材料與成形技術(shù)-1

封面第1章工程材料

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和機械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。材料作為生產(chǎn)活動的基本投入之一，對生產(chǎn)力的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。歷史上曾把當(dāng)時使用的材料，當(dāng)作歷史發(fā)展的里程碑，如“石器時代”、“青銅器時代”、“鐵器時代”等。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一。周朝是青銅器的極盛時期，到春秋戰(zhàn)國時代，已普遍應(yīng)用鐵器。直到19世紀(jì)中葉，大規(guī)模煉鋼工業(yè)興起，鋼鐵才成為最主要的工程材料?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了合成材料的興起和應(yīng)用；20世紀(jì)80年代特種陶瓷材料又有很大進(jìn)展，工程材料隨之?dāng)U展為包括金屬材料、有機高分子材料（聚合物）和無機非金屬材料三大系列的全材料范圍。

工程材料目前正朝高比強度（單位密度的強度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。圖1-1為材料比強度隨時間的進(jìn)展的示意圖，該圖表明今日先進(jìn)材料強度比早期材料增長50倍。1.2固體材料的性能

固體材料的主要性能包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能等。力學(xué)性能是工程材料最主要的性能，又稱機械性能，指材料在外力載荷作用下表現(xiàn)出來的性能。1.強度和塑性

材料強度指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，如彈性極限、屈服點、抗拉強度、疲勞極限、蠕變極限等等。1)彈性和彈性模量試樣加載后應(yīng)力不超過一定值，若卸載，試樣能恢復(fù)原狀，這種材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為彈性。工程上把彈性模量，即引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力，稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。2)塑性載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，稱為塑性變形，其性能稱為塑性。3)強度在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。按外力作用方式不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度等，以抗拉強度最為常用。2.硬度9

硬度是指金屬材料表面抵抗其它硬物體壓入的能力，它是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度值和抗拉強度等其它力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，故在零件圖上，對力學(xué)性能的技術(shù)要求往往是標(biāo)注硬度值。生產(chǎn)中也常以硬度作為檢驗材料性能是否合格的主要依據(jù)，并以材料硬度作為制定零件加工工藝的主要參考。測定硬度最常用的方法是壓入法，工程上常用的硬度指標(biāo)是布氏、洛氏和維氏硬度。

3.沖擊韌度

評定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標(biāo)稱為沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。其測定方法是按GB229-1984制成帶U形缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，將具有質(zhì)量G（單位：kg）的擺錘舉至高度為H（單位：m），使之自由落下，將試樣沖斷后，擺錘升至高度h（單位：m）。圖1-4擺錘沖擊試驗圖1-5材料的沖擊韌度值－溫度關(guān)系曲線4.疲勞強度2

許多機器零件的彈簧、軸、齒輪等，在工作時承受交變載荷，當(dāng)交變載荷的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強度時發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載作用下材料的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形，屬于低應(yīng)力脆斷。零件的疲勞失效過程分為三個階段：疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴(kuò)展、瞬時斷裂。產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，是由于材料內(nèi)部的缺陷、加工過程中形成的刀痕、尺寸突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中等。5.斷裂韌度4

一些工程結(jié)構(gòu)件和機器零件在低于許用應(yīng)力的條件下工作，產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷裂，這種斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷是由于材料內(nèi)部已存在的宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。當(dāng)應(yīng)力強度增大到某一臨界值時，使裂紋尖端的應(yīng)力場大到足以使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂。這個應(yīng)力強度的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KⅠC表示。它反映材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。

6.金屬的高溫力學(xué)性能5

材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。許多機械零件在高溫下工作，在室溫下測定的性能指標(biāo)就不能代表其在高溫下的性能。一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服強度σS、硬度等值都將降低，而塑性將會增加，除此之外，還會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。

蠕變是指金屬在高溫長時間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強度，也會逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機高分子材料，即使在室溫下也會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。從9·11事件看高溫蠕變

撞擊大樓的波音757飛機起飛重量104t，波音767飛機起飛重量156t，它們的飛行速度大約是每小時1000km。從速度比這小得多的汽車相撞事故，可以想象這次大型客機撞擊大樓的沖擊力有多么的巨大，但據(jù)幸存者描述，飛機的撞擊使大樓雖然晃動了近1m，但無論是內(nèi)部還是外部并沒有嚴(yán)重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵。這次撞擊大樓的波音757飛機大約可載35t燃油，波音767飛機可載51t燃油，幾乎將它們的滿滿一飛機油箱的優(yōu)質(zhì)航空煤油都撒到了大樓里，燃起了熊熊大火。長時間猛烈的大火燒軟了飛機所撞擊的那幾個樓層的鋼材，而它上部樓層約數(shù)千噸到上萬噸的重量自然就會落下來，像一個巨大的鐵錘，砸向下面的樓層，對下面的樓層結(jié)構(gòu)的沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其原先靜止時的重力，下面的樓層結(jié)構(gòu)自然難以承受，于是一層層垂直地垮塌下來。

