常用金属材料小结 - 金属分类|机械性能|钢铁|有色金属详解
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常用金属材料小结
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一、金属材料的分类
一、金属材料的分类
金属材料通常按组成成分和色泽两大维度分类，具体如下：
1. 按组成成分分类
| 类型 | 组成特点 | 工业应用情况 |
|---|---|---|
| 纯金属 | 由单一金属元素组成，目前已知纯金属有80多种（如纯金、纯银、纯铁等） | 在工业结构件中应用极少 |
| 合金 | 以一种金属元素为主体，与另外一种或几种金属元素（或非金属元素）组成，综合性能优于纯金属（如钢等） | 工程结构件的主要原材料，应用广泛 |
2. 按色泽分类
| 类型 | 主要品种 |
|---|---|
| 黑色金属 | 生铁、铁合金、铸铁和钢，是工业生产的主导性材料 |
| 有色金属 | 除黑色金属以外的金属及其合金，如铜、铝、锌、铅、锡、镁、钛等及其合金 |
二、金属材料的机械性能
二、金属材料的机械性能
金属材料的机械性能是衡量其力学表现的核心指标，主要包括强度、弹性、屈服极限、延伸率、断面收缩率、硬度及冲击韧度等。
1. 强度极限
| 种类和代号 | 意义 | 单位 |
|---|---|---|
| 抗拉强度σb | 金属材料抵抗拉伸破坏作用时的最大能力，其值按国家标准提供 | MPa（N/mm²） |
| 抗压强度σbc | 金属材料抵抗压缩破坏作用时的最大能力 | |
| 抗弯强度σbb | 金属材料抵抗弯曲变形破坏作用时的最大能力 | |
| 抗剪强度τb | 金属材料抵抗剪切变形破坏作用时的最大能力 |
注：材料强度是指材料对外力破坏的抵抗能力，具体表现形式由材料性质（塑性或脆性）及其所处应力状态共同决定。
2. 弹性极限
| 代号 | 意义 | 单位 |
|---|---|---|
| σe | 金属材料受外力（如拉力）作用产生变形，外力去除后变形消失、恢复原形状（此性质为弹性）；材料维持弹性变形范围的最大能力，称为弹性极限 | MPa（N/mm²） |
3. 屈服极限
| 类型 | 意义 | 单位 |
|---|---|---|
| 屈服极限 | 材料受力时，塑性变形不断加大，表明材料失去抵抗变形能力（处于屈服状态），此时的应力称为屈服极限 | MPa（N/mm²） |
| 条件屈服极限 | 对于无明显屈服点的材料，规定其产生0.2%塑性变形时对应的应力，称为条件屈服极限 |
4. 延伸率和断面收缩率
| 种类和代号 | 意义 | 表达式 |
|---|---|---|
| 延伸率δ | 金属材料标准试样在拉伸试验中被拉断后，标定长度的伸长量与原长度的比值 | δ = (l - l0)/l0 × 100% = Δl/l0 × 100% |
| 断面收缩率φ | 标准试样拉断后，横截面积的减少量与原横截面积的比值 | φ = (A0 - A)/A0 × 100% |
注：延伸率δ、断面收缩率φ均为塑性指标。一般将δ≥5%的材料称为塑性材料；δ<5%的材料称为脆性材料。
5. 硬度
| 种类和代号 | 意义 |
|---|---|
| 布氏硬度HB（淬硬钢球用HBS；硬质合金球用HBW） | 以一定负荷将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入材料表面，保持规定时间后卸除负荷，测量材料表面压痕，按公式计算所得的硬度 |
| 洛氏硬度HR（HRC：负荷1471.1N） | 以一定的负荷把淬硬钢球或顶角120°的圆锥形金刚石压入器压入材料表面，然后以材料表面凹坑的深度计算的硬度 |
6. 冲击韧度
| 代号 | 意义 | 单位 |
|---|---|---|
| ak | 将带有规定缺口的试样在冲击机上冲断，材料所吸收的冲击力与试样缺口底部横截面积之比，称为材料冲击韧度 | J/cm² |
三、钢、铁和钢材
三、钢、铁和钢材
1. 工业用铁
| 种类 | 来源/加工方式 | 主要成分 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 生铁 | 将铁矿石放入高炉冶炼成液态后，浇铸成的块状产品 | 含碳量超过0.2%的铁碳合金，另含硅、硫、磷、锰等元素 | 用于冶炼钢材或制成灰铸铁 |
