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1、金属材料基础知识,建设集团技术培训中心 技能教师；高良富,一、金属材料分类,金属材料指纯金属或合金，经过熔炼和各种加工后而制成的材料。 按性质特点，通常分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。 一、黑色金属材料的分类 （一）钢的分类 钢是指含碳量低于2.11的铁碳合金,1.按照化学成分分类 (1)碳素钢钢中除铁外，主要只含有碳、硅、锰、硫、磷等几种元素。 按含碳量分类 低碳钢含碳量低于0.25的钢。 中碳钢含碳量在0.250.6的钢。 高碳钢含碳量超过0.6的钢。,(2)合金钢是指在碳钢的基础上，为改变钢的性能，在冶炼过程时特意加入一种或多种合金元素而炼成的钢。根据钢中合金元素总含量的多少分为,
2、低合金钢合金元素总含量不超过2.5； 中合金钢合金元素总含量为2.510： 高合金钢合金元素总含量超过10。,合金钢按所含主要合金元素的种类，还可分为： 锰钢、铬钢、硅锰钢、铬镍钢、铬锰钢、 铬镍钼钢、硅锰钼钒钢等。,2.按冶炼质量分类 （1）普通钢钢中含硫量不超过0.0550.065；含磷量不超过0.0450.085。 （2）优质钢钢中含硫量不超过0.0300.045；含磷量不超过0.0350.040。,（3）高级优质钢：钢中硫磷含量控制较严， 分别不大于0.030和0.035，其他有害 杂质也少。,3.按照用途分类 (1)结构钢用以制造各种工程结构件（如建筑、桥梁、锅炉、船舶、车辆构件）和
3、机械零件（如齿轮、轴类零件）的钢。,用于制造各种工程结构件的钢。常用的有 普通碳素结构钢和低合金结构钢。它们大 多用于焊接施工，一般都不需要经过热处理。,用于制造机械零件的钢，通常称为机械制造用结构钢。主要钢种有优质碳素结构钢、合金结构钢以及各种专门用途的结构钢（如弹簧钢、轴承钢等）。这类钢大多要经过热处理后才能使用。,(2)工具钢这是用以制造各种工具的钢。按其化学成分，通常分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。按其用途，又可分为刃具钢（或称刀具钢）、模具钢和量具钢。 (3) 特殊用途钢是指某些具有特殊物理、化学或机械性能的钢 。如不锈钢、耐碳钢、耐热钢、磁钢等。,4.按照炼钢方法分类 转炉
4、钢用转炉炼出来的钢。它按炉衬材料分为酸性转炉钢和碱性转炉钢；按进风方法又分为底吹转炉钢、侧吹转炉钢和纯氧顶吹转炉钢。 平炉钢用平炉炼出来的钢。它按炉衬材料又分为酸性平炉钢和碱性平炉钢。 电炉钢用电炉炼出来的钢。它按炉衬材料又分为酸性电炉钢和碱性电炉钢。,5.按照脱氧程度分类 镇静钢脱氧完全的钢。钢锭的组织紧密坚实，但上部有较深的缩孔，轧制钢材时损耗较大。除部分碳素钢和优质碳素钢外，其余种类钢一般都制成镇静钢。表示Z TZ特殊 沸腾钢脱氧不完全的钢。钢锭上部没有缩孔，只是内部有许多分散的小气泡，但是钢锭外层还是坚实的，而这些分散的小气泡在轧制钢材过程中完全可以被压合消除掉。表示F 半镇静钢钢的脱
5、氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。 表示b,6.按几何截面的形态 （1）板材 薄钢板、中厚板、厚钢板薄钢板多用做机罩、油箱、水箱和冲制器具。中厚板及厚板中的普通钢板Q235AF、16Mn等多用做常压容器壳体、容器支座：法兰及盲板等。Q235AF及Q235B、Q235C在一定限制条件亦可制作压力容器壳体。,（2）管材 无缝钢管：用整块金属轧制而成，由于轧制方法不同分为热轧、冷拔和挤压钢管3种。无缝钢管多用于带压介质和压力容器受压零件。 有缝钢管：又称焊接钢管，它是用带状钢板经成形、焊接而成。对接焊缝为螺旋状者为螺旋焊接管。有缝钢管多用于水或煤气的输送管道，以及其他非易燃、有毒介质的低压管道。钢
