background image

CHAPTER 11:  METAL ALLOYS 
APPLICATIONS AND PROCESSING 

ISSUES TO ADDRESS...  

•  How are metal alloys classified and how are they used? 
•  What are some of   the common fabrication techniques? 
•  How do properties vary throughout a piece of 

 material 

    that has been quenched, for example?  

•  How can properties be modified by post heat treatment? 


background image

Often  a  materials  problem  is  really  one  of  selecting  the  material  that  has  the 

right combination of characteristics for a specific application. Therefore, the 
people  who  are  involved  in  the  decision  making  should  have  some 
knowledge of the available options. 

 

Materials  selection  decisions  may  also  be  influenced  by  the  ease  with  which 

metal alloys may be formed or manufactured into useful components. Alloy 
properties  are  altered  by  fabrication  processes,  and,  in  addition,  further 
property  alterations  may  be  induced  by  the  employment  of  appropriate 
heat treatments. 

 

Metal  alloys,  by  virtue  of  composition,  are  often  grouped  into  two  classes—

ferrous  and  nonferrous.  Ferrous  alloys,  those  in  which  iron  is  the  principal 
constituent,  include  steels  and  cast  irons.  The  nonferrous  ones—all  alloys 
that are not iron based. 

5/3/17 


background image

Classifications of Metal Alloys 

Metal Alloys 

Ferrous 

Nonferrous 

Steels 

Steels 

1

<1.4wt%C

.4wt%C 

C

Cast

ast

Irons

Irons 

3-4.5wt%C 

Cu   Al    Mg  Ti 

Some definitions: 

3-4.5tic 

• 

• 

Ferrous alloys: iron is the prime  constituent 
Ferrous alloys are relatively inexpensive  and 
extremely  versatile 

T(

°C) 

1600 

• Thus these alloys are wide spread engineering 

1400 

g+L 

materials 
Alloys that are so brittle that forming by 
deformation is not possible ordinary are  cast 

1200 

1000 

L+Fe  C 

4.30

Eutectic 

1148

°C 

• 

austenite 

Fe  C 

cementite 

• Alloys that are amenable to mechanical 
deformation are termed  wrought 

g+Fe  C 

800 

727

°C 

ferrite 

0.77

Eutectoid

+Fe  C 

• Heat-treatable - are alloys whose mechanical 

6 00 

strength can be improved by heat-treatment 

4 000 

(Fe) 

(e.g. precipitation hardening or martensitic 
transformations). 

6.7 

Carbon concentration, wt.% C 


background image

Classification of Steels 

10-plane 
or 0.4 C wt.% 

Low Alloy 

High Alloy 

0.1 

Medium-carbon   High carbon 

Low carbon 
<0.25wt%C 

0.25-0.6wt%C 

0.6-1.4wt%C 

High  

Heat  

Name: 

 Plain  strength  

 Plain  

 Plain  

 Tool  

 Stainless  

 treatable 

Additions:  

noneCu,V,Ni,Mo none      Cr, Ni,Mo  none 

Cr, V,Mo,W    

Cr, Ni, Mo 

Example 

(ASTM#):1010 

A633 

1040 

4340 

1095 

4190 

304 

Hardenability 

TS 




++ 
++ 

++ 

+++ 
++ 


EL 

-- 

++ 

wear 
applications 

high T 
applications 
turbines 
furnaces 

corrosion 
resistant 

Applications:  

auto 

struc.    towers 
sheet    press. 

bridges    crank 

shafts 
bolts 

pistons 
gears 
wear 

drills 
saws 
dies 

vessels    hammers applications 

blades 

increasing strength, cost, decreasing ductility 


background image

CAST  IRON 

•  The cast irons are the ferrous alloys with greater that 2.14 wt. % carbon, but 

typically contain 3-4.5 wt. % of C as well as other alloying elements, such as 
silicon (~3 wt..%) which controls kinetics of carbide formation 

3-4.5wt%C 

3-4.5wt%C 

• 

(1150-1300

°C), 

These alloys have relatively low melting points 

do not formed undesirable surface 

T(

°C) 

1600 

films when poured, and undergo moderate shrinkage 
during solidification. Thus can be easily melted and 
amenable to  casting 

1400 

g+L 

1200 

1000 

L+Fe  C 

1148

°C 

austenite 

• 

There are four general types of cast irons: 

4.30

Eutectic 

1. 

cementite     

fracture surface. Large amount of Fe C are formed 

during casting, giving hard brittle material 

White iron has a characteristics white, crystalline 

Fe  C 

g+Fe  C 

727

°C 

0.77

Eutectoid

+Fe  C 

6 00 

Carbon concentration, wt.% C     

2. Gray iron has a gray fracture surface with finely 

4000 
(Fe) 

faced structure. A large Si content (2-3 wt. %) 

6.7 

promotes C flakes precipitation rather than carbide 

Ductile iron: small addition (0.05 wt..%) of Mg to gray iron changes the flake C 
microstructure to spheroidal that increases (by factor ~20) steel ductility 

Malleable iron: traditional form of cast iron with reasonable ductility. First cast to 
white iron and then heat-treated to produce nodular graphite precipitates. 

