金屬材料

　　1.黑色金屬

　　黑色金屬一般是指鋼鐵材料，是以鐵為基的合金。

　　——含碳量小于2.11%（重量）的合金稱(chēng)為鋼；

　　——而含碳量大于2.11%（重量）的合金稱(chēng)為生鐵。工程實(shí)際中用的鋼和鑄鐵除含鐵、碳以外，還含有其它元素，

　　——一類(lèi)是雜質(zhì)元素，如硫、磷、氫等；

　　——另一類(lèi)是根據(jù)使用性能和工藝性能的需要，有意加入的合金元素，常見(jiàn)有鉻、鎳、錳和鈦等，鐵碳合金中加入上述元素就成了合金鋼或合金鑄鐵。

　　（1）鋼及其合金的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法

　　鋼中主要化學(xué)元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等。

　　——鋼中碳的含量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響；

　　含碳量低，鋼的強(qiáng)度較低，但塑性大，延伸率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)較軟，易于冷加工、切削和焊接；

　　含碳量高，鋼的強(qiáng)度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工；

　　——硫、磷為鋼中有害元素，含量稍多會(huì)嚴(yán)重影響鋼的塑性和韌性；

　　磷使鋼顯著產(chǎn)生冷脆性；

　　硫則產(chǎn)生熱脆性；

　　——硅、錳為有益元素，它們能使鋼材強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性不顯著降低。

　　鋼的力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度和硬度等）取決于鋼的化學(xué)成分和金相組織。

　　鋼的成分一定時(shí)，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，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(lèi)。

　　我國(guó)鋼的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13304-1991）是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4948/1和ISO4948/2鋼分類(lèi)而制訂的。（圖1.1.1 鋼的分類(lèi)圖）

　　2）鋼牌號(hào)的表示方法。

　　按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》（GB/T221-2000）中規(guī)定，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法，即：

　　① 牌號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)元素表示。

　　② 產(chǎn)品名稱(chēng)、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語(yǔ)拼音的縮寫(xiě)字母表示。

　?、?鋼鐵產(chǎn)品中的主要化學(xué)元素含量（%）采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

　　碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母“Q”、屈服點(diǎn)等級(jí)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧程度等四部分按順序組成。

　　——屈服點(diǎn)數(shù)值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/m㎡五種；

　　——質(zhì)量等級(jí)以硫、磷雜質(zhì)含量多少，分別用A．B．C．D符號(hào)表示；

　　——脫氧程度如上所述，Z和TZ在表示鋼的牌號(hào)時(shí)可以省略。如Q235-AF表示屈服點(diǎn)為235N/m㎡、質(zhì)量等級(jí)為A的沸騰鋼。

　　優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號(hào)以?xún)晌粩?shù)字表示，數(shù)字代表含碳量的百分之幾（以0.01%為單位），——如鋼號(hào)為20，表示平均含碳量為0.20%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼；鋼號(hào)為45，表示平均含碳

　　量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

　　低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼原名為普通低合金鋼。

　　——低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以屈服點(diǎn)等級(jí)為主，劃分成五個(gè)牌號(hào)，其表示方法如下：

　　屈服點(diǎn)等級(jí)加質(zhì)量等級(jí)：

　　屈服點(diǎn)等級(jí)：Q295、Q345、Q390、Q420和Q460；

　　質(zhì)量等級(jí)：E．D．C．B．A.

　　——由于合金元素的強(qiáng)化作用，使低合金結(jié)構(gòu)鋼不但具有較高的強(qiáng)度，且具有較好的塑性、韌性和可焊性。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要用于焊接結(jié)構(gòu)，其制造工藝主要是冷、熱壓力加工和焊接。

　　合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)按下列規(guī)則編制：

　　——用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)字表示平均含碳量（以萬(wàn)分之幾計(jì)），放在牌號(hào)頭部。

　　合金元素含量為1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%、…… 時(shí)，相應(yīng)地注為2、3、4、5……；

　　平均合金含量<1.5%者，在牌號(hào)中只標(biāo)出元素符號(hào)，不注其含量；

　　如30CrMnSi表示碳、鉻、錳、硅平均含量分別為0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金結(jié)構(gòu)鋼。

　　高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼

　　——在牌號(hào)尾部加符號(hào)“A”表示，如“30CrMnSiA”；

　　——特級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，在牌號(hào)尾部加符號(hào)“E”表示，如“30CrMnSiE”

　　3）工程中常用鋼及其合金的性能和特點(diǎn)。

　?、?碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-1988）和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T699-1999）。

　　碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(jià)廉和易于大量供應(yīng)，通常在熱軋后使用。

　　在橋梁、建筑、船舶上獲得了極廣泛的應(yīng)用。

　?、?優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。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(guò)熱處理強(qiáng)化，多用于較重要的零件，是廣泛應(yīng)用的機(jī)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。

　?、?低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有較高的韌性，同時(shí)有良好的焊接性能、冷熱壓力加工性能和耐蝕性。

　?、?合金結(jié)構(gòu)鋼。

　　合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入適量的一種或數(shù)種合金元素而形成的，它的綜合力學(xué)性能優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

