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　　工程材料及其分類(熟悉)

　　工程材料有各種不同的分類方法。一般都將工程材料按化學成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類。

　　工業上把金屬和其合金分為兩大部分：黑色金屬材料【鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)】和有色金屬材料【黑色金屬以外的所有金屬及其合金】。

　　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。

　　高分子材料為有機合成材料，也稱聚合物。它具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優良性能。工程上通常根據機械性能和使用狀態將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。

　　復合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料。

　　(一)金屬材料

　　1.黑色金屬

　　關鍵知識點一：鋼及其合金的特性、用途(注意對比區分)

　　鋼是以鐵為基的合金，鋼中主要化學元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對鋼材性質影響很大。

　　含碳量小于2.11%(重量)的合金稱為鋼;而含碳量大于2.11%(重量)的合金稱為生鐵。鋼中含碳量對鋼的性質有決定性影響，含碳量低，鋼的強度低、塑性大、延伸率和沖擊韌性高，鋼質較軟，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高，鋼的強度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。(以前考過)

　　(1)鋼及其合金的分類和牌號表示方法

　　鋼的力學性能(如抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊韌度和硬度等)決定于鋼的成分和金相組織。鋼的成分一定時，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響最大。(以前考過)

　　1)鋼的分類。

　　2)鋼牌號的表示方法。

　　我國鋼鐵產品牌號采用漢語拼音字母、化學符號和阿拉伯數字相結合的表示方法，即：

　　①牌號中化學元素采用國際化學元素表示。

　　②產品名稱、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產品漢字的漢語拼音的縮寫字母表示。

　　③鋼鐵產品中的主要化學元素含量(%)采用阿拉伯數字表示。

　　碳素結構鋼“Q”――屈服點字母，屈服點數值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/mm2五種。

　　Q195鋼強度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條;

　　Q215鋼大量用作管坯、螺栓;

　　Q235鋼強度適中，具有良好的承載性，又具有較好的塑性、韌性、可焊性、加工性，是鋼結構常用的牌號，大量用來制成鋼筋、型鋼和鋼板;

　　【2009年單選】碳素結構鋼中，具有良好的承載性，又具有較好的塑性、韌性、可焊性、加工性，大量用來制成鋼筋、型鋼和鋼板，此種鋼的牌號為(　)。

　　A.Q215

　　B.Q235

　　C.Q255

　　D.Q275

　　[答疑編號502008010101]

　　『正確答案』B

　　『答案解析』參見教材P5。

　　Q255鋼強度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用作鉚接或栓接結構，以及鋼筋混凝土的配筋;

　　Q275鋼強度和硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，主要用于制造軸類、農具、耐磨零件和墊板。

　　優質碳素鋼的牌號以兩位數字表示，數字代表含碳量的百分之幾(以0.01%為單位)，如鋼號為20，表示平均含碳量為0.20%的優質碳素鋼;鋼號為45，表示平均含碳量為0.45%的優質碳素鋼。

　　合金結構鋼的牌號按下列規則編制：用兩位阿拉伯數字表示平均含碳量(以萬分之幾計)，標注在牌號頭部。合金元素含量為1.50%～2.49%、 2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%……，相應的標注為2、3、4、5……平均合金含量 <1.50%者，在牌號中只標出元素符號，不標注其含量。如30CrMnSi表示碳、鉻、錳、硅平均含量分別為0.30%、0.95%、 0.85%、1.05%的合金結構鋼。高級優質合金結構鋼，在牌號尾部加符號“A”表示，

　　3)工程中常用鋼及其合金的性能和特點

　　①碳素結構鋼

　　碳素結構鋼生產工藝簡單，有良好的工藝性能(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，通常在熱軋后使用。在橋梁、建筑、船舶上獲得了極廣泛的應用。

　　②優質碳素結構鋼。與普通碳素結構鋼相比，優質碳素結構鋼塑性和韌性較強高，并可通過熱處理強化，多用于較重要的零件，是廣泛應用的機械制造用鋼。

　　③低合金高強度結構鋼。低合金高強度結構鋼比碳素結構鋼具有較高的韌性，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變溫度。

　　④合金結構鋼。合金結構鋼是在優質碳素結構鋼的基礎上加入適量的一種或數種合金元素而形成的，它的綜合力學性能優于優質碳素結構鋼。合金結構鋼是合金鋼中用量最多的一類鋼，廣泛用于制造各種要求韌性高的重要機械零件和構件。

