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所有的金属材料可分为两大家:钢铁和有色金属(或非铁金属)。目前世界的钢铁总年产量约8亿吨,而有色金属年产量约5000万吨,钢铁产量占金属材料总量约为94%,因此钢铁仍然是金属材料中的主力军,但是非铁金属由于它们的特殊性能,在工业中仍有不可替代的重要用途。
一．钢铁一一现代工业化的基础
自工业革命以来,钢铁一直是人类使用的最主要的结构材料,是国家工业化的基础,在这一历史时期,钢铁的生产能力和消费水平往往是国家综合实力的重要标志。近二三十年来,尽管钢铁生产受到能源与资源的约束,世界钢铁生产仍以每年1%的速率递增。我国随着经济的发展,特别是改革开放以来,钢产量更是一路猛增,年产量已超过1亿吨,进入世界最前列。世界经济发达国家和中等发达国家的人均钢产量都在300kg/人以上,我国的位置相距甚远。可以预计,在我国实现四个现代化的进程中,钢铁工业仍将有30∼50年的高产期。
钢铁始终是工业中最重要的结构材料,在未来很长的时期中,这种主导的地位仍将难以动摇。在工业中的许多重要场合都离不开它。
①电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道,发电机中的大型转子和叶轮,变压器的铁芯等。
②汽车工业:根据美国的一份调查,对于一辆卡车，其重量的76%为金属材料,其中钢铁为车重的2/3。福特牌小轿车中,钢材占60.5%,铸铁占13.4%,其他金属占5.2%。
③机床与工程机械,包括起重机、挖掘机、拖拉机。
④铁路(钢轨)与桥梁。
⑤船舶和海上钻井平台,均可称为海上铁塔,而且对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀特别是应力腐蚀能力都有很高的要求。
⑥兵器:包括坦克、大炮、枪械。
⑦石油开采机械、输油管道和泵站。
⑧化工压力容器、反应釜和管道,其中不锈钢、耐热钢、低温钢等特殊钢用量很大。
⑨建筑钢筋和构架。
上述九大应用领域已经足以说明钢铁是现代工业的基础,钢铁堪称为工程结构材料之王。纯铁的强度和硬度都比较低，铁与碳及其他元素组成的合金才是钢，钢铁材料的基础是铁和碳的合金。最简单而普通的是碳钢，它是含碳量小于2.0%的铁碳合金。如果在碳钢中加入有益的元素如铬、锰、硅、镍、钨、钒、钴、钛、铌、铝、硼等就成为合金钢。合金元素在钢中存在的形式和作用各不相同，主要是为了改善钢的金相组织和力学性能，以及有利于热处理。合金钢的种类繁多，可以满足不同用途的需要。对于飞机和发动机制造业来说，最重要的是结构钢和不锈钢两大类。世界各国对合金钢的牌号编写方法有所不同，我国采用的是“数字+化学元素+数字”的表示方法。编号中首部数字除以100即为该合金的名义碳含量，元素后的数字表示该合金元素的名义含量,如元素后无数字则表示其含量约为1%或小于1%，编号尾部附以“A”字表示高级优质钢。例如30CrMnSiNi2A即表示这是一种大致含0.30%碳、1%Cr、1%Mn、1%Si、2%Ni的高级优质钢。
1．铸铁
含碳量在1.8%∼4.0%之间,多数铸铁中的碳以石墨形式出现,石墨的形状对性能影响很大。铸铁有很高的耐压强度、耐蚀性和良好的铸造性、消振性和切削性,而且价格低廉、工业中应用十分广泛。其中球墨铸铁的强度和韧性与钢相近。加入不同的合金元素后可成耐热铸铁,耐蚀铸铁和耐磨铸铁等。在可能的条件下“以铁代钢,以铸代锻”可产生巨大的经济效益,一直是工业生产中的趋势之一。
2．碳素钢
含碳量在0.10%∼1.3%之间的Fe-C合金,随含碳量增加,强度硬度提高,塑性韧性和可焊性下降。低碳钢(0.10%∼0.25%C)用做大型构件；中碳钢(0.25%∼0.55%C)强度、塑韧性综合性能高,做一般机械零件；含0.6%-0.7用于弹簧；高碳钢(0.7%∼1.3%C)硬度高,用做工具。碳素钢用平炉或转炉生产,生产量很大,用量也很大。
3．合金钢
①合金结构钢。多数是在中碳钢中加入少量合金元素,主要目的是提高强度,可分为低合金高强度钢、渗碳钢、氮化钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢等,钢的强度提高,其使用量即可减少,可靠性增大,而且可以满足特殊重要场合的需要。
②合金工具钢。主要有刃具钢、高速钢、量具钢、模具钢、轴承钢等,多数是在高碳钢中,加入适当的合金元素,进一步提高其硬度和耐磨性,作为工具材料占有极为重要的地位。在工具材料中,硬质合金也是一大类材料,它们是以很高硬度的金属碳化物颗粒,如碳化钨、碳化钛等和少量金属微粉如镍、钴等用粉末冶金方法,热压烧结并加工成切削刀头,有更高的硬度和耐磨性；模具钢又分冷作模具、热作模具钢,在现代工业中,模具的作用对产品质量非常关键,模具材料及其加工往往在成本中占有很大的比重,因此模具材料性能的改进和寿命的提高意义十分重大,一直是产业界关注的重点之一。
③特殊钢。主要包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢和电工用钢等。不锈钢主要是加入合金元素铬(12%以上),可在表面形成一层致密的钝化膜,使其耐蚀性提高。根据基体组织不同可分为马氏体不锈钢(C0.1%∼0.4%,Cr13%),铁素体不锈钢(C<0.12%,Cr>17%),奥氏体不锈钢(<0.1%C,Cr17%,Ni>8%)在Fe-Cr或Fe-Cr-Ni基础上再加入少量的Mo、Cu、Ti等合金元素进一步提高耐蚀性,为了提高不锈钢的强度又发展了沉淀硬化不锈钢,在航空结构件中有重要用途。对于最主要的奥氏体不锈钢来说,把含碳量降低到0.03%以下,耐蚀性更佳,因此超低碳不锈钢成为重要发展方向之一。耐热钢是在不锈钢的基础上发展起来的,用于750℃以下的受力件,继续提高合金含量得到铁基高温合金(如Fe-16Cr-25Ni-6Mo)可在<900℃的温度下使用。金属间化合物是近些年发展起来的一类耐热材料,其使用温度介于高温合金和高温结构陶瓷材料之间,研究较多的是Ni3A1、NiAl、Ti3Al、TiAl、Fe3Al、FeAl等,有些已取得突破性进展,开始进入实用阶段。
视频：材料科学资料集成——钢铁世界
二．五光十色的有色金属(或非铁金属)
有色金属的产量和用量虽然大大低于钢铁,只占钢铁的约6%,但是其重要性却无法用数量来表示,我国有色金属的总产量占世界第四位,但人均占有量在世界排名第50位(1994年),世界上有色金属生产的构成中,铝、铜、铅、锌4种占总量的95%以上。
现将非铁金属的分类及主要特点介绍如下。
1．铝合金
2．钛合金
3．镁合金
4．铍合金
5．铜合金
6．锌合金
7．镍合金
8．锰合金
9．低熔点合金
10．难熔金属合金
11．精密合金
视频：材料科学资料集成——金属钛
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