工程材料及其分类(熟悉)
工程材料有各种不同的分类方法。一般都将工程材料按化学成分分为金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。
工业上把金属和其合金分为两大部分：黑色金属材料【铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)】和有色金属材料【黑色金属以外的所有金属及其合金】。
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。
高分子材料为有机合成材料，也称聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。
复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料。
(一)金属材料
1.黑色金属
关键知识点一：钢及其合金的特性、用途(注意对比区分)
钢是以铁为基的合金，钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等，这些少量元素对钢材性质影响很大。
含碳量小于2.11%(重量)的合金称为钢;而含碳量大于2.11%(重量)的合金称为生铁。钢中含碳量对钢的性质有决定性影响，含碳量低，钢的强度低、塑性大、延伸率和冲击韧性高，钢质较软，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高，钢的强度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。(以前考过)
(1)钢及其合金的分类和牌号表示方法
钢的力学性能(如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等)决定于钢的成分和金相组织。钢的成分一定时，其金相组织主要决定于钢的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。(以前考过)
1)钢的分类。
2)钢牌号的表示方法。
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：
①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。
碳素结构钢“Q”——屈服点字母，屈服点数值共分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/mm2五种。
Q195钢强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条;
Q215钢大量用作管坯、螺栓;
Q235钢强度适中，具有良好的承载性，又具有较好的塑性、韧性、可焊性、加工性，是钢结构常用的牌号，大量用来制成钢筋、型钢和钢板;
【2009年单选】碳素结构钢中，具有良好的承载性，又具有较好的塑性、韧性、可焊性、加工性，大量用来制成钢筋、型钢和钢板，此种钢的牌号为( )。
A.Q215
B.Q235
C.Q255
D.Q275
[答疑编号502008010101]
『正确答案』B
『答案解析』参见教材P5。
Q255钢强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用作铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋;
Q275钢强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板。
优质碳素钢的牌号以两位数字表示，数字代表含碳量的百分之几(以0.01%为单位)，如钢号为20，表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢;钢号为45，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素钢。
合金结构钢的牌号按下列规则编制：用两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)，标注在牌号头部。合金元素含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%……，相应的标注为2、3、4、5……平均合金含量 <1.50%者，在牌号中只标出元素符号，不标注其含量。如30CrMnSi表示碳、铬、锰、硅平均含量分别为0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢。高级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号“A”表示，
3)工程中常用钢及其合金的性能和特点
①碳素结构钢
碳素结构钢生产工艺简单，有良好的工艺性能(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。
②优质碳素结构钢。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较强高，并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。
③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。
④合金结构钢。合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入适量的一种或数种合金元素而形成的，它的综合力学性能优于优质碳素结构钢。合金结构钢是合金钢中用量最多的一类钢，广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。
⑤不锈(耐酸)钢。——重点
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。各类不锈钢的特点如下：
a.铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素，通常含铬量的质量分数大于或等于13.00%，不含镍。
b.马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素，钢在淬火—回火状态使用有较高屈服强度、硬度和耐磨度，常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸气等中，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。
c.奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍，其次是钛、铌、钼、氮和锰等。
此钢具有奥氏体组织，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。但屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。
【2009年单选】与铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢相比，奥氏体型不锈钢的主要合金成分中增加的金属元素为( )。
A.锌
B.铝
C.钛
D.镍
[答疑编号502008010102]
『正确答案』参见教材P6。
d.铁素体—奥氏体型不锈钢。这类钢是在奥氏体不锈钢基础上，添加更多的铬、钼和硅等有利于形成铁素体的元素，或降低钢的含碳量而获得的。其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的2倍，可焊性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。
e.沉淀硬化型不锈钢。这类钢的突出优点是经沉淀硬化热处理以后具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢。它主要用于制造高强度和耐蚀的容器、结构和零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。
优质碳素钢的牌号以两位数字表示，数字代表含碳量。
(2)铸铁的分类和牌号表示方法。
铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金，并且还含有较多量的硅、锰、硫和磷等元素。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。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、吸振性和低的缺口敏感性等。
1)铸铁的分类。
铸铁是铁碳合金的一种，与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但是，杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨磷铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰、硅都是铸铁中的重要元素，唯一有害的元素是硫。
铸铁的组织特点是含有石墨。铸铁的韧性和塑性，主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。铸铁的其他性能也与石墨密切相关，基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。
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。同一名称铸铁需要细分时，取其细分特点的汉语拼音字母第一个大写字母排在后面。
②在牌号中一般不标注常规元素碳、硅、锰、硫和磷的符号，但当它们有特殊作用时才标注其元素符号和含量。合金元素的质量分数大于或等于1.0%时，用整数表示;小于1.0%时，一般不标注。
③牌号中代号后面的一组数字表示其抗拉强度值(如灰铸铁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。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。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。因此铸铁的组织可以看成是钢基体上分布着石墨。
灰口铸铁包括普通灰口铸铁和孕育铸铁两种。灰口铸铁价格便宜、应用最广泛，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80.0%以上。影响灰口铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。
②球墨铸铁。其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好、成本低廉、生产方便，在工业中得到了广泛的应用。
球墨铸铁的成分要求比较严格，与灰口铸铁相比，它的含碳量较高，通常在4.5%～4.7%范围内变动，以利于石墨球化。
球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，而且重量更轻。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大，球墨铸铁具有较好的疲劳强度，实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45号钢。在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或带台肩的，因此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。它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。
④可锻铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。
⑤耐磨铸铁。
⑥耐热铸铁。
⑦耐蚀铸铁。
