一、金属材料
金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。
(一)黑色金属
黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。
钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。含碳量小于2. 11%(重量)的铁合金称为钢;而含碳量大于2. 11%(重量)的铁合金称为生铁。钢和铸铁中除了含铁、碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮等;另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入这些合金元素就成为合金钢或合金铸铁。
1.钢的分类和用途
钢具有许多优良特性，如材质均匀、性能可靠，具有较高的强度和良好的塑性、韧性和延展性，可承受各种性质的荷载;加工性优良(如可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件)。
钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等，这些少量元素对钢的性质影响很大。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高的钢材强度高(当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降)、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
钢材的力学性能(如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等)取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。
(1)钢的分类。《钢分类第1部分：按化学成分分类》GB/T 13304.1-2008按照化学成分将钢材分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类，其部分合金元素规定含量界限值如表1.1.2所示。
在工程中的分类还有：
1)按化学成分可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。
2)按主要质量等级分为：①普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳索钢;②普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢;③普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。
(2)钢牌号的表示方法。
《钢铁产品牌号表示方法》GB/T 221-2008中规定：
1)碳素结构钢和低合金结构钢。
碳素结构钢和低合金结构钢的牌号通常由四部分组成：
第一部分：前缀符号十强度值(以N/mm2或MPa为单位).其中通用结构钢前缀符号为代表屈服强度的拼音字母“Q”，专用结构钢的前缀符号见表1.1.3。
第二部分(必要时)：钢的质量等级.用英文字母A、B、C、D、E、F--- - -表示。质量等级英文字母由前往后，表示质量由低到高。
第三部分(必要时)：脱氧方式表示符号，即沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、特殊镇静钢(TZ)。镇静钢、特殊镇静钢表示符号通常可以省略。
第四部分(必要时)：产品用途、特性和工艺方法表示符号，见表1.1.4。
例如，Q235AF表示最小屈服强度235 N/mm2、质量等级为A级的沸腾碳素锕，Q345D表示最小屈服强度345N/mm2、质量等级为D级的低合金高强度结构钢，专业用低合金高强度钢，应在钢牌号最后标明。如16Mn钢，用于桥梁的专用钢种为 “16MnQ”，汽车大梁的专用钢种为“16MnL”，压力容器的专用钢种为“16MnR”;HRB335表示屈服强度特征值335N/mm2的热轧带肋钢筋;L415表示最小规定总延伸强度415MPa的管线用钢。
2)优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢牌号通常由五部分组成：
第一部分：以两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)。
第二部分(必要时)：较高含锰量的优质碳素结构钢，加锰元素符号Mn。
第三部分(必要时)：钢材冶金质量，即高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示。
第四部分(必要时)：脱氧方式表示符号，即沸腾钢(F)、镇静钢(z)，但镇静钢表示符号通常可以省略。
第五部分(必要时)：产品用途、特性和工艺方法表示符号，见表1.1.4。
例如，优质碳素结构钢：08F表示碳含量为0.085%～0.11%，锰含量为0.25%～0.50%的沸腾钢;优质碳素结构钢：50MnE表示碳含量为0.48%～0.56%，锰含量为0.70%—1.00%的特级优质镇静钢。
3)合金结构钢。
合金结构刚牌号通常由四部分组成：
第一部分：以两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)。
第二部分：合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示。具体表示方法为：平均含量小于1. 50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量;平均含量为1.50%～2. 49%、2.50%—3. 49%、3.50%—4.49%、4.50%～5.49%……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……
第三部分：钢材冶金质量，钢材的冶金质量分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢。优质钢不另加表示符号，高级优质钢分为A、B、C、D四个质量等级;“E”表示特级优质钢。
第四部分(必要时)：产品用途、特性或工艺方法表示符号，见表1.1.4。
例如，25Cr2MoVA：表示碳含量为0.22%～0.29%，铬含量为1.50%～1. 80%、钼含量为0. 25%～0. 35%、钒含量为0.15%～0.30%的高级优质合金结构钢。
(3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。
