一、金屬材料

金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬及其合金分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩大部分。

(一)黑色金屬

黑色金屬材料一般是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料。

鋼鐵材料是工業(yè)中應用最廣、用量最多的金屬材料。含碳量小于2. 11%(重量)的鐵合金稱為鋼;而含碳量大于2. 11%(重量)的鐵合金稱為生鐵。鋼和鑄鐵中除了含鐵、碳以外，還含有一些其他元素，其中一類是雜質(zhì)元素，如硫、磷、氧、氮等;另一類是根據(jù)使用性能和工藝性能的需要，在其生產(chǎn)過程中適量添加的合金元素，常見有鉻、鎳、錳和鈦等，鐵碳合金中加入這些合金元素就成為合金鋼或合金鑄鐵。

1.鋼的分類和用途

鋼具有許多優(yōu)良特性，如材質(zhì)均勻、性能可靠，具有較高的強度和良好的塑性、韌性和延展性，可承受各種性質(zhì)的荷載;加工性優(yōu)良(如可焊、可鉚、可制成各種形狀的型材和零件)。

鋼中主要化學元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對鋼的性質(zhì)影響很大。鋼中碳的含量對鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量低的鋼材強度較低，但塑性大，延伸率和沖擊韌性高，質(zhì)地較軟，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高的鋼材強度高(當含碳量超過1.00%時，鋼材強度開始下降)、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。硫、磷為鋼材中有害元素，含量較多就會嚴重影響鋼材的塑性和韌性，磷使鋼材顯著產(chǎn)生冷脆性，硫則使鋼材產(chǎn)生熱脆性。硅、錳等為有益元素，它們能使鋼材強度、硬度提高，而塑性、韌性不顯著降低。

鋼材的力學性能(如抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊韌度和硬度等)取決于鋼材的成分和金相組織。鋼材的成分一定時，其金相組織主要取決于鋼材的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響最大。

(1)鋼的分類?！朵摲诸惖?部分：按化學成分分類》GB/T 13304.1-2008按照化學成分將鋼材分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三類，其部分合金元素規(guī)定含量界限值如表1.1.2所示。

在工程中的分類還有：

1)按化學成分可分為碳素鋼、低合金鋼和合金鋼。

2)按主要質(zhì)量等級分為：①普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和特殊質(zhì)量碳索鋼;②普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼;③普通合金鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。

(2)鋼牌號的表示方法。

《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》GB/T 221-2008中規(guī)定：

1)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。

碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號通常由四部分組成：

第一部分：前綴符號十強度值(以N/mm2或MPa為單位).其中通用結(jié)構(gòu)鋼前綴符號為代表屈服強度的拼音字母“Q”，專用結(jié)構(gòu)鋼的前綴符號見表1.1.3。

第二部分(必要時)：鋼的質(zhì)量等級.用英文字母A、B、C、D、E、F--- - -表示。質(zhì)量等級英文字母由前往后，表示質(zhì)量由低到高。

第三部分(必要時)：脫氧方式表示符號，即沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)、特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼表示符號通?？梢允÷浴?

第四部分(必要時)：產(chǎn)品用途、特性和工藝方法表示符號，見表1.1.4。

例如，Q235AF表示最小屈服強度235 N/mm2、質(zhì)量等級為A級的沸騰碳素錒，Q345D表示最小屈服強度345N/mm2、質(zhì)量等級為D級的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，專業(yè)用低合金高強度鋼，應在鋼牌號最后標明。如16Mn鋼，用于橋梁的專用鋼種為 “16MnQ”，汽車大梁的專用鋼種為“16MnL”，壓力容器的專用鋼種為“16MnR”;HRB335表示屈服強度特征值335N/mm2的熱軋帶肋鋼筋;L415表示最小規(guī)定總延伸強度415MPa的管線用鋼。

2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號通常由五部分組成：

第一部分：以兩位阿拉伯數(shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計)。

第二部分(必要時)：較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，加錳元素符號Mn。

第三部分(必要時)：鋼材冶金質(zhì)量，即高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼分別以A、E表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示。

第四部分(必要時)：脫氧方式表示符號，即沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)靜鋼(z)，但鎮(zhèn)靜鋼表示符號通常可以省略。

第五部分(必要時)：產(chǎn)品用途、特性和工藝方法表示符號，見表1.1.4。

例如，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：08F表示碳含量為0.085%～0.11%，錳含量為0.25%～0.50%的沸騰鋼;優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：50MnE表示碳含量為0.48%～0.56%，錳含量為0.70%—1.00%的特級優(yōu)質(zhì)鎮(zhèn)靜鋼。

