有关金属材料的知识

金属材料介绍
金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：
（ 1 ）黑色金属材料 —— 铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）。
（ 2 ）有色金属材料 —— 黑色金属以外的所有金属及其合金。
有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵重金属、稀土金属和碱土金属。
（二）非金属材料
非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀（酸）非金属材料和陶瓷材料等。
（ 1 ）耐火材料。耐火材料是指能承受高温下作用而不易损坏的材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。
（ 2 ）耐火隔热材料。耐火隔热材料又称为耐热保温材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉以及它们的制品。
（ 3 ）耐蚀（酸）非金属材料。耐蚀（酸）非金属材料的组成主要是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
（ 4 ）陶瓷材料。
（二）非金属材料
非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀（酸）非金属材料和陶瓷材料等。
（ 1 ）耐火材料。耐火材料是指能承受高温下作用而不易损坏的材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。
（ 2 ）耐火隔热材料。耐火隔热材料又称为耐热保温材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉以及它们的制品。
（ 3 ）耐蚀（酸）非金属材料。耐蚀（酸）非金属材料的组成主要是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
（ 4 ）陶瓷材料。
二、常用工程材料的性能和特点
（一）金属材料
1 、黑色金属
含碳量小于 2 ． 11 ％（重量）的合金称为钢，合碳量大于 2 ． 11 ％（重量）的合金称为生铁。
（ 1 ）钢及其合金的分类。
钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响。
在工程中更通用的分类为：
l ）按化学成分分类。可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。
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。按照国家标准《钢铁产品牌号表示方法》规定，我国钢铁产品牌号采用汉语拼音字母、化学符号和阿拉伯数字相结合的表示方法，即：
l ）牌号中化学元素采用国际化学元素表示。
2 ）产品名称、用途、特性和工艺方法等，通常采用代表该产品汉字的汉语拼音的缩写字母表示。
3 ）钢铁产品中的主要化学元素含量（％）采用阿拉伯数字表示。
合金结构钢的牌号按下列规则编制。数字表示含碳量的平均值。合金结构钢和弹簧钢用二位数宇表示平均含碳量的万分之几，不锈耐酸钢和耐热钢含碳量用千分数表示。平均含碳量＜ 0.1 ％（用 “0” 表示；平均含碳量＜ 0.03 ％，用 “00” 表示＝。合金工具钢平均含碳量＞ 1.00 ％时，不标合碳量，否则用千分数表示。高速工具钢和滚珠轴承钢不标含碳量，滚珠轴承钢标注用途符号 “C” 。平均合金含量＜ 1.5 ％者，在牌号中只标出元素符号，不注其含量。
例：在钢的分类中 , 优质钢是按照（ ）来分类的。
A. 化学成分 B. 用途 C. 冶炼质量 D. 冶炼方法
答案 :C
（ 3 ）工程中常用钢及其合金的性能和特点。
l ）碳素结构钢。
碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等）、必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。在桥梁、建筑、船舶上获得了极广泛的应用。某些不太重要、要求韧性不高的机械零件也广泛选用。

