金属材料之黑色金属

铁纯铁极少用作工程材料,因为它太软、延展性太大.

当铁水冷却并由液体变为固体材料时,金属中大部分的原子以有序的层次紧密排列在一起.然而有些原子没有按次序排列,形成了被称为位错的薄弱区域.当一块铁置于应力之下,这些区域中的原子层产生了相对滑动,金属变形.这就解释了软铁具有很好延展性的原因.

然而,在铁中加入碳,就可以生产一系列带有完全不同性质的合金.这就是碳钢.

低碳钢碳的质量分数为0.10%～0.25%的钢称为低碳钢.

碳在熔炉内被掺入到铁中,碳原子“进入”了材料,改变了材料的结构和功能.炼成的钢的延展性大大降低,因为碳通过“干扰”滑动面而减少了原子层间的滑动.低碳钢比铁更硬、更韧,并具有较高的抗拉强度.低碳钢的密度约为7.8g/cm3,熔点约为1600℃.它会生锈腐蚀,会被磁化,颜色为灰色.

低碳钢很容易被切割和机器加工,也可以进行钎焊、铜焊和熔焊.低碳钢较好的延展性和抗拉强度使它可以冷轧成各种复杂形状的型材.但是,压制和弯曲会改变钢的内部结构,使它更强、更硬,这被称为“工作硬化”,这种效果在许多制造加工中受到欢迎.然而工作硬化过的钢缺少延展性,比较脆.检测如不愿要这种脆性,可以通过一个退火过程使钢恢复到原来的状态.退火就是将金属加热到红热,然后使它慢慢冷却.

低碳钢是今天最常用的一类钢.图3展示了低碳钢应用的一些例子.

中碳钢碳的质量分数为0.25%～0.50%的钢为中碳钢,因此这种钢比低碳钢更硬、延展性更小.它们非常韧,具有很高的抗拉强度.

含有0.25%或更高碳成分的钢可以通过热处理进一步硬化,因此中碳钢有更特殊的用途.它们通常用来制造又韧又耐磨的产品.图4显示了利用中碳钢制造的一部分产品.

高碳钢高碳钢中碳的质量分数大于0.60%,它们是非常硬、非常脆的材料.这种钢经过热处理可以取得最大的硬度.

高碳钢主要用在切削工具或耐磨损的产品上.图5是其中的部分例子.

不锈钢不锈钢是由铁铬合金再掺入其他一些元素而制成的.有的不锈钢只含有铁、碳和铬,而有的还含有镍和其他金属.

含铬量在13%～27%之间的各种钢都有实用价值.铬的功能是产生氧化层来防止钢生锈,所以不再需要涂漆和其他的表面处理.对钢的保护程度取决于材料中铬的百分比.不锈钢的其他性质,如延展性、硬度和抗拉强度,则取决于其他合金元素的百分比.

不锈钢是一种光泽度较高的金属,再加上其他特性,使它成为用途极广泛的材料.图6中是大家比较熟悉的部分产品.

铸铁铸铁是一种由铁（约94%）、碳（约2%）、硅（约2%）及少量的镁、硫和磷组成的合金.

铸铁有着坚硬的表面,但它是一种非常脆的材料.它的抗压强度很高,但抗拉强度很低,在重击下会发生断裂,并且会生锈腐蚀.

尽管所有的金属都可以铸造（熔化并注入模具）,但铸铁特别适合铸造,并因此而得名.它可以在相对低的温度下（1400℃～1500℃）浇铸,并能被铸成复杂的形状.铸成后也可以用机器很方便地加工成各种成品.图7是部分例子.