第1章 金屬材料的基礎知識

1.1 金屬材料的分類

1.1.1 金屬材料如何分類？

金屬材料通常分為黑色金屬材料、有色金屬材料和特種金屬材料。

1）黑色金屬材料又稱鋼鐵材料，包括含鐵量為90%（質量分數）以上的工業純鐵、含碳量為2%～4%（質量分數）的鑄鐵、含碳量為小于2%（質量分數）的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。

2）有色金屬材料是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色金屬合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數小。

3）特種金屬材料包括不同用途的結構金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態金屬材料，以及準晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復合材料等。

1.1.2 鋼和鐵的區別是什么？

鐵元素很活潑，容易與其他物質結合，在自然界中蘊藏量極為豐富，占地殼元素含量的5%（質量分數），居地球物質中的第四位。鋼由生鐵冶煉而成，有較高的機械強度和韌性，有的還具有耐熱性、耐蝕性等特殊性能。

鋼鐵是含有少量合金元素和雜質的鐵碳合金，按含碳量不同可分為生鐵、熟鐵、純鐵、鑄鐵和鋼。

在習慣上，常說的鋼鐵是鋼和鐵的總稱，主要由鐵和碳兩種元素構成，其化合物一般叫鐵碳合金。含碳量多少是區別鋼鐵的主要標準，對鋼鐵的性質影響極大，當它增加到一定程度后就會引起質的變化。由鐵原子構成的物質叫純鐵，雜質很少；熟鐵的含碳量小于0.05%（質量分數），質地很軟，塑性好，延展性好，容易變形，可以拉成絲，強度和硬度均較低，容易鍛造和焊接，用途不廣。生鐵的含碳量超過2%（質量分數），幾乎沒有塑性；鑄鐵是指含碳量在2%（質量分數）以上的鑄造鐵碳合金的總稱，通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合通過熔煉而成；鋼的含碳量為0.02%～2.11%（質量分數），不僅有良好的塑性，而且強度高、韌性好、抗沖擊，有的還具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨等優良的物化應用性能，因此被廣泛利用。

1.1.3 鋼如何分類？各有什么特點？

鋼是含碳量在0.02%～2.11%（質量分數）之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%（質量分數）。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。鋼的分類方法多種多樣，主要的分類方法有如下7種：

1.按冶煉設備分類

（1）轉爐鋼 轉爐鋼冶煉時，把空氣或氧氣吹入鐵液中，使鐵液中的C、Mn、Si、P、S等迅速氧化，靠氧化時放出的熱量來升溫，而不靠燃料供熱。由于節省燃料，轉鋼爐已成為主要鋼種。

（2）平爐鋼 平爐鋼冶煉時，靠燃料（煤氣或重柴油）的燃燒來熔化爐料和提高鋼液溫度，靠爐氣中的氧氣和加入鐵礦石進行氧化反應。由于平爐鋼消耗大量燃料，在20世紀末已被徹底淘汰。

（3）電爐鋼 電爐鋼是利用電能作為熱源進行冶煉的。電爐鋼主要用于生產高質量和高合金鋼。電爐鋼主要有電弧爐鋼、電渣爐鋼、感應爐鋼、真空自耗爐鋼、電子束爐鋼。

2.按脫氧程度分類

脫氧是指加入脫氧劑（如錳鐵、硅鐵、鋁等），把鋼液中多余的氧去掉。

（1）沸騰鋼 只用錳鐵脫氧，鋼中含氧較多，澆注時，鋼中氧與碳發生作用析出大量CO，因此鋼液在鋼模內呈沸騰現象，故稱沸騰鋼。沸騰鋼成材率高，成本低，但化學成分不均勻，偏析、雜質多。沸騰鋼牌號最后用“F”表示。