61.3金屬的結(jié)構(gòu)

固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體，非金屬物質(zhì)大部分也是晶體，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等，而常見的玻璃、松香等，則為非晶體。7

晶體和金屬的特性原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”，如圖1-8a所示。晶體具有固定的熔點。金屬晶體中，金屬原子失去最外層電子變成正離子，每一個正離子按一定規(guī)則排列并在固定位置上作熱振動，自由電子在各正離子間自由運動，并為整個金屬所共有，形成帶負(fù)電的電子云。正離子與自由電子的相互吸引，將所有的金屬原子結(jié)合起來，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”。1.4金屬的結(jié)晶

原子從一種聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種規(guī)則排列的過程，稱為“結(jié)晶”，結(jié)晶可以是液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬；或固態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬，即固態(tài)金屬的相變。金屬的結(jié)晶一般在過冷的條件下進(jìn)行；結(jié)晶的過程是由形成晶核和晶核長大兩個階段組成。1.5二元合金

由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)稱為合金。組成合金最基本、最獨立的物質(zhì)稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的化學(xué)元素，或是穩(wěn)定的化合物。兩種組元組成的合金稱為二元合金。液態(tài)合金結(jié)晶時，合金組元間相互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。相是指合金中成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分以界面分開的均勻組成部分。固態(tài)合金按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性，可分為固溶體和金屬化合物兩類。

1.固溶體合金在固態(tài)下，組元間互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。晶格與固溶體相同的組元稱為固溶體的溶劑，其它組元稱為固溶體的溶質(zhì)。溶質(zhì)以原子狀態(tài)分布在溶劑的晶格中。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。2.金屬化合物

合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將析出新相。若新相的晶格結(jié)構(gòu)與合金的另一組元相同，則新相為以另一組元為溶劑的固溶體。若新相的晶格類型和性能完全不同于任一組元，并具有一定的金屬特性，則新相是合金組元相互作用形成的一種新物質(zhì)——金屬化合物。金屬化合物一般具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。它熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。

金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度、耐熱性和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。因此，金屬化合物在合金中常作為強化相，它是合金的重要組成相。1.6鐵碳合金

鐵碳合金是以鐵和碳為組元的二元合金，是機械制造中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。

鐵是具有同素異構(gòu)的金屬。鐵碳合金的基本組元是Fe與Fe3C，屬于二元合金。其基本相有鐵素體、奧氏體和滲碳體三種。由基本相組成的鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體和低溫萊氏體六種。組織名稱符號組織特點碳的最大溶解度力學(xué)性能鐵素體F碳溶解于體心立方晶格α-Fe中所形成的固溶體0.0218％塑性和韌性較好δ＝30％～50％，σb=180～280MPa奧氏體A碳溶解于面心立方晶格Υ-Fe中所形成的固溶體2.11％質(zhì)軟、塑性好δ＝40％～50％HBW＝170～220滲碳體Fe3C具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的鐵與碳的間隙化合物6.69％塑性、韌性幾乎為零，脆、硬珠光體PWC=0.77％的奧氏體同時析出F與Fe3C的機械混合物（共析反應(yīng)）

σb=600～800MPa，δ=20％～25％，HBW＝170～230萊氏體LdLdˊWC=4.3％的金屬液體同時結(jié)晶出A和Fe3C的機械混合物(共晶轉(zhuǎn)變)硬度很高，塑性很差表1-2鐵碳合金基本組織1.7碳鋼

目前工業(yè)上使用的鋼鐵材料中，碳鋼占有很重要的地位。由于碳鋼冶煉方便，加工容易，價格低且在許多場合碳鋼的性能可以滿足要求，故在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。碳鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11％的鐵碳合金。實際生產(chǎn)中使用的碳鋼含有少量的錳、硅、硫、磷等元素，這些元素是從礦石、燃料和冶煉等渠道進(jìn)入鋼中的。雜質(zhì)對鋼的力學(xué)性能有重要的影響。表1-5雜質(zhì)元素對鋼的影響雜質(zhì)名稱雜質(zhì)含量%在鋼中的影響錳（Mn）wMn<1.2脫氧，降低鋼的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi<0.4脫氧，強化鐵素體，提高鋼的強度、硬度；但塑性、韌性下降硫（S）wS<0.055～0.040生成低熔點共晶體，形成熱脆磷（P）wP<0.055～0.040全部溶于鐵素體，提高鐵素體的強度、硬度，但形成冷脆1.8鑄鐵

