合金元素為Cr、Mn、Ni、Si、B等，主要是用來提高合金調質鋼的淬透性，并在合金調質鋼中形成合金鐵素體，提高鋼的強度。輔加合金元素為Ti、V、Mo、W等，主要在合金調質鋼中形成穩定的合金碳化物，阻止奧氏體晶粒長大及細化晶粒，并防止回火脆性。典型的鋼種有：40Cr廣泛用于制造一般尺寸的重要零件；35CrMo用于制造截面較大的零件，例如曲軸、連桿等；40CrNiMn用于制造大截面、重載荷的重要零件，如汽輪機主軸、葉輪、航空發動機軸等。

（3）合金彈簧鋼　合金彈簧鋼是一種專用結構鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。彈簧是利用彈性變形吸收能量來緩和振動和沖擊，或依靠彈性儲能來起驅動作用。因此，彈簧應具有高的彈性極限，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力和較大的承載能力；具有高的抗疲勞強度，以防止在振動和交變應力作用下產生疲勞斷裂；足夠的塑性和韌性，以避免受沖擊時脆斷。此外，合金彈簧鋼還要求有較好的淬透性，不易脫碳和過熱，容易繞卷成形等。一些特殊合金彈簧鋼還要求具有耐熱性、耐蝕性等性能。

合金彈簧鋼含C質量分數較高，一般在0.45％～0.7％之間，以保證高的彈性極限和疲勞極限；加入Si、Mn、Cr等合金元素來提高鋼的淬透性，同時也提高了彈性極限；加入W、Mo、V等元素來提高鋼的回火穩定性。

合金彈簧鋼大致分兩類：一類是以Si、Mn為主要合金元素的彈簧鋼，典型鋼種有65Mn和60Si2Mn等，這類鋼的價格便宜，淬透性明顯優于碳素彈簧鋼，主要用于汽車、拖拉機的板簧和螺旋彈簧等；另一類是含Cr、V、W等元素的合金彈簧鋼，典型鋼種是50CrVA，用于制造在350～400℃溫度下承受重載的較大彈簧，如閥門彈簧、高速柴油機的氣門彈簧等。

彈簧鋼的熱處理一般是淬火后中溫（450～550℃）回火，獲得回火屈氏體組織。截面尺寸大于8mm的大型彈簧常在熱態下成形，即把鋼加熱到比淬火溫度高50～80℃時熱卷成形，利用成形后的余熱立即淬火和中溫回火；截面尺寸小于8mm的彈簧常采用冷拉鋼絲冷卷成形，通常也進行淬火與中溫回火或去應力退火處理。

（4）滾動軸承鋼　滾動軸承鋼主要用來制造滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱、滾針）和內、外套圈。從化學成分上看，滾動軸承鋼屬于工具鋼，所以也用于制造精密量具、冷沖模、機床絲杠等耐磨件。

滾動軸承在工作時承受很大的交變載荷和極大的接觸應力，受到嚴重的摩擦磨損，并受到沖擊載荷的作用。因此，軸承鋼必須具有高而均勻的硬度和耐磨性、高的接觸疲勞強度、足夠的韌性和淬透性。此外，還要求在大氣和潤滑介質中有一定的耐蝕能力和良好的尺寸穩定性。滾動軸承鋼含C質量分數要求較高，一般為0.95％～1.15％，目的是保證軸承鋼的高硬度、高耐磨性和高強度；加入提高淬透性的合金元素Cr（一般為0.40％～1.65％），并且形成合金滲碳體，以提高鋼的耐磨性及疲勞強度；加入Si、Mn、V等元素進一步提高淬透性，同時V元素溶于奧氏體中，形成碳化物VC，可以提高鋼的耐磨性并防止過熱，便于制造大型軸承。滾動軸承鋼的牌號由“G（表示滾）+Cr（鉻）+數字”組成，數字表示Cr質量分數的千分之幾，C的質量分數不標出。我國以鉻軸承鋼應用最廣，最典型的是GCr15，除制造軸承外也常用來制造冷沖模、量具、絲錐等。

2.合金工具鋼

合金工具鋼主要用來制造刃具、模具和量具。其合金元素的主要作用是增加鋼的淬透性、耐磨性及紅硬性。與碳素工具鋼相比，它適合制造形狀復雜、尺寸較大、切削速度較高或工作溫度較高的工具和模具。

合金工具鋼按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼及合金量具鋼。合金工具鋼的牌號與合金結構鋼類似，不同的是以一位數字表示平均含C質量分數的千分數，當含C質量分數超過1％時，則不標出。如9Cr2的平均含C質量分數為0.9％，CrWMn的平均含C質量分數為1.0％。合金元素的表示方法與合金結構鋼相同，但由于合金工具鋼都是高級優質鋼，故牌號后不標“A”。

（1）合金刃具鋼　合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量的合金元素（小于5％）而制成的。主要用于制造各種在低速下切削、形狀復雜、截面尺寸較大的金屬切削刀具，如銑刀、車刀、鉆頭等。合金刃具鋼切削時受切削力的作用，使刃部和切屑之間產生強烈摩擦，刃部溫度可達500～600℃，同時還要承受一定的振動和沖擊。因此，合金刃具鋼應具有較小的淬火變形，很高的強度、硬度和耐磨性，較高的熱硬性（300℃），足夠的塑性和韌性。

合金刃具鋼的含C質量分數一般為0.8％～1.05％，以保證鋼淬火后有足夠的硬度和耐磨性。另外，材料中加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素，Cr、Mn、Si元素主要提高鋼的淬透性，Si還能提高鋼的回火穩定性；W、V等元素在鋼中形成穩定的碳化物，能提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持細小的晶粒組織。

典型合金刃具鋼的牌號是9SiCr，適于制造各種變形要求小、轉速較低的薄刃切削刀具，如板牙、絲錐、鉆頭、鉸刀、齒輪銑刀、拉刀等，也常作冷沖模。Cr06常用來制作剃刀、刀片、手術刀具以及刮刀、刻刀等。