1)碳素结构钢。
①普通碳素结构钢。按照国家标准《碳素结构钢》GB/T 700--2006，以碳素结构钢屈服强度下限分为四个级别：Q195、Q215、Q235和Q 275。普通碳素结构钢的碳、磷、硫及其他残余元素的含量控制较宽，某些性能如低温韧性和时效敏感性较差。
普通碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能(如焊接性能、压力加工性能等)、必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。Q195钢强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等;Q215钢主要用于制作管坯、螺栓等：Q 235钢强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号;Q 235钢大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等;Q 275钢强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等，
②优质碳素结构钢。优质碳素结构钢是含碳小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。根据含碳量的不同，优质碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。低碳钢强度和硬度低，但塑性和韧性高，加工性和焊接性能优良，用于制造承载较小和要求韧性高的零件以及小型渗碳零件;中碳钢强度和硬度较高，塑性和韧性较低，切削性能良好，但焊接性能较差，冷热变形能力良好，主要用于制造荷载较大的机械零件。常用的中碳钢为40#、45#和50#钢，但由于碳素钢的淬透性不高，零件的尺寸越大，调质处理的强化效果越差，因此只有中、小型零件采用调质处理才能获得较好的强化效果。
2)低合金结构钢。按照国家标准《低合金钢高强度结构钢》GB/T 1591--2008，共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q 500、Q 550、Q620、Q690八个强度等级。
①普通低合金钢。普通低合金钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度，用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构、车辆用冲压件和船体等。Q345 (18Nb)具有综合力学性能、耐低温冲击韧性、焊接性能和冷热压加工性能良好的特性，可用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机等。另外，由于普通低合金钢的生产工艺与碳素结构钢类似，故普通低合金钢的价格与碳素结构钢相近。
②优质低合金钢。优质低合金钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。当零件的形状复杂，截面尺寸较大，要求韧性高时，采用优质低合金钢可使复杂形状零件的淬火变形和开裂倾向降到最小。因此，形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件一般为优质低合金钢，如用15MnVg制造锅炉和压力容器、用70Mn制造起重机钢轨、用20MnSiV制造承受较高荷载或高速冲击的齿轮轴、齿圈、齿轮、主轴、蜗杆和离合器(机床用)等。
3)不锈耐酸钢。不锈耐酸钢简称不锈钢。它是指在空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质中具有高稳定性的钢种。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。
不锈耐酸钢按使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁索体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。现将各类不锈钢的特点简述如下：
①铁索体型不锈钢。铬是铁索体型不锈钢中的主加元素，通常含铬的质量分数大于或等于13.00%。某些钢种还添加有铝和钛等。高铬钢(17.0%～30.O%Cr)有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。另外0Cr13不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，也有良好的耐蚀性。高铬铁索体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。
②马氏体型不锈钢。此钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海水、淡水和水蒸气中;以及使用温度小于或等于580℃的环境中，通常也可作为受力较大的零件和工具的制作材料。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。
③奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬、镍、钛、铌、钼、氮和锰等。此钢具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，以及良好的压力加工和焊接性能。但是这类钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。
④铁索体奥氏体型不锈钢。这类钢其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，可焊性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。
⑤沉淀硬化型不锈钢。这类钢的突出优点是经沉淀硬化热处理以后具有高的强度，耐蚀性优于铁索体型不锈钢。它主要用于制造高强度和耐蚀的容器、结构和零件，也可用作高温零件。
4)铸钢。铸钢具有较高的强度、塑性和韧性。某些冷、热变形性能差或难切削加工的钢，可由铸钢成型。用于轧材和锻件的钢号原则上都可用于铸钢件。少数钢号为满足铸造工艺要求，在成分上应适当调整。铸钢件的物理和化学性能和焊接性能与锻件相近，这主要决定于钢的成分，如铸件的碳含量和合金元素含量增加，铸件的焊接性能变差。
2.铸铁的分类和用途