3. 

4. 


background image

Equilibrium and  Metastable Phases 

•  Cementite (Fe C) is a metastable phase and after long term treatment  

decompose to form a-ferrite and carbon: 

Fe3C   3Fe(S) + C(graphite) 

• 
• 

Slow cooling and addition of some elements (e.g. Si) promote graphite formation 
Properties of cast irons are defined by the amount and microstructure of  
 existing carbon phase

•Equilibrium iron-carbon 

phase diagram 


background image

White and Malleable Cast Irons 

•  The low-silicon cast irons (<1.0wt.%),  

produced under rapid cooling conditions  

• 
• 
• 

Microstructure: most of cementite  

Properties: extremely hard very but brittle   

White iron is an intermediate for the  
production of malleable iron  

White iron: 

Malleable iron: 

light Fe C regions      dark graphite rosettes 

surrounded 
by pearlite 

in a-Fe matrix 


background image

Gray and Ductile Cast Irons 

The gray irons contain 1-31.0 wt..% of Si 

• 
• 
• 

Microstructure: flake 

–shape graphite in  ferrite matrix 

Properties: relatively weak and brittle in tension BUT very effective in  damping 
vibrational 
energy an high resistive to wear!! 

Ductile (or Nodular) iron  : 
small addition of Mg or/and Ce  to the 

gray iron composition before casting 

• 

Microstructure: Nodular or spherical-like 
graphite structure in pearlite or ferric matrix 
Properties: Significant increase in material 
ductility !! 
Applications: valves, pump bodies, gears 
and other auto and machine components. 

• 

• 

Gray iron: 
Dark graphite flakes 
In a-Fe matrix 

Ductile iron: 
dark graphite nodules 
in a-Fe matrix 


background image

RAPIDLY SOLIDIFIED FERROUS ALLOYS 

•  Eutectic compositions that permit cooling to a glass transition 

temperature at practically reachable quench rate (10

and 10

C

°/s)  – 

- rapidly solidified alloys 

• 

• 

Boron, B, rather than carbon is a primary alloying element for 
amorphous ferrous alloys 

Properties: 

(a) absence of grain boundaries 

– easy magnetized materials 

(b) extremely fine structure 

– exceptional strength and toughness 

Compositions (wt. %) 

•Some Amorphous 
Ferrous Alloys 

Si 

Cr 

Ni       Mo 

20 
10 

28 

10 

40 

14 


background image

NONFERROUS ALLOYS 

•   Cu Alloys 

•  Al Alloys 

Brass   

:  Zn is prime impurity  

(costume jewelry, coins,  

corrosion resistant) 

r:  2.7g/cm

-lower  

-Cu, Mg, Si, Mn, Zn additions  
-solid solutions or precipitation   

          strengthened (structural   

aircraft parts  

Bronze    

:  Sn, Al, Si, Ni are  

prime impurities  

(bushings, landing gear) 

& packaging) 

Nonferrous 

• Mg Alloys 

Cu-Be 

precipitation-hardened  

-very low     r:  1.7g/cm 

-ignites easily  

Alloys 

for strength 

- aircraft, missiles 

• Ti Alloys 

• Refractory metals 

-lower    r:  4.5g/cm 

    vs 7.9 for steel 

• Noble metals 

-high melting T  
-Nb, Mo, W, Ta 

-reactive at high T 

-Ag, Au, Pt  

-space applications 

- oxidation/corrosion  

 resistant 


background image

Cooper and its Alloys 

•  Cooper: soft and ductile; unlimited cold-work capacity, but difficult to 

machine. 

• 
• 

Cold-working and solid solution alloying 
Main types of Copper Alloys: 

– 

– 

– 

Brasseszinc (Zn) is main substitutional impurity; applications: cartridges, 
auto-radiator. Musical instruments, coins 

Bronzes: tin (Sn), aluminum (Al), Silicon (Si) and nickel (Ni); stronger 
than brasses with high degree of corrosion resistance 

Heat-treated (precipitation hardening) Cu-alloys: beryllium coopers

relatively high strength,  excellent electrical and corrosion properties BUT 
expensive; applications: jet aircraft landing gear bearing, surgical and 
dental instruments. 