（2）鎮靜鋼 用錳鐵，還用硅鐵（有時用鋁）脫氧，鋼中氧已很少，澆注時沒有沸騰現象。鎮靜鋼化學成分均勻，力學性能較好，但有縮孔，成本高。鎮靜鋼牌號后加“Z”。

（3）半鎮靜鋼 脫氧程度和性能在鎮靜鋼與沸騰之間，鋼牌號后加b。半鎮靜鋼應用較少。

（4）特殊鎮靜鋼 比鎮靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼。特殊鎮靜鋼牌號后加“TZ”。特殊鎮靜鋼的質量最好，適用于特別重要的結構工程。

3.按化學成分分類

按化學成分，鋼可分為碳素鋼和合金鋼，見表1-1。

表1-1 鋼按化學成分分類

4.按鋼的品質分類

（1）普通鋼 鋼中含雜質元素較多，一般S、P的含量均小于0.07%（質量分數），如碳素結構鋼、低合金高強度鋼等。

1）Q195：強度低，塑性高，有良好的壓力加工性和焊接性。用于制作鐵絲網、鐵釘、鉚釘、薄鐵皮等；制作日常生活用品，如水壺、水桶、鐵皮煙囪、罐頭等；也可制作農業機械，如打谷機、壓碎機、犁片及一些焊接件。

2）Q215：性能與Q195基本相同，強度比Q195高一些，塑性略差一些，用途與Q195基本相同。

3）Q235：有較高的強度和硬度，塑性稍低，大多數在熱軋狀態下使用。適用于制造建筑結構、橋梁等用鋼材，如角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼筋鋼等，以及農業機械中的犁、鋤等和一般機械中的螺栓、連桿、心軸、拉桿等，也可用作不重要的焊接件，是應用最廣泛的鋼種。

4）Q275：強度高，有一定的耐磨性，但塑性低，一般在熱軋狀態下使用。制作要求有較高強度和一定耐磨性的機械零件，如機械制造中重要的軸、車輪、鋼軌、拖拉機犁等。

（2）優質鋼 鋼中含雜質元素較少，S、P的含量一般均小于或等于0.04%（質量分數），抗拉強度R_m=290～785MPa，如優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼和合金工具鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。

（3）高級優質鋼 鋼中含雜質元素極少，S、P的含量一般均小于或等于0.04%（質量分數），如合金結構鋼和工具鋼等，鋼牌號后面通常加符號“A”。

5.按鋼的用途分類

（1）結構鋼 包括建筑及工程用結構鋼和機械制造用結構鋼。

1）建筑及工程用結構鋼，用于建筑、橋梁、船舶、鍋爐或其他工程上制作金屬結構件的鋼，如碳素結構鋼、低合金高強度鋼和鋼筋鋼等。

2）機械制造用結構鋼，用于制造機械設備上結構零件的鋼，這類鋼基本上都是優質鋼或高級優質鋼，主要有優質碳素結構鋼、合金結構鋼、易切結構鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼和沖壓用鋼、冷鐓用鋼等。

（2）工模具鋼 包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等，用于制造各種工具，如刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。

（3）特殊鋼 包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼、低溫用鋼、電工用鋼、氣閥鋼等。

（4）專業用鋼 包括汽車用鋼、農機用鋼、航空用鋼、化工機械用鋼、鍋爐用鋼、電工用鋼、焊條用鋼等。

6.按制造加工形式分類

（1）鑄鋼 主要用于制造一些形狀復雜、難以進行鍛造或切削加工成形而又要求較高的強度和塑性的零件。

（2）鍛鋼 指采用鍛造方法生產出來的各種鍛材和鍛件，質量比鑄鋼件高，能承受大的沖擊力作用，塑性、韌性和其他方面的力學性能也都比鑄鋼件高。

（3）熱軋鋼 指用熱軋方法生產出來的各種鋼材。常用來生產型鋼、鋼管、鋼板等大型鋼材，也用于軋制線材。

（4）冷軋鋼 指用冷軋方法而生產出來的各種鋼材，表面光潔、尺寸精確、力學性能好，常用來軋制薄板、鋼帶和鋼管。

（5）冷拔鋼 指用冷拔方法而生產出來的各種冷拔鋼材，精度高、表面質量好，主要用于生產鋼絲，也用于生產直徑在50mm以下的圓鋼和六角鋼，以及直徑在76mm以下的鋼管。