　　⑤不銹(耐酸)鋼。――重點

　　按不銹鋼使用狀態的金相組織，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。各類不銹鋼的特點如下：

　　a.鐵素體型不銹鋼。鉻是鐵素體型不銹鋼中的主要合金元素，通常含鉻量的質量分數大于或等于13.00%，不含鎳。

　　b.馬氏體型不銹鋼。鉻是鋼中的主要合金元素，鋼在淬火―回火狀態使用有較高屈服強度、硬度和耐磨度，常用在弱腐蝕性介質，如海水、淡水和水蒸氣等中，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。

　　c.奧氏體型不銹鋼。鋼中主要合金元素為鉻和鎳，其次是鈦、鈮、鉬、氮和錳等。

　　此鋼具有奧氏體組織，具有高的韌性、低的脆性轉變溫度、良好的耐蝕性和高溫強度、較好的抗氧化性以及良好的壓力加工和焊接性能。但屈服強度低，且不能采用熱處理方法強化，而只能進行冷變形強化。

　　【2009年單選】與鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼相比，奧氏體型不銹鋼的主要合金成分中增加的金屬元素為(　)。

　　A.鋅

　　B.鋁

　　C.鈦

　　D.鎳

　　[答疑編號502008010102]

　　『正確答案』參見教材P6。

　　d.鐵素體―奧氏體型不銹鋼。這類鋼是在奧氏體不銹鋼基礎上，添加更多的鉻、鉬和硅等有利于形成鐵素體的元素，或降低鋼的含碳量而獲得的。其屈服強度約為奧氏體型不銹鋼的2倍，可焊性良好，韌性較高，應力腐蝕、晶間腐蝕及焊接時的熱裂傾向均小于奧氏體型不銹鋼。

　　e.沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼的突出優點是經沉淀硬化熱處理以后具有高的強度，耐蝕性優于鐵素體型不銹鋼。它主要用于制造高強度和耐蝕的容器、結構和零件，也可用作高溫零件，如汽輪機零件。

　　優質碳素鋼的牌號以兩位數字表示，數字代表含碳量。

　　(2)鑄鐵的分類和牌號表示方法。

　　鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳合金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。它具有生產設備和工藝簡單、價格便宜等優點。大部分機械設備的箱體、殼體、機座、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良，有利于節約材料，減少機械加工工時，且有必要的強度和某些優良性能，如高的耐磨性、吸振性和低的缺口敏感性等。

　　1)鑄鐵的分類。

　　鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點是碳、硅含量高，雜質含量也較高。但是，雜質在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，唯一有害的元素是硫。

　　鑄鐵的組織特點是含有石墨。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。鑄鐵的其他性能也與石墨密切相關，基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強度和耐磨性的主要因素。

　　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(石墨團絮狀)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(孕育)鑄鐵。

　　2)鑄鐵牌號的表示方法。

　　①用各種鑄鐵相應漢語拼音字母的第一個大寫字母作為鑄鐵的代號，當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。同一名稱鑄鐵需要細分時，取其細分特點的漢語拼音字母第一個大寫字母排在后面。

　　②在牌號中一般不標注常規元素碳、硅、錳、硫和磷的符號，但當它們有特殊作用時才標注其元素符號和含量。合金元素的質量分數大于或等于1.0%時，用整數表示;小于1.0%時，一般不標注。

　　③牌號中代號后面的一組數字表示其抗拉強度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數字時，第一組數字表示抗拉強度值，第二組數字表示伸長率值(如球墨鑄鐵QT400―18)，兩組數字之間用“―”隔開。

　　3)工程中常用鑄鐵的性能和特點。

　　①灰口鑄鐵。灰口鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成。基體可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，相當于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。

　　灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種。灰口鑄鐵價格便宜、應用最廣泛，在各類鑄鐵的總產量中，灰口鑄鐵占80.0%以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學成分和冷卻速度。

　　②球墨鑄鐵。其綜合機械性能接近于鋼，因鑄造性能很好、成本低廉、生產方便，在工業中得到了廣泛的應用。

　　球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5%～4.7%范圍內變動，以利于石墨球化。

　　球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰口鑄鐵，而與鋼相當。因此對于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度，實驗表明，球墨鑄鐵的扭轉疲勞強度甚至超過45號鋼。在實際應用中，大多數承受動載的零件是帶孔或帶臺肩的，因此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。它的強度接近于球墨鑄鐵，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熱性。