• 

Copper

’s advantages as primary   

metal and recycled metal, for brazed,  
 long-life radiators and radiator parts   
for cars and trucks:   


background image

Aluminum and its Alloys 

• 

• 

Low density (~2.7 g/cm ), high ductility (even at room temperature), 

high electrical and thermal conductivity and resistance to corrosion 
BUT law melting point (~660

°C) 

Main types of Aluminum Alloys: 



Wrought  Alloys 
Cast  Alloys 
Others: e.g. Aluminum-Lithium  Alloys 

•  Applications: form food/chemical handling to aircraft structural parts 

Typical alloying elements and alloy  

Temper designation systems for  

designation systems for Aluminum Alloys  

Aluminum Alloys  

Numerals 

Major Alloying 
Element(s) 

Temper 

Definition 

As fabricated 
Annealed 

1XXX 
2XXX 

3XXX 

4XXX 

5XXX 

6XXX 

7XXX 

8XXX 

None (>99.00 %Al) 

H1 
H2 
H3 
T1 
T2 
T3 
T4 
T5 
T6 
T7 
T8 
T9 

Strain-hardened only 

Strain-hardened and partially annealed 
Strain-hardened and stabilized 

Cu 

Cooled from elevated-T shaping and aged 
Cooled from elevated-T shaping, cold-work, aged 
Solution heat-treat., cold-work, naturally aged 
Solution heat-treat and naturally aged 

Mn 

Si 

Mg 

Cooled from elevated-T shaping, artificially aged 
Solution heat-treat. and artificially  aged 
Solution heat-treat and stabilized 

Mg an Si 

Zn 

Solution heat-treat, cold-work, artificially aged 
Solution heat-treat, artificially aged, cold-work 

Other elements (e.g. Li) 


background image

Magnesium and its Alloys 

Formula 1 
Gearbox Casting 

•  Key Properties:  

•     Light weight  
·         
·         
·         

 Low density (1.74 g/cm  two thirds that of aluminium)  

 Good high temperature mechanical properties  
 Good to excellent corrosion resistance  

• 
• 

   Very high strength-to density ratios (specific strength)  

In contrast with Al alloys that have fcc structure with  (12 ) slip systems and thus high  
ductility, hcp structure of Mg with only three slip systems leads to its brittleness.  

•  Applications: from tennis rockets to aircraft and missiles         

Example: Aerospace   

RZ5 (Zn 3.5 - 5,0  SE 0.8 - 1,7 Zr 0.4 - 1,0 Mg remainder), MSR (AG 2.0 - 3,0 SE 1.8 -  
2,5Zr 0.4 - 1,0 Mg remainder)  alloys are widely used for aircraft engine and gearbox  
casings. Very large magnesium castings can be made, such as intermediate compressor  
casings for turbine engines. These include the Rolls Royce Tay casing in MSR, which  
weighs 130kg and the BMW Rolls Royce BR710 casing in RZ5. Other aerospace  
applications include auxiliary gearboxes (F16, Euro-fighter 2000, Tornado) in MSR or  
RZ5, generator housings (A320 Airbus, Tornado and Concorde in MSR) and canopies,  
generally in RZ5.  


background image

Titanium and its Alloys (1) 

• 

• 

Titanium and its alloys have proven to be 
technically superior and cost-effective materials of 
construction for a wide variety of aerospace, 
industrial, marine and commercial applications. 
The properties and characteristics of titanium which 
are important to design engineers in a broad 
spectrum of industries are: 

Excellent Corrosion Resistance: 

Titanium is 

immune to corrosive attack by salt water or marine 
atmospheres. It also exhibits exceptional resistance 
to a broad range of acids, alkalis, natural waters and 
industrial chemicals. 

Superior Erosion Resistance: 

Titanium offers 

superior resistance to erosion, cavitation or 
impingement attack. Titanium is at least twenty 
times more erosion resistant than the copper-nickel 
alloys. 

