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，其中一類是雜質元素，如硫、磷、氧、氮等;另一類是根據使用性能和工藝性能的需要，在其生產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

鋼具有許多優良特性，如材質均勻、性能可靠，具有較高的強度和良好的塑性、韌性和延展性，可承受各種性質的荷載;加工性優良(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影響很大。鋼中碳的含量對鋼的性質有決定性影響，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，磷使鋼材顯著產生冷脆性，硫則使鋼材產生熱脆性。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。《鋼分類第1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)按主要質量等級分為：①普通碳素鋼、優質碳素鋼和特殊質量碳索鋼;②普通低合金鋼、優質低合金鋼和特殊質量低合金鋼;③普通合金鋼、優質合金鋼和特殊質量合金鋼。

(2)鋼牌號的表示方法。

《鋼鐵產品牌號表示方法》GB/T 221-2008中規定：

1)碳素結構鋼和低合金結構鋼。

碳素結構鋼和低合金結構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).其中通用結構鋼前綴符號為代表屈服強度的拼音字母“Q”，專用結構鋼的前綴符號見表1.1.3。

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

第三部分(必要時)：脫氧方式表示符號，即沸騰鋼(F)、鎮靜鋼(Z)、特殊鎮靜鋼(TZ)。鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼表示符號通常可以省略。

第四部分(必要時)：產品用途、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、質量等級為A級的沸騰碳素錒，Q345D表示最小屈服強度345N/mm2、質量等級為D級的低合金高強度結構鋼，專業用低合金高強度鋼，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表示最小規定總延伸強度415MPa的管線用鋼。

2)優質碳素結構鋼。

優質碳素結構鋼牌號通常由五部分組成：

第一部分：以兩位阿拉伯數字表示平均含碳量(以萬分之幾計)。

第二部分(必要時)：較高含錳量的優質碳素結構鋼，加錳元素符號Mn。

第三部分(必要時)：鋼材冶金質量，即高級優質鋼、特級優質鋼分別以A、E表示，優質鋼不用字母表示。

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

第五部分(必要時)：產品用途、特性和工藝方法表示符號，見表1.1.4。

例如，優質碳素結構鋼：08F表示碳含量為0.085%～0.11%，錳含量為0.25%～0.50%的沸騰鋼;優質碳素結構鋼：50MnE表示碳含量為0.48%～0.56%，錳含量為0.70%—1.00%的特級優質鎮靜鋼。

3)合金結構鋼。

合金結構剛牌號通常由四部分組成：

第一部分：以兩位阿拉伯數字表示平均含碳量(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：鋼材冶金質量，鋼材的冶金質量分為優質鋼、高級優質鋼和特級優質鋼。優質鋼不另加表示符號，高級優質鋼分為A、B、C、D四個質量等級;“E”表示特級優質鋼。

第四部分(必要時)：產品用途、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%的高級優質合金結構鋼。

(3)工程中常用鋼及其合金的性能和特點。

1)碳素結構鋼。

①普通碳素結構鋼。按照國家標準《碳素結構鋼》GB/T 700--2006，以碳素結構鋼屈服強度下限分為四個級別：Q195、Q215、Q235和Q 275。普通碳素結構鋼的碳、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。

普通碳素結構鋼生產工藝簡單，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，是鋼結構常用的牌號;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、農具、耐磨零件和墊板等，

②優質碳素結構鋼。優質碳素結構鋼是含碳小于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構鋼少。與普通碳素結構鋼相比，優質碳素結構鋼塑性和韌性較高，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。根據含碳量的不同，優質碳素鋼分為低碳鋼、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，調質處理的強化效果越差，因此只有中、小型零件采用調質處理才能獲得較好的強化效果。

2)低合金結構鋼。按照國家標準《低合金鋼高強度結構鋼》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構鋼具有較高的韌性，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變溫度，用于制造各種容器、螺旋焊管、建筑結構、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，可用于建筑結構、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工藝與碳素結構鋼類似，故普通低合金鋼的價格與碳素結構鋼相近。

②優質低合金鋼。優質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件。當零件的形狀復雜，截面尺寸較大，要求韌性高時，采用優質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質低合金鋼，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中具有高穩定性的鋼種。它在化工、石油、食品機械和國防工業中廣泛應用。

不銹耐酸鋼按使用狀態的金相組織，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，通常含鉻的質量分數大于或等于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中廣泛使用。另外0Cr13不銹鋼在弱腐蝕介質中，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環境中，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。這類鋼的突出優點是經沉淀硬化熱處理以后具有高的強度，耐蝕性優于鐵索體型不銹鋼。它主要用于制造高強度和耐蝕的容器、結構和零件，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。少數鋼號為滿足鑄造工藝要求，在成分上應適當調整。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。它具有生產設備和工藝簡單、價格便宜等優點。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良，有利于節約材料，減少機械加工工時，且有必要的強度和某些優良性能，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，雜質含量也較高。但雜質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字表示抗拉強度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數字時，第一組數字表示抗拉強度值，第二組數字表示伸長率值(如球墨鑄鐵QT400 -18)，兩組數字之間用“-”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。基體可以是鐵素體，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。灰鑄鐵中的碳、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，生產方便，在工業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給水的總管或室內總干管。

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。

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

4)可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵具有較高的強度、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。可鍛鑄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、質量穩定、處理工藝簡單等優點。

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，阻礙繼續氧化;另一方面，提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變為單相鐵索體，不發生石墨化過程.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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（責任編輯：zyc）

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