考点1 钢的分类和用途 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 的性质影响很大。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延 伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过 1.00% 时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较 多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为 有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
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 的性质影响很大。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延 伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过 1.00% 时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较 多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为 有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
钢材的力学性能（如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等）取决于钢材的成分和金 相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等， 其中淬火加回火的影响最大。
（1）普通碳素结构钢。按照国家标准《碳素结构钢》GB/T700-2006，以碳素结构钢屈服强度下 限分为四个级别：Q195、Q215、Q235 和 Q275。普通碳素结构钢的碳、磷、硫及其他残余元素的含量 控制较宽，某些性能如低温韧性和时效敏感性较差。
普通碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（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。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等；Q215 钢主要用于制作管坯、螺栓等；Q235 钢强度适 中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号；Q235 钢大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等；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、耐磨零件和垫板等。
（2）优质碳素结构钢。优质碳素结构钢是含碳小于 0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非 金属夹杂物比碳素结构钢少。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，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。
（1）普通低合金钢。普通低合金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 热压加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。
（2）优质低合金钢。优质低合金钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。当零 件的形状复杂，截面尺寸较大，要求韧性高时，采用优质低合金钢可使复杂形状零件的淬火变形和开 裂倾向降到最小。
①铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主加元素，通常含铬的质量分数≥13.00%。某些钢 种还添加有铝和钛等。高铬钢（17.0%～30.0%Cr）有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝 酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用，另外 0Cr13 不锈钢在弱腐蚀介质中， 如淡水中，也有良好的耐蚀性。高铬铁素体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢 在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。
②马氏体型不锈钢。此钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海 水、淡水和水蒸气中；以及使用温度≤580℃的环境中，通常也可作为受力较大的零件和工具的制作 材料。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。
③奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬、镍、钛、铌、钼、氮和锰等。此钢具有较高的韧性、 良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，以及良好的压力加工和焊接性能。但是这类钢的屈服强 度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。
④铁素体-奥氏体型不锈钢。这类钢其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，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。
⑤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。
铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全 不同，如磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰和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，组织的其余部分相当于碳含量＜0.80%钢的组织。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。
铸铁的分类。按碳存在的形式分类，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三大类。
①灰口铸铁中的碳除微量溶入铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，因断口呈灰色，故名灰口 铸铁。按照石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、 可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）四大类。
②白口铸铁中的碳完全以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色。白口铸铁很难切削加工，主要作炼 钢原料使用。但由于它的硬度和耐磨性高，也可以铸成表面为白口组织的铸件，如轧辊、球磨机的磨 球等。
③麻口铸铁中的碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈灰白色。这种铸铁有较大的脆性，工业上很少使用。
1）灰铸铁。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占 80%以上。影响灰铸铁组织和性能的因素主要是化 学成分和冷却速度。灰铸铁中的碳、硅含量一般控制在碳 2.5%～4.0%，硅 1.0%～3.0%。
2）球墨铸铁。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，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，并具有较好的耐疲劳强度。实验表明，球墨铸铁的 扭转疲劳强度甚至超过 45 钢。在实际工程中常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，也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。
