P001 第一章 金属材料

2020年造价工程师安装计量教材思维导图

一、金属材料

• （一）黑色金属（钢铁材料）
  • 含碳量＜2.11% （重量）的铁合金称为钢； 含碳量＞2.11% （重量）的铁合金称为生铁。
  • 钢和铸铁中组成的元素： 1、铁、碳 2、杂质元素，如硫、磷、氧、氮等； 3、合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等
  • 1.钢的分类和用途
    • 1、含碳量低的钢材强度较低．但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接； 2、含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大且不易加工。 3、硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性， 硫（L）使钢材产生热脆性，磷（L）使钢材产生冷脆性。 4、硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
    • 钢材的力学性能取决于钢材的成分和金相组织。 钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火对金相组织的影响最大。
    • (1)钢的分类。
      • 1)按化学成分分类
        • 碳素钢
        • 低合金钢
        • 合金钢
      • 2)按主要质量等级分类
        • ①普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢
        • ②普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢
        • ③普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢
    • (2)钢牌号的表示方法。
      • 详见教材 P003-006
    • (3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。
      • 1) 碳素结构钢。
        • ①普通碳素结构钢。
          • Q195钢强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等；
          • Q215钢主要用于制作管坯、螺栓等；
          • Q235钢强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号。 Q235钢大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。
          • Q275钢强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，主要用于制造轴类、耐磨零件和垫板等。
          • 普通碳素结构钢通常在热轧后使用。
        • ②优质碳素结构钢。
          • 优质碳素结构钢是含碳＜0.8%的碳素钢
          • 低碳钢
            • 低碳钢强度和硬度低，但塑性和韧性高，加工性和焊接性能优良， 用于制造承载较小和要求韧性高的零件以及小型渗碳零件；
          • 中碳钢
            • 中碳钢强度和硬度较高，塑性和韧性较低，切削性能良好，但焊接性能较差，冷热变形能力良好， 主要用于制造荷载较大的机械零件，常用的中碳钢为40＃、45＃和50＃钢。
          • 高碳钢
            • 高碳钢具有高的强度和硬度、高的弹性极限和疲劳极限（尤其是缺口疲劳极限），切削性能尚可， 但焊接性能和冷塑性变形能力差，水淬时容易产生裂纹。主要用于制造弹簧和耐磨零件。
            • 碳素工具钢是基本上不加入合金化元素的高碳钢，也是工具钢中成本较低、冷热加工性良好、使用范围较广的钢种。
      • 2)低合金结构钢。
        • Q345 、Q390 、Q420 、Q460 、Q500 、Q550 、Q620 、Q690
        • ①普通低合金钢。
          • 普通低合金钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压加工性能和耐蚀性， 部分钢种还具有较低的脆性转变温度。用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构等；
          • Q345具有综合力学性能、耐低温冲击韧性、焊接性能和冷热压加工性能良好的特性， 可用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机等。
        • ②优质低合金钢。
          • 形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为优质低合金钢 。
          • 用15MnVg制造锅炉和压力容器、 用70Mn制造起重机钢轨、 用20MnSiV制造承受较高荷载或高速冲击的齿轮轴、齿圈、齿轮、主轴、蜗杆和离合器（机床用）等。
      • 3)不锈耐酸钢。
        • ①铁素体型不锈钢。
          • 1、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， 2、0Cr13不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，也有良好的耐蚀性。 3、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。
        • ②马氏体型不锈钢。
          • 马氏体型不锈钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海水、淡水和水蒸气中；以及使用温度≤580℃的环境中，通常也可作为受力较大的零件和工具的制作材料。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。
        • ③奥氏体型不锈钢。
          • 奥氏体型不锈钢具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，以及良好的压力加工和焊接性能。 奥氏体型不锈钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。
        • ④铁素体-奥氏体型不锈钢。
          • 铁素体-奥氏体型不锈钢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。
        • ⑤沉淀硬化型不锈钢。
          • 沉淀硬化型不锈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。
      • 4)铸钢。
        • 铸钢具有较高的强度、塑性和韧性。 某些冷、热变形性能差或难切削加工的钢，可由铸钢成型。 用于轧材和锻件的钢号原则上都可用于铸钢件。 铸钢主要决定于钢的成分，如铸件的碳含量和合金元素含量增加，铸件的焊接性能变差。
  • 2.铸铁的分类和用途
    • 大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。 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。
