材料与热处理

潇潇雪

材料与热处理

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1.1黑色金属
在人类使用的金属材料中黑色金属的使用超过90%重量，这反映了具有优异显微组织与力学性能的工程材料的极好关系。大多数工程设计需要承受载荷和传递各种力，包括黑色金属。比如一个现实中的实例，这些合金属于两个主要的类型是基于合金中的碳含量，钢中的碳含量通常在0.05%~2.0%之间，铸铁的碳含量通常在2.0%~4.5%之间，随着钢材的发展，我们很难区分在碳钢中是否添加了其它的合金元素，添加5%的非碳元素很难判断是低合金钢还是高合金钢。合金元素的添加应非常的小心，因为添加这些合金元素会显著的提高材料的成本。但是他们能提高材料的性能如强度或搞腐蚀性能。
1.1.1铁或钢
地球上含有大量的金属为人类所用，一个非常重要的元素就是铁，现代工业需要大量的这种金属，不是铁就是钢。一种有色金属也是非常重要的，包括铝和锌。但是直至今天，我们所使用的产品仍然主要是铁或钢。而且，铁具有磁性，这使发展电能成为可能。
我们在地球上发现的铁矿石并不纯，它含有一些杂质，必须通过冶炼去除，冶炼过程是把焦碳和石灰石放在高炉中共同加热，从而把它冶炼成金属。从炉底进入的氧变成高温气体对提炼矿石是必要的。矿石变成了熔溶态，它的氧化物与焦碳中的碳进行结合，矿石中的非金属与石灰石结合形成液态熔渣，并飘浮在液态铁的上部，通过炉口将其排出，残存下来的金属叫生铁。
我们再次将它放在有更多的焦碳和石灰石的冲天炉进行熔炼，并倒进钢水包或直接铸模，这叫铸铁，铸铁没有钢的强度，在没有应力的情况下它很脆且易断裂。但是它机械产品中具有非常优异的性能，在熔溶态它具有非常好的流动性，而且很容易铸造成型，也容易机加工成型。铸铁有其它晶体的性能。铸铁中的非金属元素包括碳、硅和硫，这些元素的含量影响金属的性能。含有少量碳的铸铁，例如：可煅铸铁的特性与含碳量高的铸铁不同。
在铸铁中的碳部分与游离碳的形式存在，部分以叫渗碳体的化合碳形式存在。渗碳体是非常硬的物质，它使铁具有高的硬度，然而铁也只能溶解1.5%的渗碳体，任何碳的含量超过了这个量就以片状石墨形式存在。钢中没有游离石墨，它的含碳量不超过1.5%，我们使用的丝材、管材是含碳量很低的软钢，钻头、切削工具是高碳钢。
1.1.2碳钢和低合金钢

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大多数铁素体合金属于这一类，这个原因很简单，他们价格适中是因为没有大量的合金元素且在成型时具有足够的延展性，最终产品即有强度又有塑性。这些实用材料应用于滚珠轴承到汽车壳体的金属板。如10XX，11XX，12XX，15XX等，﹙美国AISI标准，前面的两位数表示的是合金元素的添加量，后面的两位或三位数表示的是碳含量的质量百分比﹚，例如含碳量为0.40%的普通低碳钢叫1040钢，然而含Cr1.45%、含碳为1.50% 的钢叫52150钢。我们应该知道标示的合金化学成份是近似的，用机械性能而不是成份来说明。一种值的注意的高强低合金钢﹙HSLA﹚可以明显的减少交通工具的重量，许多高强低合金钢的成份都是有专利的，用机械性能而不是成份来说明的，但是一种典型钢为含碳量为0.2和Mn、P、Si、Cr、Ni、或Mo的含小于等于1.0。高强低合金的高强度钢是合金元素的选择和严格控制过程的结果，如热轧棒（在一定的温度下变形有利于减少压应力）。
1.1.3高合金钢
如上所述，合金的添加应合理而充分的利用，因为合金元素非常的昂贵。我们现在来看看三个工程上使用的高合金成份的例子（如合金元素的总量超过5%）。不锈钢是通过添加大量的合金元素来防止大气腐蚀的，工具钢为了获得足够的硬度来保证机加工的切削性能需要添加合金元素，因些它又叫“耐热合金”，它通过添加合金元素来获得高温下的稳定性如涡轮叶片。
不锈钢抗蚀能力比碳钢和低合金钢都好，是因为它添加了大量的Cr，通常Cr含量在4%到10%之间，有时Cr含量高达30%。奥氏体不锈钢在常温下能保持奥氏体的显微组织，奥氏体在910℃以上是面心结构，当添加适当的合金元素如Ni时，这种结构在室温下同样存在。没有Ni合金元素的加入，在室温下体心结构是稳定的，如铁素体不锈钢，对许多不需要奥氏体钢那么高的搞蚀性的应用的钢，这些低合金（且不贵）铁素体不锈钢是十分有用的，后面要讨论的快速淬火热处理会形成一种理加复杂的体心四方晶体结构叫马氏体。这种晶体结构具有高强度低塑性，结果这些马氏体不锈钢在刃具和弹簧方面的非常优秀。沉淀硬化是另外一种热处理，本质上它由是单相组织中产生的多相组织，结果位运动的阻力增加，使强度和硬度都提高。沉淀硬化不锈钢在抗蚀方面也有应用。
工具钢是用来切削成型的或切成其它的形状的材料，普通工具钢也可以作为工具钢使用，因为它用来加工零件也不损坏，对某些材料是足够的。实际上，由于历史的原因，直到19世纪中叶工具钢才与普通低碳钢区分开来。现在高合金的加入是很普通的，它们的优点是通过简单的热处理就能获得很高的硬度并且获得高的红硬性，最早使用在这些材料中的合金元素是W、Mo、Cr。
耐热合金涉及到接近极限温度（1000℃以上）的金属分类，许多不锈钢在抗热方面担负着双重角色。除铁基耐热合金外，也有钴基和镍基合金，大多数的耐热合金含Cr是为了抗氧化的抗腐蚀，这些材料因贵而运用在尖端科技中。但是对提高现代科技是值得的，在1950年到1980年间耐热合金的使用从10%提高到50%。基于这点，我们讨论了有色金属带给我们的价值，在讲述有色金属之前，我们必须讨论传统的和重要的铁系合金——铸铁。