3)合金結(jié)構(gòu)鋼。

合金結(jié)構(gòu)剛牌號通常由四部分組成：

第一部分：以兩位阿拉伯數(shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計)。

第二部分：合金元素含量，以化學元素符號及阿拉伯數(shù)字表示。具體表示方法為：平均含量小于1. 50%時，牌號中僅標明元素，一般不標明含量;平均含量為1.50%～2. 49%、2.50%—3. 49%、3.50%—4.49%、4.50%～5.49%……時，在合金元素后相應寫成2、3、4、5……

第三部分：鋼材冶金質(zhì)量，鋼材的冶金質(zhì)量分為優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。優(yōu)質(zhì)鋼不另加表示符號，高級優(yōu)質(zhì)鋼分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級;“E”表示特級優(yōu)質(zhì)鋼。

第四部分(必要時)：產(chǎn)品用途、特性或工藝方法表示符號，見表1.1.4。

例如，25Cr2MoVA：表示碳含量為0.22%～0.29%，鉻含量為1.50%～1. 80%、鉬含量為0. 25%～0. 35%、釩含量為0.15%～0.30%的高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。

(3)工程中常用鋼及其合金的性能和特點。

1)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

①普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。按照國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700--2006，以碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強度下限分為四個級別：Q195、Q215、Q235和Q 275。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的碳、磷、硫及其他殘余元素的含量控制較寬，某些性能如低溫韌性和時效敏感性較差。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝簡單，有良好工藝性能(如焊接性能、壓力加工性能等)、必要的韌性、良好的塑性以及價廉和易于大量供應，通常在熱軋后使用。Q195鋼強度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條等;Q215鋼主要用于制作管坯、螺栓等：Q 235鋼強度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號;Q 235鋼大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等;Q 275鋼強度和硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，主要用于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等，

②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是含碳小于0.8%的碳素鋼，這種鋼中所含的硫、磷及非金屬夾雜物比碳素結(jié)構(gòu)鋼少。與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性和韌性較高，并可通過熱處理強化，多用于較重要的零件，是廣泛應用的機械制造用鋼。根據(jù)含碳量的不同，優(yōu)質(zhì)碳素鋼分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼強度和硬度低，但塑性和韌性高，加工性和焊接性能優(yōu)良，用于制造承載較小和要求韌性高的零件以及小型滲碳零件;中碳鋼強度和硬度較高，塑性和韌性較低，切削性能良好，但焊接性能較差，冷熱變形能力良好，主要用于制造荷載較大的機械零件。常用的中碳鋼為40#、45#和50#鋼，但由于碳素鋼的淬透性不高，零件的尺寸越大，調(diào)質(zhì)處理的強化效果越差，因此只有中、小型零件采用調(diào)質(zhì)處理才能獲得較好的強化效果。

2)低合金結(jié)構(gòu)鋼。按照國家標準《低合金鋼高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591--2008，共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q 500、Q 550、Q620、Q690八個強度等級。

①普通低合金鋼。普通低合金鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有較高的韌性，同時有良好的焊接性能、冷熱壓加工性能和耐蝕性，部分鋼種還具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，用于制造各種容器、螺旋焊管、建筑結(jié)構(gòu)、車輛用沖壓件和船體等。Q345 (18Nb)具有綜合力學性能、耐低溫沖擊韌性、焊接性能和冷熱壓加工性能良好的特性，可用于建筑結(jié)構(gòu)、化工容器和管道、起重機械和鼓風機等。另外，由于普通低合金鋼的生產(chǎn)工藝與碳素結(jié)構(gòu)鋼類似，故普通低合金鋼的價格與碳素結(jié)構(gòu)鋼相近。

②優(yōu)質(zhì)低合金鋼。優(yōu)質(zhì)低合金鋼廣泛用于制造各種要求韌性高的重要機械零件和構(gòu)件。當零件的形狀復雜，截面尺寸較大，要求韌性高時，采用優(yōu)質(zhì)低合金鋼可使復雜形狀零件的淬火變形和開裂傾向降到最小。因此，形狀復雜或截面尺寸較大或要求韌性高的淬火零件一般為優(yōu)質(zhì)低合金鋼，如用15MnVg制造鍋爐和壓力容器、用70Mn制造起重機鋼軌、用20MnSiV制造承受較高荷載或高速沖擊的齒輪軸、齒圈、齒輪、主軸、蝸桿和離合器(機床用)等。