| 铁合金 | 含钨、铬等元素的合金 | 以铁为基，含特定合金元素 | 工业特种用料 |
| 铸造生铁 | 放入熔铁炉中熔炼而成，液态铸铁浇铸成元件（称铸件） | 同生铁成分 | 用作灰铸铁件浇铸、可锻铸铁原料、球墨铸铁原料 |
2. 钢按化学成分分类（GB/T 13304-1991）
钢按化学成分可分为三大类：非合金钢、低合金钢和合金钢，核心差异在于合金元素含量：
| 钢的类别 | 合金元素含量（%） |
|---|---|
| 非合金钢 | 合金元素含量较低（具体按标准规定，如C≤0.25%等） |
| 低合金钢 | 合金元素含量在0.10%~0.50%（部分元素如Mn为0.50%~0.90%） |
| 合金钢 | 合金元素含量≥0.50%（部分元素如Cr≥0.90%、Ni≥0.50%等） |
3. 非合金钢按质量等级分类
| 类型 | 主要质量要求 | 主要品种 |
|---|---|---|
| 普通质量非合金钢 | 1. 符合GB/T 13304-1991对非合金元素含量要求；2. 不规定热处理（退火、正火等不作为热处理）；3. 特性值需满足：C≥0.10%、S/P≥0.045%、N≥0.007%；抗拉强度≤690MPa、屈服强度≤360MPa、延伸率≤33%；弯心直径≥0.5×试样厚度、冲击功≤27J（20℃，V形）、HRB≥60；4. 未规定其他质量要求 | 1. 一般用途碳素结构钢（GB700中A、B级钢）；2. 碳素钢筋钢（如Q235，GB/T13031）；3. 铁道用一般碳素钢（如轻轨、垫板用钢，GB/T11264） |
| 优质非合金钢 | 生产过程需控制质量（如控晶粒度、降S/P、改善表面），满足特殊要求（抗脆断、冷成型），但控制严格度低于特殊质量非合金钢 | 1. 工程结构用碳素钢（GB700中C、D级钢）；2. 冲压薄钣低碳结构钢（GB/T5213、GB/T3276）；3. 镀层板带用碳钢（GB/T2518、GB/T2520等）；4. 锅炉和压力容器用碳素钢（GB/T713、GB/T3087）；5. 船用碳素钢（GB/T712）；6. 铁道用优质碳素钢（GB2585重轨用钢）等 |
| 特殊质量非合金钢 | 需严格控制质量和性能：1. 热处理钢材限制非金属杂质、要求淬后硬度/韧性；2. 非热处理钢材S≤0.025%、P≤0.025%；3. 规定导电/磁性 | 1. 保证淬透性非合金钢（GB/T5216）；2. 铁道用特殊非合金钢（车轮用钢）；3. 兵器用非合金钢；4. 核设备用非合金钢；5. 碳素弹簧钢；6. 电磁纯铁、原料纯铁等 |
4. 合金钢按性能和用途分类
| 种类 | 范围 |
|---|---|
| 工程结构用合金钢 | 一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、压力容器用合金钢、地质/石油钻探用钢、高锰耐磨钢 |
| 机械结构用合金钢 | 调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、冷塑性成型合金结构钢、合金弹簧钢 |
| 不锈钢、耐蚀钢和耐热钢 | 不锈钢、耐酸钢、抗氧化钢和热强钢 |
| 工具钢 | 合金工具钢、高速工具钢 |
| 轴承钢 | 高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和无磁轴承钢 |
| 特殊物理性能钢 | 软磁钢、无磁钢和高电阻钢 |
5. 钢的其他习惯分类
| 分类标志 | 类型 |
|---|---|
| 按含碳量百分比 | 低碳钢（C≤0.25%）、中碳钢（0.25%<C<0.60%）、高碳钢（C≥0.60%） |
| 按冶炼时脱氧程度 | 沸腾钢、镇静钢、半镇静钢 |
| 按炼钢炉 | 平炉钢、转炉钢、电炉钢 |
| 按用途 | 结构钢、工具钢、特殊用钢 |
6. 钢的牌号表示法（按国家标准）
- 碳素结构钢：按GB/T 700标准表示
- 优质碳素结构钢：按GB/T 699-1999标准表示
- 低合金高强度结构钢：按GB/T 1591-1994标准表示
- 合金结构钢：按GB/T 3077-1999标准表示