2 ）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。

3 ）合金结构钢。合金结构钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为合金结构钢。
4 ）不锈耐酸钢。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。
按不锈钢使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。现将各类不锈钢的特点简述如下：
① 铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。高铬钢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。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。铬是钢中的主要合金元素。通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸汽等中，使用温度小于或等于 580 ℃ 、通常作为受力较大的零件和工具的制作材料，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。钢中主要合金元素为铬和镍。这类钢具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能。
④ 铁素体 — 奥氏体型不锈钢。
⑤ 沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用于制造要求高强度和耐蚀的容器、结构件零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。
5 ）铸钢。铸钢具有较好的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。
（ 4 ）铸铁的分类和牌号表示方法。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。其原因是铸铁价廉，切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
1 ）铸铁的分类。
按照石墨的形状特征，铸铁可分为灰口铸铁（石墨成片状）、球墨铸铁（石墨成球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。
按照铸铁成分中是否含有合金元素，可分为一般铸铁和合金铸铁两大类。一般铸铁可分为普通铸铁和变质（孕育）铸铁。
2 ）铸铁牌号的表示方法：
① 用各种铸铁相应汉语拼音字母的第一个大写字母作为铸铁的代号，当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在大写字母后加小写字母表示。
② 在牌号中一般不标注常规元素 C ． Si 、 Mn 、 S 和 P 的符号，但当它们有特殊作用时才标注其元素符号和含量。
③ 牌号中代号后面的一组数字表示抗拉强度值（如灰口铸铁 HT100 ），有两组数字时，第一组数字表示抗拉强度值，第二组数字表示伸长率值（如球墨铸铁 QT400 － 18 ），两组数字之间用 “ － ” 隔开。
3 ）工程中常用铸铁的性能和特点：
① 灰口铸铁。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。
② 球墨铸铁。球墨铸铁综合机械性能接近于钢。
可用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。
③ 蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。
蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。
④ 可锻铸铁。可锻铸铁可以部分代替碳钢。
⑤ 耐磨铸铁。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。
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、钳锅、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。
2 、有色金属
l ）铝及其合金。
工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。
① 防锈铝合金（ LF ）。主要用于焊接件、容器、管道或以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。
② 硬铝合金（ LY ）。低合金硬铝塑性好，强度低。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝；标准硬铝合金强度和塑性属中等水平。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件；高合金硬铝合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作重要的销和轴等零件。
③ 超硬铝合金（ LC ）。
这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快，多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。
④ 锻铝合金（ LD ）。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件。
2 ）铜及其合金。铜合金具有较高的强度和塑性，具有高的弹性极限和疲劳极限，同时还具有较好的耐蚀性、抗碱性及优良的减摩性和耐磨性。
一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。
① 黄铜（ H ）。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。
② 青铜（ Q ）。青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、锰等的铜基合金为青铜。
3 ）镍及其合金。镍及镍合金是化学、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下比较理想的金属材料。

4 ）钛及其合金。钛熔点高，热膨胀系数小，导热性差，强度低，塑性好。钛具有优良的耐蚀性和耐热性，其抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢，而在较高温度下钛材仍能保持较高的强度。
常温下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶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。
5 ）铅及其合金。
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 ）镁及其合金。镁合金是航空工业的重要结构材料，它能承受较大的冲击、振动载荷，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

金属
金属
[metal(s)]
jīn shǔ
定义：具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。
扩展：

1、金属中延展性最好的是Au，导电好的依次是Ag、Cu、Au、Al； 金属钕

2、金属有几种分类方法：

冶金工业分类法：
黑色金属：铁、铬、锰三种
有色金属：铁、铬、锰以外的全部金属。

根据密度分类法：
轻金属：（密度小于4.5g/cm3）：钾、钠、钙、镁、铝等
重金属：（密度大于4.5g/cm3）：锌、铁、锡、铅、铜等

还可以把金属分为：
常见金属：如铁、铝、铜、锌等
稀有金属：如锆、铪、铌、钽等；

金属颜料的特性及其应用
常用的金属粉有铝粉、锌粉、铅粉，合金形式的金属粉有铜锌粉（俗称金粉）、锌铝粉、不锈钢粉等。

与其他颜料相比较，金属颜料有它的特殊性。由于粉末状的金属颜料以金属或合金组成，故有明亮的金属光泽和颜色。困此，许多金属颜料用做装饰性颜料，如铜锌粉，它的色相从淡金直至赤金，使被涂装的物品绚丽多彩；铝粉色相银白，也用于装饰。近年来铝粉的新品种闪光铝粉与透明颜料配合使用，涂装面不仅有金属亮点，而且五彩缤纷，装饰效果非常好；鳞片状的锌粉略呈淡色的金属光，能使涂装物与周围景物混为一体，有伪装效果。

大多数金属颜料都是鳞片状粉末，它调入成膜物而且涂装成膜时，像落叶铺地一样与被涂物平行，互相连结，互相遮掩，多层排列，形成屏障，金属鳞片阻断了成膜物的微细孔，阻止外界有害气体或液体在涂膜中的渗透，保护了涂膜及被涂装物品，这是它物理屏蔽的防腐能力，而锌粉除了有屏蔽能力之外，还有阴极保护作用，大量的锌粉在涂膜内互相连成导电层，当涂层遇到电化学腐蚀时，由于锌比铁具有负的电极电位差，首先被腐蚀，从而保护了钢铁底材。不锈钢粉具有良好的化学稳定性，能阻止化学腐蚀。

