金属材料基础知识.docx

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1、金屬資料一、 序目前廠內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。二、 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、水等弱介質中和硝酸等氧化性介質中，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，在工業中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化學元素約二十多種。對

2、於人們在與腐蝕現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，有馬氏體型、奧氏體型、鐵素體、雙相

3、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；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異的耐蝕性、成型性、相容性以及在很寬溫度範圍內的強韌性等系列特點，所以在重工業、輕工業、生活用品行業以及建筑裝飾等行業中獲取得廣氾的應用。2.2命名規則美國鋼鐵學會是用三位數字來標示各種標準級的可鍛不鏽鋼的。其中：奧氏體型不鏽鋼用200和300系列的數字標示，鐵素

4、體和馬氏體型不鏽鋼用400系列的數字表示。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，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不鏽鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加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

5、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，在各行各業中獲得了廣氾的應用。2.4鐵素體不鏽鋼在使用狀態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

6、熱係數大，膨脹係數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點，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

7、鋼的475脆性以及導熱係數高，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，雙相不鏽鋼具有優良的耐孔蝕性能。2.6馬氏體不鏽鋼為通過熱處理可以調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、外科手術器械。根據化學成分的差異，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

8、：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是奧氏體型的304材質，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不同也可能出現磁性，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不鏽鋼經過冷加工，組織結構也會向馬氏體轉化，冷加工變形度越大，馬氏體轉化越多，鋼的磁性也越大。如同一批號的鋼帶，生產76管，無明顯磁感，生產9.5管。因泠彎變形較大磁感就明顯一些，生

9、產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。這表示如果不鏽鋼帶弱磁性或完全不帶磁性，應判別為304或316材質；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。物理性能：不鏽鋼和碳鋼的物理性能數據對比，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

10、序遞增；線膨脹係數大小的排序也類似，奧氏體型不鏽鋼最高而碳鋼最小；碳鋼、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）大的線膨脹係數，比碳鋼大40，並隨著溫度的升高，線膨脹係數的數值也相應地提高。 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的其它金屬材料相似，其抗

11、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，既有抗氧化或耐氣體介質腐蝕的性能即熱穩定性，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,無熱處理硬化現象,無磁性。廣氾用於家庭用品（1、2類餐具）、櫥櫃、室內管線、熱水器、鍋爐、浴缸、汽車配件、醫療器具、建材、化學

12、、食品工業、農業、船舶部件。SUS304L：奧氏體基本鋼種，用途最為廣氾；耐蝕性和耐熱性優良；低溫強度和機械性能優良；單相奧氏體組織，無熱處理硬化現象（無磁性，使用溫度-196-800）。SUS304Cu：以17Cr-7Ni-2Cu為基本組成的奧氏不鏽鋼；成形性優良，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、肥料生產設備、照相、食品工業、沿海設施。SUS316L：鋼中添加Mo（2-3%），故耐蝕性和高溫強度優良；SUS316L含碳量比SUS316低，因此，抗晶間腐蝕

13、性比SUS316優良；高溫蠕變強度高。可在苛刻的條件使用,加工硬化性，好無磁性。適於海水用設備、化學、染料、造紙、草酸、肥料生產設備、照相、食品工業、沿海設施。SUS321：在304鋼中添加Ti，故抗晶間腐蝕性優良；高溫強度和高溫抗氧性優良；成本高，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575。廣氾用於汽車尾氣排氣系統。SUS409L：控制鋼中的C和N含量，故焊接性、成形性和耐蝕性優良；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T

14、i，750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）；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

15、元素做為區分，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 Al);AA1060 (99.60% Al)2XXXAl-Cu合金銅(Cu)熱處理型AA2014(4.5Cu-0.8Si-0.8Mn-1.5Mg);Forgings3XXXAl-Mn合金錳(Mn)非熱處理型AA3003(1.2Mn);AA3004(stronger,1.2Mn-1.0Mg)4XXXAl-Si合金矽(Si)非熱處理型AA4032(12%Si-1% each Mn,Cu,Ni);汽缸、活塞5XXXAl-Mg合金鎂(Mg)非熱處理型5052(2.5M

