考點：金屬材料
金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業上把金屬及其合金分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩大部分。
（一）黑色金屬
黑色金屬材料一般是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料。
鋼鐵材料是工業中應用最廣、用量最多的金屬材料。含碳量小于2.11% （重量）的 鐵合金稱為鋼；而含碳量大于2.11% （重量）的鐵合金稱為生鐵。
鋼和鑄鐵中除了含鐵、 碳以外，還含有一些其他元素，其中一類是雜質元素，如硫、磷、氧、氮等；另一類是根 據使用性能和工藝性能的需要，在其生產過程中適量添加的合金元素，常見有鉻、鎳、錳和鈦等，鐵碳合金中加入這些合金元素就成為合金鋼或合金鑄鐵。
1．鋼的分類和用途
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。鋼中碳的含量對鋼的性質有決定性影響，含碳量低的鋼材強度較低，但塑性大，延伸率和沖擊韌性高，質地較軟，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的鋼材強度高（當含碳量超過1．00%時，鋼材強度開始下降）、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。
硫、磷為鋼材中有害元素，含量較多就會嚴重影響鋼材的塑性和韌性，磷使鋼材顯著產生冷脆性，硫則使鋼材產生熱脆性。硅、錳等為有益元素，它們能使鋼材強度、硬度提高，而塑性、韌性不顯著降低。
鋼材的力學性能取決于鋼材的成分和金相組織。鋼材的成分一定時，其金相組織主要取決于鋼材的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響最大。
2．鑄鐵的分類和用途
鑄鐵是含碳量大于2．11%的鐵碳合金。
鑄鐵是應用最廣泛的鑄造材料。它具有生產設備和工藝簡單、價格便宜等優點。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。其原因是鑄鐵切削性能和鑄造性能 優良，有利于節約材料，減少機械加工工時，且有必要的強度和某些優良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
2．鑄鐵的分類和用途
鑄鐵與鋼相比，其成分特點是碳、硅含量高，雜質含量也較高。但雜質在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，
磷在耐磨鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，唯一有害的元素是硫。
鑄鐵的韌性和塑性主要決定于石墨的數量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。
（1）鑄鐵的分類。
按石墨的形狀特征，灰口鑄鐵可分為普通灰鑄鐵（石墨呈片狀）、蠕墨鑄鐵（石墨呈蠕蟲狀）、可鍛鑄鐵（石墨呈團絮狀）和球墨鑄鐵（石墨呈球狀）四大類。
（2）工程中常用鑄鐵的性能特點
1）灰鑄鐵。灰鑄鐵包括普通灰鑄鐵、奧氏體灰鑄鐵、冷硬灰鑄鐵、耐磨灰鑄鐵、耐熱灰鑄鐵和耐 蝕灰鑄鐵六種，灰鑄鐵價格便宜，應用非常廣泛。在各類鑄鐵的總產量中，灰鑄鐵占 80%以上。
2）球墨鑄鐵。綜合機械性能接近于鋼。球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰鑄鐵，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省材料，重量更輕，并具有較好的耐疲勞強度。球墨鑄鐵的扭轉疲勞強度甚至超過45鋼。在實際工程中常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。也可用于高層建筑室外進入室內給水的總管或室內總干管。
3）蠕墨鑄鐵。強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性；同時又有灰鑄鐵良好的鑄造性能和導熱性。蠕墨鑄鐵在生產中主要用于生產汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模和液壓閥等鑄件。是一種新的鑄鐵材料，發展前景樂觀。
4） 可鍛鑄鐵具有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替破鋼。這種鑄鐵有黑心可 鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵三種類型可鍛鑄鐵常用來制造形狀復雜、承受沖擊和 振動荷載的零件，如管接頭和低壓閥門等。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低、質量穩定、處理工藝簡單等優點。
（二）有色金屬材料
有色金屬是指黑色金屬以外的所有金屬及其合金。不同有色金屬具有不同的優良性能，如鈦合金的耐蝕性優于不銹鋼；銅和鋁的導電性明顯高于鐵合金；鎳鉻合金的比電阻較高，同時還有高的抗氧化性能和塑性，以及為零的電阻溫度系數；鉛具有高的抗X射 線和γ射線穿透能力。
2．工程中常用有色金屬的性能和特點
（1）鋁及鋁合金
鋁及鋁合金在采用各種強化手段后可以達到與普通低合金鋼相近的強度，而且其比強度要比普通鋼高得多。鋁及鋁合金在電氣工程、一般機械和輕工業中都 有廣泛的用途。
鋁合金是在鋁中加入合金元素獲得，具有較高強度，同時保持良好的加工性能。許多 鋁合金不僅可通過冷變形提高強度，而且可用熱處理來大幅度地改善性能。
根據成分及工藝特點，鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。變形鋁合金塑性較 好，適于變形加工；鑄造鋁合金流動性較好，適于鑄造生產。
鑄造鋁合金有四種。Al-Mg鑄造鋁合金強度高，密度小，有良好的耐蝕性，但鑄造性能不佳，耐熱性不良。多用于制造承受沖擊荷載，以及在腐蝕性介質中工作的外形不太復雜的零件，如氨用泵體等。
（2）銅及銅合金
（3）鎳及鎳合金
鎳及鎳合金是用于化學、石油、有色金屬冶
經典習題
【單項選擇題】鋼的含碳量與低碳鋼相似，主要靠少量合金元素進行強化，改善鋼材的韌性和可焊性，其強度要比同等級的碳素鋼高得多。廣泛用于壓力容器、化工設備、鍋爐及大型鋼結構，合金元素錳、硨、鉬等起到強化作用，釩和鈮可細化晶粒、改善韌性，此種鋼是( )。
A. 普通碳素結構鋼
B.低合金結構鋼
C.優質碳素結構鋼
D. 鑄鋼
