background image

 

 

Chapters 11 (Part II)

Metal Alloys

background image

 

 

Part I:

 Thermal Processing of Metal 

Alloys

Heat Treatment

Precipitation Hardening

Part II:

 Metal Alloys and Fabrication of 

Metals

Outline of Chapter 11

background image

 

 

Ferrous Alloys: Alloys containing more than 50wt.%Fe

Classification of Steels

Designation of Steels

Nonferrous Alloys: Alloys containing less than 50wt.

%Fe

Aluminum

Copper

Magnesium

Titanium

Refractory metals

Superalloys

Noble metals

Metal Alloys

background image

 

 

Metal Alloys

Ferrous

Nonferrous

Steels

Cast Irons

Low Alloy

Low-carbon Medium-

carbon

High-

carbon

High Alloy

Plai

n

High 

strengt

h, low 

alloy

Heat 

treatab

le

Plai

n

Tool

Plai

n

Stainles
s

Gra

iron

Whit

iron

Malleabl

e iron

Ductil

e iron

Classification of Ferrous 

Alloys

background image

 

 

Steels

 

(0.008 ~ 2.14wt% C)

In most steels the microstructure consists of both  and 

Fe

3

C phases.

Carbon concentrations in commercial steels rarely 

exceed 1.0 wt%. 

Cast irons

 

(2.14 ~ 6.70wt% C)

Commercial cast irons normally contain less than 4.5wt
% C   

Classification of Ferrous 

Alloys

Based on carbon 

content

Pure iron

 

(< 

0.008wt% C)
From the phase 

diagram, it is 

composed almost 

exclusively of the 

ferrite phase at room 

temperature. 

background image

 

 

The carbon content is normally less than 
1.0 wt%. 

Plain carbon steels:

 containing only 

residual concentrations of impurities other 
than carbon and a little manganese

About 90% of all steel made is carbon steel. 

Alloy steels:

 more alloying elements are 

intentionally added in specific 
concentrations.

Stainless steels

Ferrous Alloys — Steels

background image

 

 

Low-carbon steels

Less than 0.25 wt%C

Medium-carbon steels

0.25 ~ 0.60 wt%C

High-carbon steels

0.60 ~ 1.4 wt%C

Classification of Steels 

According to Their Carbon Contents

background image

 

 

four-digit number: 

the first two digits indicate the alloy 
content; 

the last two, the carbon concentration

For plain carbon steels, the first two digits 
are 1 and 0;

 alloy steels are designated by 

other initial two-digit combinations (e.g., 13, 
41, 43)

The third and fourth digits represent the 
weight percent carbon multiplied by 100

For example, a 1040 steel is a plain carbon 
steel containing 0.40 wt% C. 

The Designation of Steels

background image

 

 

four-digit number

: the first two digits 

indicate the alloy content; the last two, 
the carbon concentration

41

41

 

 

40 

40 

Identifies 
major 
alloying 
element(s)

Percentag
e of 
carbon

The Designation of Steels

background image

 

 

AISI:

 

A

merican 

I

ron and 

S

teel 

I

nstitute 

SAE:

 

S

ociety of 

A

utomotive 

E

ngineers 

UNS:

 

U

niform 

N

umbering 

S

ystem

Table 11.2a AISI/SAE and UNS Designation 

Systems

background image

 

 

Steel Alloys

Steel Numerical Name 

Key Alloys 

10XX, 11 XX 

Carbon only 

13XX 

Manganese 

23XX, 25 XX 

Nickel 

31XX, 33XX, 303XX 

Nickel-Chromium 

40XX 

Mo 

41XX 

Cr-Mo 

43XX & 47XX 

Ni-Cr-Mo 

44XX 

Mn-Mo 

48XX 

Ni-Mo 

50XX, 51XX, 501XX, 521XX, 

514XX, 515XX 

Cr 

61XX 

Cr-V 

81XX, 86XX, 87XX, 88XX 

Ni-Cr-Mo 

92XX 

Si-Mn 

93XX, 98XX 

Ni-Cr-Mo 

94XX 

Ni-Cr-Mo-Mn 

XXBXX 

Boron 

XXLXX 

Lead 

94XX Ni- 

 

background image

 

 

Less than 0.25 wt%C

Unresponsive to heat treatments intended to 
form martensite; 

strengthening is 

accomplished by cold work

Microstructures:

 ferrite and pearlite

Relatively soft and weak, but having 
outstanding ductility and toughness

Typically, 

y

 = 275 MPa, 

UT

 = 415~550 MPa, 

and ductility = 25%EL

Machinable, weldable, and, of all steels, are 
the least expensive to produce

Applications:

 automobile body components, 

structural shapes, and sheets used in 
pipelines, buildings, bridges, etc. 