　　合金結(jié)構(gòu)鋼是合金鋼中用量最多的一類(lèi)鋼，廣泛用于制造各種要求韌性高的重要機(jī)械零件和構(gòu)件。

　?、?不銹耐酸鋼。

　　不銹耐酸鋼簡(jiǎn)稱(chēng)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。

　　——鐵素體型不銹鋼。鉻是鐵素體型不銹鋼中的主要合金元素，通常含鉻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于13.00%，不含鎳。

　　高鉻鋼（17.0%~30.0%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。

　　高鉻鐵素體不銹鋼的缺點(diǎn)是鋼的缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，鋼在加熱后對(duì)晶間腐蝕也較為敏感。如0Crl3不銹鋼在弱腐蝕介質(zhì)中，如淡水中，有良好的耐蝕性。

　　——馬氏體型不銹鋼。

　　鉻是鋼中的主要合金元素，鋼在淬火-回火狀態(tài)使用，有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。通常用在弱腐蝕性介質(zhì)，如海水、淡水和水蒸氣等中，使用溫度小于或等于580℃、通常作為受力較大的零件和工具的制作材料，由于此鋼焊接性能不好，故一般不用作焊接件。

　　——奧氏體型不銹鋼。

　　鋼中主要合金元素為鉻和鎳，其次是鈦、鈮、鉬、氮和錳等。

　　此鋼具有奧氏體組織，這類(lèi)鋼具有高的韌性、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度、良好的耐蝕性和高溫強(qiáng)度、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(lèi)鋼的屈服強(qiáng)度低，且不能采用熱處理方法強(qiáng)化，而只能進(jìn)行冷變形強(qiáng)化。

　　——鐵素體-奧氏體型不銹鋼。

　　這類(lèi)鋼是在奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，添加更多的鉻、鉬和硅等有利于形成鐵素體的元素，或降低鋼的含碳量而獲得的。

　　其屈服強(qiáng)度約為奧氏體型不銹鋼的兩倍，可焊性良好，韌性較高，應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕及焊接時(shí)的熱裂傾向均小于奧氏體型不銹鋼。

　　——沉淀硬化型不銹鋼。這類(lèi)鋼的突出優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)沉淀硬化熱處理以后具有高的強(qiáng)度，耐蝕性?xún)?yōu)于鐵素體型不銹鋼。

　　它主要用于制造高強(qiáng)度和耐蝕的容器、結(jié)構(gòu)和零件，也可用作高溫零件，如汽輪機(jī)零件。

　?、?鑄鋼。

　　鑄鋼具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，可以鑄成各種形狀、尺寸和質(zhì)量的鑄鋼件。

　　——碳素鋼鑄鋼。

　　牌號(hào)有兩種表示方法，也即是以強(qiáng)度表示的鑄鋼牌號(hào)和以化學(xué)成分表示的鑄鋼牌號(hào)。

　　例如：

　　ZG200-400：是以強(qiáng)度表示的碳素鋼鑄鋼牌號(hào)，即在ZG后面加兩組力學(xué)性能數(shù)字，第一組數(shù)字表示該鋼的屈服強(qiáng)度最低值（MPa），第二組數(shù)字表示該鋼的抗拉強(qiáng)度最低值（MPa）。

　　例如：以化學(xué)成分表示的鑄鋼牌號(hào)

　　ZG15Cr1Mo1V：是以化學(xué)成分表示的合金鋼鑄鋼牌號(hào)，即在ZG后面依次加上表示鑄鋼的名義萬(wàn)分含碳量及合金元素的名義百分含量，

　　——低合金鋼鑄鋼。根據(jù)JB/T6402-1992低合金鋼鑄鋼牌號(hào)表示方法，以化學(xué)成分表示低合金鋼鑄鋼牌號(hào)。

　　例如：

　　ZG35CrMnSi：即在ZG后面依次加上表示鑄鋼的名義萬(wàn)分含碳量及合金元素的名義百分含量。

　　（2）鑄鐵的分類(lèi)和牌號(hào)表示方法

　　鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳含金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。

　　它具有生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機(jī)的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。

　　其原因是鑄鐵價(jià)廉，切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機(jī)械加工工時(shí)，且有必要的強(qiáng)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。

　　1）鑄鐵的分類(lèi)。

　　鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點(diǎn)是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。

　　但是，雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，

　　——如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素；

　　——錳、硅都是鑄鐵中的重要元素；

　　——唯一有害的元素是硫。

　　鑄鐵的韌性和塑性，主要取決于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。

　　基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性的主要因素。

　　按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為三大類(lèi)：

　　——灰口鑄鐵（石墨成片狀）；

　　——球墨鑄鐵（石墨成球狀）；

　　——可鍛鑄鐵（石墨成團(tuán)絮狀）。

　　2）鑄鐵牌號(hào)的表示方法

　　3）工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)

　　① 灰口鑄鐵?；铱阼T鐵的組織由石墨和基體兩部分組成。

　　② 球墨鑄鐵。

　　對(duì)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。

　　不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過(guò)45#鋼。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來(lái)代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。

　?、?蠕墨鑄鐵。是一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。

　　它的強(qiáng)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(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。

　?、?可鍛鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。

　?、?耐磨鑄鐵。

　?、?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(yùn)輸鏈條等。

　　⑦ 耐蝕鑄鐵。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁和高鉻等耐蝕鑄鐵。