1.1.1金属材料的分类及应用

一级建造师机电专业思维导图-第一节，介绍了黑色金属材料的分类、黑色金属材料的应用、有色金属及合金材料的分类、有色金属及合金材料的应用、常用的金属复合材料的分类及应用等。

1.1.1金属材料的分类及应用

• 1.黑色金属材料的分类
  • 黑色金属：铁、铬、锰及其合金
  • 铸铁和钢相同点：铁碳合金，不同点：含碳量和内部组织结构不同，铸铁含碳量＞2.11%；钢含碳量＜2.11%。
  • 工业用钢按化学成分分为：碳素钢、合金钢；合金钢是在碳素钢的基础上添加一种或多种合金元素。
  • 铸铁主要含有硅Si、锰Mn等杂质，也可以加入合金元素成为合金铸铁。与钢相比，铸铁的特点：熔炼简单、成本低、优良的铸造性能、很高的减磨和耐磨、良好的消振性和切削加工性及缺口敏感性，但是强度、塑性和韧性差。
• 2.黑色金属材料的应用
  • 碳素钢（非合金钢）
    • 碳素结构钢，含碳量0.05%～0.70%，个别高达0.90%。分为：普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，用量大，用途广，例如，铁道、桥梁、建筑工程。物理条件限制：一般用在承受静荷载、不重要不需要热处理、一般焊接条件的构件。
    • 优质碳素钢，与普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属杂质含量低。
    • 碳素工具钢，用于刀具，模具和量具
    • 易切削结构钢，加入一些元素使钢变脆，变得容易被切削，用于制造螺栓、螺母、轴承、管接头。
    • 工程铸造碳刚，用于各种铸钢件。
  • 低合金钢
    • 低合金高强度结构钢，它在碳素结构钢（含碳量≤0.20%）的基础上，加入合金元素（合金元素含量＜5%）。韧性高于碳素结构钢、良好的焊接性能、冷热压力加工性能、耐腐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。用于制造板材、型材、无缝钢管。
    • 低合金耐热钢，含有一种或几种合金元素，合金元素总量≤5%，碳含量≤0.20%。（注释：它的定义比较笼统、宽泛）
  • 合金钢
    • 工程结构用合金钢，包括：可焊接的高强度合金结构钢、合金钢筋钢、铁道用合金钢、地质石油钻探用合金钢、压力容器用合金钢、高锰耐磨钢。特点：合金含量总量较低、生产使用量大。用于制造拖拉机履带、挖掘机铲齿、防弹钢板、保险箱钢板。
    • 机械结构用合金钢，它在优质碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素，主要包括：合金结构钢和合金弹簧钢。特点：提高了钢的强度、韧性、淬透性。用于制造：机械和机械零件。
    • 轴承钢，包括5大类：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、中碳轴承钢。用于制造：滚动轴承滚珠（柱）、轴承套圈；精密量具、量具、冷冲模、冲模、机床丝杠、丝锥、柴油机油泵的精密配件。
    • 合金工具钢与高速钢，简称高速钢，俗称锋钢，以钨、钼、铬、钒、钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，用于制造：中高速切削工具，例如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻。
    • 不锈耐酸钢和耐热钢
      • 不锈耐酸钢分为：不锈钢和耐酸钢，两者不相同
      • 耐热钢： ①特点：高温强度、抗高温氧化腐蚀、足够韧性、良好 可加工性和焊接性、组织稳定性（化学稳定性）； ②用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉、航空、 石油化工等的高温下工作零件；
      • 耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉。
    • 特殊物理性能钢，具有特殊的磁性、电性、弹性、膨胀性，包括：软磁钢、永磁钢、无磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢、合金。
    • 铸造合金钢，用于铸造的合金钢。
  • 铸铁
    • 根据碳在铸铁中存在的形式不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁
      • 白口铸铁，质地坚硬不易切削和加工，主要用作炼钢原料和可锻造铸铁的毛坯。
      • 灰口铸铁，多应用于铸铁。
      • 麻口铸铁，存在形式，一部分类似灰口铸铁，另一部分类似白口铸铁。特点是有较大的硬脆性，工业上很少应用。
    • 根据铸铁中石墨形态不同，铸铁可分为普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁
      • 普通灰铸铁，
      • 可锻铸铁，较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。
      • 球墨铸铁，机械性能比灰口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且可以通过热处理进一步提高机械性能。
      • 蠕墨铸铁，
    • 根据铸铁中金属元素的不同可分为普通铸铁和合金铸铁
      • 普通铸铁，含碳量大于2.11%的铁碳合金。
      • 合金铸铁，在普通铸铁中加入合金元素而得到，分为耐磨铸铁，耐热铸铁，耐蚀铸铁。
• 3.有色金属及合金材料的分类
  • 狭义的有色金属是铁，锰，铬以外的所有金属的统称，广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常＞50%），再加入一种或几种其他元素构成的合金。
  • 有色金属和纯金属相比，具有较高的强度硬度，电阻比较大，电阻温度系数小，具有良好的综合机械性能。
