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1、常用工程材料二、常用工程材料（一）金属材料1黑色金属黑色金属一般是指钢铁材料，钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料，它们是以铁为基的合金。含碳量小于 211%（重量）的合金称为钢；而含碳量大于 211%（重量）的合金称为生铁。工程实际中用的钢和铸铁除含铁、碳以外，还含有其它元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氢等，另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，有意加入的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入上述元素就成了合金钢或合金铸铁。（1）钢及其合金的分类和牌号表示方法钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等，这些少量元素对钢材性质影响很大。钢中碳的含量
2、对钢的性质有决定性影响，含碳量低，钢的强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，钢质较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高，钢的强度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。硫、磷为钢中有害元素，含量稍多会严重影响钢的塑性和韧性，磷使钢显著产生冷脆性，硫则产生热脆性。硅、锰为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。钢的力学性能（如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等）决定于钢的成分和金相组织。钢的成分一定时，其金相组织主要决定于钢的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。例题 1：碳的含量对钢的性质有决定性的影响，当含碳量低时，其性能表现为（ ） 。
3、A强度高，塑性、韧性低 B塑性小，性脆，硬度大C强度低，塑性、韧性高 D强度高，塑性、韧性也较高答案：C强度低，塑性、韧性高1）钢的分类。我国钢的分类标准（GB/T133041991）是参照国际标准 ISO4948/1 和 ISO4948/2 钢分类而制订的。例题：将钢材分为沸腾钢、镇静钢的分类标准为( )。A按冶炼炉的种类分类 B按脱氧程度分类C按质量分类 D按特殊性能分类答案：B按脱氧程度分类2）钢牌号的表示方法。按照国家标准钢铁产品牌号表示方法 （GB/T2212000）中规定，我国钢铁产品牌号采用汉语拼音字母、化学符号和阿拉伯数字相结合的表示方法，即： 牌号中化学元素采用国际化学元素表
4、示。 产品名称、用途、特性和工艺方法等，通常采用代表该产品汉字的汉语拼音的缩写字母表示。 钢铁产品中的主要化学元素含量（）采用阿拉伯数字表示。碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母“Q” 、屈服点等级、质量等级和脱氧程度等四部分按顺序组成。屈服点数值共分为Q195、Q215、Q235、Q255 和 Q275N/mm2 五种；质量等级以硫、磷杂质含量多少，分别用 A、B、C、D 符号表示，脱氧程度如上所述，Z和 TZ 在表示钢的牌号时可以省略。如 Q235AF 表示屈服点为235N/mm2、质量等级为 A 的沸腾钢。 优质碳素钢的牌号以两位数字表示，数字代表含碳量的百分之几（以 001%为单位） ，如
5、钢号为 20，表示平均含碳量为 020% 的优质碳素钢；钢号为 45，表示平均含碳量为 045%的优质碳素钢。低合金高强度结构钢原名为普通低合金钢。低合金高强度结构钢以屈服点等级为主，划分成五个牌号，其表示方法如下：屈服点等级加质量等级。屈服点等级：Q295、Q345、Q390 、Q420 和 Q460。质量等级：E 、D、 C、B、A。由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢主要用于焊接结构，其制造工艺主要是冷、热压力加工和焊接。 合金结构钢的牌号按下列规则编制。数字表示含碳量的平均值，专门用途合金结构钢在牌号首部（或尾部）
6、加注专门用途的符号。合金结构钢和弹簧钢用二位数字表示平均含碳量的万分之几，不锈耐酸钢和耐热钢含碳量用千分数表示。平均含碳量01%，用“0”表示；平均含碳量003%，用“00”表示。合金工具钢平均含碳量100%时，不标含碳量，否则用千分数表示。高速工具钢和滚珠轴承钢不标含碳量，滚珠轴承钢标注用途符号“G” 。平均合金含量1 5%者，在牌号中只标出元素符号，不注其含量。平均合金含量为15%249%，2 50%349%，22 50%23 49%时，相应地注为 2，3，23，铬轴承钢的铬含量用千分数表示。低铬合金工具钢的铬平均含量低于 100%时，铬含量用千分数表示，但须在含量数字前加注“0” ，如“
7、Cr06” 。现以 45Si2MnV 为例， “45”表示含碳量为045% ，硅含量在 15%2 49%，锰、钒含量小于 15%的低合金镇静钢。例题：在碳素结构钢中，屈服点为，质量等级为的沸腾钢，其牌号应为（） 。A BC D答案：D3）工程中常用钢及其合金的性能和特点。 碳素结构钢。碳素结构钢包括普通碳素结构钢（GB/T7001988）和优质碳素结构钢（GB/T6991999） 。碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等） 、必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。在桥梁、建筑、船舶上获得了极广泛的应用。某些不太重要、要求韧性不高的机械零件也
8、广泛选用。 优质碳素结构钢。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高。并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。根据含碳量的不同，优质碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。合金结构钢。合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入适量的一种或数种合金元素而形成的，它的综合力学性能优于优质碳素结构钢。合金结构钢是合金钢中用量最多的一类钢，广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。 不锈耐酸钢。不锈耐酸钢简称不锈钢。它是