Low-Carbon Steels

background image

 

 

TTT Diagram of Some Hypoeutectoid 

Alloys

background image

 

 

Table 11.1a

Compositions of Five Plain Low-Carbon 

Steels

background image

 

 

Table 11.1b

Mechanical Characteristics of Hot-Rolled Material 

and Typical Applications for Various Plain Low-

Carbon Steels

background image

 

 

0.25 ~ 0.60 wt%C

May be

 heat treated

 by austenitizing, 

quenching, and then tempering to improve 
their mechanical properties

Stronger than low-carbon steels and weaker 
than high-carbon steels

a

 

Classified as high-carbon steels

 

Typical Tensile Properties for Oil-Quenched and Tempered Plain 

Carbon

Medium-Carbon Steels

background image

 

 

0.60 ~ 1.4 wt%C

Used in a 

hardened and tempered

 condition

Hardest, strongest, and yet least ductile; 
especially wear resistant and capable of 
holding a sharp cutting edge

Containing Cr, V, W, and Mo; these alloying 
elements combine with carbon to form very 
hard and wear-resistant carbide compounds 
(e.g., Cr

23

C

6

, V

4

C

3

, and WC)

Applications:

 cutting tools and dies for 

forming and shaping materials, knives, 
razors, hacksaw blades, springs, and high-
strength wire

High-Carbon Steels

background image

 

 

Table 11.3 Designations, Compositions, 

and Applications for Six Tool Steels

background image

 

 

Carbon Steel 

Alloy Steel 

Lower cost 

Higher strength 

Greater availability 

Better wear 

 

Toughness 

 

Special high temperature 

behavior 

 

Better corrosion 

resistance 

 

Special electrical 

properties 

94XX Ni- 

 

Alloy steel is more expensive than carbon steel; it should 
be used only when a special property is needed. 

Comparison of the Advantages 

Offered by Carbon Steels and Alloy 

Steels

background image

 

 

Table 11.2a AISI/SAE and UNS Designation 

Systems

background image

 

 

What makes stainless steels 

“stainless”?

background image

 

 

Stainless steels are selected for their 
excellent resistance to corrosion.

Stainless steels are divided into three 
classes:  martensitic, ferritic, or austenitic

The predominant alloying element is 

chromium

; a concentration of at least 11 wt% 

Cr is required

It permits a thin, protective surface layer 
of chromium oxide to form when the steel 
is exposed to oxygen.

The chromium is what makes stainless 
steel stainless! 

Stainless Steels

 

background image

 

 

Aluminum and aluminum alloys are the most widely 
used nonferrous metals.

Aluminum alloys:

 strengthened by cold working and 

alloying (Cu, Mg, Si, Mn, and Zn)

Nonheat-treatable: single phase, solid solution strengthening

Heat treatable: precipitation hardening (MgZn

2

)

Properties

Low density (2.7 g/cm

3

), as compared to 7.9 g/cm

3

 for steel

High electrical and thermal conductivity

Resistant to corrosion in some common environments

Easily formed and thin Al foil sheet may be rolled

Al has an FCC crystal structure; its ductility is retained even 
at very low temperatures

Limitation: low melting temperature (660°C)

Aluminum and Its Alloys 

background image

 

 

Aluminum Alloy Desginations

Material 

Number 

Al (99.00% minimum and 

greater) 

1XXX 

Al alloys are grouped by 

major alloying elements 

 

Copper 

2XXX 

Manganese 

3XXX 

Silicon 

4XXX 

Magnesium 

5XXX 

Magnesium and Silicon 

6XXX 

94XX Ni- 

 

background image

 

 

Aluminum’s use in vehicles is rapidly increasing 

due to 

the need for fuel efficient, environmentally friendly 

vehicles

Al alloys can provide a 
weight savings of up to 
55% compared to an 
equivalent steel 
structure 

It can match or exceed 
crashworthiness 
standards of similarly 
sized steel structures 

The Ford Motor 
Company now has 
aluminum-intensive test 
vehicles on the road, 
providing 46% weight 
savings in the structure, 
with no loss in crash 
protection.

background image

 

 

Aluminum plate is used in the 

manufacture of aircraft and for fuel 

tanks in spacecraft

Aircraft manufacturers use high-strength alloys 

(principally alloy 7075)

 to strengthen aluminum 

aircraft structures. 

Alloy 7075 has 

zinc and copper

 added for ultimate 

strength, but because of the copper it is very 
difficult to weld. 

7075 has the best machinability and results in the 
finest finish.

background image

 

 

Lightweight aluminum is a 

good material for conductor 

cables

Electrical transmission 
lines are the largest 
users of aluminum 
rod/bar/wire products.