合金刃具鋼熱處理與碳素工具鋼基本相同。預先熱處理是球化退火，目的是為了降低硬度有利于切削，并能細化晶粒，并為最終熱處理做準備；最終熱處理為淬火加低溫回火；熱處理后組織為細回火馬氏體、粒狀合金碳化物及少量的殘余奧氏體，一般硬度為60～65HRC。

（2）合金模具鋼　合金模具鋼按其工作條件不同可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。

冷作模具鋼主要用來制造各種冷沖模、冷墩模、冷擠壓模和拉絲模等，工作溫度為200～300℃。冷作模具鋼應具有很高的硬度、高耐磨性，足夠的強度和韌性；另外，還要求其熱處理變形小，以保證模具的加工精度。尺寸較大、精度要求較高的冷作模具可選用低合金含量的冷作模具鋼9Mn2V和CrWMn等，也可采用刃具鋼9SiCr或軸承鋼GCr15等；承受重負荷、生產批量大、形狀復雜、要求淬火變形小、耐磨性高的大型模具，則必須選用淬透性高的高鉻、高碳的Cr12型冷作模具鋼或高速鋼。

熱作模具鋼用于制作熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模和壓鑄模等，工作時型腔表面溫度可達600℃以上。熱作模具鋼在高溫下應具有足夠的強度、韌性和耐磨性，高的抗氧化性和高的熱硬性，良好的耐熱疲勞性（即在反復的受熱、冷卻循環中，表面不易熱疲勞），還應具有良好的導熱性及高的淬透性。熱作模具鋼對韌性要求高而對熱硬性要求不太高，常用鋼種有5CrNiMo、5CrMnMo及3Cr2W8V等。大型鍛壓模或壓鑄模采用含C質量分數較低、合金元素較多和熱硬性很好的模具鋼（如4Cr5MoSiV1）。熱作模具鋼具有較高的硬度、耐磨性和韌性，廣泛用于制造模鍛錘的鍛模、熱擠壓模和鋁、銅及其合金的壓鑄模等。

塑料模具包括塑料模和膠木模等，它們都是在不超過200℃的低溫加熱狀態下，用來將細粉或顆粒狀塑料壓制成形。塑料模具在工作時，持續受熱、受壓，并受到一定程度的摩擦和有害氣體的腐蝕，因此塑料模具鋼主要要求在200℃時具有足夠的強度和韌性，并具有較高的耐磨性和耐蝕性。常用的塑料模具鋼主要為3Cr2Mo，主要用于制作中型模具。除此以外，尺寸較小、形狀簡單的塑料模具可用碳素工具鋼（如T12、T12A）制造；小型、復雜的塑料模具可用碳素結構鋼及合金結構鋼（如45鋼、40Cr鋼）來制造；中、大型塑料模具可用合金工具鋼（9Mn2V，CrWMn，Cr12等）制造；尺寸較大、形狀復雜的模具可用Cr12和Cr12MoV等鋼來制造。

（3）合金量具鋼　合金量具鋼主要用來制造各種在機械加工過程中控制加工精度的測量工具，如卡尺、千分尺、螺旋測微儀和塊規等。由于量具在使用過程中要求測量精度高，不能因磨損或尺寸不穩定而影響測量精度，所以合金量具鋼應具有很高的硬度（大于56HRC）和耐磨性以及高的尺寸穩定性。此外，合金量具鋼還需要有良好的磨削加工性，使量具能達到小的表面粗糙度。形狀復雜的量具還要求淬火變形小。

量具沒有專門的鋼種，碳素工具鋼、合金工具鋼和滾動軸承鋼都可以制造量具。但精度要求高的量具，一般選用耐磨性和硬度較高的微變形合金工具鋼，如CrMn和CrWMn等。GCr15鋼具有很高的耐磨性和較好的尺寸穩定性，也常用于制造高精度塊規、螺旋塞頭、千分尺等。對于在腐蝕介質中工作的量具，則可選用不銹鋼如9Cr18和4Cr13等來制造。

（4）高速工具鋼　高速工具鋼（簡稱高速鋼）用于制造高速切削刃具，有鋒鋼之稱。高速鋼要求具有高強度、高硬度、高耐磨性以及足夠的塑性和韌性。由于在高速切削時，其溫度可高達600℃，因此，如果此時其硬度仍無明顯下降，即要求高速鋼具有良好的熱硬性。

高速鋼屬于高碳鋼，含C質量分數一般為0.75％～1.6％，目的是形成足夠的合金碳化物。鋼中加入大量的W、V、Mo及較多的Cr等元素，其中W、Mo、V元素主要是提高鋼的熱硬性及耐磨性，Cr元素主要是提高鋼的淬透性。高速鋼主要有鎢系和鎢鋁系兩類。鎢系高速鋼以W18Cr4V為代表，其特點是通用性強，具有適當的耐磨性和熱硬性、過熱與脫碳的傾向較小、淬透性高，并具有良好的韌性和磨削加工性，廣泛用于制造工作溫度在600℃以下的復雜刀具，如拉刀、銑刀、機用絲錐等。鎢鋁系以W6Mo5Cr4V2應用最廣，其Cr元素和V元素的含量較高，對應耐磨性高；組織中Mo元素的碳化物細小，提高了鋼的韌性；其熱硬性比W18Cr4V稍差，過熱與脫碳傾向較大；W6Mo5Cr4V2廣泛用于承受沖擊力較大的刃具，如插齒刀、鉆頭等。

3.特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理化學性能并可在特殊環境下工作的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼及低溫用鋼等。特殊性能鋼的牌號與合金工具鋼基本相同，但當含C質量分數小于等于0.08％和小于等于0.03％時，在牌號前分別冠以“0”及“00”，例如0Cr19Ni9、00Cr30Mo2等。