鑄鐵是應(yīng)用廣泛的一種鐵碳合金材料，其wC>2.11％。鑄鐵材料基本上以鑄件形式應(yīng)用，但近年來連續(xù)鑄鐵板材、棒材的應(yīng)用也日見增多。鑄鐵中的碳除極少量固溶于鐵素體中外，還因化學(xué)成分、熔煉處理工藝和結(jié)晶條件的不同，或以游離狀態(tài)（即石墨）、或以化合形態(tài)（即滲碳體或其他碳化物）存在，也可以二者并存。鑄鐵成本低，鑄造性能良好，體積收縮不明顯，其力學(xué)性能、可加工性、耐磨性、耐蝕性、熱導(dǎo)率和減振性之間有良好的配合，由于先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和檢測手段的應(yīng)用，鑄鐵件的可靠性有明顯的提高。鑄鐵用于基座和箱體類零件可充分發(fā)揮其減振性和抗壓強度高的特點，在批量生產(chǎn)中，與鋼材焊接相比，可以明顯降低制造成本。1.9鋼的熱處理鋼的熱處理是將固態(tài)鋼采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的一種工藝。熱處理的特點是改變零件或者毛坯的內(nèi)部組織，而不改變其形狀和尺寸。其目的是消除毛坯（如鑄件、鍛件等）中缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力學(xué)性能，延長其使用壽命，并為減小零件尺寸、減輕零件重量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了可能性。因此，幾乎90％以上的零件都要經(jīng)過不同的熱處理后才能使用。熱處理分為普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）、表面熱處理（表面淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等）及特殊熱處理（形變熱處理等）。但不是所有的材料都能進(jìn)行熱處理強化，能進(jìn)行熱處理強化的材料必須滿足：①有固態(tài)相變；②經(jīng)冷加工使組織結(jié)構(gòu)處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)；③表面能被活性介質(zhì)的原子滲入從而改變表面化學(xué)成分。

鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置入含有活性原子的特定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素(如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)滲入工件表面，以改變表層的化學(xué)成分和組織，達(dá)到工件使用性能要求的熱處理工藝。其特點是既改變工件表面層的組織，又改變化學(xué)成分。它可比表面淬火獲得更高的硬度、耐磨性和疲勞強度，并可提高工件表層的耐蝕性和高溫抗氧化性。各種化學(xué)熱處理都是由以下三個基本過程組成的。(1)分解由介質(zhì)中分解出滲入元素的活性原子。(2)吸收工件表面對活性原子進(jìn)行吸收。吸收的方式有兩種，即活性原子由鋼的表面進(jìn)入鐵的晶格形成溶體，或與鋼中的某種元素形成化合物。(3)擴(kuò)散已被工件表面吸收的原子，在一定溫度下，由表面往里遷移，形成一定厚度的擴(kuò)散層。表1-18常用化學(xué)熱處理的滲入元素及作用滲入元素工藝方法滲層組織滲層厚度/mm表面硬度作用與特點應(yīng)用C滲碳淬火后為碳化物、馬氏體、殘余奧氏體0.3～1.657～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度，滲碳溫度（930℃）較高，工件畸變較大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條N滲氮合金氮化物、含氮固溶體0.1～0.6560～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，滲氮溫度（550～570℃）較低，工件畸變小，滲層脆性大常用于含鋁低合金鋼、含鉻中碳低合金鋼、熱作模具鋼、不銹鋼制作的齒輪、軸、鏜桿、量具C、N碳氮共滲淬火后為碳氮化合物、含氮馬氏體、殘余奧氏體0.25～0.658～63HRC提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，工件畸變小，滲層脆性大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條N、C氮碳共滲氮碳化合物、含氮固溶體0.007～0.020500～1100HV提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕性、抗回火軟化能力，工件畸變小，滲層脆性大常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條1.10鋼中的合金元素

合金元素是為了改善和提高鋼的力學(xué)性能和使鋼獲得某些特殊的物理、化學(xué)性能而專門加入的元素。常用的合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、妮、鋯、銅、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情況下也起合金元素的作用。在平衡狀態(tài)中，合金元素在鋼中存在形式和分布主要有以下五種：