In fact, this is the one 
market in which 
aluminum has virtually 
no competition from 
other metals.

Aluminum is simply 
the most economical 
way to deliver 
electrical power.

background image

 

 

Unalloyed copper: 

So soft and ductile that it is difficult to machine

Unlimited capacity to be cold worked

Highly resistant to corrosion in diverse 
environments

Copper alloys:

 strengthened by cold working 

and/or solid-solution alloying.

Bronze and brass

 are two common copper alloys.

Applications:

 costume jewelry, cartridge casings, 

automotive radiators, musical instruments, 
electronic packaging, and coins

Copper and Its Alloys

background image

 

 

Bronze 

is an alloy of 

copper and tin

The first metal 

purposely alloyed 

by the smith

May contain up to 

25% tin

Brass 

is an alloy of 

copper 

and zinc

.

Contain 5-30% zinc

The zinc increases the strength of the 

copper.

Ductility and formability are also 

increased.

Bronz

Mask

Bronze and Brass

background image

 

 

Brass — An Alloy of Copper and Zinc

Fig. 9.17

 The copper-zinc phase 

diagram.

background image

 

 

Relatively new engineering materials that 
possess an extraordinary combination of 
properties

Low density (4.5 g/cm

3

)

High melting temperature (1668°C), high elastic 
modulus (107 GPa)

Extremely strong: 1400 MPa tensile strength at 
room temperature, highly ductile and easily 
forged and machined

Limitations 

Chemical reactivity with other materials and 
oxidation problem at elevated temperatures

Cost

Applications:

 

airplane structures, space vehicles, 

and in the petroleum and chemical industries

 

Titanium and Its Alloys

background image

 

 

Alloy 

Type 

Common 

Name 

(UNS 

Numbser) 

Composition 

(wt%) 

Condition 

Tensile 

Strength 

(MPa) 

Yield 

Strength 

(MPa) 

Ductility 

(%EL) 

   Ti-6Al-4V 

(R564000) 

6Al, 4V, 

balance Ti  Annealed 

947 

877 

14 

94XX Ni- 

 

Typical Applications:

 

High-strength prosthetic 

implants, chemical-processing equipment, 
airframe structural components

 

An Example of Titanium Alloy (Table 

11.9)

background image

 

 

Superlative combinations of 

properties

Nickel-based alloys

Other alloying elements: Nb, Mo, 

W, Ta, Cr, and Ti
IN792: Ni-12Cr-10Co-2Mo-4W-

3.5Al-4Ti-4Ta- 0.01B-0.09Zr-

0.1C-0.5Hf

Applications:

 

aircraft turbine 

components

Turbine blades and discs, high 

creep and oxidation resistance

 

at elevated temperatures 

(1000°C)

Density 

is an important 

consideration because 

centrifugal stresses are 

diminished in rotating parts 

when the density is reduced

Ni-Base Superalloys

background image

 

 

Titanium Alloy

Steel

Aluminum Alloy

Nickel Alloy

Material Strength with Increased 

Temperature

background image

 

 

Modern aeroengine design constantly seeks to increase 
the engine operating temperature to improve overall 
efficiency. 

Materials for turbine blades are required to perform at 
higher and higher temperatures. 

Use of advanced nickel-based alloys, together with 
innovative cooling design 

Ni-Based Superalloys Used for Turbine 

Blades

background image

 

 

Polycrystalli
ne turbine 
blade

Improvement in Creep Resistance of 

Turbine Blades through Casting 

Technologies

Columnar grain 
structure produced 
by a directional 
solidification 
technique 

Creep resistance 
is further 
enhanced with 
single-crystal 
blades.

background image

 

 

Thermal Barrier Coatings (TBCs)

Demands for higher efficiency and lower emission require 

higher operating temperatures

 in aeroengines

The typical melting points of the superalloys used for the 
turbine components range from 1230-1315°C

The temp. in a combustion gas environment is > 1370°C

Thermally Grown 

Oxide (TGO)

(1-10m)

Ceramic Top Coat (100-400m)

(Y

2

O

3

-Stabilized ZrO

2

)

Bond Coat (~100m)

Substrate

Cooling Air

Hot Gases

Thermally Grown 

Oxide (TGO)

(1-10m)

Ceramic Top Coat (100-400m)

(Y

2

O

3

-Stabilized ZrO

2

)

Bond Coat (~100m)

Substrate

Cooling Air

Hot Gases

The key to meeting 
the higher 
temperature 
requirements lies in 
providing an 
insulating ceramic

 

thermal barrier 
coating (TBC) 

to 

lower the surface 
temperature of 
superalloy 
underneath

background image

 

 

Melting temperatures range between 2468°C for 
niobium (Nb) and 3410°C for tungsten (W)

Interatomic bonding is extremely strong.