（1）不銹鋼　不銹鋼通常是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而在一些酸堿類化學介質中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。一般不銹鋼不一定具有抵抗酸堿介質腐蝕的性質，但耐酸鋼一般都具有良好的耐蝕性。

不銹鋼主要用來制造在各種腐蝕介質中工作并具有較高抗腐蝕性的零件或構件，例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵，醫療手術器械，防銹刀具和量具等。

不銹鋼的主要性能要求是耐腐蝕性。另外，還要其具有合適的力學性能，良好的冷、熱加工性和焊接工藝性。腐蝕按性質不同有化學腐蝕和電化學腐蝕之分。化學腐蝕是金屬材料同外界介質發生化學反應而引起的腐蝕；電化學腐蝕是指金屬材料在電解質溶液中發生原電池作用而產生的腐蝕，金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕。

通常鋼的耐蝕性要求越高，其含C質量分數要求就越低，所以大多數不銹鋼含C質量分數為0.1％～0.2％，但用于制造刀具和滾動軸承等的不銹鋼含C質量分數要求較高（一般為0.85％～0.95％）。不銹鋼中通常加入的合金元素有Cr、Ni、Ti、Mo、V等。其中，Cr是不銹鋼具有耐蝕性的基本合金元素，隨著Cr含量的增加，電極電位急劇增加，當含Cr質量分數大于11.7％時，在鋼的表面形成致密氧化膜，使鋼的耐蝕性大大提高；加入Cr、Ni等合金元素，能提高金屬的電極電位，減少原電池間的電位差，使腐蝕速度降低，從而提高金屬的耐蝕性；Ti元素能形成穩定碳化物，使Cr保留在基體中，從而減輕鋼的晶界腐蝕傾向；Mo等合金元素可增加鋼鈍化能力，提高鋼在非氧化酸中的耐蝕性和抗晶間腐蝕能力。根據不銹鋼的組織特征，一般地，可將不銹鋼分為馬氏體型不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼三種類型。

①馬氏體型不銹鋼　馬氏體型不銹鋼即常規Cr13不銹鋼，其中含Cr質量分數約為13％，含C質量分數約為0.1％～0.4％。因C及Cr含量都很高，淬火后組織為馬氏體，故這類鋼有較高的強度、耐磨性和耐蝕性。常用的有1Cr13、2Cr13、3Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2等鋼；為改善不銹鋼的耐蝕性及力學性能還可加入Mo、V、Si、Cu等合金元素。在不銹鋼中，隨著含C質量分數的增高，鋼的強度、硬度及耐磨性提高，但耐蝕性下降。

馬氏體型不銹鋼因具有很好的力學性能、熱加工性和切削加工性而得到廣泛應用。一般來說，含C質量分數較低的1Cr13和2Cr13等鋼，用來制造力學性能要求較高，又有一定耐蝕性的零件，如汽輪機葉片、熱裂設備配件、鍋爐管附件等；為獲得良好的綜合力學性能，其熱處理通常為淬火加高溫回火獲得回火索氏體組織。3Cr13和4Cr13鋼，由于含C質量分數高，耐蝕性有所下降，但強度高；這兩種鋼一般通過淬火加低溫回火獲得回火馬氏體組織，可用于制造醫療機械、刃具、熱油泵軸等不銹鋼工具。

②鐵素體型不銹鋼　這類鋼含Cr質量分數為17％～30％，含C質量分數低于0.15％。工業上常用的鐵素體型不銹鋼有1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28、1Cr25Ti、1Cr17Mo2Ti等鋼，即所謂Cr17型鋼。由于Cr17型鋼的Cr含量高，鋼的組織為單相鐵素體，使耐蝕性比Cr13不銹鋼高得多。Cr17型鋼中加入Ti元素能細化晶粒，改善韌性和焊接性。

Cr17型鋼都是在退火及正火狀態下使用，因此不能利用馬氏體相變來強化；另外這類鋼的強度較低，塑性和焊接性較好。因此Cr17型鋼主要用于制造對力學性能要求不高而耐蝕性要求較高的構件及零件（如化工設備、容器和管道等）。

③奧氏體型不銹鋼　在含Cr質量分數為18％的鋼中加入約8％～11％的Ni元素，就是18-8型奧氏體不銹鋼，其最典型的代表是1Cr18Ni9Ti鋼。由于Ni的加入，擴大了奧氏體區的范圍而獲得穩定的單相奧氏體組織，因而18-8型鋼具有比鉻不銹鋼更高的化學穩定性及耐蝕性，是目前應用最多、性能最好的一類不銹鋼。

奧氏體型不銹鋼在450～850℃時，在晶界處析出碳化物，從而使晶界附近的含Cr質量分數小于11.7％，這樣晶界附近就容易引起腐蝕，稱為晶間腐蝕。產生晶間腐蝕的鋼，稍受力即沿晶界開裂或粉碎。防止晶間腐蝕的主要方法有：降低含C質量分數（<0.06％），使鋼中不形成鉻的碳化物；加入能形成穩定碳化物的元素Ti等，使鋼中優先形成TiC而不形成Cr的碳化物，以保證奧氏體中的含Cr量。

鎳鉻奧氏體不銹鋼在淬火狀態下塑性很好（δ=40％），適于各種冷塑性變形。鎳鉻奧氏體不銹鋼對加工硬化很敏感，因此，這類鋼唯一的強化方法是加工硬化，硬化后強度可由600MPa提高到1200～1400MPa，伸長率為δ=10％。這類鋼的切削加工性很差，因其塑性和韌性很好，切削時易粘刀，又易產生加工硬化，加上導熱性差，故加工時刃具易磨損。

