论合金成分与性能的关系

论合金成分与性能的关系

合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝青铜工艺就已非常发达；公元前6世纪左右已锻打出锋利的剑。

合金的通性大致有4种：

（1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；

（2)硬度一般比其组分中任一金属的硬度大；

(3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属；

(4)有的抗腐蚀能力强；

合金材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。

合金的性能与各成分金属含量有着密不可分的联系，例如镁铝合金中含有5%镁的铝合金有更强的抗腐蚀性能，但含有50%镁的却很容易被腐蚀等。

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（一）镁合金

在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料广泛应用。镁合金的主要合金元素有Al、Zn和Mn等，在铸造镁合金中铝含量可达到7％～9％，而在变形铝合金中铝含量一般控制在3％～5％。铝含量越高，耐蚀性越好。但是，应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加。锌在镁合金中的固溶度约为6.2％，其固溶度随温度的降低而显著减少。锌可以提高铸件的抗蠕变性能含量大于2.5％时对防腐性能有负面影响，所以原则上锌含量一般控制在2％以下。并且锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高了镁合金的疲劳极限。锰在镁中的极限溶解度为3.4％。在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大，但降低塑性，在镁合金中加入1％～2.5％锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。

除了以上三种元素外，硅可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能；锆可减少热裂倾向和提高力学性能和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性；而稀土元素可显著提高镁合金的耐热性，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能，一般无应力腐蚀倾向，其耐蚀性不亚于其它镁合金。

（二）铁碳合金

钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金，所以其主要组成元素除铁和碳外，还有其它次要元素如硅、锰、磷、硫、铬、钼、钨、铝、铜、钛、钒、镍、镁、钒、硼、氮，还有稀土等等，它们对铁碳合金性能的影响程度大多与其在合金中的质量分数成正比，也就是说碳元素的影响最大，其它次之。

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随着含碳量的增加，铁碳合金的力学性能不断发生的质的飞跃，其阶段性名称是：0~0.0218%工业纯铁，0.0218%~0.77%亚共析钢（0.0218%~0.25%低碳钢，0.25%~0.60%中碳钢，0.60%~0.77%高碳钢），0.77%共析钢，0.77%~2.11%过共析钢，2.11%~4.3%亚共晶白口铸铁，4.3%共晶白口铸铁，4.3%~6.69%过共晶白口铸铁。总体来说，当含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加，钢的强度硬度值直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中含碳量大于0.9%时，因沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。

其它元素也能对铁碳合金性能造成一定的影响，以钢为例：

1.硫:是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。

2.磷:能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性。在优质钢中，硫和磷要严格控制。但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的。

3.锰:能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢具有良好的耐磨性和其它的物理性能。

（三）铝合金

铜是铝重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着显著的时效强化效果。铝板中铜含量通常在2.5%-5%，铜含量在4%~6.8%时强化效果最好，所以大部门硬铝合金的含铜量处于这范围。镁对铝的强化是显著的，每增加1%镁，抗拉强

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度大约升高瞻远34MPa。假如加入1%以下的锰，可能增补强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物平均沉淀，改善抗蚀性和焊接机能。钛是铝合金中常用的添加元素，起细化锻造组织和焊缝组织的作用。

（四）铜合金

铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。

常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类，其特点如下：

1.黄铜:以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36%的黄铜合金由固溶体组成﹐具有良好的冷加工性能。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低;锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性;铅能改善黄铜的切削性能。

2.青铜：原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好；铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料；铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好；磷青铜的弹性极限高﹐导电性好。

3.白铜：以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好﹐色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械﹑化工机械

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和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜﹑康铜﹑考铜是含锰量不同的锰白铜﹐是制造精密电工仪器﹑变阻器﹑精密电阻﹑应变片﹑热电偶等用的材料。

（五）钛合金

钛加入合金元素后可改善加工性能和力学性能，常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo等，按照成分和在室温时的组织不同，钛和钛合金可分为：

1.工业纯钛:按其纯度可分为TA1、TA2、TA3等牌号，其中TA1的杂质最少，少量杂质将使强度增高、塑性降低，故TA1的强度最低、塑性最好。

2.α钛合金:钛中加入了Al、Sn等元素，有良好的高温强度和抗氧化性。α钛合金有良好的焊接性。

3.β钛合金:钛中加入了Mn、V、Mo、Cr等元素。热处理后强度较高，塑性也较好，而且具有良好的加工性，但耐热性稍差，体积质量大、成本高、焊接性不良。

4.α+β钛合金：钛中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr等元素。可通过热处理如化，加工性能良好，但高温强度低于α钛合金。但是α+β钛合金焊接性很差，很少用于焊接结构。