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(一)金属材料
1.黑色金属
黑色金属一般是指钢铁材料，是以铁为基的合金。
--含碳量小于2.11%(重量)的合金称为钢;
--而含碳量大于2.11%(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，
--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。
--钢中碳的含量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;
磷使钢显着产生冷脆性;
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、韧性不显着降低。
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)取决于钢的化学成分和金相组织。
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。
1) 钢的分类。
我国钢的分类标准(GB/T13304-1991)是参照国际标准ISO4948/1和ISO4948/2钢分类而制订的。(图1.1.1 钢的分类图)
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/T221-2000)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：
① 牌号中化学元素采用国际化学元素表示。
② 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。
③ 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Q235-AF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0.01%为单位)，--如钢号为20，表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢;钢号为45，表示平均含碳
量为0.45%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。
--用两位阿拉伯数字数字表示平均含碳量(以万分之几计)，放在牌号头部。
合金元素含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%、…… 时，相应地注为2、3、4、5……;
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;
如30CrMnSi表示碳、铬、锰、硅平均含量分别为0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢。
高级优质合金结构钢
--在牌号尾部加符号"A"表示，如"30CrMnSiA";
--特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号"E"表示，如"30CrMnSiE"
3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。
① 碳素结构钢。碳素结构钢包括普通碳素结构钢(GB/T700-1988)和优质碳素结构钢(GB/T699-1999)。
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。
② 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。
③ 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。
④ 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。
⑤ 不锈耐酸钢。
不锈耐酸钢简称不锈钢。它是指在空气、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。
--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13.00%，不含镍。
高铬钢(17.0%~30.0%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。
--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。
--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。
--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，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。
--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。
⑥ 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。
--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。
例如：
ZG200-400：是以强度表示的碳素钢铸钢牌号，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：以化学成分表示的铸钢牌号
ZG15Cr1Mo1V：是以化学成分表示的合金钢铸钢牌号，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，
--低合金钢铸钢。根据JB/T6402-1992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。
例如：
ZG35CrMnSi：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。
(2)铸铁的分类和牌号表示方法
铸铁是碳含量大于2.11%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，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。
铸铁的韧性和塑性，主要取决于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。
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，铸铁可分为三大类：
--灰口铸铁(石墨成片状);
--球墨铸铁(石墨成球状);
--可锻铸铁(石墨成团絮状)。
2)铸铁牌号的表示方法
3)工程中常用铸铁的性能和特点
① 灰口铸铁。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。
② 球墨铸铁。
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。
③ 蠕墨铸铁。是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。
④ 可锻铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。
⑤ 耐磨铸铁。
⑥ 耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等。
⑦ 耐蚀铸铁。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝和高铬等耐蚀铸铁。