色浅、高光泽的金属粉还有保温能力，这类金属粉几乎不吸收光线，能反射可见光、紫外光，对于热辐射也是如此，因此，可用于需要保温、防止光和热辐射的物品上，如贮存油品、气体的罐、塔上，金属粉能反射日光中紫外线的60%以上，故又能防止涂膜因紫外光照射老化，有利于延长涂膜的寿命。

金属颜料是极微细的粉末，且多属鳞片状，但也有球形、水滴形、树枝形的，都与其制造方法有关。金属粉末须经过表面处理才具有颜料特性，如分散性、遮盖力等，不同的表面处理可使金属亲油或亲水，以适应不同涂料的要求。

大多数金属颜料通过物理加式方式进行生产，使纯金属或合金成为特定的粉，如从固态、液态及气态金属转化为粉末。一、由金属的气相状态转化为粉末如升华法制取锌粉、超细铝粉粉。二、由金属的液相状态转化为粉末如气动雾化法制取铝粉、锌粉及铜金粉。三、由金属的固相状态转化为粉末的如切削法、球磨法制造镁粉、铝粉、不锈钢粉及钛粉。

通常用于粉末涂料的金属颜料主要是铝粉和铜粉、珠光粉。由于粉末涂料所选用的树脂或固化剂不是含有碱性就是有一定的酸性，对于这些金属及金属氧化物都会产生一定程度的影响，因此对金属颜料的表面处理就显得尤为重要。虽然大多数金属颜料在出厂前都已尼过表面处理，但是能否经受粉末涂料施工条件（200度10分钟）的考验是很成问题的。铜粉可采用苯并三氮唑等进行表面保护，对耐化学不稳定的铝粉就无计可施了，所以银色的美术型粉末涂层往往在使用一个阶段后会出现发黑现象。

镍粉在无色透明的树脂中呈黄色，如果将它和其他颜色透明树脂配合，可制成金色、橙色、黄绿色的涂层。

在含有金属颜料的粉末涂料中如果要制造彩色涂层，其遮盖力应依靠金属颜料而不应依靠着色颜料。最好选用遮盖力较低的着色颜料或透明颜料，尤其要少用或不用钛白炭黑等。因为高遮盖力颜料的存在将使金属颜料黯然失色。

金属材料性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能(使用性能)及其在冷热加工过程中材料应具备的性能(工艺性能)。

材料的使用性能包括物理性能(如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等)、化学性能(耐用腐蚀性、抗氧化性)，力学性能也叫机械性能。

材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。

(一)、机械性能

机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。

1、强度：材料在外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。
2、屈服点(бs)：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。
3、抗拉强度(бb)也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。
4、延伸率(δ)：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。
5、断面收缩率(Ψ)材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。
6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW)和洛氏硬度(HKA、HKB、HRC)。
7、冲击韧性(Ak)：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2(J/cm2)。

对低碳钢拉伸的应力——应变曲线分析

1.弹性：εe=σe/E， 指标σe，E
2.刚性：△L=P•l/E•F 抵抗弹性变形的能力强度
3.强度： σs---屈服强度，σb---抗拉强度
4.韧性：冲击吸收功Ak
5.疲劳强度： 交变负荷σ-1＜σs
6.硬度 HR、HV、HB

Ⅰ阶段 线弹性阶段 拉伸初期 应力—应变曲线为一直线，此阶段应力最高限称为材料的比例极限σe.
Ⅱ阶段 屈服阶段 当应力增加至一定值时，应力—应变曲线出现水平线段(有微小波动)，在此阶段内，应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称屈服，相应的应力称为屈服应力或屈服极限，并用σs表示。
Ⅲ阶段 为强化阶段，经过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力。强化阶段的最高点所对应的应力，称材料的强度极限。用σb表示，强度极限是材料所能承受的最大应力。
Ⅳ阶段 为颈缩阶段。当应力增至最大值σb后，试件的某一局部显著收缩，最后在缩颈处断裂。