　　④可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。

　　⑤耐磨鑄鐵。

　　⑥耐熱鑄鐵。

　　⑦耐蝕鑄鐵。

　　2.有色金屬

　　鐵基合金以外的金屬統稱為有色金屬，其種類繁多，性能多樣，與鋼鐵比較，其突出的優良性能主要在物理性能和化學性能方面。

　　(1)有色金屬及其合金牌號表示方法。

　　(2)工程中常用有色金屬的性能和特點。

　　1)鋁及其合金。

　　鋁及鋁合金在電氣工程、一般機械和輕工業中都有廣泛的用途。

　　純鋁材料按純度可分為三類，有高純鋁、工業高純鋁和工業純鋁。工業純鋁純度為980%～99.0%，牌號有L1、L2、L3、L4、L5五種，編號越大，純度越低。工業純鋁可制作電線、電纜、器皿及配制合金。純鋁的強度很低，不能作為結構材料使用。

　　鋁合金是在鋁中加入合金元素后，可獲得較高的強度，并保持良好的加工性能。許多鋁合金不僅可通過冷變形提高強度，而且可用熱處理來大幅度地改善性能。因此鋁合金可用于制造承受較大荷載的機器零件和構件。

　　按照制造工藝，鋁合金還可分為變形(加工)鋁合金和鑄造鋁合金兩類。

　　①變形鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及鍛鋁合金等。

　　a.防銹鋁合金(LF)。防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂。

　　b.硬鋁合金(LY)。硬鋁合金為Al―Cu―Mg系合金。

　　c.超硬鋁合金(LC)。超硬鋁合金為Al―Mg―Zn―Cu系合金，是強度最高的一類鋁合金。但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件，例如飛機大梁、起落架等。

　　d.鍛鋁合金(LD)。鍛鋁合金為Al―Mg―Si―Cu或Al―Cu―Mg―Ni―Fe系合金。

　　②鑄造鋁合金(ZL)。分為Al―Si鑄造鋁合金、Al―Cu鑄造鋁合金、Al―Mg鑄造鋁合金和Al―Zn鑄造鋁合金。

　　2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱紫銅，主要用于制作電導體及配制合金。根據雜質含量的不同，工業純銅分為T1、T2、T3、T4四種。編號越大，純度越低。純銅的強度低，不宜用作結構材料。

　　在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強度，同時保持純銅的某些優良性能。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。按照化學成分，黃銅分普通黃銅和復雜黃銅兩種。

　　②青銅(Q)青銅原指銅錫合金，但工業上都習慣稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金為青銅，包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。

　　3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學、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境的比較理想的金屬材料。

　　由于鎳的標準電位大于鐵，可獲得耐蝕性優異的鎳基耐蝕合金。鎳力學性能良好，尤其塑、韌性優良，能適應多種腐蝕環境。

　　4)鈦及其合金。鈦有許多優異的性能是其他材料所不及的，且資源豐富，儲量僅次于鋁、鐵和鎂，成為四大元素之一。鈦合金不僅在飛機、導彈、航天和艦船等方面廣泛應用，而且也正向民用領域推廣。

　　鈦在高溫下化學活性極高，非常容易和氧、氮和碳等元素形成穩定的化合物。工業純鈦中的雜質主要是氧、氮、氫和碳。但由于鈦在高溫下極不穩定，易氧化和氫化，所以在大氣中工作的鈦及其合金僅在540℃以下具有良好的耐熱性;鈦具有較好的低溫性能，可作為低溫材料，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中十分穩定。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。鉛與硫酸作用時，在其表面產生一層不溶解的硫酸鉛，它可保護內部鉛不再被繼續腐蝕。鉛不耐硝酸的腐蝕，在鹽酸中也不穩定。

　　6)鎂及其合金。主要特性是密度小、化學活性強、強度低。純鎂強度低，不能用于結構材料，主要用鎂合金。

　　鎂合金的優良性能是相對密度小，因而其強度雖然不高，但是它的比強度和比剛度卻可以與合金結構鋼相媲美，故鎂合金是航空工業的重要結構材料，它能承受較大的沖擊、振動荷載，并有良好的機械加工性能和拋光性能。其缺點是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復雜。