（2）耐熱鋼　耐熱鋼是指在高溫下具有高的化學穩定性和熱強性（熱強性是指在高溫下的強度）的特殊鋼。耐熱鋼要求具有很高的耐熱性（鋼的耐熱性是指高溫抗氧化和高溫強度的綜合性能），此外還應具有良好的物理性能，較好的韌性、導熱性以及良好的加工工藝性能等。耐熱鋼主要用于制造化工機械、石油裝置、熱工動力機械和加熱爐等高溫條件下工作的構件。耐熱鋼為中、低碳合金鋼，合金元素有Cr、Ni、Mo、Mn、Si、Al、W、V等。加入Cr、Si和Al，在鋼的表面形成完整、穩定的氧化膜，提高鋼的抗氧化性；加入Mo、W、V、Ti等合金元素，在鋼中形成細小彌散的碳化物，起彌散強化作用，可提高鋼的高溫強度。耐熱鋼按正火狀態下的組織不同可分為珠光體型耐熱鋼、馬氏體型耐熱鋼和奧氏體型耐熱鋼。

①珠光體型耐熱鋼　珠光體型耐熱鋼在450～600℃范圍內，按含C質量分數及應用特點可分為低碳耐熱鋼和中碳耐熱鋼。前者主要用于制造鍋爐、鋼管等，常用的鋼牌號有12CrMo、15CrMo、12CrMoV等；后者則用來制造耐熱緊固件、汽輪機轉子、葉輪等，常用的鋼牌號有25Cr2MoVA、35Cr2MoV等。

②馬氏體型耐熱鋼　馬氏體型耐熱鋼常用的鋼種有Cr12型鋼和Cr13型鋼。這類鋼含有大量的Cr元素，抗氧化性及熱強性都很高，淬透性也很好。這種鋼工作溫度達450～620℃，多用于制造工作環境溫度在620℃以下的零件，如汽輪機葉片等。

③奧氏體型耐熱鋼　奧氏體型耐熱鋼切削加工性差，但由于其耐熱性、可焊性、冷作成形性較好，故也得到廣泛的應用。常用奧氏體型耐熱鋼的牌號為1Cr18Ni9Ti，它是奧氏體型不銹鋼，同時又有高的抗氧化性（400～900℃），并在600℃時還具有足夠的強度。奧氏體耐熱鋼常用于制造一些比較重要的零件，如燃氣輪機輪盤和葉片等。

（3）耐磨鋼　耐磨鋼是指在巨大壓力和強烈沖擊載荷作用下才能發生硬化現象的高錳鋼。耐磨鋼主要用于制造運轉過程中承受嚴重磨損和強烈沖擊的零件，如坦克、拖拉機的履帶、碎石機領板、鐵路道岔、挖掘機鏟斗的斗齒以及防彈鋼板、保險箱鋼板等。高錳鋼主要成分為Fe、C和Mn，一般含C質量分數為0.9％～1.3％，含Mn質量分數為11％～14％。含C質量分數較高可以提高耐磨性。在GB5680—1998中列出了高錳鋼的牌號及成分等，常用的高錳鋼有ZGMn131～ZGMn135，其鑄態組織是奧氏體和碳化物，經過水韌處理，即加熱到1050～1100℃，使碳化物全部溶入奧氏體中，然后在水中快冷，防止碳化物析出，保證高錳鋼結構中為均勻單相奧氏體組織，從而使其具有高強度、高韌性和耐沖擊的優良性能。然而在工作時，如受到強烈的沖擊、壓力與摩擦，則表面因塑性變形會產生強烈的加工硬化，從而使高錳鋼表面硬度提高到500～550HBS，因而高錳鋼可獲得高的耐磨性，而其心部仍保持原來奧氏體所具有的高塑性和高韌性，當舊的表面磨損后，新露出的表面又可以在沖擊與摩擦作用下，獲得新的耐磨層。故這種鋼具有很高的抗沖擊能力與耐磨性，但在一般機器工作條件下它并不耐磨。

高錳鋼極易產生加工硬化，使切削加工困難，大多數高錳鋼零件是采用鑄造成形。

1.1.3　常用鑄造合金

下面介紹各種鑄鐵的組織、性能、生產特點及其應用，同時，簡單介紹鑄鋼和鑄造銅、鋁合金。鑄鐵是極其重要的鑄造合金，它大量用于制造機器設備。白口鑄鐵極硬且脆，難以機械加工，很少用它制造機器零件，在工業中大量應用的是灰口鑄鐵?；铱阼T鐵中的碳除微量溶入鐵素體外，大部以石墨形式存在，因斷口呈灰色，故而得名。依據石墨形狀的不同，灰口鑄鐵又分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等多種。

1.灰鑄鐵

灰鑄鐵是指具有片狀石墨的鑄鐵，是應用最廣的鑄鐵，其產量占鑄鐵總產量的80％以上。

（1）灰鑄鐵的性能　灰鑄鐵的顯微組織由金屬基體和片狀石墨所組成（見圖1.1.2），相當于在純鐵或鋼的基體上嵌入了大量石墨片。石墨的強度、硬度、塑性極低，因此可將灰鑄鐵視為布滿細小裂紋的純鐵或鋼。由于石墨的存在，減少了承載的有效面積，石墨的尖角處還會引起應力集中，因此，灰鑄鐵的抗拉強度低，塑性、韌性差，通常σb僅為120～250MPa，δ、ak接近于零。顯然，石墨愈多、愈粗大、分布愈不均，其力學性能愈差。必須看到，灰鑄鐵的強度受石墨的影響較小，并與鋼相近，這對于灰鑄鐵的合理應用甚為重要。