(1)與鐵形成固溶體，不與碳形成任何碳化物，如硅、銅、鋁、鈷等。

(2)部分固溶于鐵素體，另一部分與碳形成碳化物。但每一種元素固溶于鐵素體和形成碳化物的傾向并不相同，因而其在鐵素體和碳化物中的含量也有所不同。這一類合金元素如錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等。

(3)不少元素與鋼中的氧、氮、硫形成簡單的或復(fù)合的非金屬夾雜物，如Al2O3、AlN、FeO·Al2O3、SiO2·MxOy、TiN、MnS等。

(4)一些元素彼此作用形成金屬間化合物，如FeSi、FeCr(σ)、Ni3Ti、Fe2W等。(5)有的元素，如銅和鉛，常以游離狀態(tài)出現(xiàn)。1.11合金鋼

在Fe-C合金中加入一些其他的金屬或非金屬元素構(gòu)成的鋼，稱為合金鋼，其目的是為了改善碳鋼的組織和性能，加入的元素稱為合金元素。合金元素的加入使碳鋼的淬透性、強度、硬度、耐熱性、耐腐性、耐磨性等都得到了很大程度的提高。

合金結(jié)構(gòu)鋼是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機器零件的鋼。用于工程結(jié)構(gòu)的鋼大多是普通質(zhì)量的鋼，承受靜載荷的作用；用于機器零件的鋼大多是優(yōu)質(zhì)鋼，承受動載荷的作用，一般均需熱處理，充分發(fā)揮鋼材的潛力。

1.11.1合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼通常是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一些合金元素而形成的鋼種。合金元素通常為wMe<5％，故該鋼種屬于低、中合金鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法由三部分組成，即“數(shù)字＋元素符號＋數(shù)字”。前面兩位數(shù)字表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍；合金元素以化學(xué)符號表示，合金元素后面的數(shù)字表示合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百倍，當(dāng)其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1.5時，牌號中一般只標(biāo)出元素符號，而不表明數(shù)字，當(dāng)其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％…時，則在元素符號后相應(yīng)標(biāo)出2、3、4……。1.11.2合金工具鋼

工具鋼是制造刃具、量具、模具等各種工具用鋼的總稱。工具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、高淬透性和足夠的強度、韌性。合金工具鋼中wS、wP均小于0.03%，故合金工具鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼。1.合金刃具鋼1)性能要求合金刃具鋼用來制造各種切削刀具，如車刀、銑刀、鉸刀等。由于刃具在切削過程中既承受切削力、切削熱的作用，又受到強烈的摩擦，因此要求刃具鋼具有如下性能：(1)高的硬度和耐磨性一般要求刃具鋼硬度為60～65HRC，若將硬度由60HRC提高到63HRC，則耐磨性可提高25％～30％。(2)足夠的強度和一定的韌性保證刃具不斷裂或崩刃。(3)高的紅硬性刀具刃部受熱后，仍能保持高硬度的能力稱為紅硬性。紅硬性的高低與鋼的回火穩(wěn)定性有關(guān)，回火穩(wěn)定性愈高，紅硬性愈高。2.模具鋼

制造模具的鋼稱為模具鋼。根據(jù)工作條件不同，分為熱作模具鋼和冷作模具鋼兩類。1)冷作模具鋼用于制造金屬在冷態(tài)下變形的模具，如冷沖模、冷拔模、冷擠模、冷鐓模等。冷模具的服役條件很惡劣，承受較大的沖擊載荷，模具與坯料之間發(fā)生強烈摩擦。2）熱作模具鋼包括錘鍛模、熱壓模、壓鑄模等，在工作中承受復(fù)雜應(yīng)力，受熱金屬的摩擦及冷熱的反復(fù)作用。3.量具鋼

量具鋼是用來制造各種測量工具的鋼種，如制作量規(guī)、塊規(guī)、千分尺等。由于量具在使用過程中易磨損和碰撞，另外量具本身必須尺寸精確，因此要求量具鋼具有高的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及一定的韌性。為了滿足上述性能要求，量具鋼多選用碳素工具鋼(T10A，T12A等)、低合金工具鋼(9SiCr、CrMn、CrWMn)、軸承鋼(GCr15)制造。

1.11.3特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼及合金。機械工程比較重要的特殊性能鋼有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。1.不銹鋼不銹鋼是指在空氣、酸、堿、鹽的水溶液等腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼牌號前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍，合金元素的表示方法與其他合金鋼相同。

2.耐熱鋼在高溫下工作的零件，要求材料具有耐熱性。所謂耐熱性，是指材料在高溫下兼有抗氧化和高溫強度的綜合性能，具有良好耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。