3)不銹耐酸鋼。不銹耐酸鋼簡稱不銹鋼。它是指在空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)中具有高穩(wěn)定性的鋼種。它在化工、石油、食品機械和國防工業(yè)中廣泛應用。

不銹耐酸鋼按使用狀態(tài)的金相組織，可分為鐵素體、馬氏體、奧氏體、鐵索體加奧氏體和沉淀硬化型不銹鋼五類。現(xiàn)將各類不銹鋼的特點簡述如下：

①鐵索體型不銹鋼。鉻是鐵索體型不銹鋼中的主加元素，通常含鉻的質(zhì)量分數(shù)大于或等于13.00%。某些鋼種還添加有鋁和鈦等。高鉻鋼(17.0%～30.O%Cr)有良好的抗高溫氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蝕性，故其在硝酸和氮肥工業(yè)中廣泛使用。另外0Cr13不銹鋼在弱腐蝕介質(zhì)中，如淡水中，也有良好的耐蝕性。高鉻鐵索體不銹鋼的缺點是鋼的缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，鋼在加熱后對晶間腐蝕也較為敏感。

②馬氏體型不銹鋼。此鋼具有較高的強度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，如海水、淡水和水蒸氣中;以及使用溫度小于或等于580℃的環(huán)境中，通常也可作為受力較大的零件和工具的制作材料。但由于此鋼焊接性能不好，故一般不用作焊接件。

③奧氏體型不銹鋼。鋼中主要合金元素為鉻、鎳、鈦、鈮、鉬、氮和錳等。此鋼具有較高的韌性、良好的耐蝕性、高溫強度和較好的抗氧化性，以及良好的壓力加工和焊接性能。但是這類鋼的屈服強度低，且不能采用熱處理方法強化，而只能進行冷變形強化。

④鐵索體奧氏體型不銹鋼。這類鋼其屈服強度約為奧氏體型不銹鋼的兩倍，可焊性良好，韌性較高，應力腐蝕、晶間腐蝕及焊接時的熱裂傾向均小于奧氏體型不銹鋼。

⑤沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼的突出優(yōu)點是經(jīng)沉淀硬化熱處理以后具有高的強度，耐蝕性優(yōu)于鐵索體型不銹鋼。它主要用于制造高強度和耐蝕的容器、結(jié)構(gòu)和零件，也可用作高溫零件。

4)鑄鋼。鑄鋼具有較高的強度、塑性和韌性。某些冷、熱變形性能差或難切削加工的鋼，可由鑄鋼成型。用于軋材和鍛件的鋼號原則上都可用于鑄鋼件。少數(shù)鋼號為滿足鑄造工藝要求，在成分上應適當調(diào)整。鑄鋼件的物理和化學性能和焊接性能與鍛件相近，這主要決定于鋼的成分，如鑄件的碳含量和合金元素含量增加，鑄件的焊接性能變差。

2.鑄鐵的分類和用途

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳含金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。鑄鐵是應用最廣泛的鑄造材料。它具有生產(chǎn)設備和工藝簡單、價格便宜等優(yōu)點。大部分機械設備的箱體、殼體、機座、支架和受力不大的零件多用鑄鐵制造。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機械加工工時，且有必要的強度和某些優(yōu)良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。

鑄鐵與鋼相比，其成分特點是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。但雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳和硅都是鑄鐵中的重要元素，唯一有害的元素是硫。鑄鐵的組織特點是含有石墨，組織的其余部分相當于碳含量小于0.80%鋼的組織。鑄鐵的韌性和塑性主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。鑄鐵的其他性能也與石墨密切相關。基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強度和耐磨性的主要因素。

(1)鑄鐵的分類。按碳存在的形式分類，鑄鐵可分為灰口鑄鐵、白口鑄鐵和麻口鑄鐵三大類。

1)灰口鑄鐵中的碳除微量溶人鐵素體外，全部或大部以石墨形式存在，因斷口呈灰色，故名灰口鑄鐵。按照石墨的形狀特征，灰口鑄鐵可分為普通灰鑄鐵(石墨呈片狀)、蠕墨鑄鐵(石墨呈蠕蟲狀)、可鍛鑄鐵(石墨呈團絮狀)和球墨鑄鐵(石墨呈球狀)四大類。