6、管规格常用外径和壁厚表示l59mm6mm ，20#表示钢管外径为159mm，壁厚6mm，材质为20号钢。,（3）型材 型材也称型钢，根据截面特点分为角钢、工字钢、槽钢、圆钢、方钢、六角钢和扁钢等。,槽钢：分为热轧普通槽钢、热轧轻型槽钢和普通低合金轻型槽钢3大类。,工字钢：分为3大类，即热轧普通工字钢、热轧轻型工字钢及普通低合金热轧轻型工字钢。,H型钢,角钢：分为等边角钢和不等边角钢两类 。,T型钢,C型钢 轻钢网架、彩板装饰、,（4)线材 线材一般包括钢筋、钢丝及铁线等。钢筋常用做钢筋混凝土中的支架材料。,以普通低合金钢替代普通碳素钢，可以使钢结构产品更加轻巧、坚实和耐用。 低合金钢是在冶炼普
7、通碳素钢时加入少量的合金元素炼出来的。 最普通的低合金钢16锰钢，它的屈服强度比常用的3号钢高50左右，并明显地改善钢的抗腐蚀、耐磨、耐低温、抗疲劳等方面的性能(根据加入不同的合金元素，所起的作用有所不同)。,（二）生铁的分类 生铁是含碳量高于2的铁碳合金，还含有硅锰硫磷等一些杂质。生铁按用途，通常分为炼钢生铁和铸造生铁两大类。 炼钢生铁是指用于炼钢的生铁，一般含硅量较低（小于1.75）、含硫量较高（小 0.07）。它是炼钢用的主要原料，在生铁产量中约占8090，由于其质硬而脆、断口呈白色，所以也叫白口铁。,铸造生铁是指用于铸造各种生铁件的生铁，俗称翻砂铁。一般含硅量较高（达3.75）， 含硫
8、量稍低（小于0.06）。它在生铁产量中约占1020，是钢铁厂中的主要产品。因 其断口呈灰色，所以也叫灰口铁。,（三）铁合金的分类 铁合金是在炼铁时按需加入其他成分，炼成含有多量合金元素的特种生铁。铁合金是炼钢的原料之一，也可用于铸造。在炼钢过程中，它作为钢的脱氧剂或合金元素添加剂，用以改善钢的性能。,铁合金的品种很多。如按所含的元素来分，可分为：硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、钼铁、钛铁、磷铁、硼铁、镍铁、铌铁、硅锰合金、稀土合金等，其中用量最大的是硅铁、锰铁和铬铁。 按生产方法的不同，铁合金还可分为：高炉铁合金、电炉铁合金、炉外法铁合金、真空碳还原铁合金等。,（四）铸铁的分类 铸铁和生铁一样，也是一
9、种含碳量高于2（一般在2.53.5范围内）的铁碳合金；它是用铸造生铁作原料，经冲天炉或工频炉等熔炼设备重熔，重熔时严格控制其化学成分而制得的。 铸铁由于具有各种使用性能（如耐磨性、消震性优良，缺口敏感性低，切削加工性好等），且生产简便、成本低廉，因此在工业生产中得到广泛的应用。,铸铁的分类方法较多。如按断口颜色的不同，可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三类。 按化学成分的不同，可分为普通铸铁和合金铸铁两类。 按组织、性能的不同，可分为普通灰铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁（如耐热铸铁、耐蚀铸铁、耐磨铸铁）等。,二、有色金属材料的分类 除钢铁材料以外，其余的金属材料统称
10、为有色金属材料，亦称非铁金属材料。 常见的分类方法有以下两种。 （一）按密度（或价格）在地壳中的储量和分布情况分类 （I）轻有色金属材料：指密度小于4.59cm3的有色金属材料，包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡等纯金属及其合金。 （2）重有色金属材料：指密度大于4.59cm3的有色金属材料，包括铜、镍、铅、锡、锌、锑、钴、镉、汞、铋等纯金属及其合金。,（3）贵有色金属材料：指价格比一般金属贵的有色金属材料，包括金、银和铂族元素（铂铱钯钌铹锇）及其合金。 （4）半金属材料：指硅硒碲砷硼等，其物理化学性质介于金属与非金属之间，故称半金属。 （5）稀有金属材料：指自然界中含量很少、分布稀散或难以从原材
11、料中提取的金属，包括稀有轻金属材料（如钛、等纯金属及其合金）、稀有难熔金属材料（如钨、钼、等纯金属及其合金）、稀有分散金属材料（如镓、等金属）、稀土金属材料（如钪、铱及镧系元素等金属）和稀有放射性金属材料（如镭及锕系元素等金属）。,（二）按照生产方式和用途分类 （I）有色冶炼产品：指以冶炼方法得到的各种有色金属材料，如铜锭、铝锭、锡锭、铅锭、锌锭等。 （2）有色加工产品：指以压力加工方法得到的各种板带管棒等有色半成品材料，如纯铜加工产品、黄铜加工产品、青铜加工产品、白铜加工产品、铝及铝合金加工产品、钛及钛合金加工产品、锌及锌合金加工产品等。,（3）铸造有色合金：指以铸造方法而获得的各种有色合金
