金屬材料簡介

金屬材料是重要的工程材料,包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分:
      ( 1 )黑色金屬材料 —— 鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。
     ( 2 )有色金屬材料 —— 黑色金屬以外的所有金屬及其合金。
     有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為:輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴重金屬、稀土金屬和堿土金屬。
(二)非金屬材料
     非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
     ( 1 )耐火材料。耐火材料是指能承受高溫下作用而不易損壞的材料。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。
     ( 2 )耐火隔熱材料。耐火隔熱材料又稱為耐熱保溫材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛙石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉以及它們的制品。
     ( 3 )耐蝕(酸)非金屬材料。耐蝕(酸)非金屬材料的組成主要是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等,在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
     ( 4 )陶瓷材料。

(二)非金屬材料
    
非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
    
1 )耐火材料。耐火材料是指能承受高溫下作用而不易損壞的材料。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。
    
2 )耐火隔熱材料。耐火隔熱材料又稱為耐熱保溫材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛙石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉以及它們的制品。
    
3 )耐蝕(酸)非金屬材料。耐蝕(酸)非金屬材料的組成主要是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等,在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
    
4 )陶瓷材料。
二、常用工程材料的性能和特點(diǎn)
(一)金屬材料
     1
、黑色金屬
    
含碳量小于 2 . 11 %(重量)的合金稱為鋼,合碳量大于 2 . 11 %(重量)的合金稱為生鐵。
    
( 1 )鋼及其合金的分類。
     鋼的力學(xué)性能決定于鋼的成分和金相組織。鋼中碳的含量對鋼的性質(zhì)有決定性影響。
    
在工程中更通用的分類為:
    l
)按化學(xué)成分分類??煞譃樘妓劁摗⒌秃辖痄摵秃辖痄?。
    2
)按主要質(zhì)量等級分類:
    
① 普通碳素鋼、上等碳素鋼和特殊質(zhì)量碳素鋼;
    
② 普通低合金鋼、上等低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼;
    
③ 普通合金鋼、上等合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。
    
2 )鋼牌號的表示方法。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》規(guī)定,我國鋼鐵產(chǎn)品牌號采用漢語拼音字母、化學(xué)符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法,即:
    l
)牌號中化學(xué)元素采用化學(xué)元素表示。
    2
)產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法等,通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語拼音的縮寫字母表示。
    3
)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。
    
合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號按下列規(guī)則編制。數(shù)字表示含碳量的平均值。合金結(jié)構(gòu)鋼和彈簧鋼用二位數(shù)宇表示平均含碳量的萬分之幾,不銹耐酸鋼和耐熱鋼含碳量用千分?jǐn)?shù)表示。平均含碳量< 0.1 %(用 “0” 表示;平均含碳量< 0.03 %,用 “00” 表示=。合金工具鋼平均含碳量> 1.00 %時,不標(biāo)合碳量,否則用千分?jǐn)?shù)表示。高速工具鋼和滾珠軸承鋼不標(biāo)含碳量,滾珠軸承鋼標(biāo)注用途符號 “C” 。平均合金含量< 1.5 %者,在牌號中只標(biāo)出元素符號,不注其含量。
例:在鋼的分類中 , 上等鋼是按照( )來分類的。
A.
化學(xué)成分  B. 用途  C. 冶煉質(zhì)量  D. 冶煉方法 
答案 :C
3 )工程中常用鋼及其合金的性能和特點(diǎn)。
    l
)碳素結(jié)構(gòu)鋼。
    
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(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。某些不太重要、要求韌性不高的機(jī)械零件也廣泛選用。

    2
)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,同時有良好的焊接性能、冷熱壓力加工性能和耐蝕性,部分鋼種還具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

    3
)合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)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。形狀復(fù)雜或截面尺寸較大或要求韌性高的淬火零件,一般為合金結(jié)構(gòu)鋼。
    4
)不銹耐酸鋼。它在化工、石油、食品機(jī)械和國防工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
    
按不銹鋼使用狀態(tài)的金相組織,可分為鐵素體、馬氏體、奧氏體、鐵素體加奧氏體和沉淀硬化型不銹鋼五類?,F(xiàn)將各類不銹鋼的特點(diǎn)簡述如下:
    
① 鐵素體型不銹鋼。鉻是鐵素體型不銹鋼中的主要合金元素。高鉻鋼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,鋼在加熱后對晶間腐蝕也較為敏感。

② 馬氏體型不銹鋼。鉻是鋼中的主要合金元素。通常用在弱腐蝕性介質(zhì),如海水、淡水和水蒸汽等中,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。
    