16、g-0.5Cr)/5056/5083/5186(4.5Mg-0.5Cr-0.8Mn);裝甲運兵車6XXXAl-Mg-Si合金鎂(Mg)及矽(Si)熱處理型AA6061;Extrusions,門窗骨幹7XXXAl-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.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 treatmen

17、t)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一段時間，以便讓溶質全部溶入基地而成單一相；淬火係指將固溶處理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FAs fabricated：表示如製造狀態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，及經退火增加延展性及尺寸安定性之鑄造品WSolution hea

18、t treated：表示僅固溶體處理後自然時效W1/2 hr，不穩定回火，固溶熱處理後行常溫自然時效HStrain Hardened：表示經加工變形之鍛製品，加工硬化狀態H1n表示僅受應變硬化（Strain-hardened）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，quarter hard）n=4為40常溫加工（1/2硬質，half hard）n=6為60常溫加工（3/4硬質）n=8為80常溫加工（全硬質，full hard）n=9為90常溫加工（特別硬質，extra hard）T

19、表示行固溶熱處理後，再行時效使安定化(Heat treated to produce stable tempers other 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

20、-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部應力TX-52固溶體處理後用壓縮的方法消除內部應力TX-53用伸張及壓縮的方法消除內部應力.鋁合金的特性質輕：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，可產生之強度達HB25HB167之各種鋁合金產品。耐蝕性：鋁在自然環境中，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，具有優良之耐蝕性。鋁表面如再經各種不同之處理，其耐蝕性更佳，可適用於較為惡劣之環境。成形性：利用完全退火或局部退火可產生較為軟質之鋁合金，適用於各

21、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，且在高溫狀態下會產生變形，但在研究人員的努力下，已研發出可耐高溫達427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

22、品包裝材料如鋁罐、鋁箔包(利樂包).應用極多。環保性：鋁之價格較一般鐵、鋼材高，但易於回收重熔使用，為目前最環保之金屬材料。表面處理：鋁具有優良之表面處理性，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黃銅黃銅系列產品之規格、成份、特性及用途種類質別化學成份(%)機械性質特性與用途銅Cu鐵Fe鉛Pd鋅Zn抗拉強度伸長率%硬度測試HVC2600O68.571.50

23、.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。1/4H68.571.50.05<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&

24、lt;0.05<餘量60>-180>C2680O64.068.00.05<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&

25、lt;0.05<餘量53>-160>SH64.068.00.05<0.05<餘量60>-180>4.2紅銅紅銅系列產品之規格、成份、特性及用途種類質別化學成份(%)機械性質導電率(%)Electric 20 Conductivity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>80

26、10097>H99.96>-28>-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、建築業。 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

27、工業、建築業。1/4H99.90>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、建築業。1/4H99.90>0.0150.040222825>658580>1/2H99.90>0.0150.040253215>80

28、10080>H99.90>0.0150.04028>-100>80>4.3磷青銅磷青銅系列產品之規格、成份、特性及用途種類質別化學成份(%)機械性質特性與用途銅+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、耐蝕性佳。用途:電子、電器導線、開關等。3/4H99.5>-160180H99.5>-60708>180200EH99.5>-65>5>200220SH99.5>-220240C26801/2H99.7>

29、0.10<0.05<0.20<486227>150170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。3/4H99.7>0.10<0.05<0.20<-170190H99.7>0.10<0.05<0.20<607220>190210EH99.7>0.10<0.05<0.20<608011>210230SH99.7>0.10<0.05<0.20<75819>2302504.3洋白銅洋白銅系列產品之規格、成份、特性及用途種類質別化學成份(%)

30、機械性質特性與用途銅Cu鎳Ni錳Mn鐵Fe鉛Pd抗拉強度伸長率%硬度測試HVC7521RO62.066.016.519.500.50.25<0.10<375>20>-特性:耐勞性、耐蝕性、耐高溫不變色。用途:電子、繼電器、彈簧接點等。1/2H62.066.016.519.500.50.25<0.10<4405705>120180H62.066.016.519.500.50.25<0.10<540>3>>150C7541RO60.064.012.515.500.50.25<0.10<375>20>-1/2H60.064.012.515.500.50.25<0.10<4405705>120180H60.064.012.515.500.50.25<0.10<540>3>>150C7701REH54.058.016.519.500.50.25<0.10<705805-210260SH54.058.016.519.500.50.25<0.10<765865-230270