12、铸件或铸锭，如铸造青铜、铸造黄铜、铸造铝合金、铸造镁合金等。 （4）轴承合金：指制作滑动轴承轴瓦的有色金属材料，如锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金等。 （5）硬质合金：指以难熔硬质金属化合物（如碳化钨、碳化钛）作基体，以钴铁或镍作粘结剂，采用粉末冶金法（也有铸造的）制作而成的一种硬质工具材料，包括普通硬质合金和钢结硬质合金。,（6）中间合金：指熔炼过程中，为了使合金元素能准确而均匀的加入合金中去而配制的一种过渡性合金，如铜硅中间合金，铝锰中问合金等。 （7）印刷合金：指专用于印刷工业的铅字合金。 （8）焊料：指焊接金属制件时所用的有色合金，包括软焊料（即铅基和锡基焊料），硬焊料（即铜基
13、和锌基焊料）和银焊料。,（9）金属粉末：指粉状的有色金属材料，如镁粉、铝粉、铜粉等。 （10）其他专用合金：如稀土产品、复合材料（如双金属）等。,碳素结构钢的用途,Q195、Q215A、Q215B 用来制造薄板、低碳钢丝、焊接钢管、钢钉、钢丝网、炉撑、烟囱、屋面板、地脚螺栓、铆钉等 Q235A 由于价格低廉，又具有良好的强度、塑性、焊接性、切削加工性等而应用广泛，常用来制造薄板、钢筋、钢结构用各种型条钢、中厚板、铆钉，某些机械零件，化工容器外壳、法兰，机车车辆 Q255A 用来制造钢结构用各种型条钢和钢板，但使用面不如Q235A钢广泛，也用于制造各种机械零件,二、钢的成分,钢的化学成分 钢是含
14、铁合金，除含有铁元素外，还含有其他各种元素。我们称钢中各主要化学元素在质量中的百分含量为钢的化学成分。化学成分的多少，是影响钢性能的主要因素之一。,(1)碳(C) 它的含量多少对钢的力学性能影响很大。当含碳量不超过0.9时，含碳量越多，钢的硬度和抗拉强度就越高。如果含碳量超过了0.9，钢的硬度增高，脆性更大，强度就会降低。同时，钢的含碳量越高，其延伸率、断面收缩率和冲击值就越低，耐腐蚀性越差。,(2)锰(Mn) 锰能溶解在钢中，它能提高钢的硬度和强度，使钢耐磨。锰存在于钢中有去氧作用，减少钢的气孔。锰容易同钢中的硫形成化合物，从而大大减少硫在钢中的危害。但锰的含量过高，将会影响钢的可焊性能。一
15、般碳素钢含锰均在1以下。要求焊接性能好，钢材含钢量应不超过0.7。,(3)硅(Si) 硅可显著提高钢的抗拉强度，并在较小程度上提高钢的屈服极限。但使钢的塑性、冲击韧性有所下降。硅能提高钢的抗腐蚀能力，并在冶炼过程中起脱氧作用。 (4)硫(s) 为钢中的有害元素。硫不溶于钢中，而且与铁化合成硫化物。如果含硫量过高，当钢材在热加工时，容易发生热脆现象，因而硫在钢中的含量一般不能超过0.05。,(5)磷(P) 为钢中的有害元素。尽管它溶解于钢中，会提高钢的硬度和强度。但是它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。因此，磷在钢中的含量一般不能超过0.05。 (6)铜(Cu) 少量的铜能熔于铁素体中，改善低合金钢的
16、性能。如铜的含量超过限度，则引起硬化现象，使钢的强度提高，塑性、韧性大大降低。铜有防锈抗镀作用，对可焊性影响不大。,(7)钛(Ti) 是强烈的脱氧剂，能提高钢的强度和韧性，但对塑性有所降低。钛能改善钢的可焊性，并增强抗腐蚀能力。 (8)钒(V) 提高钢的韧性并降低钢的脆性，又可增加焊接后的淬硬强度。 (9)钼(Mo) 显著地提高钢的强度，并增强了钢抗热裂性能和抗腐蚀能力。,(10)铬(Cr) 提高钢的硬度、耐磨性和淬硬性，铬还能使钢在高温时有防锈和耐酸能力，但使塑性有所下降。 (11)铝(Al) 是强烈的脱氧剂，它能提高钢的冲击韧性，改善冷脆现象，但过量时，钢的强度会减低。 (12)镍(Ni) 它能提高钢的强度和抗蚀能力。在一定范围内，对冲击韧性影响不大。 (13)稀土 钢中加入少量稀土元素后，对提高钢的
