金属材料概述

常用金属材料概述

金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的，并具有具有金属特性的工程材料。金属材料种类繁多，用途广泛，按化学组成分类，金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要是指以铁或以铁为主形成的金属材料，即钢铁材料，如钢和生铁。有色金属是指除钢铁材料以外的其他金属，如金、银、铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅等。生产中使用最多的黑色金属是钢和铸铁，有色金属是铜及铜合金、铝及铝合金。

钢的种类繁多，通常按钢中是否加入合金元素，将钢分为碳钢和合金钢。

碳钢按碳的质量分数可分为低碳钢（ω

C ≤0.25%)、中碳钢（0.25%＜ω

C

≤

0.6%)、高碳钢（ω

C

＞0.6%），按钢的质量分数可分为普通碳素钢（ωs≤0.05%，ωp≤0.045%）、优质碳素钢（ωs≤0.035%，ωp≤0.035%）、高级优质碳素钢（ωs≤0.02%，ωp≤0.03%）和特级优质碳素钢（ωs≤0.015%，ωp≤0.025%），按钢的用途可分为碳素结构钢（用于各种工程构件，也可用于不太重要的机件）、优质碳素结构钢（用于制造各种机器零件）、碳素工具钢（用于制造各种工具）和一般工程用铸造碳素钢（用于制造形状复杂且需要一定强度、塑性和韧性的零件），还可按钢冶炼时的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。

合金钢按钢的用途可分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢，还可按成分、冶金质量及组织等进行分类。

钢的性能根据不同的种类有不同的特点，其中碳素结构钢易于冶炼，工艺性能好，价格低廉，在力学性能上一般能满足普通工程构件及机器零件的要求，工程上用量很大，一般不进行热处理；低合金机构钢由于强度很高，被广泛用于建筑、石油、化工、铁道、造船等许多部门。

钢的热处理工艺是指根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律所制定的钢在热处理时具体的加热、保温和冷却的工艺参数。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为：普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理、化学热处理及特殊热处理（形变热处理、真空热处理等）。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。

铸铁是一种以铁、碳、硅为主要成分且在结晶过程中具有共析转变的多元铁

基合金。其化学成分一般为：ω

C =2.0%～4.0%、ω

si

=1.0%～3.0%、ω

Mn

=0.1%～1.0%、

ωs=0.02%～0.25%、ωp=0.05%～1.5%。为了提高铸铁的力学性能，有时在铸铁中添加少量Gr、Ni、Cu、Mo等合金元素制成合金铸铁。

铸铁是一种被广泛使用的金属材料，主要是由于它的生产工艺简单、成本低廉并具有优良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性等，因此铸铁广泛用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等工业部门。

碳在铸铁中既可以化合态的渗碳体（Fe

3

C）形式存在，也可以游离状态的石墨（G）形式存在，据此可以将铸铁分为三类：白口铸铁，碳除少量固溶于铁素体中外，其余的碳都以渗碳体（第二相）的形式存在于铸铁集体中，其断口呈银白色，由于存在共晶莱氏体组织，所以其性能硬而脆，很难切削加工，一般很少直接用来制造各种零件；麻口铸铁，碳除少量固溶于铁素体中外，一部分以游离

状态的石墨（G）形式存在，另一部分以化和状态的渗碳体（Fe

3

C）形式存在，在其断口上呈黑白相间的麻点，这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上也很少

使用；灰口铸铁，碳除少量固溶于铁素体中外，其余的以游离状态的石墨（G）形式存在，其断口呈暗灰色，由于灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，使得灰口铸铁具有良好的切削加工性、减摩性、减振性等，而且熔炼的工艺与设备简单，成本低廉，所以在目前的工业生产中，灰口铸铁是最重要的工程材料之一。根据灰口铸铁中石墨形态的不同，又可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁四类。

（1）灰铸铁：石墨呈片状存在，这类铸铁的力学性能虽然不高，但它的生产工艺简单、价格低廉，故工业上应用最广，在铸铁的总产量中占80%以上，主要用于制造各种机器的底座、机架、工作台、机身、齿轮箱体、阀门及内燃机的汽缸体、汽缸盖等。主要性能除了灰口铸铁的性能外，还有较低缺口敏感性、能浇铸形状复杂与壁薄的铸件等自身特点。其热处理方法主要有时效退火、石墨化退火和表面热处理三种。

（2）球墨铸铁(球铁）：石墨呈球状存在，不仅力学性能比灰铸铁高，而且还可以通过热处理进一步提高其力学性能，所以在生产中的应用日益广泛。其基体的利用率可达70%～90%，基体的塑性和韧性也有利用的可能，因此，球铁比灰铸铁及可锻铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性，同时保留着灰铸铁耐磨、消震、易切削、好铸造、缺口不敏感等一系列有点。因此，可以用来制造一些手里复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、涡轮、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞机器底座、汽车的后桥壳等。其常用热处理方法有退火、正火、等温淬火和调质处理。

（3）可锻铸铁：石墨呈团絮状存在，其力学性能（特别是韧性和塑性）较灰铸铁高，并接近球墨铸铁，尤其是珠光体基体可锻铸铁，强度可与铸钢媲美，所以常用于制作一些截面较薄而形状复杂、工作时受振动而强度、韧性要求较高的零件。此外，珠光体可锻铸铁的可切削加工性在铁基合金中式最优良的，可进行高精度切削加工。黑心可锻铸铁强度虽不高，但具有良好的塑性和韧性，常用来制作汽车、拖拉机的后桥外壳、机床扳手、低压阀门、管接头、农具等承受冲力、振动和扭转载荷的零件。白心可锻铸铁表里组织不同、力学性能差，特别是韧性较低，故应用较少。其热处理方法是石墨化退火。

（4）蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状存在，即其石墨形态介于片状与球状之间，其力学性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间，这种铸铁是七十年代发展起来的一种新型铸铁。可以用来代替高强度铸铁、合金铸铁、黑心可锻铸铁及铁素体球墨铸铁，因此日益引起人们的重视。其力学性能介于相同基体的灰铸铁和球墨铸铁之间，其强度、韧性、疲劳极限、耐磨性及抗热疲劳性能都比灰铸铁高，而且对断面的敏感性也较小，但由于蠕虫状石墨大都是相互连接的，因此其塑性、韧性和强度都比球墨铸铁低，此外，蠕墨铸铁的铸造性能、减振性、导热性及切削加工性等均优于球墨铸铁，并与灰铸铁相近，因此蠕墨铸铁是一种具有良好综合性能的铸铁，主要应用于在一些经受热循环载荷的铸件（如钢锭模、玻璃磨具、柴油机缸盖、排气管、刹车件等）和组织致密零件（如一些液压阀的阀门、各种耐压泵的泵体等）以及一些结构复杂而设计又要求高强度的零件。

此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织性能不同，可分为常用铸铁和合金铸铁两类。常用铸铁也称为普通铸铁或灰铸铁，合金铸铁也称为特殊性能铸铁。合金铸铁是在铸铁中加入一定量的合金元素，使其获得特殊性能而形成的，可有耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等等。