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳含金，并且还含有较多量的硅、锰、硫和磷等元素。铸铁是应用最广泛的铸造材料。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰和硅都是铸铁中的重要元素，唯一有害的元素是硫。铸铁的组织特点是含有石墨，组织的其余部分相当于碳含量小于0.80%钢的组织。铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。铸铁的其他性能也与石墨密切相关。基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。
(1)铸铁的分类。按碳存在的形式分类，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三大类。
1)灰口铸铁中的碳除微量溶人铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，因断口呈灰色，故名灰口铸铁。按照石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁(石墨呈片状)、蠕墨铸铁(石墨呈蠕虫状)、可锻铸铁(石墨呈团絮状)和球墨铸铁(石墨呈球状)四大类。
2)白口铸铁中的碳完全以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色。白口铸铁很难切削加工，主要作炼钢原料使用。但由于它的硬度和耐磨性高，也可以铸成表面为白口组织的铸件，如轧辊、球磨机的磨球等。
3)麻口铸铁中的碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈灰白色。这种铸铁有较大的脆性，工业上很少使用。
(2)铸铁牌号的表示方法。
1)《铸铁牌号表示方法》GB/T 5612-2008中规定，用各种铸铁相应汉语拼音字母的第一个大写字母作为铸铁的代号，当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在大写字母后加小写字母表示。同一名称铸铁需要细分时，取其细分特点的汉语拼音字母第一个大写字母排在后面。
2)在牌号中一般不标注常规元素碳、硅、锰、硫和磷的符号，但当它们有特殊作用时才标注其元素符号和含量。合金元素的名义含量大于或等于1.0%时，用整数表示;小于1.0%时一般不标注。只有当该合金元素有较大影响，才予以标注。合金元素按其含量递减次序排列，含量相同者，按元素符号字母的顺序排列。
3)牌号中代号后面的一组数字表示抗拉强度值(如灰铸铁HT100)，有两组数字时，第一组数字表示抗拉强度值，第二组数字表示伸长率值(如球墨铸铁QT400 -18)，两组数字之间用“-”隔开。当牌号中标注了元素符号及含量还需标注抗拉强度时，抗拉强度值置于元素符号及其含量之后，其间用“-”隔开。
(3)工程中常用铸铁的性能和特点。
1)灰铸铁。灰铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。因此铸铁的组织可以看成是钢基体上分布着石墨。
灰铸铁包括普通灰铸铁、奥氏体灰铸铁、冷硬灰铸铁、耐磨灰铸铁、耐热灰铸铁和耐蚀灰铸铁六种，灰铸铁价格便宜，应用非常广泛。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占80%以上。影响灰铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。灰铸铁中的碳、硅含量一般控制在碳2.5%～4.0%，硅1.0%～3.0%。
2)球墨铸铁。球墨铸铁其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。球墨铸铁的成分要求比较严格，与灰铸铁相比，它的含碳量较高，通常在4.5%～4.7%范围内变动，以利于石墨球化。
球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，而且重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢。在实际工程中，常用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等，也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。
3)蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性;同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂经处理而炼戚的，其方法和程序与球墨铸铁基本相同。
蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。作为一种新的铸铁材料，它的发展前景是相当乐观的。
4)可锻铸铁。可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。这种铸铁有黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁兰种类型。黑心可锻铸铁依靠石墨化退火来获得;白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来制取。可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、处理工艺简单等优点。
5)耐磨铸铁。在铸铁中加入某些合金元素而得到。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能承受冲击荷载，因此在生产上常采用激冷的办法来获得耐磨铸铁。
6)耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等。在灰口铸铁中加入铝、硅和镉等元素，一方面，在铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化;另一方面，提高铸铁的临界温度，使基体变为单相铁索体，不发生石墨化过程.因此铸铁的耐热性得到改善。
7)耐蚀铸铁。耐蚀铸铁是主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。在铸铁中加入硅、铬、铝、铜、铜和镍等合金元素，在铸件表面形成保护膜，或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝和高铬等耐蚀铸铁。
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