  • 常用的有色合金，有铝合金，铜合金，镁合金，镍合金，锡合金，钽合金，钛合金，锌合金，钼合金，锆合金
  • 有色金属可分为重金属（密度＞4500㎏/立方米），轻金属（密度＜4500㎏/立方米），贵金属（金、银、铂）及稀有金属（稀有轻金属，稀有难熔金属，稀有分散金属，稀土金属，放射金属）
• 4.有色金属及合金材料的应用
  • 铝合金
    • 既具有铝的特性，又具有一些合金的特性。密度：2.63～2.85g/立方厘米，强度110～650MPa，具有较高的强度，强度接近高合金钢，刚度超过钢，它的优点为良好的铸造性能和塑性加工性能。良好的导电性，导热性能耐腐蚀性，可焊性，在航空航天，交通运输，建筑机电中广泛应用。
    • 按照其成分和加工方法，可分为变形铝合金和铸造铝合金
  • 铜合金
    • 铜合金的分类
      • 按照合金成分划分：非合金铜（也称为紫铜或纯铜或红铜）包括：高纯铜、韧铜、脱氧铜、无氧铜；其他铜合金属于合金铜。
      • 按功能特性划分：有导电导热用铜合金、结构用铜合金、耐蚀铜合金、耐磨铜 合金、易切削铜合金、弹性铜合金、艺术铜合金。
      • 按照材料形式划分：铸造铜合金和变形铜合金，变形铜合金可以用作铸造，反之不行。铸造铜合金和变形铜合金又可细分为：铸造用紫铜、黄铜、青铜和白铜。
      • 黄铜
        • 黄铜是由铜和锌所组成。 ①普通黄铜（简单黄铜）只有铜和锌二元组成， ②特殊黄铜（复杂黄铜或特种黄铜）由铜、锌等三种以上（含三种）三元组成，强度大、硬度大、耐化学腐蚀性强、切削加工性能突出。 ③变形黄铜是用于压力加工用。
        • 耐磨性能强，用于热交换器、冷凝器、低温管路、海底运输管等所需的无缝管。 也可用作制造板材、棒材、条材、管材和铸造零件。含铜量在62%-68%的塑性强可制作耐压设备。
        • 合金元素对黄铜性能的影响: ①铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件； ②锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，常用作船舶热工设备和螺旋桨等 ③铅能改善黄铜的切削性能，这种易切削黄铜常用作钟表零件 ④黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等
      • 青铜
        • 以锡为主要添加元素（没有指明合金里面共有几种元素）
        • 除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜，在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名称，如锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜
        • ①锡青铜的铸造性能、减摩性能、机械性能好，适于制造轴承、蜗轮、齿轮 等； ②铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料; ③铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用于铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等； ④铍青钢的弹性极限高，导电性好，适于制造精密弹簧和电接触元件，还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具
      • 白铜
        • 以镍为主要添加元素的铜合金
        • ①普通白铜：铜镍二元合金； ②复杂白铜：以镍为主，加有锰、铁、锌、铝等元素； ③工业用白铜分为： 1）结构白铜（机械性能和耐腐蚀性好，色泽美观） 2）电工白铜（良好的热电性能）
  • 锌
    • 锌的特性，良好的压延性、耐磨性、抗腐蚀性、铸造性、良好的常温机械性，能与多种金属制成性能优良的合金，主要以镀锌、锌基合金、氧化锌的形式存在。
    • 锌可以用来制作电池，例如锌锰电池以及最新研究的锌空气蓄电池 锌具有良好 的抗电磁场性能，在射频干扰的场合，锌板是一种非常有效的屏蔽材料，同时由于锌是非磁性的，适合制作仪器仪表零件及仪表壳体和钱币 另外，锌自身及与其他金属碰撞不会发生火花，适合做井下防爆器材。
    • 镀锌，现在常采用的方法是热镀锌。如：含绊粉的涂料、起连接作用的镑块(连接船舶 、桥梁和近海油气井架的钢构件)、镀钵铁板(钵合金板)做的屋顶、钢带热浸镀镑等。
    • 锌合金，锌本身的强度和硬度不高，但在与铝、铜等组成合金后，其强度和硬度均大为提高.尤其是锌铜钛合金的综合机械性能已接近或达到铝合金 、黄铜、灰铸铁的水平，其抗蠕变性能也被大幅度提高。
• 5.常用的金属复合材料的分类及应用
  • 金属复合材料：有两种或两种以上不同性质的金属材料组成，各种材料性能上相互取长补短，产生协同效应，由于原来的材料。
  • 金属基复合材料，特性：高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性等。按增强材料可分为：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、石棉纤维、金属丝。
  • 金属层状复合材料：①由几层不同性能的材料通过热轧、焊接工艺复合而成，与单组元合金相比，综合性能优越，适合一些特殊工作环境。分类包括钛钢、铝钢、铜钢、钛不锈钢、镍不锈钢、不锈钢碳钢等复合材料。 ②具有耐腐蚀、耐高温、耐磨损、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽，且制造成本低等特点。
  • 金属与非金属复合材料：①)钢塑复合管既有钢管的强度和刚度，又有塑料管的耐化学腐蚀， 有元污染、不混生细菌、内璧光滑、不积垢、水阻小、施工方便、成本低等优点。 ②铝塑复合管有与金属管材相当的强度，具有电屏蔽和磁屏蔽作用、隔热保温 性好、重量轻、寿命长、施工方便、成本低等优点。