Large elastic moduli and high strength and 
hardness at ambient and elevated 
temperatures

Applications:

Ta and Mo are alloyed with stainless steel to 
improve its corrosion resistance.

Molybdenum alloys: extrusion dies and 
structural parts in space vehicles

Tungsten alloys: filaments, X-ray tubes, 
welding electrodes

Refractory Metals

background image

 

 

It is necessary to select a steel alloy for a gearbox 
output shaft. The design calls for a 1-in diameter 
cylindrical shaft having a surface hardness of at 
least 38 HRC and a minimum ductility of 12%EL. 

Specify an alloy and treatment that meet these 
criteria.

Design Example 11.1

background image

 

 

To select a steel alloy for a gearbox output shaft, 

a 1-in diameter cylindrical shaft. 

Surface hardness  38 HRC 

Ductility >12%EL 

Specify an alloy and treatment that meet these 

criteria

Cost is always an important design consideration.

This would eliminate relatively expensive 

steels, such as stainless steels.

Examine 

plain-carbon and low-alloy steels

, and 

what treatments are available to alter their 

mechanical properties.

Two approaches

Cold work

Heat treatment  martensite

Design Example 11.1

background image

 

 

Relationships between Hardness and 

Tensile Strength for Steel, Brass, and 

Cast Iron

Adapted from Fig. 
6.19, Callister 6e

background image

 

 

Fig. 7.17 

For 1040 steel, brass, and copper, (b) the increase 

in tensile strength, and (c) the decrease in ductility (%EL) 
with percent cold work

The Correlation between Cold Work and 

Tensile Strength and Ductility for Various 

Alloys

background image

 

 

Design Example 11.1

1-in diameter cylindrical shaft. 

Having a surface hardness of at least 38 HRC 
and a minimum ductility of 12%EL 

Cold work

From Fig. 6.19, a hardness of 38 HRC 
corresponds to a tensile strength of 1200 
MPa

.

From Fig. 7.17(b), at 50% cold work, a 
tensile strength is only ~900 MPa  and 
the ductility is ~10%EL.

Both of these properties fall short of 
those specified in the design.

background image

 

 

Cold working other plain-carbon or low-alloy steels 

would probably not achieve the required minimum 

values.

To perform a series of heat treatments in which the 

steel is austenitized, quenched (to form martensite), 

and finally tempered.

Examine the mechanical properties of various 

plain-carbon and low-alloy steels that have been 

treated in this manner.

The surface hardness of the quenched material will 

depend on both alloy content and shaft diameter.

Design Example 11.1

Table 11.10

  Surface hardnesses for oil-quenched cylinders of 

1060 steel having various diameters.

background image

 

 

Design Example 11.1

Table 11.11

  Rockwell hardness (surface) and percent 

elongation values for 1-in. diameter cylinders of six steel 
alloys, in the as-quenched condition and for various tempering 
heat treatments.

The only alloy-heat treatment combinations that meet the 

stipulated criteria are 4150/oil-540°C temper, 4340/oil-540°C 

temper, and 6150/oil-540°C temper.

The costs of these three materials are probably comparable.

The 6150 alloy has the highest ductility (by a narrow 

margin), which would give it a slight edge in the selection 

process.

background image

 

 

Steel Alloys

Steel Numerical Name 

Key Alloys 

10XX, 11 XX 

Carbon only 

13XX 

Manganese 

23XX, 25 XX 

Nickel 

31XX, 33XX, 303XX 

Nickel-Chromium 

40XX 

Mo 

41XX 

Cr-Mo 

43XX

 & 47XX 

Ni-Cr-Mo 

44XX 

Mn-Mo 

48XX 

Ni-Mo 

50XX, 51XX, 501XX, 

521XX, 514XX, 515XX 

Cr 

61XX 

Cr-V 

81XX, 86XX, 87XX, 88XX 

Ni-Cr-Mo 

92XX 

Si-Mn 

93XX, 98XX 

Ni-Cr-Mo 

94XX 

Ni-Cr-Mo-Mn 

94XX Ni- 

 

background image

 

 

Steel Alloys

Alloying 

Element 

4150 

4340 

6150 

0.48-0.53 

0.38-0.43 

0.48-0.53 

Mn 

0.75-1.00 

0.60-0.80 

0.70-0.90 

0.035 

0.035 

0.035 

0.040 

0.040 

0.040 

Si 

0.15-0.35 

0.15-0.35 

0.15-0.35 

Ni 

-- 

1.65-2.00 

-- 

Cr 

0.80-1.10 

0.70-0.90 

0.80-1.10 

Mo 

0.15-0.25 

0.20-0.30 

-- 

-- 

-- 

0.15 min 

94X X Ni- 

 


Document Outline