7.按金相組織分類

1）按退火后的金相組織分類，可分為亞共析鋼（鐵素體+珠光體）、共析鋼（珠光體）、過共析鋼（珠光體+滲碳體）和萊氏體鋼（珠光體+滲碳體）等。

2）按正火后的金相組織分類，可分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼等。

3）按加熱、冷卻時有無相變和室溫時的金相組織分類，可分為鐵素體鋼、半鐵素體鋼、半奧氏體鋼、奧氏體鋼等。

1.1.4 生鐵如何分類？

生鐵按照化學成分分類，可分為非合金生鐵和合金生鐵。其中，非合金生鐵又可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和其他非合金生鐵；合金生鐵又可分為鏡鐵和其他合金生鐵。

1.1.5 鑄鐵如何分類？

（1）按碳的存在形態分類 鑄鐵按碳的存在形態可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、白口鑄鐵、麻口鑄鐵等。

1）灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形態存在，其鑄造性、減振性、減摩性、可加工性比鋼好，但力學性能較差。

2）可鍛鑄鐵中的碳大部分以團絮狀石墨的形態存在，其力學性能稍好于灰鑄鐵。

3）球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨的形態存在，其力學性能比灰鑄鐵高得多，也比可鍛鑄鐵好。

4）蠕墨鑄鐵中的碳主要以蠕蟲狀石墨的形態存在，其力學性能稍低于球墨鑄鐵。

5）白口鑄鐵中的碳主要以滲碳體的形態存在，白口鑄鐵硬而脆，很少直接使用。

6）麻口鑄鐵中的碳以滲碳體和石墨兩種形態存在，其性能不好，極少使用。

（2）按化學成分分類 鑄鐵按化學成分可分為普通鑄鐵和合金鑄鐵等。

（3）按生產方法和組織性能分類 鑄鐵按生產方法和組織性能可分為灰鑄鐵、孕育鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

（4）按共晶度分類 鑄鐵按共晶度可分為亞共晶鑄鐵、共晶鑄鐵和過共晶鑄鐵。

（5）按特殊性能分類 鑄鐵按特殊性能可分為耐磨鑄鐵、抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵無磁鑄鐵等。

1.1.6 有色金屬如何分類？

有色金屬材料是指有色金屬及其合金。

（1）有色金屬 有色金屬通常可分為輕金屬、重金屬、貴金屬和稀有金屬等。

1）輕金屬指密度在4.5g/cm3以下的有色金屬，如鋁、鎂、鈦、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇等。

2）重金屬指密度大于4.5g/cm3的有色金屬，如銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、鉍、鎘、汞等。

3）貴金屬指儲量少，提取困難，價格昂貴，化學活性低，密度大的有色金屬，如金、銀、鉑等。

4）稀有金屬是指儲量稀少，難以提取的金屬。稀有金屬包括稀有輕金屬（鋰、銣、銫等）、稀有難熔金屬（鈦、鋯、鉬、鎢等）、稀有分散金屬（鎵、銦、鍺、鉈等）、稀土金屬（鈧、釔、鑭系金屬）、放射性金屬（鐳、鈁、釙及錒系元素中的鈾、釷等）。

（2）有色合金 與純有色金屬相比，有色合金的強度和硬度比較高，電阻較大，電阻溫度系數較小，綜合力學性能良好。有色合金可分為輕有色金屬合金，重有色金屬合金、貴金屬合金、稀有金屬合金等。常用的有色合金有鋁合金、銅合金、鎂合金、鎳合金、錫合金、鈦合金、鋅合金等。