工程材料及其分類(熟悉)

　　工程材料有各種不同的分類方法。一般都將工程材料按化學成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類。

　　工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：黑色金屬材料【鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)】和有色金屬材料【黑色金屬以外的所有金屬及其合金】。

　　非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。

　　高分子材料為有機合成材料，也稱聚合物。它具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能。工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。

　　復合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料。

　　(一)金屬材料

　　1.黑色金屬

　　關(guān)鍵知識點一：鋼及其合金的特性、用途(注意對比區(qū)分)

　　鋼是以鐵為基的合金，鋼中主要化學元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對鋼材性質(zhì)影響很大。

　　含碳量小于2.11%(重量)的合金稱為鋼;而含碳量大于2.11%(重量)的合金稱為生鐵。鋼中含碳量對鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量低，鋼的強度低、塑性大、延伸率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)較軟，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高，鋼的強度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。(以前考過)

　　(1)鋼及其合金的分類和牌號表示方法

　　鋼的力學性能(如抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊韌度和硬度等)決定于鋼的成分和金相組織。鋼的成分一定時，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響最大。(以前考過)

　　1)鋼的分類。

　　2)鋼牌號的表示方法。

　　我國鋼鐵產(chǎn)品牌號采用漢語拼音字母、化學符號和阿拉伯數(shù)字相結(jié)合的表示方法，即：

　　①牌號中化學元素采用國際化學元素表示。

　?、诋a(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語拼音的縮寫字母表示。

　?、垆撹F產(chǎn)品中的主要化學元素含量(%)采用阿拉伯數(shù)字表示。

　　碳素結(jié)構(gòu)鋼“Q”——屈服點字母，屈服點數(shù)值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/mm2五種。

　　Q195鋼強度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條;

　　Q215鋼大量用作管坯、螺栓;

　　Q235鋼強度適中，具有良好的承載性，又具有較好的塑性、韌性、可焊性、加工性，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號，大量用來制成鋼筋、型鋼和鋼板;

　　【2009年單選】碳素結(jié)構(gòu)鋼中，具有良好的承載性，又具有較好的塑性、韌性、可焊性、加工性，大量用來制成鋼筋、型鋼和鋼板，此種鋼的牌號為(　)。

　　A.Q215

　　B.Q235

　　C.Q255

　　D.Q275

　　[答疑編號502008010101]

　　『正確答案』B

　　『答案解析』參見教材P5。

　　Q255鋼強度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用作鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及鋼筋混凝土的配筋;

　　Q275鋼強度和硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，主要用于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板。

　　優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號以兩位數(shù)字表示，數(shù)字代表含碳量的百分之幾(以0.01%為單位)，如鋼號為20，表示平均含碳量為0.20%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼;鋼號為45，表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

　　合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號按下列規(guī)則編制：用兩位阿拉伯數(shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計)，標注在牌號頭部。合金元素含量為1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%……，相應的標注為2、3、4、5……平均合金含量 <1.50%者，在牌號中只標出元素符號，不標注其含量。如30CrMnSi表示碳、鉻、錳、硅平均含量分別為0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金結(jié)構(gòu)鋼。高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，在牌號尾部加符號“A”表示，

　　3)工程中常用鋼及其合金的性能和特點

　?、偬妓亟Y(jié)構(gòu)鋼

　　碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝簡單，有良好的工藝性能(如焊接性能、壓力加工性能等)、必要的韌性、良好的塑性以及價廉和易于大量供應，通常在熱軋后使用。在橋梁、建筑、船舶上獲得了極廣泛的應用。

　　②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性和韌性較強高，并可通過熱處理強化，多用于較重要的零件，是廣泛應用的機械制造用鋼。

　?、鄣秃辖鸶邚姸冉Y(jié)構(gòu)鋼。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有較高的韌性，同時有良好的焊接性能、冷熱壓力加工性能和耐蝕性，部分鋼種還具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

　?、芎辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入適量的一種或數(shù)種合金元素而形成的，它的綜合力學性能優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼是合金鋼中用量最多的一類鋼，廣泛用于制造各種要求韌性高的重要機械零件和構(gòu)件。