由于灰鑄鐵屬于脆性材料，故不能鍛造和沖壓?；诣T鐵的焊接性能很差，如焊接區容易出現白口組織，裂紋的傾向較大。但是，由于石墨的存在，灰鑄鐵具有如下優越性能：

a.優異的鑄造性能。由于灰鑄鐵的含C質量分數高，接近于共晶成分，熔點比鋼低，液態時流動性好，因而具有良好的鑄造性。

b.優良的減振性。由于石墨對機械振動起緩沖作用，從而阻止振動能量的傳播。灰鑄鐵減振能力為鋼的5～10倍，是制造機床床身、機器底座的好材料。

c.耐磨性好。石墨本身是一種良好的潤滑劑，而石墨剝落后又可使金屬基體形成儲存潤滑油的凹坑，故灰鑄鐵的耐磨性優于鋼，適于制造機器導軌、襯套、活塞環等。

d.缺口敏感性小。由于石墨的存在使金屬基體形成了大量缺口，因此，外來缺口對灰鑄鐵的疲勞強度影響甚微，從而增加了零件工作的可靠性。

e.切削加工性能優良。石墨的存在使鑄鐵在切削加工時容易形成斷屑，因而切削加工性能優于鋼。

（2）影響鑄鐵組織和性能的因素　灰鑄鐵依照其金屬基體顯微組織的不同，可分為珠光體灰鑄鐵、珠光體-鐵素體灰鑄鐵和鐵素體灰鑄鐵三種類型。珠光體灰鑄鐵是在珠光體的基體上分布著均勻、細小的石墨片，其強度、硬度相對較高，常用于制造床身、機體等重要部件。珠光體-鐵素體灰鑄鐵是在珠光體和鐵素體混合的基體上，分布著較為粗大的石墨片，此種鑄鐵的強度、硬度盡管比前者低，但仍可滿足一般機件要求，其鑄造性、減振性均佳，且便于熔煉，是應用最廣的灰鑄鐵。鐵素體灰鑄鐵是在鐵素體的基體上分布著多而粗大的石墨片，其強度、硬度差，故很少應用。

灰鑄鐵顯微組織的不同，實質上是C在鑄鐵中存在形式的不同。灰鑄鐵中的C由化合碳（Fe3C）和石墨碳所組成。含化合碳質量分數為0.8％時，屬珠光體灰鑄鐵；含化合碳質量分數小于0.8％時，屬珠光體-鐵素體灰鑄鐵；當全部C都以石墨狀態存在時，則為鐵素體灰鑄鐵。因此，想要控制鑄鐵的組織和性能，必須控制其石墨化程度。

影響鑄鐵石墨化程度的主要因素是化學成分和冷卻速度。

①化學成分　鑄鐵中的C、Si、Mn、S、P的含量對其石墨化程度有著不同的影響，其中最主要的是C和Si。C既是形成石墨的元素，又是促進石墨化的元素。鑄鐵中含C愈多，析出的石墨數量愈多、愈粗大，基體中的鐵素體增加、珠光體減少；反之，含C越少，石墨析出減少，且細化。Si是強烈促進石墨化的元素，隨著含Si量的增加，石墨顯著增多。實踐證明，若鑄鐵含Si量過少，即使含C量甚高石墨也難以形成?？梢缘贸?，C和Si的作用是一致的，都是促進石墨化的元素，因此，在鑄件壁厚不變的前提下，改變C、Si總含量，可使鑄鐵獲得不同的組織。S會引起鑄鐵的熱脆性，阻礙石墨的析出，增加白口傾向。P會增加鑄鐵的冷脆性，但對石墨化基本沒有影響。S、P都屬于有害雜質，其質量分數一般限制在0.1％～0.15％以下。Mn可部分抵消S的有害作用，并可增加鑄鐵的強度，屬有益元素。但含Mn過多將阻礙石墨的析出，增加鑄鐵的白口傾向，其質量分數通常為0.6％～1.2％。

②冷卻速度　相同化學成分的鑄鐵，若冷卻速度不同，其組織和性能也不同。從圖1.1.3所示的三角形試樣斷口處可以看出，冷卻速度很快的左部尖端處呈銀白色，屬白口組織；冷卻速度較慢的右部呈暗灰色，其心部晶粒較為粗大，屬灰口組織；在灰口和白口的交界處屬麻口組織。這是由于緩慢冷卻時，石墨得以順利析出；反之，石墨的析出受到抑制。為了確保鑄件的組織和性能，必須考慮冷卻速度對鑄鐵組織和性能的影響。鑄件的冷卻速度主要取決于鑄型材料和鑄件的壁厚。各種鑄型材料的導熱能力不同。如金屬型比砂型導熱快，鑄件的冷卻速度快，致使石墨化受到嚴重阻礙，鑄件容易產生白口組織。反之，砂型導熱慢，容易獲得灰口組織，這也是砂型鑄造廣泛用于鑄鐵件生產的重要原因。

在鑄型材料相同的條件下，不同壁厚的鑄件因冷卻速度的差異，鑄鐵的組織也隨之變化，因此，必須按照鑄件的壁厚選定鑄鐵的化學成分和牌號。

（3）灰鑄鐵的牌號及其用途　灰鑄鐵的牌號以其力學性能來表示。依照GB/T 5612—2008（《鑄鐵牌號表示方法》），灰鑄鐵的牌號以“HT”起首，其后以三位數字來表示，其中“HT”表示灰鑄鐵，數字為其最低抗拉強度值。例如，HT200表示以30mm單個鑄出的試棒測出的抗拉強度值200MPa（小于300MPa）。依照GB/T 9439—2009，灰鑄鐵共有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六個牌號。其中，HT100為鐵素體灰鑄鐵，HT150為珠光體-鐵素體灰鑄鐵，HT200和H250為珠光體灰鑄鐵，HT300和HT350為孕育鑄鐵。表1.1.2列出了不同壁厚灰鑄鐵件抗拉強度參考值和用途舉例。

由表1.1.2可見，選擇鑄鐵牌號時必須考慮鑄件的壁厚。例如，某鑄件的壁厚為40mm，要求抗拉強度值為200MPa，此時，應選HT250，而不是HT200。

2.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是20世紀40年代末發展起來的一種鑄造合金，它是向出爐的鐵水中加入球化劑和孕育劑而得到的球狀石墨鑄鐵。