③ 奧氏體型不銹鋼。鋼中主要合金元素為鉻和鎳。這類鋼具有高的韌性、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。
    
④ 鐵素體 — 奧氏體型不銹鋼。
    
⑤ 沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼主要用于制造要求高強(qiáng)度和耐蝕的容器、結(jié)構(gòu)件零件,也可用作高溫零件,如汽輪機(jī)零件。
    5 )鑄鋼。鑄鋼具有較好的強(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。
4 )鑄鐵的分類和牌號表示方法。大部分機(jī)械設(shè)備的箱體、殼體、機(jī)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(jī)的曲軸,多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵價廉,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,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。
    
按照石墨的形狀特征,鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)和可鍛鑄鐵(石墨成團(tuán)絮狀)三大類。
    
按照鑄鐵成分中是否含有合金元素,可分為一般鑄鐵和合金鑄鐵兩大類。一般鑄鐵可分為普通鑄鐵和變質(zhì)(孕育)鑄鐵。
    2
)鑄鐵牌號的表示方法:
    
① 用各種鑄鐵相應(yīng)漢語拼音字母的個大寫字母作為鑄鐵的代號,當(dāng)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。
    
② 在牌號中一般不標(biāo)注常規(guī)元素 C . Si 、 Mn 、 S 和 P 的符號,但當(dāng)它們有特殊作用時才標(biāo)注其元素符號和含量。
    
③ 牌號中代號后面的一組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度值(如灰口鑄鐵 HT100 ),有兩組數(shù)字時,組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度值,**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。
    3
)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn):
    
① 灰口鑄鐵。基體可以是鐵素體,珠光體或鐵素體加珠光體,相當(dāng)于鋼的組織。
    
② 球墨鑄鐵。球墨鑄鐵綜合機(jī)械性能接近于鋼。
    
可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。
    
③ 蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵,并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。
    
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。
    
④ 可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵可以部分代替碳鋼。
    
⑤ 耐磨鑄鐵。耐磨鑄鐵是在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵,應(yīng)具有高而均勻的硬度。
    
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、鉗鍋、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等。
     
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。
2 、有色金屬
    l
)鋁及其合金。
工業(yè)純鋁可制作電線、電纜、器皿及配制合金。鋁合金可用于制造承受較大載荷的機(jī)器零件和構(gòu)件。
    
① 防銹鋁合金( LF )。主要用于焊接件、容器、管道或以及承受中等載荷的零件及制品,也可用作鉚釘。
    
② 硬鋁合金( LY )。低合金硬鋁塑性好,強(qiáng)度低。主要用于制作鉚釘,常稱鉚釘硬鋁;標(biāo)準(zhǔn)硬鋁合金強(qiáng)度和塑性屬中等水平。主要用于軋材、鍛材、沖壓件和螺旋漿葉片及大型鉚釘?shù)戎匾慵桓吆辖鹩蹭X合金元素含量較多,強(qiáng)度和硬度較高,塑性及變形加工性能較差。用于制作重要的銷和軸等零件。
    
③ 超硬鋁合金( LC )。
這類合金的抗蝕性較差,高溫下軟化快,多用于制造受力大的重要構(gòu)件,例如飛機(jī)大梁、起落架等。
    
④ 鍛鋁合金( LD )。這類合金主要用于承受重載荷的鍛件和模鍛件。
  2
)銅及其合金。銅合金具有較高的強(qiáng)度和塑性,具有高的彈性極限和疲勞極限,同時還具有較好的耐蝕性、抗堿性及優(yōu)良的減摩性和耐磨性。
    
一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類。
    
① 黃銅( H )。以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。
    
② 青銅( Q )。青銅原指銅錫合金,但工業(yè)上都習(xí)慣稱含鋁、硅、鉛、錳等的銅基合金為青銅。
    3 )鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境下比較理想的金屬材料。

    4
)鈦及其合金。鈦熔點(diǎn)高,熱膨脹系數(shù)小,導(dǎo)熱性差,強(qiáng)度低,塑性好。鈦具有優(yōu)良的耐蝕性和耐熱性,其抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼,而在較高溫度下鈦材仍能保持較高的強(qiáng)度。
     
常溫下鈦具有極好的抗蝕性能,在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質(zhì)中十分穩(wěn)定,但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。
5
)鉛及其合金。
    
鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定,鉛對硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。鉛不耐硝酸的腐蝕,在鹽酸中也不穩(wěn)定。
    6
)鎂及其合金。鎂合金是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料,它能承受較大的沖擊、振動載荷,并有良好的機(jī)械加工性能和拋光性能。其缺點(diǎn)是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復(fù)雜
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