2H311011金属材料的类型及应用_思维导图模板

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金属材料的
类型及应用

一、金属材料

金属材料一般是指纯金属和合金。合金通常是两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成，且具有金属特性的材料。金属材料具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质。

(一)金属材料的分类

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1.黑色金属又称钢铁材料，包括杂质含量小于0.2%及碳含量不超过0.0218%的纯铁、含碳量0.0218%～2.11%的钢、含碳量大于2.11%的铸铁，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2.有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3.特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减震阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

(二)金属材料的性能

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。

1.工艺性能：是指机械零件在加工制造过程中，即在冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成型的适应能力，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。

2.使用性能：是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能。它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。

(1)机械性能：金属在一定温度条件下承受外力(载荷)作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能(也称为力学性能)。金属材料的机械性能是零件设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

(2)物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、磁性、电学性能等。

密度(比重):在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外，很重要的一点是考虑金属的比强度(强度σ,与密度p之比)来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗(密度p与声速c的乘积)和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等。

熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。

热膨胀性：随着温度变化，材料的体积也发生变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化1℃时，材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容(材料受温度等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减，即容积与质量之比),特别是对于在高温环境下工作，或者在冷、热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

磁性：能吸引铁磁性物质的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

电学性能：主要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。

(3)化学性能：金属与其他物质进行化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的耐腐蚀性、抗氧化性(又称作氧化抗力，特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性),以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。

二、黑色金属

(一)分类

1.钢的分类

钢是指以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。2%通常是钢和铸铁的分界线。

钢按化学成分可分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。

2.非合金钢的分类

非合金钢是指钢中各元素含量低于规定值的铁碳合金。非合金钢(碳钢)不仅价格低廉、容易加工，而且能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求，是最广泛应用的材料。

(1)按钢的含碳量(W。)分类

可分为低碳钢(W。<0.25%)、中碳钢(0.25≤W。≤0.60%)、高碳钢(W。>0.60%)。

(2)按钢的用途分类

碳素结构钢：主要用于制作机械零件、工程结构件，一般属于低、中碳钢。碳素工具钢：主要用于制作刀具、量具和模具，一般属于高碳钢。

(3)按钢的主要质量等级分类

非合金钢按钢的主要质量等级分类见表

此外，非合金钢按冶炼方法不同，可分为转炉钢和电炉钢；按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢等。

(二)机电工程常用的钢产品

1.碳素结构钢

(1)牌号表示方法：由屈服强度字母Q、屈服强度数值(单位为MPa)、质量等级符号(A、B、C、D,质量依次提高)、脱氧方法符号(F—沸腾钢，Z—镇静钢，TZ一特殊镇静钢)四部分按顺序组成。

例如Q235AF,表示σ,≥235MPa,质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。

(2)特性：价格低廉，工艺性能(如焊接性和冷成型性)优良。

(3)应用：主要用于一般工程结构和普通机械零件。碳素结构钢通常热轧成各种型材(如圆钢、方钢、工字钢等),一般不经热处理而直接使用。碳素结构钢的应用见表2H311011-2

2.优质碳素结构钢

(1)牌号表示方法：用钢中平均含碳量的万分数表示钢号。例如45钢，表示平均含碳量(W。)=0.45%的优质碳素结构钢。当钢中含锰量较高(Wm=0.7%～1.2%)时，在两位数字后面加上符号“Mn”,如65Mn钢，表示平均含碳量(W。)=0.65%,并含有较多锰的优质碳素结构钢(Wm=0.9%～1.2%)。如果是高级优质钢，在数字后面加上符号“A”;特级优质钢在数字后面加上符号“E”。例如：08钢，表示平均含碳量(W。)=0.08%的钢。

(2)特性：与碳素结构钢相比，夹杂物较少，质量较好。力学性能根据碳质量分数不同有较大差异。

(3)应用：主要用于机械零件，一般都要经过热处理后使用。典型优质碳素结构钢的应用见表2H311011-3

3.锅炉钢

锅炉钢主要指用来制造锅炉过热器、主蒸气管和锅炉受热面的材料。对锅炉钢的性能要求主要是有良好的焊接性能、一定的高温强度和耐碱性腐蚀、耐氧化等。常用的锅炉钢有平炉冶炼的低碳镇静钢或电炉冶炼的低碳钢，含碳量W。在0.16%～0.26%范围内。制造高压锅炉时则应用珠光体耐热钢或奥氏体耐热钢。近年来也采用普通低合金钢建造锅炉，如12锰、15锰钒、18锰钼铌等。

4.不锈钢

(1)不锈耐酸钢简称不锈钢，它是由不锈钢和耐酸钢两大部分组成的。简言之，能抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，而能抵抗化学介质(如酸类)腐蚀的钢叫耐酸钢。一般来说，含铬量Wc大于12%的钢就具有了不锈钢的特点。

(2)不锈钢按热处理后的显微组织又可分为五大类：即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢及沉淀硬化不锈钢。

5.耐热钢

(1)在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求具有较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求具有较高的高温强度和相应的抗氧化性。

(2)耐热钢按其正火组织可分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢及珠光体耐热钢等。耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，一些不锈钢兼具耐热钢特性，既可作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。

(3)奥氏体耐热钢：含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在600℃以上工作的热强材料。典型钢种有1Cr18Ni9Ti(321)、1Cr23Ni13(309)、0Gr25Ni20(310S)、1Cr25Ni2OSi2(314)、2Cr20Mn9Ni2Si2N、4Cr14Ni14W2Mo等。

(4)马氏体耐热钢：含铬量一般为7%～13%,在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基础上发展出来的钢号如1Gr11MoV、1Gr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。

(5)铁素体耐热钢：含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低、室温脆性较大、焊接性较差。如1Cr13SiAl、1Cr25Si2等，一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。

(6)珠光体耐热钢：这类钢在500～600℃有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作600℃以下的耐热部件。如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。典型钢种有16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Gr2MoWVTiB、10Cr2Mol、25Cr2MolV、20Cr3MoV等。