（1）球墨鑄鐵的組織和性能　由于球墨鑄鐵中石墨呈球狀（見圖1.1.4），使石墨對金屬基體的割裂作用進一步減輕，其基體強度利用率可達70％～90％，而灰鑄鐵僅30％～50％，故球墨鑄鐵強度和韌性遠遠超過灰鑄鐵，并可與鋼媲美。如抗拉強度一般為400～600MPa，最高可達900MPa；伸長率一般為2％～10％，最高可達18％。

球墨鑄鐵可通過退火、正火、調質、高頻淬火、等溫淬火等使基體形成不同組織，如鐵素體、珠光體及其他淬火、回火組織，從而進一步改善其性能。此外，球墨鑄鐵還兼有接近灰鑄鐵的優良鑄造性能。

（2）球墨鑄鐵的牌號及應用　球墨鑄鐵的牌號、性能及應用見表1.1.3。牌號中“QT”是“球鐵”拼音字母的首位，后面的兩組數據分別為最低抗拉強度和最小伸長率，例如QT600-3表示最低抗拉強度為600MPa、最小伸長率為3％的球墨鑄鐵。因此，生產中球墨鑄鐵可用于代替鋼制造力學性能要求高、受力復雜的重要零件，如齒輪、曲軸、凸輪軸、連桿等。

3.鑄鋼

鑄鋼也是一種重要的鑄造合金。鑄鋼件的年產量僅次于灰鑄鐵件。

按照化學成分，鑄鋼可分為鑄造碳鋼和鑄造合金鋼兩大類，其中鑄造碳鋼應用較廣，約占鑄鋼件總產量的80％以上。

鑄鋼不僅強度高，并有優良的塑性和韌性，因此適于制造形狀復雜、強度和韌性要求都高的零件。鑄鋼較球墨鑄鐵質量易控制，這在大斷面鑄件和薄壁鑄件生產中尤為明顯。此外，鑄鋼的焊接性能好，便于采用鑄-焊聯合結構制造巨大鑄件，因此，鑄鋼在重型機械制造中甚為重要。如欲使鋼具有耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能，則需加入超過10％的合金元素。例如ZGMn13為鑄造耐磨鋼，常用來制造坦克和推土機的履帶板、火車道岔、破碎機顎板等。又如，ZG1Cr18Ni9為鑄造鎳鉻不銹鋼，這種鋼耐蝕性甚佳，常用來制造耐酸泵等石油、化工用機器設備。

4.銅、鋁合金鑄件

銅、鋁合金具有優良的物理性能和化學性能，因此也常用來制造鑄件。

（1）鑄造銅合金　純銅俗稱紫銅，其導電性、導熱性、耐蝕性及塑性均優良，但強度、硬度低，且價貴，因此極少用它來制造機件。機械上廣泛應用的是銅合金。

黃銅是以Zn為主加元素的銅合金。隨著含Zn質量分數增加，合金的強度和塑性顯著提高，但超過47％之后其力學性能將顯著下降，故黃銅的含Zn質量分數要小于47％。鑄造黃銅除含Zn外，還常含有Si、Mn、Al、Pb等合金元素。鑄造黃銅的力學性能比青銅好，但價格卻較青銅低。鑄造黃銅常用于一般用途的軸瓦、襯套、齒輪等耐磨件和閥門等耐蝕件。

Cu與Zn以外的元素所組成的合金統稱青銅。其中，Cu和Sn的合金是最普通的青銅，稱錫青銅。錫青銅的線收縮率低，不易產生縮孔，其耐磨性和耐蝕性優于黃銅，但易產生顯微縮松，故適用于氣密性要求不高的耐磨、耐蝕件。除錫青銅外，鋁青銅有著優良的力學性能和耐磨、耐蝕性，但鑄造性較差，故僅用于重要的耐磨、耐蝕件。

（2）鑄造鋁合金　鋁合金的密度小，熔點低，導電性、導熱性和耐蝕性均優良，因此也常用來制造鑄件。鑄造鋁合金分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金及鋁鋅合金四類。鋁硅合金又稱硅鋁明，其流動性好、線收縮率低、熱裂傾向小、氣密性好，又有足夠的強度，所以應用最廣，約占鑄造鋁合金總產量的50％以上。鋁硅合金適用于形狀復雜的薄壁件或氣密性要求較高的鑄件，如內燃機汽缸體、化油器、儀表外殼等。鋁銅合金的鑄造性能較差，如熱裂傾向大，氣密性和耐蝕性較差，但耐熱性較好，主要用于制造活塞、汽缸頭等。

1.1.4　有色金屬及其合金

1.Al及其合金

純鋁是銀白色的金屬，密度為2.7g/cm3，熔點為657℃，呈面心立方晶格。純鋁具有良好的導電性和導熱性，塑性也很好，但強度和硬度很低。純鋁不宜用來制作承載重量的結構件，可主要用來制造電線、電纜、強度要求不高的器皿、用具以及配制各種鋁合金等。

我國工業純鋁的牌號是按其純度來編制的，以“L+順序號”表示，如L1、L2、L7。其中“L”為鋁字漢語拼音的第一個字母，其后的序號越大，純度越低。

純鋁的強度很低，但若加入Mn、Mg、Cu、Zn、Si等合金元素，就可以極大地提高其力學性能，而仍保持其密度小、耐腐蝕的優點。一些鋁合金還可以通過熱處理強化，是制作輕質結構零件的重要材料。

工業上應用的鋁合金中，加入的許多合金元素都能與Al形成有限固溶體。這些元素在Al中的溶解度都隨溫度的降低而減少，因此，二元鋁合金一般都具有共晶形狀，由此可將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，在此主要介紹形變鋁合金。形變鋁合金加熱時能形成單相固溶體，塑性高，適于進行壓力加工。形變鋁合金又稱為壓力加工鋁合金或熟鋁合金。根據其主要性能特點，形變鋁合金又可分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁合金等。它們的牌號分別以LF、LY、LC及LD加順序號表示。