3）蠕墨铸铁。蠕墨铸铁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 灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂经处理而炼成的， 其方法和程序与球墨铸铁基本相同。
4）可锻铸铁。可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。这种铸铁有黑 心可锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁三种类型。可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和 振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，处理 工艺简单等优点。
（1）铝及铝合金。铝及铝合金在采用各种强化手段后可以达到与普通低合金钢相近的强度，而 且其比强度要比普通钢高得多。
（2）铜及铜合金。纯铜呈紫红色，常称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低， 不宜用作结构材料。
（3）镍及镍合金。镍及镍合金是用于化学、石油、有色金属冶炼、高温、高压、高浓度或混有 不纯物等各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属材料。
由于镍的标准电势大于铁，可获得耐蚀性优异的镍基耐蚀合金。镍力学性能良好，尤其塑性、韧 性优良，能适应多种腐蚀环境。广泛应用于化工、制碱、冶金、石油等行业中的压力容器、换热器、 塔器、蒸发器、搅拌器、反应器和储运器等。
（4）钛及钛合金。钛在高温下化学活性极高，非常容易与氧、氮和碳等元素形成稳定的化合物， 所以在大气中工作的钛及钛合金只在 540℃以下使用；钛具有良好的低温性能，可做低温材料；常温 下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶液等介质中十分稳定。但在任何浓度的氢氟酸 中均能迅速溶解。
（5）铅及铅合金。在铅中加入锑、铜、锡和砷等元素可提高铅的再结晶温度、细化晶粒、提高 硬度和强度等，并保持合金的良好耐蚀性。铅在大气、淡水、海水中很稳定，铅对硫酸、磷酸、亚硫 酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性。（铅与硫酸作用时，在其表面产生一层不溶解的硫酸铅，它 可保护内部铅不再被继续腐蚀。）铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。
（6）镁及镁合金。镁及镁合金的主要特性是密度小、化学活性强、强度低。（但纯镁一般不能 用于结构材料。）虽然镁合金相对密度小，且强度不高，但它的比强度和比刚度却可以与合金结构钢 相媲美，镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。其缺点是耐蚀 性较差、缺口敏感性大及熔铸工艺复杂。
1）酸性耐火材料。硅砖和粘土砖为代表。硅砖抗酸性炉渣侵蚀能力强，但易受碱性渣的侵蚀， 它的软化温度很高，接近其耐火度，重复煅烧后体积不收缩，甚至略有膨胀，但是抗热震性差。硅砖 主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备；粘土砖中含 30%～46%氧化铝，它以耐火粘土为主要原料（耐火度 1580～1770℃），抗热震性好，属于弱酸性耐火材料。
2）中性耐火材料。以高铝质制品为代表，其主晶相是莫来石和刚玉。铬砖主晶相是铬铁矿，它 对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性差，高温荷重变形温度较低。用铬矿和镁砂按不同比例制成的铬镁砖 抗热震性好，主要用作碱性平炉顶砖。
碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分不同，分为碳砖、石墨制品和碳化硅质制 品三类。碳质制品的热膨胀系数很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度高。在高温下长期使用也 不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，也不受金属和熔渣的润湿，质轻，是优质的耐高 温材料。缺点是在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用。
3）碱性耐火材料。以镁质制品为代表，它含氧化镁 80%～85%以上，以方镁石为主晶相。生产镁 砖的主要原料有菱镁矿等，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性。纯氧化镁的熔点高达 2800℃。因此，镁 砖的耐火度较粘土砖和硅砖都高。在炼钢工程中，吹氧转炉和碱性平炉炉顶碱性耐火材料得以广泛应 用。另外，碱性耐火材料还主要用于有色金属冶炼，以及一些高温热工设备。
耐热保温材料又称为耐火隔热材料。它是各种工业用炉的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻 土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉，以及它们的制品如板、管、砖等。
1）硅藻土耐火隔热保温材料。目前应用最多、最广。硅藻土耐火保温砖、板、管，具有气孔率 高，耐高温及保温性能好，密度小等特点。采用这种材料，可以减少热损失，降低燃料消耗，减薄炉墙厚度，降低工程造价，缩短窑炉周转时间，提高生产效率。
硅藻土砖、板广泛用于电力、冶金、机械、化工、石油、金属冶炼电炉和硅酸盐等工业的各种热 体表面及各种高温窑炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热部位。硅藻土管广泛用于各种气体、液体高温管 道及其他高温设备的保温绝热部位。
2）硅酸铝耐火纤维。硅酸铝耐火纤维是轻质耐火材料之一。它形似棉花，呈白色纤维状，具有 密度小、耐高温、热稳定性好、热导率低、比热容小、抗机械振动好、体胀系数小和优良的隔热性能。因此，硅酸铝耐火纤维及其制品（毡、板、砖、管等）广泛用于冶金、机械、建筑、化工和陶瓷工业 中的热力设备，如锅炉、加热炉和导管等的耐火隔热材料。
3）微孔硅酸钙保温材料。微孔硅酸钙保温材料制品是用硅藻土、石灰、石棉和水玻璃等混合材 料压制而成。其表观密度小、强度高、传热系数低，且不燃烧、不腐蚀、无毒和无味，可用于高温设 备、热力管道的保温隔热工程。
4）矿渣棉制品。矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。
绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料。它既包括保温材料，也包括保冷材料。
1）按其成分不同，可分为有机材料和无机材料两大类。
热力设备及管道保温用的材料多为无机绝热材料，此类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点。如石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙等。
低温保冷工程多用有机绝热材料，此类材料具有表观密度小、导热系数低、原料来源广、不耐高 温、吸湿时易腐烂等特点，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨基甲酸酯、牛毛毡和羊毛毡等。
2）按照绝热材料使用温度，可分为高温、中温和低温绝热材料。
高温用绝热材料，使用温度可在 700℃以上。这类纤维质材料有硅酸铝纤维和硅纤维等；多孔质 材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐热粘合剂等制品。
中温用绝热材料，使用温度在 100～700℃之间。中温用纤维质材料有石棉、矿渣棉和玻璃纤维等；多孔质材料有硅酸钙、膨胀珍珠岩、蛭石和泡沫混凝土等。
低温用绝热材料，使用温度在 100℃以下的保温或保冷工程中。保冷材料为聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氯乙烯泡沫塑料、软木等。