2)白口鑄鐵中的碳完全以滲碳體的形式存在，斷口呈亮白色。白口鑄鐵很難切削加工，主要作煉鋼原料使用。但由于它的硬度和耐磨性高，也可以鑄成表面為白口組織的鑄件，如軋輥、球磨機的磨球等。

3)麻口鑄鐵中的碳以石墨和滲碳體的混合形式存在，斷口呈灰白色。這種鑄鐵有較大的脆性，工業(yè)上很少使用。

(2)鑄鐵牌號的表示方法。

1)《鑄鐵牌號表示方法》GB/T 5612-2008中規(guī)定，用各種鑄鐵相應漢語拼音字母的第一個大寫字母作為鑄鐵的代號，當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時，可在大寫字母后加小寫字母表示。同一名稱鑄鐵需要細分時，取其細分特點的漢語拼音字母第一個大寫字母排在后面。

2)在牌號中一般不標注常規(guī)元素碳、硅、錳、硫和磷的符號，但當它們有特殊作用時才標注其元素符號和含量。合金元素的名義含量大于或等于1.0%時，用整數(shù)表示;小于1.0%時一般不標注。只有當該合金元素有較大影響，才予以標注。合金元素按其含量遞減次序排列，含量相同者，按元素符號字母的順序排列。

3)牌號中代號后面的一組數(shù)字表示抗拉強度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數(shù)字時，第一組數(shù)字表示抗拉強度值，第二組數(shù)字表示伸長率值(如球墨鑄鐵QT400 -18)，兩組數(shù)字之間用“-”隔開。當牌號中標注了元素符號及含量還需標注抗拉強度時，抗拉強度值置于元素符號及其含量之后，其間用“-”隔開。

(3)工程中常用鑄鐵的性能和特點。

1)灰鑄鐵。灰鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成?；w可以是鐵素體，珠光體或鐵素體加珠光體，相當于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。

灰鑄鐵包括普通灰鑄鐵、奧氏體灰鑄鐵、冷硬灰鑄鐵、耐磨灰鑄鐵、耐熱灰鑄鐵和耐蝕灰鑄鐵六種，灰鑄鐵價格便宜，應用非常廣泛。在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵占80%以上。影響灰鑄鐵組織和性能的因素主要是化學成分和冷卻速度?；诣T鐵中的碳、硅含量一般控制在碳2.5%～4.0%，硅1.0%～3.0%。

2)球墨鑄鐵。球墨鑄鐵其綜合機械性能接近于鋼，因鑄造性能很好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應用。球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，與灰鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5%～4.7%范圍內(nèi)變動，以利于石墨球化。

球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰鑄鐵，而與鋼相當。因此對于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕，并具有較好的耐疲勞強度。實驗表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強度甚至超過45鋼。在實際工程中，常用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等，也可用于高層建筑室外進入室內(nèi)給水的總管或室內(nèi)總干管。

3)蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵的強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時又有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導熱性。蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑經(jīng)處理而煉戚的，其方法和程序與球墨鑄鐵基本相同。

蠕墨鑄鐵在生產(chǎn)中主要用于生產(chǎn)汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模和液壓閥等鑄件。作為一種新的鑄鐵材料，它的發(fā)展前景是相當樂觀的。

4)可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵具有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。這種鑄鐵有黑心可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵蘭種類型。黑心可鍛鑄鐵依靠石墨化退火來獲得;白心可鍛鑄鐵利用氧化脫碳退火來制取?？慑戣T鐵常用來制造形狀復雜、承受沖擊和振動荷載的零件，如管接頭和低壓閥門等。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、處理工藝簡單等優(yōu)點。

5)耐磨鑄鐵。在鑄鐵中加入某些合金元素而得到。耐磨鑄鐵是在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵，應具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊荷載，因此在生產(chǎn)上常采用激冷的辦法來獲得耐磨鑄鐵。

6)耐熱鑄鐵。耐熱鑄鐵是在高溫下工作的鑄件，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運輸鏈條等。在灰口鑄鐵中加入鋁、硅和鎘等元素，一方面，在鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化;另一方面，提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F索體，不發(fā)生石墨化過程.因此鑄鐵的耐熱性得到改善。

7)耐蝕鑄鐵。耐蝕鑄鐵是主要用于化工部件，如閥門、管道、泵、容器等。在鑄鐵中加入硅、鉻、鋁、銅、銅和鎳等合金元素，在鑄件表面形成保護膜，或使基體電極電位升高，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。

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