- 不锈钢和耐热钢：按GB/T 1220.21-1992标准表示
四、有色金属及其合金
四、有色金属及其合金
有色金属及其合金因独特的物理化学性能，在航空航天、电子、化工等领域广泛应用，其分类方式主要基于密度/储量/分布和生产方式。
1. 按密度、储量与分布分类
| 种类 | 特点 |
|---|---|
| 轻有色金属及其合金 | 密度<4.5g/cm²，化学活性大，与氧、硫、碳等的化合物相当稳定（如铝、镁及其合金） |
| 重有色金属及其合金 | 密度>4.5g/cm²，如铜、镍、铅、锌、钴、铋等及其合金 |
| 贵金属及其合金 | 地壳中储量少、开采提取困难、价格贵，对氧和其他试剂较稳定（如金、银、铂及其合金） |
| 稀有金属 | 自然界含量稀少、难以提取，含五类：1. 稀有轻金属（钛、锂、铍等）；2. 稀有高熔点金属（钨、钼、铌等）；3. 稀有分散金属（镓、铟、锗等）；4. 稀土金属（钪、钇、镧系金属）；5. 稀有放射性元素（镭、锕） |
2. 按生产方式分类
| 产品类型 | 主要品种 |
|---|---|
| 冶炼产品 | 各种有色金属的冶炼产品（分工业纯和高纯度两种） |
| 加工产品（变形合金） | 铜及铜合金、铝及铝合金、镁及镁合金、铅及铅合金、钛及钛合金，以压力加工生产棒、管、板、型、带、箔、条、线等半成品 |
| 铸造产品 | 铸造黄铜、铸造青铜、铸造铝合金、铸造镁合金 |
3. 有色金属及其合金牌号表示法
（1）铝及铝合金
| 组别 | 合金元素特点 | 系列 | 牌号示例 |
|---|---|---|---|
| 工业纯铝 | 纯铝 | - | L4（四号工业纯铝） |
| 铝合金 | 以铜为主要合金元素 | 2xxx系列 | - |
| 铝合金 | 以锰为主要合金元素 | 3xxx系列 | - |
| 铝合金 | 以硅为主要合金元素 | 4xxx系列 | - |
| 铝合金 | 以镁、硅为主要合金元素 | 6xxx系列 | - |
| 铝合金 | 以其他元素为合金元素 | 8xxx系列 | - |
（2）铜及铜合金
| 组别 | 细分类型 | 代号示例 |
|---|---|---|
| 纯铜 | 普通纯铜 | T2（二号铜） |
| 无氧铜 | 无氧铜、磷脱氧铜 | TU1（一号无氧铜）、TUP（磷脱氧铜） |
| 黄铜 | 普通黄铜、铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜等 | H68（68黄铜）、HPb59-1（59-1铅黄铜）、HSn90-1（90-1锡黄铜）等 |
| 青铜 | 锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜等 | QSn6.5-0.1（6.5-0.1锡青铜）、QAl10-3-1.5（10-3-1.5铝青铜）等 |
（3）镍及镍合金
| 组别 | 代号示例 |
|---|---|
| 纯镍 | N4（四号镍） |
| 阳极镍 | NY1（一号阳极镍） |
| 镍合金 | NSi0.19（0.19镍硅合金）、NMg0.1（0.1镍镁合金）、NCu28-2.5-1.5（28-2.5-1.5镍铜合金）等 |
（4）铅、锌、锡、钛及其合金
| 组别 | 细分类型 | 代号示例 |
|---|---|---|
| 铅及其合金 | 纯铅、铅锑合金 | PL3（3号铅）、PLSb2（二号铅锑合金） |
| 锌及其合金 | 纯锌、锌铜合金 | Zn2（2号锌）、ZnCu1.5（1.5锌铜合金） |
| 锡及其合金 | 纯锡、锡锑合金、锡铅合金 | Sn2（二号锡）、SnSb2.5（2.5锡锑合金）、SnPb13.5-2.5（13.5-2.5锡铅合金） |
| 钛及其合金 | 工业纯钛、α型钛合金、β型钛合金 | TA1（一号α型钛）、TC4（四号钛合金） |
核心关键词
核心关键词
常用金属材料
金属材料分类
纯金属
合金
黑色金属
有色金属
金属机械性能
强度极限
弹性极限
屈服极限
延伸率
断面收缩率
硬度
冲击韧度
生铁
钢
非合金钢
低合金钢
合金钢
轻有色金属
重有色金属
贵金属
稀有金属
铝及铝合金
铜及铜合金
镍及镍合金
钛及钛合金
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