（1）防銹鋁合金　防銹鋁合金主要是Al-Mg和Al-Mn合金。這類合金在鍛造退火后呈單相固溶體，故耐蝕性高，塑性好。合金元素Mg和Mn的加入，均起到固溶強化的作用，使合金具有比純鋁高的強度。此外，Mg加入Al中，能使合金的密度降低，使制成的零件比純鋁還輕；Mn加入Al中，能使合金具有很好的抗蝕性。防銹鋁合金為熱處理不可強化鋁合金，只能施以冷變形，產生加工硬化，從而提高其強度、硬度。

（2）硬鋁合金　硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg合金，還含有少量的Mn。合金中加入Cu和Mg是為了形成強化相，在時效時起強化作用。加入Mn主要是為了提高合金的耐蝕性，并有一定的固溶強化作用，但Mn的析出傾向小，不參與時效過程。各種硬鋁均可進行時效強化，也可進行冷作強化，故具有較高的力學性能。但它的耐蝕性比純鋁和防銹鋁低得多。硬鋁合金按合金元素含量及性能不同，又可分為低合金硬鋁、標準硬鋁、高合金硬鋁三類。

低合金硬鋁，如LY1、LY10等。合金中Mg和Cu的質量分數較低，強度低，塑性好，可進行淬火自然時效，但時效速度較慢，主要用于制作鉚釘。

標準硬鋁，LY11為標準硬鋁。合金元素含量中等，強度和塑性均屬中等水平。經退火后工藝性能良好，可以進行冷彎、沖壓等工藝過程；時效后，切削加工性也比較好，主要用于制作中等負荷的結構零件。

高合金硬鋁，如LY12、LY16等。Mg和Cu等合金元素的質量分數較高，強度和硬度較高，但塑性及變形加工性能較差。主要用于制作航空模鍛件和重要的銷、軸等零件。

（3）超硬鋁合金　超硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg-Zn合金，還含有少量的Cr和Mn。常用的牌號有LC4、LC6等。合金元素Zn、Cu、Mg與Al可形成固溶體和多種復雜的強化相。所以，經淬火和人工時效后，可獲得很高的強度和硬度。它是強度最高的鋁合金，但塑性較低，壓力加工性能不好。此外，它的耐蝕性和耐熱性均較差，當工作溫度超過120℃時，就會很快軟化。超硬鋁合金主要用于制造承受重負荷的重要結構件，如飛機大梁、起落架等。

（4）鍛鋁合金　鍛鋁合金主要是Al-Mg-Si-Cu和Al-Cu-Mg-Ni-Fe合金。這類合金中的合金元素種類多，但用量都較少。鍛鋁合金具有良好的熱塑性、鑄造性和較高的力學性能，適于制造形狀復雜、承受重負荷的大型鍛件。

2.Ti及其合金

（1）工業純鈦　Ti在地殼中的蘊藏量僅次于Al、Fe、Mg，居金屬元素中的第四位。尤其在我國Ti資源十分豐富，是一種很有發展前途的金屬材料。Ti的熔點為1667℃，密度為4.5g/cm3，約相當于Fe密度的一半。工業純鈦的力學性能與低碳鋼相似，具有較高的強度和較好的塑性。Ti在常溫下雖為密排六方結構，但由于其滑移系較多，并且還容易出現孿生，因此其塑性比其他密排六方結構的金屬要高，可以直接用于航空產品。常用來制造在350℃以下工作的飛機構件，如超音速飛機的蒙皮、構架等。

（2）Ti及其合金的主要特性　Ti及其合金的性能有以下突出優點。

a.比強度高。工業純鈦強度達350～700MPa，鈦合金強度可達1200MPa，和調質結構鋼相近。由于鈦合金的密度比鋼低得多，因此鈦合金具有比其他金屬材料都高的比強度，這正是Ti及其合金適于用作航空材料的主要原因。

b.熱強度高。Ti的熔點高，再結晶溫度也高，因而Ti及其合金具有較高的熱強度，目前鈦合金使用溫度可達500℃，并在向600℃的溫度發展。

c.抗蝕性。Ti的表面能形成一層致密、牢固的由氧化物和氮化物組成的保護膜，因此具有很好的抗蝕性。Ti及其合金在潮濕空氣、海水、氧化性酸（硝酸、鉻酸等）和大多數有機酸中，其抗蝕性與不銹鋼相當，甚至超過不銹鋼。Ti及其合金作為一種高抗蝕性材料，已在航空、化工、造船及醫療等行業得到廣泛應用。

但是，Ti及其合金還存在一些缺點，使其應用受到一定的限制，它的主要缺點是：

a.切削加工性差。Ti的導熱性差（僅為Fe的1/5，Al的1/13），摩擦因數大，切削時容易升溫，也容易粘刀，因而切削速度低，并降低了刀具壽命，影響了零件表面精度。

b.熱加工工藝性差。加熱到600℃以上時，Ti及其合金極易吸收H2、N2、O2等氣體而使其性能變脆，使得鑄造、鍛壓、焊接和熱處理等工藝都存在一定的困難，Ti的熱加工工藝過程只能在真空或保護氣氛中進行。

c.冷壓加工性差。由于Ti及其合金的屈強比值較高，彈性模量又小，故冷壓加工成形時回彈較大，成形困難，一般須采用熱壓加工成形。

d.硬度較低，抗磨性較差。不宜用來制造要求耐磨性高的零件。隨著化學切削、激光切削、電解加工、超塑性成形及化學熱處理工藝的進展，上述問題將逐步得到解決，鈦合金的應用也必將更加廣泛。