　?、莶讳P(耐酸)鋼?！攸c

　　按不銹鋼使用狀態(tài)的金相組織，可分為鐵素體、馬氏體、奧氏體、鐵素體加奧氏體和沉淀硬化型不銹鋼五類。各類不銹鋼的特點如下：

　　a.鐵素體型不銹鋼。鉻是鐵素體型不銹鋼中的主要合金元素，通常含鉻量的質(zhì)量分數(shù)大于或等于13.00%，不含鎳。

　　b.馬氏體型不銹鋼。鉻是鋼中的主要合金元素，鋼在淬火—回火狀態(tài)使用有較高屈服強度、硬度和耐磨度，常用在弱腐蝕性介質(zhì)，如海水、淡水和水蒸氣等中，使用溫度小于或等于580℃，通常作為受力較大的零件和工具的制作材料，由于此鋼焊接性能不好，故一般不用作焊接件。

　　c.奧氏體型不銹鋼。鋼中主要合金元素為鉻和鎳，其次是鈦、鈮、鉬、氮和錳等。

　　此鋼具有奧氏體組織，具有高的韌性、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度、良好的耐蝕性和高溫強度、較好的抗氧化性以及良好的壓力加工和焊接性能。但屈服強度低，且不能采用熱處理方法強化，而只能進行冷變形強化。

　　【2009年單選】與鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼相比，奧氏體型不銹鋼的主要合金成分中增加的金屬元素為(　)。

　　A.鋅

　　B.鋁

　　C.鈦

　　D.鎳

　　[答疑編號502008010102]

　　『正確答案』參見教材P6。

　　d.鐵素體—奧氏體型不銹鋼。這類鋼是在奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，添加更多的鉻、鉬和硅等有利于形成鐵素體的元素，或降低鋼的含碳量而獲得的。其屈服強度約為奧氏體型不銹鋼的2倍，可焊性良好，韌性較高，應力腐蝕、晶間腐蝕及焊接時的熱裂傾向均小于奧氏體型不銹鋼。

　　e.沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼的突出優(yōu)點是經(jīng)沉淀硬化熱處理以后具有高的強度，耐蝕性優(yōu)于鐵素體型不銹鋼。它主要用于制造高強度和耐蝕的容器、結(jié)構(gòu)和零件，也可用作高溫零件，如汽輪機零件。

　　優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號以兩位數(shù)字表示，數(shù)字代表含碳量。

　　(2)鑄鐵的分類和牌號表示方法。

　　鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳合金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。它具有生產(chǎn)設備和工藝簡單、價格便宜等優(yōu)點。大部分機械設備的箱體、殼體、機座、支架和受力不大的零件多用鑄鐵制造。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵價廉，切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機械加工工時，且有必要的強度和某些優(yōu)良性能，如高的耐磨性、吸振性和低的缺口敏感性等。

　　1)鑄鐵的分類。

　　鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。但是，雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，唯一有害的元素是硫。

　　鑄鐵的組織特點是含有石墨。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。鑄鐵的其他性能也與石墨密切相關(guān)，基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強度和耐磨性的主要因素。

　　按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)　和可鍛鑄鐵(石墨團絮狀)三大類。

　　按照鑄鐵成分中是否含有合金元素，可分為一般鑄鐵和合金鑄鐵兩大類。一般鑄鐵可分為普通鑄鐵和變質(zhì)(孕育)鑄鐵。

　　2)鑄鐵牌號的表示方法。

　?、儆酶鞣N鑄鐵相應漢語拼音字母的第一個大寫字母作為鑄鐵的代號，當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時，可在大寫字母后加小寫字母表示。同一名稱鑄鐵需要細分時，取其細分特點的漢語拼音字母第一個大寫字母排在后面。

　?、谠谂铺栔幸话悴粯俗⒊Ｒ?guī)元素碳、硅、錳、硫和磷的符號，但當它們有特殊作用時才標注其元素符號和含量。合金元素的質(zhì)量分數(shù)大于或等于1.0%時，用整數(shù)表示;小于1.0%時，一般不標注。

　?、叟铺栔写柡竺娴囊唤M數(shù)字表示其抗拉強度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數(shù)字時，第一組數(shù)字表示抗拉強度值，第二組數(shù)字表示伸長率值(如球墨鑄鐵QT400—18)，兩組數(shù)字之間用“—”隔開。

　　3)工程中常用鑄鐵的性能和特點。

　?、倩铱阼T鐵。灰口鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成?；w可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，相當于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。

　　灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種?；铱阼T鐵價格便宜、應用最廣泛，在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰口鑄鐵占80.0%以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學成分和冷卻速度。

　?、谇蚰T鐵。其綜合機械性能接近于鋼，因鑄造性能很好、成本低廉、生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應用。

　　球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5%～4.7%范圍內(nèi)變動，以利于石墨球化。

　　球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰口鑄鐵，而與鋼相當。因此對于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度，實驗表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強度甚至超過45號鋼。在實際應用中，大多數(shù)承受動載的零件是帶孔或帶臺肩的，因此用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。

　　③蠕墨鑄鐵。它的強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導熱性。

　?、芸慑戣T鐵?？慑戣T鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。

　　⑤耐磨鑄鐵。

　?、弈蜔徼T鐵。

　?、吣臀g鑄鐵。