High Heat Transfer Efficiency: 

Under "in 

service" conditions, the heat transfer properties of 
titanium approximate those of admiralty brass and 
copper-nickel. 


background image

Other Alloys 

•  The Refractory MetalsNb (m.p.=2468

°C); Mo (°C); (°C); Ta(3410°C) 


Also: large elastic modulus, strength, hardness in wide range of temperatures 
Applications: 

•  The Super alloys – possess the superlative combination of properties 


Examples: 
Applications: aircraft turbines; nuclear reactors, petrochemical equipment 

•  The Noble Metal Alloys

Ru(44), Rh (45), Pd (46), Ag (47), Os (75), Ir (77), Pt (78), Au (79)  

expensive are notable in properties: soft, ductile, oxidation resistant 

Applications: jewelry (Ag, Au, Pt), catalyst (Pt, Pd, Ru), 

thermocouples (Pt, Ru), dental materials etc. 

•  Miscellaneous Nonferrous Alloys


65Ni/28Cu/7wt%Fe 

Nickel and its alloy: high corrosion resistant (Example: monel  

– 

– pumps valves in aggressive environment) 

Lead, tin and their alloys: soft, low recrystallization temperature, corrosion 
resistant (Applications: solders, x-ray shields, protecting coatings) 


background image

Fabrication of Metals 

•  Fabrication methods chosen depend on: 


properties of metal 
size and shape of final piece 

cost 


background image

METAL FABRICATION METHODS-I 

FORMING 

•   
     

Forging  

(wrenches, crankshafts) 

•   
     

Rolling  

(I-beams, rails) 

force 

die 

A    

blank 

often at 

Ad 

elev. T 

force 

•  

Drawing  

•  

Extrusion  

     

(rods, wire, tubing) 

    

(rods, tubing) 

die 

Ad 

tensile 
force 

Ao 

die 


background image

FORMING TEMPERATURE 

• 

Hot working: deformation 
at T > T(recrystallization) 

•  

Cold working: deformation 

at T < T (recrystallization) 

+ higher quality surface 
+ better mechanical properties 
+ closer dimension control 



less energy to deform 
large repeatable deform. 
surface oxidation:  poor finish 

- expensive and inconvenient 

• 

Cold worked microstructures 

--generally are very 

 anisotropic! 

--Forged 

--Swaged 

--Fracture resistant! 


background image

Extrusion and Rolling 

• 

• 

  The advantages of extrusion over rolling are as  
follows:  
- Pieces having more complicated cross-sectional    
geometries may be formed.  
- Seamless tubing may be produced.  
The disadvantages of extrusion over rolling are as  
follows:  

- Nonuniform deformation over the cross-section.  
- A variation in properties may result over the  
cross-section of an extruded piece.  


background image

METAL FABRICATION METHODS-II 

CASTING 

•   
     

Sand Casting  

(large parts, e.g., 
auto engine blocks) 

•   
     

Die Casting  

(high volume, low T alloys) 

•   
     

Continuous Casting  

(simple slab shapes) 

•   
     

Investment Casting  

(low volume, complex shapes 
e.g., jewelry, turbine blades) 

plaster  
die formed  

around wax  
prototype  


background image

Casting 

•  The situations in which casting is the preferred fabrication technique are: 




For large pieces and/or complicated shapes. 
When mechanical strength is not an important consideration. 
For alloys having low ductility. 

When it is the most economical fabrication technique. 

Different casting techniques
Sand casting: a two-piece mold made of send is used, the surface finish is not an 
important consideration, casting rates are low, and large pieces are usually cast. 
Die casting: a permanent two-piece mold is used, casting rates are high, the molten 
metal is forced into the mold under pressure, and small pieces are normally cast. 
Investment casting: a single-piece mold is used, which is not reusable; it results in 

• 

• 

• 
high  dimensional accuracy, good reproduction of detail, a fine surface finish; casting 
rates are low. 
• Continuous casting: at the conclusion of the extraction process, the molten metal 
is cast into a continuous strand having either a rectangular or circular cross-section; 
these shapes are desirable for secondary metal-forming operations.  The chemical 
composition and mechanical properties are uniform throughout the cross-section. 


background image

METAL FABRICATION METHODS-III 

FORMING 

CASTING 

Miscellaneous 

• 

Powder Processing 

•  

Joining: Welding, brazing, soldering 

filler metal (melted) 

base metal (melted) 

fused base metal 

heat affected zone 

unaffected 

unaffected 

piece 1    

piece 2 

•   

Heat affected zone:  

     

(region in which the 
microstructure has been 
changed). 


background image

Powder Processing 

• 

• 

Some of the advantages of powder metallurgy over casting are as follows: 


It is used for materials having high melting temperatures. 
Better dimensional tolerances result. 
Porosity may be introduced, the degree of which may be controlled (which is 
desirable in some applications such as self-lubricating bearings). 