3.耐磨鋼耐磨鋼是指在巨大壓力和強烈沖擊載荷下才能發(fā)生硬化的高錳鋼，常用來制造坦克和拖拉機履帶、碎石機顎板、鐵路道岔、挖掘機鏟斗、防彈鋼板等。1.12非鐵金屬材料

鋼、鐵以外的金屬材料稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。非鐵金屬元素有80余種，一般分為：輕金屬，密度不大于4.5g/cm3，常用輕金屬有鋁、鎂、鈦、鉀、鈉、鈣、鋰等；重金屬，密度大于4.5g/cm3，常用重金屬有銅、鉛、鋅、鎳鎘等；貴金屬，包括金、銀、及鉑族元素；高熔點金屬，包括鎢、鉬、鉭、鈮、等；稀土金屬，包括釔和鑭系元素；放射性金屬，包括釙、鐳、錒、釷、鈾等元素；半金屬，其物理和化學(xué)性質(zhì)介于金屬與非金屬之間的元素，如硅、硒、砷、硼等。非鐵金屬是各種合金鋼、合金鑄鐵的合金化元素，添加少量、甚至微量非鐵金屬于普通鋼鐵中，可獲得各種特殊性能的鋼鐵材料，從而最大限度地發(fā)揮了鋼鐵材料的潛力。許多非鐵金屬可以純金屬狀態(tài)應(yīng)用于工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中。如Au、Ag、Cu、Al用作電導(dǎo)體，Ti用作耐腐蝕構(gòu)件，W、Mo、Ta用作高溫發(fā)熱體，Al、Sn箔材用于食品包裝，Hg用于儀表，硅是電子工業(yè)賴以生存和發(fā)展的材料。1.12.1鋁及鋁合金

鋁是一種面心立方晶格的銀白色金屬，塑性好(δ＝50％，ψ＝80％)，適用于形變加工。鋁的熔點為660℃，密度為2.7g/cm3，是一種輕金屬材料。鋁在地殼中的藏量約為地殼總質(zhì)量的8.0％，超過鐵(5.8％)，是地球上儲量最多的一種金屬元素。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧的親和力強，因而在自然礦物中不存在金屬鋁。在金屬材料中，鋁的產(chǎn)量僅次于鋼鐵，為非鐵金屬材料產(chǎn)量之首。就消耗量的增長率而言卻大大超過了鋼的增長率。目前，世界原鋁產(chǎn)量達(dá)1900萬噸，其中50％用來制取加工材與深加工產(chǎn)品。而我國的鋁合金品種，約占美國的一半，規(guī)格不足美國的1/4。鋁之所以有如此廣泛的用途是基于它有如下的特性：密度小，約為鐵的密度的1/3；可強化，通過添加普通元素和熱處理而獲得不同程度的強化，其最佳者的比強度可與優(yōu)質(zhì)合金鋼媲美；易加工，可鑄造、壓力加工、機械加工成各種形狀；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，僅次于金、銀和銅。1.12.2銅及銅合金

在金屬材料中，銅及其合金的應(yīng)用范圍僅次于鋼鐵。在非鐵金屬材料中，銅的產(chǎn)量僅次于鋁。銅之所以用途廣泛是由于它有如下優(yōu)點：優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，優(yōu)良的冷熱加工性能和良好的耐腐蝕性能。其導(dǎo)電性僅次于銀，導(dǎo)熱性在銀和金之間。銅為面心立方結(jié)構(gòu)，強度和硬度較低，而冷、熱加工性能都十分優(yōu)良，可以加工成極薄的箔和極細(xì)的絲（包括高純高導(dǎo)電性能的絲）；易于連接。銅還可與很多金屬元素形成許多性能獨特的合金。銅及其合金習(xí)慣上分為紫銅、黃銅、青銅和白銅。以鑄造和壓力加工產(chǎn)品（管、棒、線、型、板、帶、箔）提供使用。廣泛用于電氣、電子、儀表、機械、交通、建筑、化工、海洋工程等幾乎所有的工業(yè)和民用部門。1.12.3鎂合金

鎂合金是實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，它具有密度小、比強度和比模量高、導(dǎo)熱性、切削加工性、鑄造性能好、電磁屏蔽能力強、尺寸穩(wěn)定、資源豐富、容易回收等一系列優(yōu)點，因此，在汽車工業(yè)、通信電子業(yè)和航空航天業(yè)等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。鎂合金作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的最大用途是鑄件，其中90％以上的是壓鑄件。限制鎂合金廣泛