103 断裂前屈服 K'ic 10 10 元2 Kic =C 102 设计标线 Or ,10° 铁和钢 102 K'ic 103 10 Or C,/ 工程 工程塑料 陶瓷 K'ic 1.0 聚合物 多孔性陶瓷 102/ 泡沫材料 0.1 10 10 1 2103101 屈服前断裂 102 0.1 10 102 103 10 强度/MPa 图21各种工程材料强度韧性关系 如液氢(-253℃)的容器，既有高强度，又有足够的韧性，陶瓷 不管在高温还是低温都是脆的。 ③金属材料有很出色的工艺性能。如铸造、锻造、冷冲压性、 可焊性、可切削性和可以通过各种各样的热处理方法或者表面处理 方法调整和改变其性能的特点。 ④金属有良好的导电性、导热性和铁磁性，在电力工业中有 不可替代的作用。 所有的金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属（或非铁金 属)。目前世界的钢铁总年产量约8亿吨，而有色金属年产量约 5000万吨，钢铁产量占金属材料总量约为94%，因此钢铁仍然是 金属材料中的主力军，但是非铁金属由于它们的特殊性能，在工业 中仍有不可替代的重要用途
2.2.1钢铁一现代工业化的基础 自工业革命以来，钢铁一直是人类使用的最主要的结构材料， 是国家工业化的基础，在这一历史时期，钢铁的生产能力和消费水 平往往是国家综合实力的重要标志。近二三十年来，尽管钢铁生产 受到能源与资源的约束，世界钢铁生产仍以每年1%的速率递增，如 图22所示。我国随着经济的发展，特别是改革开放以来，钢产量更 是一路猛增，年产量已超过1亿吨，进入世界最前列（如图2-3）。 1200 产能 1000 三 800 600 产量 H 400 200 0 197019751980198519901995200020052010 年份 图2-2世界钢铁生产能力和产量 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1950 1955 19601965197019751980198519901995 年份 图2.320世纪后半期中国历年钢产量变化 图24中给出了1997年某些国家人均钢产量与人均GNP(国 民经济总产值)的关系。由图可知，世界经济发达国家和中等发达 国家的人均钢产量都在300kg/人·a以上，我国的位置相距甚远。 可以预计，在我国实现四个现代化的进程中，钢铁工业仍将有30~
50年的高产期。 100000- 法国美国德国 日本 荷兰 新西兰 wso心意大利 加拿大 阿根廷 10C00 英国澳大利亚 西哥巴西 西班牙 泰国 南非土耳其 韩 病瑞拉俄 「波兰 捷克 埃及白俄罗斯 1000色伊朗 罗马尼亚 印尼 哈萨克斯坦保加利亚需乌克兰 中国 印度 1006 100 200 3004005006007008009001000 人均钢产量/kg(人·a到 图241997年某些国家人均钢产量与人均GNP的关系 钢铁始终是工业中最重要的结构材料，在未米很长的时期中，这 种主导的地位仍将难以动摇。在工业中的许多重要场合都离不开它。 ①电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道，发电 机中的大型转子和叶轮，变压器的铁芯等。 ②汽车工业：根据美国的一份调查，美国平均每台汽车估计 的材料消耗量(kg)如下： 常规钢材 1389 铅 182 塑料 246 高强度钢 263 铜与黄钢 42 橡腔 134 不锈钢 45 锌 16 玻璃 89 其他钢 43 粉末冶金件 27 液体与润滑 190 生铁 408 其他材料 99 总计 3171 由表可知，对于一辆卡车。其重量的76%为金属材料，其中 钢铁为车重的23。福特牌小轿车中，钢材占60.5%，铸铁占 13.4%,其他金属占5.2%。 ③机床与工程机械，包括起重机、挖掘机、拖拉机。 ④铁路（钢轨）与桥梁