Some of the disadvantages of powder metallurgy over casting are as follows: 

Production of the powder is expensive. 
Heat treatment after compaction is necessary. 


background image

Annealing 

Process: heat alloy to T       , for extended period of time then cool slowly

Anneal 

Goals: (1) relieve stresses; (2) increase ductility and toughness; (3) produce 

specific microstructure 

•   

Spheroidize   

 (steels):  

•  

Stress Relief :   

   

Make very soft steels   
for good machining.   

To reduce stress caused by:    

     

-plastic deformation  
-non-uniform cooling  
-phase transform. 

Heat just below T

E

   

          

& hold for  15-25h. 

Types 

 of   

•   
Make soft steels for  

Full Anneal   

 (steels):   

Annealing 

good forming by heating  
to get   , then cool in  

• Process Anneal: 

furnace to get coarse P. 

To eliminate negate 
e    ffect of cold  
working   
    by recovery/recrystallization   

•  

Normalize   

 (steels):  

Deformed steel with large grains  
heat-treated to make grains small.  


background image

Thermal Processing of Metals: Steels 

•  Full annealing

Heat to between 15 and 40

°C above the A3 line (if the concentration of carbon is less than the 

eutectoid) or above the A1 line (if the concentration of carbon is greater than the eutectoid) 
until the alloy comes to equilibrium;  then furnace cool to room temperature. 
The final microstructure is coarse pearlite

• 

Normalizing: 

Heat to between 55 and 85

°C above the 

upper critical temperature until the 
specimen has fully transformed to 
austenite, then cool in air.  The final 
microstructure is fine pearlite
•  Quenching: 
Heat to a temperature within the austenite 
phase region and allow the specimen to 
fully austenite, then quench to room 
temperature in oil or water.  The final 
microstructure is  martensite. 

•  Tempering: 
Heat a quenched (martensitic) specimen, to a temperature between 450 and 650

°C, for the time 

necessary to achieve the desired hardness.  The final microstructure is tempered martensite


background image

HARDENABILITY: STEELS 

• 

• 

• 

Full annealing and Spheroidizing: to produce softer steel for good 
machining and forming 
Normalization: to produce more uniform fine structure that tougher 
than coarse-grained one 
Quenching: to produce harder alloy by forming martensitic structure 

Hardness versus 
distance 
from the quenched end 

Jominy end-quenching test 

” 

flat ground 

specimen 
(heated to 

4” 

g-phase field) 

Rockwell 
Hardness test 

Distance from   
quenched end 

24

°C water 


background image

WHY HARDNESS CHANGES W/POSITION?  

Because the cooling rate varies with position !! 

• Note: cooling rates before reaching 
Austenite 

– Martensite transformation 

are in the range 1 -50 C/s 
• Measuring cooling rates at every point 
(e.g. by thermocouples) and finding rates 
correlations with the hardness one may 
develop quenching rate 

– hardness diagram 

•But how one can change quenching rate? 


background image

QUENCHING GEOMETRY 

• 

Effect of geometry: 
When surface-to-volume ratio increases: 

rate increases  --cooling 

--hardness  increases 

Position  Cooling rate     Hardness 

center 

surface 

small 

large 

small 

large 


background image

QUENCHING MEDIUM 

•  Effect of quenching medium: 

Medium 

air 

oil 

Severity of Quench 

small 

moderate 

large 

Hardness 

small 

moderate 

large 

water 

Water 

Oil 


background image

HARDENABILITY VS ALLOY CONTENT 

• 

• 

Jominy end quench 
results, C = 0.4wt%C 

"Alloy Steels" 

(4140,  4340, 5140, 8640) 

--contain  Ni, Cr, Mo 

(0.2  to 2wt%) 

--these 

elements shift 

the "nose". 

--martensite is easier to form. 


background image

PREDICTING HARDNESS PROFILES 

•  Ex:  Round bar, 1040 steel, water quenched, 2" diam. 


background image

SUMMARY 

•  Steels:  increase TS, Hardness (and cost) by adding 
     --C (low alloy steels)  
     --Cr, V, Ni, Mo, W (high alloy steels)  
     --ductility usually decreases w/additions.  

•  Non -ferrous:  
     --Cu, Al, Ti, Mg, Refractory, and noble metals.  

•  Fabrication techniques: 
     --forming, casting, joining.  

•  

Hardenability  

     --increases with alloy content.  
•   Precipitation hardening  
     --effective means to increase strength in  
        Al, Cu, and Mg alloys.  




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 145 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل