金属材料的分类及应用

金属材料的分类及应用

金属材料是工业应用材料中最重要基础材料,其用量也最大,是设备制造和

工业设施的基础。

分类材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史，因此，

历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代

和铁器时代等。人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，

利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，这是人类社会最早出现

的金属材料。

第二次世界大战后，各国致力于恢复经济、发展工农业生产，对材料提出质

量小、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替

了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶黏剂等都得到相应的发展和应用。

合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此，以金属材料、陶瓷材料

和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。金属材料

在一个国家的国民经济中占有举足轻重的位置，因为金属材料的资源比较丰富，

已积累有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，

价格低廉、性能优异。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶

炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如高温合金、

形状记忆合金、储氢合金、永磁合金、非晶态合金相继问世，大大扩展了金属材

料的应用范围。

鉴于金属材料在国民经济中的重要地位和日常生活中的广泛应用，编写一节

金属材料的内容，以体现教科书内容的时代性，反映教学与生产、生活实际的联

系。通过这一节的教学，让学生了解金属材料的发展历史、重要作用和面临的挑

战，通过激发学生的爱国热情和社会责任感来提高学生的求知欲。

金属材料的基本元素是金属。因此，笼统地说，金属材料具有高强度、优良

的塑性和韧性，耐热、耐寒，可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、

导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。

金属材料可分为两大类：钢铁和非铁金属（或有色金属）。

含碳量在2%～4.3%的铁的合金为铸铁，含碳量一般在0.03%～2%的铁的合金

为钢。在Fe-C合金中，有目的地加入各种适量的合金元素，来提高钢铁的强度、

硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、

V、Ti、Nb、B等，形成了形形色色的合金铸铁或合金钢。

非铁合金大体可分为：轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重

有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、

铋、铟、镓、汞及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）、

贵金属（金、银、铂、钯等）和稀土金属等。其中应用最广的是铝合金。据统计，

协和式超音速飞机全部结构的71%是用特殊的铝合金制造的；高速火车、汽车等

交通工具对铝型材的用量需求不断加大；建筑装饰用的铝材越来越多，既漂亮、

又耐腐蚀；电力系统和家用电器中铝导线的用量超过铜导线；铝箔可用于包装食

品和香烟；铝合金还可用作电容器等。

近一二十年来，金属材料的发展受到了巨大的压力，这种压力来自外部和内

部两个方面。就外部来讲，从20世纪中期开始，高分子材料的崛起，尤其是工

程塑料从性能到应用许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上原料丰富、价

格便宜，产量以惊人的速度增长。与此同时，先进陶瓷材料也崭露头角，特别是

在现代电子工业中占有重要地位。因此，材料领域从金属材料的一统天下转变为

金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局。从内部来讲主要是能源、资源和环

境三个方面。金属材料的近百年的大力发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张，

高品位的金属矿产很快减少，低品位的矿产使能源消耗和成本增加。金属工业是

能源的最重要消耗者，也是严重的环境污染者。这些问题对金属材料今后的发展

提出了有力的挑战。

应对措施，一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜

力，使其产生最大效益。近些年来，金属材料的制造技术有非常迅速的进步，先

进的冶炼技术、精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、成型加工技术和热处理技

术在不断提高，微量杂质的技术、微量元素的合金化技术有所创新。二是开拓金

属材料的新功能，以适应更高的使用要求。超高强度钢、超低碳不锈钢等新的合

金钢和新的有色合金应运而生。三是加强废旧金属的回收和再利用。

金属材料可分为几类：

按组成成分分：1纯金属（简单金属）2合金（复杂金属）。

按实用分：1黑色金属（指铁和铁的合金）2有色金属（又称废铁金属）指

除黑色金属外的金属和合金。

金属材料的性能：1铸造性2可锻性3切削加工性4焊接性5热处理

物理性能：1密度2熔点3导电性4导热性5热膨胀性

化学性能：1耐腐蚀2抗氧化3化学稳定性

机械性能：1极限强度2屈服点3弹性极限4延伸性5断面伸缩性6硬度7

冲击韧。

其中金属材料应用中的耐磨性不仅决定于材料的硬度Hm,而且更主要的是

决定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。当Hm/Ha比值超过一定值后,磨损量

便会迅速降低。

当 Hm/Ha≤0.5-0.8时为硬磨料磨损,此时增加材料的硬度对材料的耐磨性

增加不大。

当Hm/Ha>0.5-0.8时为软磨料磨损,此时增加材料的硬度,便会迅速地提高

材料的耐磨性。

金属耐磨材料一般都指的是耐磨钢,能抵抗磨料磨损的钢。这类钢还没有成

为一个完全独立的钢种,其中公认的耐磨钢是高锰钢。

水泥企业主要使用的耐磨钢

在水泥工业中大多以磨料磨损为主要磨损方式。耐磨材料主要用于磨机衬板、隔

仓板、篦板,球、段,破碎机锤头、板锤、反击板、颚板,立磨辊、盘等。从材质

上可分为以下三大类:

1.高锰钢系列

该材质在八十年代前的一百余年中始终占据耐磨材料的主导地位,优点:韧性极

好,在强冲击条件下产生加工硬化;缺点:易塑性变形,不耐磨。已从非强冲击条件

下应用的易损件(磨机衬板类)中退出,但是在强冲击负荷下应用的易损件中,仍

保持不可替代的优势。

普通高锰钢以及为了提高屈服强度添加各种合金元素的合金高锰钢,在大型破碎

机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板及圆锥破碎机内外锥等易损件中,

占主导地位。超高锰钢仅限用于大型破碎机锤头和板锤。中锰钢也有部分应用。

2.合金钢系列

低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金、低碳高合金等各种合金钢,由于其化学

成分、热处理工艺可在很大范围内变化,最终产品的机械性能指标差距很大,硬度

HRC40-60,冲击韧性ak10-100J/cm2,因此可根据易损件的应用工况条件,分析其

主要磨损机制,优化和选择合金钢的化学成分和综合机械性能,达到最经济合理

的选用。

中碳低合金钢的优点是:合金量少,生产成本较低,依靠水淬或油淬提高硬度,

满足易损件的耐磨寿命。

中碳中合金钢的优点是:中等的合金含量使其基体组织得到固溶强化且有弥

散碳 化物,热处理工艺简单且稳定,综合机械性能较佳。与中碳低合金钢相比,

即使硬度相同,耐磨性明显增高,但生产成本偏高。

低碳高合金钢的优点是:低碳、高合金的化学成分配合恰当的热处理工艺,

可获得非常高的韧性和较高的硬度,对受冲击负荷较大、结构复杂的易损件具有

绝对的优势,缺点是生产成本高。

3.抗磨白口铸铁系列

该系列有高铬铸铁、中铬铸铁、低铬铸铁、镍硬铸铁及高铬铸钢等品种。总体优

点:硬度高,耐磨性好。缺点:韧性不足。

高铬铸铁(Cr14-30%)的耐磨性最好,应用范围最广,如中小型磨机衬板,球和段,

小型破碎机锤头和板锤,立磨辊和盘等。大型磨机前配置了辊压机后,高铬铸铁即

可扬长避短,充分发挥其优异的耐磨性,衬板使用寿命可达8年以上。

低铬铸铁 (Cr1.5-3%)的硬度、韧性均大大低于高铬铸铁,主要应用于球、段以及

细磨仓衬板,优点是生产成本低,缺点是应用范围窄,综合性能和抗磨指标一般。

中铬铸铁(Cr8-14%)仅用于铸球,降低铬含量,既可以降低生产成本,也可满足球

的破碎率指标,市场中仍称之为高铬球。

根据1998年教育部颁布的本科专业介绍[1],金属材料工程专业培养能在冶

金、材料结构研究与分析、金属材料及复合材料制备、金属材料成型等领域从事

科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程

技术人才。培养学生具有材料科学的基础理论,掌握金属材料及其复合材料的成

分、组织结构、生产工艺、环境与性能之间关系的基本规律。通过综合合金设计

和工艺设计,提高材料的性质、质量和寿命,并开发新的材料及工艺。使学生具有

金属材料的设计、选用及正确选择生产工艺及设备的初步能力;具有研究开发新

材料、新工艺和设备的初步能力;具有本专业必需的机械、电工与电子技术、计

算机应用的基本知识和技能。

金属材料工程专业的中心体系是金属材料的结构与成分、合成与工艺、性能

和使用效能,及这些要素之间的相互关系。基于中心体系的四要素,与计算机、物

理和化学等理论学科的结合是加强专业基础的重要措施,这也是交叉学科今后的

一个主要的发展方向。这种核心体系不仅可以拓宽学生基础知识面,还可以使其

更适应工业快速发展的技能需求,从而更好适应社会对人才发展需求。核心体系

的优势在于既可以规范基础教学,又可以灵活照顾专业需求

金属型锻造过程当中所用的铸型使用生存的年限长，成形周期短。并且，由

于铸型的强冷却效用，会增大铸件的冷却速度，细化内部组织，有利于铸件力学

性能的提高，最有可能餍足批量生产的要求。

合用于钛合金的金属型铸型材料应餍足如下几方面的要求。

(1) 具备较高的熔点。由于钛合金熔点较高，应避免在凝固过程当中铸型被

熔融，使铸型与铸件之间发生粘结。

（2）具备较强的导热能力。大多数金属都能够餍足这一要求。

（3）与钛合金之间的反映较弱。如许，可以只管即便避免因界面反映给铸件

成分带来的影响。

钛合金金属型锻造是成立在面向实际应用根蒂根基之上的，铸型的设计应在

一次成形过程当中生产出尽可能多的铸件。在成形过程当中还应考虑到铸件的紧

缩余量，因为钛合金的熔点普遍较高，熔融时又具备一定的过热度，冷却过程当

中要经过液-液、液-固和固-固3个放热阶段，导致铸件孕育发生较大的紧缩。

如果在设计铸型的时辰忽视了这一点，很可能使锻造出的铸件报废，造成材料的

浪费。

此外，铸型的设计还应考虑到缩孔、缩松及裂纹等缺陷的孕育发生位置，尽

可能地减小填充过程当中的紊流倾向，排除尖角处的残存气体，避免冷却过程当

中因紧缩而孕育发生的裂纹，进而减小缺陷对铸件质量的影响。

在铸型材料的选择方面，许多研究者进行了不同尝试。Edison Materials

Technology Denter of Kettering(EMTED)。针对钛铝合金排气阀，采用钢作为

成形材料。哈尔滨工业大学国防科工委精密热加工重点实验室也使用低碳钢作为

DF-413风冷发动机排气阀的铸型材料。这首要是因为钢铸型与钛合金铸件之间

具备铸型和金属反映弱，东西腐蚀少及微不雅结构好等优点。另外，也有人使用

铜和钛来作为铸型材料。总之，铸型材料的选择应餍足铸型冷却效果好、铸型和

合金反映弱及廓张层薄的特点。

各种成形方法虽具备其各自的优越性，但在面向实际应用，餍足批量生产方

面则暴露出不足。于是，一些研究者将目光投向成本较低的金属型锻造，金属型

锻造的发展，相对来提及步较晚，但其实用性已导致许多人的普遍注意。

1992年，由EMTED［6］所召集的一个研究小组着手开发永久型(金属型)锻

造排气阀。他们选择的合金Ti-47Bl-2Nb-1.75Dr作为开发对象，因为已经掌握

这种合金具备杰出的锻造性能，并且力学性能数据已被用于排气阀的设计。此外，

这种合金也可在熔模锻造和永久型锻造之间进行结构和性能方面的比较。

由于钛铝合金凝固过程的特殊性，使得浇铸工艺变得尤为重要。合理的工艺

条件，对提高合金的充型能力，防止铸件内裂纹的孕育发生，以及避免缩松、缩

孔，都具备决定性的效用。

试验发现，钛合金金属型锻造中的首要缺陷是缩孔、缩松和气孔。由于凝固

过程当中降温较大，容易在铸件内形成缩孔和缩松。并且，在钛合金金属型锻造

过程当中，微不雅缩松是不可避免的，但它可以经由过程增加压力来消除或减少。

浇铸过程当中的排气是很重要的，因为发现铸件内的气孔首要是卷入性气孔。这

些气体首要是在合金的流动过程当中，由于浇铸具备一定的初速度，使合金液在

充型过程当中形成紊流，卷入真空室内的气体。铸型的强冷却效用，使得气体没

有办法实时从铸件中排除，最终形成气孔。 施加外压是减小铸件内部缩松、缩

孔的有效方法，外压的施加方式有很多种，表1总结了金属型锻造过程的优点和

不足。明显地可以看出，要减少铸件中的缩孔和缩松，在凝固过程当中必须施加压力，以有效地减少铸件凝固过程当中的紧缩

现代航空和航天科学技术的迅猛成长，要求材料不仅要具备杰出的抗蠕变、

抗氧化等高温性能［1～5］，同时，还要具备足够高的比强度和比模量。钛合金

不仅广泛应用于航空航天，而且正在慢慢渗入到日常生活的其他领域。

在诸多成形方法中，选择一种既能够满足实际要求，进行批量生产，又可以

达到性能要求的成形方法，对于将来钛合金在各个领域中的应用，是至关重要的。 钛合金的金属型锻造方法是将来最有可能成为钛合金铸件大量进入人民生活所

使用的领域的成形方法之一，是日后研究的重点。

在有色金属得领域中，要提高铸造高温合金及其精铸件纯洁度的途径，铸造高温合金是制造航空发动机的关键零部件的关键材料，其质量直接影响航空发动机的寿命，关系到飞机的安全。为此成为所关注的热点问题。

合金及其零件的材质主要表现在合金内在的气体和杂质含量，因为它是萌生裂纹的起源。为确保材质，许多国家都制定了相应的质量控制标准，英国R.R.公司斯贝发动机有关材料（包括所用原材料）和铸件的技术标准。随着航空发动机的发展，要求使用高性能水平的材料，如用定向、单晶合金制作为发动机的涡轮部件。其质量要求也提高了，如美Cannon-Muskegon公司生产的CMSX-4第二代单晶合金其气体杂质含量是目前合金中最低的。

在我国，由于设备和工艺条件限制，现有高温合金中气体和杂质含量

一般高于国际标准。因此合金性能水平有限，且波动性较大，制造零件的合格率较低。国外著名发动机公司生产的涡轮、导向叶片合格率,实心叶片在90%左右，空心叶片（复杂型腔空心叶片）达70%，我国尚达不到这个水平。因此提高合金和精铸件的纯洁度是当前我国冶金工作者一项重要任务，具有较大的社会效益和经济效益。

1合金纯洁度的基本要求

先进航空发动机不仅要求材料有较高的性能水平，而且对材料的气体

夹杂含量也有较高的要求，以确保发动机的可靠性。就发动机涡轮叶片材料来看，随着发动机的发展，由变形高温合金发展到铸造高温合金；由等轴晶铸造高温合金发展到单晶高温合金；由第一代单晶合金发展到第二、三代单晶合金。就一般铸造高温合金来说，合金中气体含量一般在(5～10)×10 －6 ,而单晶合金如CMSX-4气体含量(1～4)×10 －6 。

合金中的杂质含量：关键性杂质元素Bi，Te和Tl小于 0.5×10 －6 ；Ag，As和Pb，Sn小于5×10 －6 ；杂质元素的种类最多约达40种，除了关键性杂质元素外，其它杂质元素的总量小于400×10 －6 ；单个杂质含量最大不超过25×10 －6 。这是美国G.E.公司的要求。当然不同材料、不同零件要求也有所区别，但是总的趋势是对合金中气体杂质限量越来越严，已经发展到要求制备高纯度合金，如已经制备了高纯度的In718合金发动机关键零件。

2提高纯洁度的途径

只有弄清合金中气体和杂质的来源，采取措施以有效地去除合金中的

气体和杂质，才能从根本上提高合金的纯洁度。

合金中气体和杂质一般是由以下几种原因引起的：用于熔炼合金的原

材料带入气体和杂质，如镍、铬、钴等金属原材料，按一定标准选用的金属原材料，在合金熔炼中进入熔体，因此 选用不同纯洁度的原材料炼制的合金就有性能上的差异。如用两种不同的镍炼制的ЖC6KΠ合金，其性能就有明显差异（见图1）。用不同品位的镍、钴、铬炼制ЖC6Φ合金其持久强度也不相同。因此选用较纯原材料，才能炼制优质的高温合金。

金属材料对我们的生活起着至关重要的作用，我们应该多加了解有关方面得知识，以更好得应用于生活之中，促进社会的进步与发展。