对低碳钢σs与σb为衡量其强度的主要指标。

刚性：△L=P•l/E•F，抵抗弹性变形的能力。

P---拉力，l---材料原长，E---弹性模量，F---截面面积

塑性变形：外力去处后，不能恢复的变形，即残余变形称塑性变形。

材料能经受较大塑性变形而不破坏的能力，称为材料的塑性或延伸性。

衡量材料塑性的两个指标是延伸率和断面收缩率。

延伸率δ=(△l0/l)×100% 断面收缩率ψ=((A-A1)/A)×100%

韧性(冲击韧性)：常用冲击吸收功 Ak 表示，指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的力。

疲劳强度：材料抵抗无限次应力(107)循环也不疲劳断裂的强度指标，交变负荷σ-1＜σs为设计标准。

硬度：材料软硬程度。

测定硬度试验的方法很多，大体上可以分为弹性回条法(肖氏硬度)压入法(布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度)和划痕法(莫氏硬度)等三大类，生产上应用最广泛的是压入法。它是将一定形状、尺寸的硬质压头在一定大小载荷作用下压入被测材料表层，以留下的压痕表面面积大小或深度计算材料的硬度值。

由于硬度测定时的测定规范，所用仪器设备等不同，用压入法井台测定材料的硬度的方法也有多种。

常用的方法是布氏硬度法(HB)，维氏硬度法(HV)，洛氏硬度法(HR)。

(二)、工艺性能

指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。

8、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。
9、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。
10、顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。
11、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α(外角)或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。
12、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。
13、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

(三)、化学性能

指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。

14、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。
15、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。

从植物中收获金属
1995年，俄罗斯奥尔登堡大学的生物学家梅格列特在研究一种叫蓼的一年生草本植物时，意外地发现蓼的叶子中含有异常高的锌、铅、镉等金属。这是否表明蓼有从土壤中吸收这些金属的“嗜好呢”？于是他带着这个疑问，在一些被锌、铅、镉之类金属污染过的土地上种了大量的蓼。这些蓼长得非常茂盛，叶子又大又厚，结果在1 公顷的土地上，一个季节就收获了大量的蓼。梅格列特将蓼草放入800 ℃的炉子里烧，草化为灰烬，结果从中得到了1.3千克镉、23千克铅、322千克锌。
最近，德国奥尔登大学的一个试验小组已在一处废金属堆放场引种俄罗斯大蓼获得成功。现在该试验小组已从德国各地尤其是环保组织接到了大量订单，同时还为推广这项研究成果专门成立了一家商业性公司。它的业务活动已引起德国军事部门的很大兴趣，因为历史上的各种军事演习场包括二战时期用作化学武器仓库的地方都有待改造，消除污染，公司方面业已应约在那些地方种下了大蓼，以净化环境，回收有害金属。
最近还有文献报到，美国加利福尼亚的专家们通过研究发现，野生芥菜有从土壤中蓄积镍的功能，他们把种植的半公顷的野生芥菜杆割下来，晒干再烧成灰，每100克芥菜灰中获得了15-20克镍。他们目前正着手培育蓄积金属能力更强的芥菜新品种，预计可以从每平方米的土地上获取12克镍。尽管通过这种方式获取镍的效果远不及其它办法，但对环境无任何污染。
科学研究证明，植物在千百万年漫长的进化演变过程中，已经练就了一身非凡绝招，许多植物有累积某些金属元素的能力。如堇菜好锌、香薷含铜比较丰富、烟草含铀特别多，还有紫云英含硒、苜蓿含钽、石松含锰格外丰富。生长在含黄金特别多的土壤中的玉米或木贼草，烧成灰，每吨竟可以提取到10克黄金。有些植物能累积稀有金属，如铬、镧、钇、铌、钍等，被称为“绿色稀有金属库”。它们对稀有金属的聚集能力要比一般植物高出几十倍、成百倍，甚至上千倍。比如铬，在一般植物中用光谱检测也很难发现，而凤眼兰却能在根上累积铬，其含量可达到0.13％。
这一系列的发现引起了科学家们的极大兴趣，被人们称为“绿色冶金”技术。专家预言如果这一成果取得突破性的进展，人类将有可能通过种植植物来获得所需的金属，同时还可以改善遭受人类破坏的环境

就讲讲记忆金属吧。
在百度知道上找找相关内容，特别是它的结晶状态的特殊性，呵呵，很能唬人呀。

去维普上搜索马氏体，能找到不少