⑤船舶和海上钻井平台，均可称为海上铁塔，而且对钢材的 强度、韧性和耐海水腐蚀特别是应力腐蚀能力都有很高的要求。 ⑥兵器：包括坦克、大炮、枪械。 ⑦石油开采机械、输油管道和泵站。 ⑧化工压力容器、反应釜和管道，其中不锈钢、耐热钢、低 温钢等特殊钢用量很大。 ⑨建筑钢筋和构架。 上述九大应用领域已经足以说明钢铁是现代工业的基础，钢铁 堪称为工程结构材料之王。 钢铁材料的基础是铁和碳的合金，一般情况下含碳量在2.1% 以上为铸铁，小于2.1%为钢。在FcC合金中，有目的的加入各 种适量的合金元素，常用的有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、 Nb、B等形成了形形色色的合金钢或合金铸铁。钢铁材料的品种 繁多，性能跨度很大，用途极为广泛，现将主要的分类及特点简介 如下。 (1)铸铁 含碳量在1.8%~4.0%之间，多数铸铁中的碳以石墨形式出 现，石墨的形状对性能影响很大。铸铁有很高的耐压强度、耐蚀性 和良好的铸造性、消振性和切削性，而且价格低廉、工业中应用十 分广泛。其中球黑铸铁的强度和韧性与钢相近。加入不同的合金元 素后可成耐热铸铁，耐蚀铸铁和耐磨铸铁等。在可能的条件下“以 铁代钢，以铸代锻”可产生巨大的经济效益，一直是工业生产中的 趋势之一。 (2)碳素钢 含碳量在0.10%~1.3%之间的Fe-C合金，随含碳量增加， 强度硬度提高，塑性韧性和可焊性下降。低碳钢(0.10%~0.25% C)用做大型构件：中碳钢（0.25%~0.55%C)强度、塑韧性综 合性能高，做一般机械零件：含碳0.6%~0.7%用于弹簧；高碳 钢(0.7%~1.3%C)硬度高，用做工具。碳素钢用平炉或转炉生 产，生产量很大，用量也很大
(3)合金钢 ①合金结构钢。多数是在中碳钢中加入少量合金元素，主要 目的是提高强度，可分为低合金高强度钢、渗碳钢、氮化钢、调质 钢、超高强度钢、弹簧钢等，钢的强度提高，其使用量即可减少， 可靠性增大，而且可以满足特殊重要场合的需要。 ②合金工具钢。主要有刃具钢、高速钢、量具钢、模具钢、 轴承钢等，多数是在高碳钢中，加入适当的合金元素，进一步提高 其硬度和耐磨性，作为工具材料占有极为重要的地位。在工具材料 中，硬质合金也是一大类材料，它们是以很高硬度的金属碳化物颗 粒，如碳化钨、碳化钛等和少量金属微粉如镍、钴等用粉末冶金方 法，热压烧结并加工成切削刀头，有更高的硬度和耐磨性；模具钢 又分冷作模具、热作模具钢，在现代工业中，模具的作用对产品质 量非常关键，模具材料及其加工往往在成本中占有很大的比重，因 此模具材料性能的改进和寿命的提高意义十分重大，一直是产业界 关注的重点之一。 ③特殊钢。主要包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢和电 工用钢等。不锈钢主要是加入合金元素铬(12%以上)，可在表面 形成一层致密的钝化膜，使其耐蚀性提高。根据基体组织不同可分 为马氏体不锈钢(C0.1%~0.4%,Cr13%),铁素体不锈钢C< 0.12%,Cr>17%),奥氏体不锈钢(<0.1%C,Cr17%,Ni> 8%)在Fe-Cr或Fe-Cr-Ni基础上再加入少量的Mo、Cu、Ti等合 金元素进一步提高耐蚀性，为了提高不锈钢的强度又发展了沉淀硬 化不锈钢，在航空结构件中有重要用途。对于最主要的奥氏体不锈 钢来说，把含碳量降低到0.03%以下，耐蚀性更佳，因此超低碳不 锈钢成为重要发展方向之一。耐热钢是在不锈钢的基础上发展起来 的，用于750℃以下的受力件，继续提高合金含量得到铁基高温合 金（如Fe-16Cr-25Ni-6Mo)可在<900℃的温度下使用。金属间化合 物是近些年发展起来的一类耐热材料，其使用温度介于高温合金和 高温结构陶瓷材料之间，研究较多的是Ni3A1、NiAI、Ti3AI、TiAI、 FeA1、FeAl等，有些已取得突破性进展，开始进入实用阶段