第4章 常用金属材

第4章常用金属材料,概述：工业材料的“脊梁”钢铁,金属材料可分为黑色金属材料（主要指钢铁）和有色金属材料（又称非铁合金），人们常把钢铁生产及使用的数量和质量作为一个国家经济发展水平及实力大小的评价标志。铁是铁矿石、焦炭和石灰石经高炉冶炼而得，炼铁过程的主要化学反应：高炉冶炼出炼钢生铁和铸造生铁。炼钢就是在炼钢炉去除（炼钢）生铁中多余的碳和大量杂质，调整成分以达到钢的要求的过程。炼出的钢水或浇铸成钢锭，或经连铸连轧工艺直接轧制成各种型材等原材料（如绪论所示）。1856年英国人贝塞曼的酸性（炉衬）转炉法及1864年法国人马丁发明的平炉炼钢法是作为有价值的工业技术。20世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难以炼出高级合金钢的缺点，发明了电弧炉炼钢法，他避免了空气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢。铸造生铁在铸件生产中经冲天炉或其他冶炼炉（如感应炉）调整成分后而得到铸铁。,钢铁冶炼炉,电弧炉炼钢,4-1工业用钢分类、牌号及常存杂质工业用钢的常用分类见教材P90图4-1。我国钢的牌号主要由三大部分结合组成：化学元素符号，用来表示钢中所含化学元素种类，其中用“RE”表示钢中的稀土元素总含量；汉语拼音字母，用来表示产品的名称、用途、冶炼方法等特点；阿拉伯数字，用来表示钢中主要化学元素含量（质量百分数）或产品的主要性能参数或代号。有些钢种的钢号用简化形式标出。我国工业用钢中，大多数结构钢和工具钢的编号有普遍规律，而特种钢则在某些部分有其自身规则。举例说明：Q235C：碳素结构钢，Q代表钢的屈服强度，235表示屈服强度值（MPa），C表示优质钢；45：优质碳素结构钢，45表示该钢平均含碳量的万分数（45%00）；20Cr2Ni4A：渗碳钢，20表示该钢平均含碳量的万分数，Cr表示钢加有该元素、其后数字表示该元素平均含量的百分数，Ni表示钢加有该元素、其后数字表示该元素平均含量的百分数，A表示高级优质钢；3Cr2W8V：热作模钢，3表示该钢平均含碳量的千分数（3），Cr表示钢加有该元素、其后数字表示该元素平均含量的百分数，W表示钢加有该元素、其后数字表示该元素平均含量的百分数，V表示钢加有该元素、因该元素平均含量小于百分之二故不标出；GCrl5：G表示滚动轴承钢，Cr表示钢加有该元素、其后数字表示该元素平均含量的千分数。等等。,钢中杂质及合金元素,钢中的元素除了铁、碳和合金元素外，还有一些钢在冶炼时因工艺要求和各种复杂反应带入的其它元素（如Si、Mn、S、P、O、H等）、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物）等杂质。合金元素在钢中的主要作用：对钢中基本相的影响，如溶入铁素体起固溶强化；形成碳化物使钢的性能显著变化。对铁碳相图的影响，如Ni、Co、Mn等扩大奥氏体相区，当含量足够高时使钢在室温下呈单相奥氏体组织等。对钢中相变过程的影响，如对钢加热时奥氏体化过程的影响；对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响；对淬火钢回火转变过程的影响。,4-2结构钢,结构钢的性能要求：使用性能以强韧性为主，工艺性能以可焊性、塑性成形性、淬透性为主；原材料形式以热轧型钢、板、管使用，用量约占钢材总量的70%。,南京长江大桥,向心球轴承,4-3工具钢及特种钢,1、工具钢工具钢的性能要求：使用性能以硬度、耐磨性、耐热性为主，工艺性能以淬透性、加工性为主；原材料形式以热轧园钢、钢锭、板材为主。工具钢按用途分为刃具钢，模具钢，量具钢。,2、特种钢（特殊性能钢）,1）不锈钢,医疗器械,不锈钢刀,2）耐热钢,气轮机叶片,3）耐磨钢选用钢时，要熟悉钢的种类、大致成分、性能特点、强化方式、应用场合等，这样才能合理科学地选择钢的牌号，以满足零件的使用条件。表4-1为常用（典型）钢的主要“要素”小结。,表4-1常用（典型）钢的主要“要素”小结,注：“使用状态下的主要组织”一栏中的符号“C”表示碳化物。,4-3铸铁,铸铁是碳含量大于2.11的多元铁碳合金，工业上常用铸铁的碳含量在2.5%4.0%范围内。铸铁是机械工业中应用量最大的一种金属材料，它比其他金属材料便宜，冶炼工艺简单，其次，铸铁还具有钢材难以具备的性能，如良好的减振性、减磨性以及铸造工艺性和切削加工性，低的缺口敏感性等。1、铸铁石墨化过程及其影响因素在铁碳合金中，碳的存在形式主要有化合态（如Fe3C）和游离态（石墨）。由于Fe3C为亚稳定相，在高温、长时间及含有Si元素等促进碳原子扩散、聚集的条件下，Fe3C会分解出稳定态的石墨（即Fe3C3Fe+C）；或在较慢冷却速度下，因碳原子充分扩散，而直接从液态铁水或奥氏体中析出石墨，即石墨化。影响石墨化的因素主要有：一是化学成分，促进石墨化的元素有C、Si、Al等，这些元素含量越高，越利于石墨析出，阻碍石墨化的元素有Cr、Mn、W、V等，这些元素含量高则有利于渗碳体析出；二是冷却速度，冷却速度越大，越不利于石墨化的进行。2、铸铁的分类、（显微）组织、用途等按碳的存在形式不同，铸铁分为白口铸铁（碳以渗碳体形式存在）和石墨型铸铁（碳主要以石墨形式存在）。白口铸铁因其极硬又脆，应用受到很大限制；通常所说的铸铁是指石墨型铸铁，石墨型铸铁根据石墨的形态分为灰（口）铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。常用石墨型铸铁的特征见表4-2。,表4-2常用铸铁的特征小结,4-5有色金属（非铁金属）及其合金,丰富多彩的有色金属材料种类繁多，具有很多黑色金属所不具备的特性（如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度等)，已成为现代工业生产中不可缺少的金属材料。有色金属的种类很多，根据他们的蕴藏状况和物理特性基本可分为以下四类：（1）有色重金属如铜、镍、锡、铅、锑、钴、汞等，他们的密度较大，约为711g/cm3；（2）有色轻金属如铝、镁、钙、钾、钠、钡等，他们的密度小于5g/cm3；（3）贵金属如金、银及铂族金属（铂、铑、钯、铱、锇、钌）等，因其价值比一般金属贵得多而得名，这些金属在空气中不会被氧化；（4）稀有金属在80余种有色金属元素中，其中大约50种被认为是稀有金属。机械工业中应用较多是铝、铜及其合金，高纯度的纯铝（L）和纯铜（T）主要用作导电器材，其次用于配制合金；部分常用铝、铜及其合金的特性见表4-3所示。其他常见的有色金属材料还有镁及镁合金、钛及钛合金、锌及锌合金等；如钛及其合金具有高的比强度、耐蚀性、高温及低温性能，是一种新型的结构材料，用钛合金可制造人造卫星外壳、火箭发动机壳体、宇宙飞船船舱等，在航空、宇航、造船、机械、化工等方面都有广阔的发展前景。有色金属材料的编号无普遍规律，但同一类别有其自身的规则。,铝、钛及其合金的应用,铜及其合金的应用,表4-3部分常用铝、铜及其合金