随着生产的迅速发展，特别是电子产业、航空航天技术的突飞猛进，不断地对材料的性能2提出
了愈来愈高的要求。而传统单一材料往往不能全面满足强度、韧性、重量和稳定性等方面的要求， 为使各种材料之间的优点互补，获得性能更加优越的材料，人们研制出各种新型复合材料。就是由
两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能通常兼有组成材料的各种优点，有着非常广阔的发展 前景。
中国经过几十年的努力，钢铁工业已同过去的仅能生产 100 多个钢种、400 多个品种的钢材发
展到现在能生产 1000 多个钢种、4 万多个品种的钢材，特别是国防工业和高精尖技术，包括原子弹、 氢弹、导弹、核潜艇、通讯卫星、火箭等需要的关键金属3材料。都已由国内自行研制开发成功，最 大限度满足了其需要。 2 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（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。 1）机械性能（力学性能）：机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 ???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。 ???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。 ???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。 ???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。 ???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。 ???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） ???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）. 2）工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 ???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。 ???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。 ???顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。 ???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。
???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。 ???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。 3）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。 ???耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 ???抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。 3 本简要读本中未涉及胶泥、涂料、化学品、核材料等。
- 6 -
第二章 金属材料
金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。从常用材料标准数据中，我
们可以发现包括九大类约 1200 余种常用材料，它们包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢
丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等 9 大类。
第一讲 黑色金属
在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属的基本概念。
黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添 加元素的合金，统称为铁碳合金。
习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。
当铁中含 C 在 0.03%~1.2%范围时则为钢，含 C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业
生产。
第一节 铁及其分类
生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品，也叫―铣铁‖。
生铁是高炉产品，可分为6普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是锰 铁和硅铁。合金生铁作为炼钢的辅助材料，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。
生铁是含碳量 2.11%~6.67%并含有非铁杂质较多的铁碳合金。生铁的杂质元素主要是硅、硫、 锰、磷等。
生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加 工成形。但含硅高的生铁（灰口铁）的铸造及切削性能良好。
4 铁的主要矿石有：赤铁矿 Fe2O3，含铁量在 50%~60%之间；磁铁矿 Fe3O4，含铁量 60%以上有磁性，还有褐铁矿 2Fe2O3-·3H2O、菱铁 矿 FeCO3和黄铁矿 FeS2，它们的含铁量低一些，但比较容易冶炼。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、东北鞍山等。 5 单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿 Fe2O3和磁铁矿 Fe3O4为原料，与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应，焦炭燃烧产生 CO2气， CO2 气与过量的焦炭接触就生成 CO 气，CO 气和氧化铁作用就生成金属铁。
C+O2=CO2
CO2+C=2CO
Fe3O4+CO=3Fe+CO2 Fe2O3+CO=2Fe+CO2 FeO+CO=FeO+CO2
6 另一种理解是：生铁、铁合金属于炉料，即治炼用原料。铸铁是用生铁（主要是铸造生铁）治炼后的产品。
- 7 -
1.生铁
生铁是含碳量大于 2％（2.11%）的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在 2.5%~4.0%，并含 Si、 Mn、S、P 等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。
生铁生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）量分组，按含磷（P）量分级，按含硫（S） 量分类。
1）炼钢生铁 炼钢生铁含硅量不大于 1.7%，碳以 Fe3C 状存在。故硬而脆，断口呈白色。主要用作炼钢原料 和可锻铸铁原料，炼钢生铁见下表所示。 炼钢用生铁（根据 GB717-82） 铁号 代号 L04 L08 L10 2）铸造用生铁 铸造生铁硅含量为 1.25~3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。软、易切削加工。主要用 来生产各种铸铁件原料如床身、箱体等。铸造生铁见下表所示： 铸造用生铁（根据 YB/T14–91） 铁号 牌号 代号 铸 34 Z34 铸 30 Z30 铸 26 Z26 铸 22 Z22 铸 18 Z18 铸 14 Z14 3）球墨铸造用生铁 球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁，只是低硫低磷。低硫使碳充分在铁中石墨化。低磷提高生 铁的机械性能；主要用于生产性能（机械性能）较好的球墨铸铁件。球墨生铁见下表所示：
球墨铸铁用生铁（根据 GB1412-85） 牌号 Q10 Q12 Q16 此外现在应用的还有含钒生铁、铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁，见下面两个表： 含钒生铁（根据 GB5025-85） 铁号 牌号 代号 钒 02 F02 钒 03 F03 钒 04 F04 钒 05 F05 铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁（根据 GB9949-88）
