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（ωC ≤0.25%)、中碳钢（0.25%＜ωC≤0.6%)、高碳钢（ωC＞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：ωC =2.0%～4.0%、ωsi=1.0%～3.0%、ωMn=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（Fe3C）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（Fe3C）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。

在工业生产中，通常把钢铁以外的金属及其合金称为有色金属。

有色金属具有许多钢铁材料不具备的优良的特殊性能，是现代工业生产中不可缺少的材料。

下面主要介绍铝及铝合金和铜及铜合金。

铝及铝合金的产量在金属材料中仅此于钢铁材料而居第二位，是有色金属材料中用量最多、应用范围最广的材料。

纯铝结晶后无同素异构转变，导电性、导热性仅次于银、铜、金，与氧的亲和力很强，在空气中形成可形成致密的氧化膜，具有良好的抗大气腐蚀能力，强度很低但塑性很高，因此其主要用途是代替较贵重的铜线制作导线，配置各种铝合金以及制作要求质轻、导热或抗大气腐蚀但强度要求不高的器具。

工业纯铝不能直接用于制作结构材料，因此必须加入合金元素形成铝合金。

常用合金元素有主加元素（Si、Cu、Mg、Mn、Zn和Li等）和辅加元素（Cr、Ti、Zr、Ni、Ca、B、RE等）。

按合金成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，形变铝合金又可分为热处理不能强化的铝合金和热处理强化铝合金，形变铝合金还可按性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。

防锈铝合金主要有Al-Mn系和Al-Mg系两种合金，Al-Mn系合金耐蚀性好，常用来制造需要弯曲、冷压或冲压零件，Al-Mg系合金多用来制造管道、容器柳钉及承受中等载荷零件。

硬铝合金属Al-Cu-Mg系合金，广泛应用于航空工业和仪表制造业，如常用来制造飞机蒙皮、框架、螺旋桨等。

超硬铝属Al-Zu-Mg-Cu系合金，强度在变形铝合金中最高，主要应用于航空、宇航工业中制造受力较大、较复杂而要求密度小的结构件，如蒙皮、大梁、加强框、起落架部件等。

锻铝具有良好的热塑性，适合生产锻件，其中Al-Mg-Si系锻铝是目前惟一对应力腐蚀不敏感的铝合金，在建筑型材等方面得到广泛应用。

铸造铝合金中以铸造性和力学性能配合最佳的为铝硅系铸造铝合金，有简单铝硅明和特殊铝硅明。

简单铝硅明的铸造性、焊接性能好，比重小，有相当好的抗蚀性和耐热性，但不能时效强化，强度较低，因此只适于制作形状复杂但强度要求不高的铸件或薄壁零件，如仪表、水泵壳体及一些承受低载荷的零件。

特殊铝硅明比重轻、抗蚀性好，线膨胀系数较小，强度、硬度较高，耐磨性、耐热性及铸造性能较好，是常用铸造铝活塞材料，目前在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上应用甚广。

纯铜呈玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称紫铜，其导电、导热性能好，仅次于银，故常用于制作导线，散热器及冷凝器等，化学稳定性高，在大气、淡水中有良好的抗蚀性，但是强度低，一般不做结构部件，主要用做铜合金的原料、导线、冷凝器部件等。

铜合金主要有黄铜、青铜和白铜三类。

黄铜是铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金，其具有良好的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业上有很强的应用价值，按化学成分的不同，可有普通黄铜和特殊黄铜两类。

特殊黄铜中的锡黄铜广泛应用于制造海船零件，铅黄铜用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件和制作轴瓦和衬套，铝黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件，硅黄铜主要用于制造船舶及化工机械零件，锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件，铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐蚀的零件，镍黄铜在造船工业、电机制造工业中广泛应用。

青铜是指铜基合金中不含锡而含铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金，包含锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。

其中铝青铜常用来制造弹簧、船舶零件等，铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，耐磨零件（钟表齿轮、高温、高压、高速下的轴承）及防爆工具等，但铍是稀有金属，价格昂贵，在使用上受到限制。

白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，其中普通白铜主要用于船舶仪器零件、化工机械零件，锰白铜用于制作弹簧和热电偶丝。

有色金属及其合金最常使用的热处理是退火、固溶处理及时效，形变热处理也有应用，化学热处理则应用较少。