    • 1、磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素（磷使钢材产生冷脆性）。 2、铸铁的组织特点是含有石墨，组织的其余部分相当于碳含量小于0.80%钢的组织。 3、铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。 4、基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。
    • (1)按碳存在的形式分类
      • 灰口铸铁
        • 普通灰铸铁（石墨呈片状）
        • 蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）
        • 可锻铸铁（石墨呈团絮状）
        • 球墨铸铁（石墨呈球状）
      • 白口铸铁
        • 1、白口铸铁主要作炼钢原料使用。 2、轧辊(gun)、球磨机的磨球等。 3、脆性较大，不能承受冲击荷载。
      • 麻口铸铁
    • (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) 灰铸铁。
        • 灰铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。 影响灰铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。
        • 分类
          • 灰铸铁 奥氏体灰铸铁 冷硬灰铸铁 耐磨灰铸铁 耐热灰铸铁 耐蚀灰铸铁
      • 2)球墨铸铁。
        • 球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，而与钢相当。因此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，并具有较好的耐疲劳强度。
        • 1、曲轴、连杆和凸轮轴等，2、高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管 。
      • 3)蠕墨铸铁。
        • 用于生产汽缸盖、 汽缸套 、钢锭模和液压阀等铸件 。
      • 4)可锻铸铁。
        • 分类
          • 黑心可锻铸铁 白心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁
        • 可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。 可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。 与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，处理工艺简单等优点。
      • 5)耐磨铸铁。
        • 在生产上常采用激冷的办法来获得耐磨铸铁。
      • 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。
        • 耐蚀铸铁是主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。 常用耐蚀铸铁有高硅、高硅铝、高铝和高铬等耐蚀铸铁。
• （二）有色金属材料
  • 1.有色金属及其合金牌号表示方法
    • 详见教材 P008-009
  • 2.工程中常用有色金属的性能和特点
    • (1)铝及铝合金 。
      • 纯铝材料按纯度划分
        • 高纯铝
          • 高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等
        • 工业高纯铝
          • 工业高纯铝用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料
        • 工业纯铝
          • 工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金
      • 纯铝的强度很低，不作为结构材料使用 。
      • 根据成分及工艺特点划分
        • 变形铝合金塑性较好，适于变形加工。
          • 防锈铝合金
            • 防锈铝合金抗蚀性能高，塑性和焊接性能好，主要用于焊接件、容器、管道，以及承受中等荷载的零件及制品，也可用作铆钉。
          • 硬铝合金
          • 超硬铝合金
          • 锻铝合金
        • 铸造铝合金流动性较好，适于铸造生产。
          • Al-Si铸造铝合金
          • Al-Cu铸造铝合金
          • Al-Mg铸造铝合金
            • Al-Mg铸造铝合金强度高，密度小，有良好的耐蚀性，但铸造性能不佳，耐热性不良。 该合金多用于制造承受冲击荷载，以及在腐蚀性介质中工作的外形不太复杂的零件，如氨用泵体等 。
          • Al-Zn铸造铝合金
    • (2)铜及铜合金 。
      • 1) 黄铜(H）。
        • 普通黄铜
        • 复杂黄铜
          • 铅黄铜主要用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件；
          • 锰黄铜常用于制造轴承等耐磨件；
          • 铝黄铜可制作耐蚀零件，还可用于制造大型蜗杆等重要零件。
      • 2)青铜(Q)。
        • 锡青铜
          • 锡青铜主要用于制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件，以及抗蚀、抗磁零件等；
        • 铝青铜
          • 铝青铜可制造齿轮、轴套和蜗轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件，以及弹簧和其他高耐蚀性弹性元件；
        • 硅青铜
          • 硅青铜可制作弹簧、齿轮、蜗轮、蜗杆等耐蚀和耐磨零件。
    • (3)镍及镍合金。
      • 镍及镍合金是用于化学、石油、有色金属冶炼、高温、高压、高浓度或混有不纯物等各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属材料。
      • 广泛应用于化工、制碱、冶金、石油等行业中的压力容器、换热器、塔器、蒸发器、搅拌器、冷凝器、反应器和储运容器等。
    • (4)钛及钛合金。
      • 在大气中工作的钛及钛合金只在540℃以下使用；
      • 钛具有良好的低温性能，可作低温材料；
      • 常温下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和l碱济液等介质中十分稳定。但在任何浓度的氢氟酸中均能迅速溶解。
      • 工业纯钛的棒材、板材和挤压型材用于化工等行业，可制造各种耐蚀、500℃以下耐热零件，如热交换器等 。
    • (5)铅及铅合金 。
      • 铅在大气、淡水、海水中很稳定。
      • 铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性。
      • 铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。
    • (6)镁及镁合金。
      • 镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。 其缺点是耐蚀性较差、缺口敏感性大及熔铸工艺复杂。