3.Cu及其合金

（1）純銅　純銅呈玫瑰色，當表面形成氧化膜后呈紫紅色，因此稱為紫銅。Cu的密度為8.94g/cm3，熔點為1083℃，無同素異構轉變，無磁性。純銅最突出的特點是導電、導熱性好，僅次于銀，故在電器工業和動力機械中得到廣泛的應用，如用來制造導電線、散熱器、冷凝器等。純銅具有很高的化學穩定性，在空氣、淡水及蒸汽中均有優良的抗蝕性，但在氨、氯鹽及氧化性的硝酸和濃硫酸中的抗蝕性很差，在海水中也易受腐蝕。純銅強度雖不高，但塑性高（伸長率δ約為35％～45％），所以有良好的冷加工成形性。純銅的力學性能不高，故在機械結構零件中使用的都是銅合金。常用的銅合金有黃銅和青銅兩類。

（2）黃銅

①黃銅的分類和編號　黃銅是以Zn為主加元素的銅合金，因含Zn而呈金黃色，故稱黃銅，按其化學成分的不同，分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。普通黃銅是銅鋅二元合金，又稱為簡單黃銅。普通黃銅的牌號以“H+數字”表示，H為“黃”字漢語拼音宇首，數字表示Cu的百分含量，如H80即表示含Cu質量分數為80％和含Zn質量分數為20％的普通黃銅。特殊黃銅是在銅鋅合金中再加入其他合金元素的銅合金，又稱為復雜黃銅。特殊黃銅的牌號用“H+主加元素的化學符號+銅質量分數+主加元素質量分數”表示。如HPb591表示含Cu的質量分數為59％，含Pb的質量分數為1％，其余為Zn。鑄造用黃銅在牌號“H”前加Z（“鑄”字漢語拼音字首）表示，如ZHAl67-2.5表示含Cu質量分數67％，含Al質量分數為2.5％的鑄造鋁黃銅。

②普通黃銅　普通黃銅中Zn的質量分數對其力學性能有顯著的影響。Zn加入Cu中不但使其強度增大，也能使塑性增強。含Zn質量分數增加到30％～32％時，塑性最強，當含Zn質量分數增加到40％～42％時，塑性下降而強度最大。在含Zn質量分數超過45％～47％以后，強度和塑性均劇下降。所以黃銅的含Zn質量分數都低于50％。當黃銅以冷加工狀態使用時，由于其中有殘余內應力存在，在濕氣（特別是含氨的氣體）的作用下，腐蝕易沿著應力分布不均勻的晶界進行，并在應力作用下發生破裂。這一現象因常發生在空氣潮濕的雨季，故亦稱季裂。含Zn質量分數超過20％的黃銅，發生這種現象的可能性更大。為防止季裂的產生，冷加工后的黃銅件須進行消除內應力退火。

③特殊黃銅　特殊黃銅除主加元素Zn外，常加入的其他合金元素如Pb、Al、Mn、Sn、Fe、Ni、Si等，又分別稱為鉛黃銅、鋁黃銅、錳黃銅等。這些元素的加入都能提高黃銅的強度，其中Al、Mn、Sn、Ni等元素還能提高黃銅的抗蝕性和耐磨性。

特殊黃銅可分為壓力加工用和鑄造用兩種。前者加入的合金元素較少，使之能進入固溶體中，以保證較高的塑性；后者不要求高的塑性，目的是提高強度和鑄造性能，故加入的合金元素較多。

（3）青銅　在青銅中使用最早的是銅錫合金，因其外觀呈青黑色，故稱之為錫青銅。近代工業中廣泛應用含Al、Be、Pb、Si等的銅基合金，統稱為無錫青銅。青銅的牌號以“Q”（“青”字漢語拼音首位）為首，其后標出主要的合金元素及其含量。鑄造用青銅，在牌號“Q”前冠以“Z”字，例如ZQSn10表示含Sn質量分數10％的鑄造錫青銅。錫青銅的力學性能隨Sn含量的不同而變化。當含Sn質量分數在5％～6％以下時，Sn溶于銅中形成固溶體，合金的強度隨Sn質量分數的增加而增大，當含Sn質量分數超出5％～6％時，合金組織中出現脆性的化合物，使塑性急劇下降，工業用的錫青銅含Sn質量分數都在3％～14％之間。含Sn質量分數小于8％的錫青銅具有較好的塑性，適用于壓力加工；含Sn質量分數大于10％的錫青銅，由于塑性低，只適于鑄造。錫青銅在鑄造時，由于其流動性差，易于形成分散縮孔，因此鑄造收縮率很小，適于鑄造外形及尺寸要求較嚴的鑄件（如藝術品），但不宜用作要求致密度較高的鑄件。錫青銅對空氣、海水與無機鹽溶液都有極強的抗蝕性，但對氨水、鹽酸與硫酸的抗蝕性卻不夠理想。含Al的錫青銅具有良好的耐磨性，適于用作軸承材料。鋁青銅具有可與鋼相比的強度，其沖擊韌性與疲勞強度都很好，并且具有耐蝕、耐磨、受沖擊時不產生火花等優點。鋁青銅的結晶溫度間隔小，流動性好，鑄造時形成集中縮孔，可獲得致密的鑄件。含Al質量分數較高（大于10％）的鋁青銅，還能通過熱處理方法（淬火與回火）強化。鋁青銅常用來制造齒輪、摩擦片、渦輪等要求高強度、高耐磨性的零件。

鈹青銅是含Be質量分數為1.7％～2.5％的銅合金。因為Be在Cu中的固溶度隨溫度下降而急劇降低，室溫時僅能溶解0.16％，所以鈹青銅可以通過淬火和時效的方法進行強化，而且強化的效果很好。鈹青銅的半成品多在淬火狀態供應，制造零件后不再進行淬火，直接進行時效。鈹青銅在淬火狀態的塑性很高，但切削加工性不好。為了改善切削加工性，可在淬火后先進行一次半時效處理，切削加工后再進行完全時效。鈹青銅在工業上用來制造重要的彈性元件、耐磨零件和其他重要零件，如儀表齒輪、彈簧、航海羅盤、電焊機電極、防爆工具等。