9、指在空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质中具有高稳定性的钢种。a 铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素，通常含铬量的质量分数大于或等于 1300%，不含镍。某些钢种还添加有铝、钛和硫等。高铬钢（170%300%Cr）有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。高铬铁素体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。如 0Crl3 不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，有良好的耐蚀性。b 马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素，钢在淬火回火状态使用，有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用在弱腐蚀
10、性介质，如海水、淡水和水蒸气等中，使用温度小于或等于 580、通常作为受力较大的零件和工具的制作材料，由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。c 奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍，其次是钛、铌、钼、氮和锰等。此钢具有奥氏体组织，这类钢具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能。但是这类钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。d 铁素体奥氏体型不锈钢。这类钢是在奥氏体不锈钢基础上，添加更多的铬、钼和硅等有利于形成铁素体的元素，或降低钢的含碳量而获得的。其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，可焊性良好，韧性较高
11、，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。e 沉淀硬化型不锈钢。这类钢的突出优点是经沉淀硬化热处理以后具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢。它主要用于制造高强度和耐蚀的容器、结构和零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。 铸钢。铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。某些冷、热变形性能差或难切削加工的钢，则能由铸造成型。 铸钢件与锻钢件比较，在零件截面尺寸不很大、形状和热处理条件相同的条件下，铸钢件和锻钢件的力学性能大致相同。铸钢件的强度和塑性介于锻钢件纵向和横向性能之间，且具有各向同性的优点。但是，铸钢件壁厚增大时，铸件的冶金缺陷，如成分偏析、
12、缩孔、晶粒粗大等会增加，使铸钢件的塑性和韧性明显下降。a 碳素钢铸钢。牌号有两种表示方法，也即是以强度表示的铸钢牌号和以化学成分表示的铸钢牌号。以强度表示的是碳素钢铸钢牌号，即在ZG 后面加两组力学性能数字，第一组数字表示该钢的屈服强度最低值（MPa ） ，第二组数字表示该钢的抗拉强度最低值（MPa） ，例如ZG200-400。以化学成分表示的是合金钢铸钢牌号，即在 ZG 后面依次加上表示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量，例如ZG15Cr1Mo1V。b 低合金钢铸钢。根据 JB/T64021992 低合金钢铸钢牌号表示方法，以化学成分表示低合金钢铸钢牌号，即在 ZG 后面依次加上表
13、示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量，例如 ZG35CrMnSi。例题：具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性及良好的加工和焊接性能，但其屈服强度低、不能采用热处理方法进行强化的不锈钢为( )。A铁素体型不锈钢 B奥氏体型不锈钢 C马氏体型不锈钢 D铁素体奥氏体型不锈钢答案：B奥氏体型不锈钢（2）铸铁的分类和牌号表示方法铸铁是碳含量大于 211%的铁碳含金，并且还含有较多量的硅、锰、硫和磷等元素。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁价廉，切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，
14、且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。1）铸铁的分类。铸铁是铁碳合金的一种，与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但是，杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨磷铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰、硅都是铸铁中的重要元素，唯一有害的元素是硫，铸铁的组织特点是含有石墨，组织的其余部分相当于碳的质量分数小于 080%钢的组织。故称铸铁的组织为石墨加钢的基体。铸铁的韧性和塑性，主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。铸铁的其他性能也于石墨密切相关。基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。按照石墨的形状特征，铸铁可
15、分为灰口铸铁（石墨成片状） 、球墨铸铁（石墨成球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。2）铸铁牌号的表示方法 3）工程中常用铸铁的性能和特点 灰口铸铁。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。因此铸铁的组织可以看成是钢基体上分布着石墨。 球墨铸铁。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，而且重量更轻。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大，球墨铸铁具有较好的疲劳强度，实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过 45#钢。在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或带台肩的，因此用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。 蠕墨铸铁。蠕墨铸铁是近十几年来发展起来的一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂经处理而炼成的。 可锻铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。 耐磨铸铁。在铸铁中加入某些合金元素而得到。 耐热铸