铁号
NMZ34 NMZ30 NMZ26 NMZ22 NMZ18 NMZ14 - 8 -
2.铸铁 7
铸铁是含碳大于 2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加 进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸 铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好， 价格低等特点。
7 根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。见下表： 石墨化进行程度 铸铁名称 第一阶段 第二阶段 第三阶段 特性及应用 灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这中铸铁具有一定的机械性能、 良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造中业获得最广
泛的应用。灰铸铁分级：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。 而灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁、蠕虫状石黑铸铁、 球黑铸铁以及可锻铸铁。 球墨铸铁和蠕墨铸铁一般是用稀土镁合金对铁液进行处理，以改善石墨形态， 从而得到比灰铸铁有更高机械性能的铸铁。 球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁， 珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐 磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀） 球墨铸铁。 蠕墨铸铁具有不同比例的珠光体—铁素体基体组织。铸铁性能与其石墨的蠕 化程度（蠕化率）及基体有关。在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的 强度和硬度较高，耐磨性强。适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。而铁 素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织 较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的 零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。 灰口铸铁 完全石墨化 完全石墨化 完全石墨化 部分石墨化 麻口铸铁 部分石墨化 未石墨化 未石墨化 未石墨化 可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到 的具有团絮状石墨的铁碳合金。采用不同的热处理方法，可以得到具有不同 组织和性能的可锻铸铁，即黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。 当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退 火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不 很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多， 因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体可以通过热处理 来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻 铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的 脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体 命名的。 当将白口铸铁毛坯件在氧化性质的炉气条件下进行退火时，铸件断面上从外 层到心部，发生强烈的氧化和脱碳。在完全脱碳层中无石墨存在，铸铁的组
白口铸铁 未石墨化 未石墨化 未石墨化 织为铸素体。实际上，在小断面尺寸条件下，铸铁的组织基本上为单一的铁
素体和退火碳。而在大断面尺寸条件下，表层为铁素体，中间区域为珠光体 和铁素体及退火碳，而心部区域则为珠光体及退火碳（间或有少量铁素体）。 这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，而表层色泽较暗，故通称为白 心可锻铸铁。 特种铸铁是指具有特殊使用性能的铸铁材料，主要包括抗磨铸铁、耐热铸铁 和耐腐蚀铸铁。为使铸铁具有这些特殊使用性能，需要使铸铁有一定的组织。 特种铸铁中既有非合金铸铁（如普通白口抗磨铸铁），也有低合金铸铁、中 合金铸铁和高合金铸铁（如中锰抗磨用球墨铸铁及高铬抗磨用白口铸铁等）。 由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造性能方面，与非合 金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造性能，而含有大 量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程中容易产生多 种铸造缺陷，因此需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性，采取适当的 工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。 对任何一种特种铸铁而言，首先是要求具备一定的使用性能，如抗磨、耐热等。但由于是用来制造机器零件，就需要保证有一定的机械性 能，主要是强度和塑性，为此需要在铸铁的化学成分设计上，考虑同时满足特定的使用性能和一定的机械性能这两方面的要求。
- 9 -
1）铸铁牌号的表示方法
各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。当两种铸铁名 称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。同一名称铸铁，需要细分时， 取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母，排列在后面。见下表：
铸铁名称、代号及牌号表示方法（根据 GB5612-85）
铸铁名称 灰铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁 黑心可锻铸铁 白心可锻铸铁 代号 HT RuT QT KHT KBT 珠光体可锻铸铁 耐磨铸铁 抗磨白口铸铁 抗磨球墨铸铁 冷硬铸铁 耐蚀铸铁 耐蚀球墨铸铁 耐热铸铁 耐热球墨铸铁 奥氏体铸铁 KZT MT KmBT KmQT LT ST SQT RT RQT AT 牌号表示方法实例 HT100 RuT400 QT400-17 KHT300-06 KBT350-04 KZT450-06 MT Cu1PTi-150 KmBTMn5Mo2Cu KmQTMn6 LTCrMoR STSi15R SQTAl15Si5 RTCr2 RQTA16 - 牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二 组表示延伸率值。两组数字中间用―一‖隔开。 合金元素用国际元素符号表示，含量大于或等于 1%时，用整数表示：小于 1 %时一般不标注。 常规元素（C、Si、Mn、S、p）一般不标注，有特殊作用时，才标注其元素符号及含量。 2）白口铸铁 白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3C）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有 大量硬而脆的 Fe3C，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用， 只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯 料。
3）灰口铸铁
铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加 工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。
- 10 -