金属钒及其市场简介
摘要
钒是一种高熔点稀有金属，作为非常宝贵的战略性资源，广泛应用于各行业。世界上已知的钒产量有98%产于钒钛磁铁矿中，因此，钒产品生产也主要集中在南非、俄罗斯和中国等含钒磁铁矿资源比较丰富的国家。我国的钒资源储量虽然第四，但是我国钒的供给居世界第一。从近些年供给来看，近期乃至未来一段时间内世界钒的供给量的增加主要来自中国。钒的生产属于资源依赖和技术依赖型行业，因此决定了钒的生产具有一定的集中度。攀钢和承钢垄断了我国60%钒的供应量，对我国的钒的供给起重大作用。
我国也是钒的最大的消费国，占世界的35%。欧洲、美国、日本、韩国等是另外几个消费大国。钒的应用领域较广，出了在钢铁、合金以及电池行业有需求外，在化学催化剂行业、医药行业、陶瓷行业、光学、电学行业等都有一定需求。其中，钒在钢铁行业的需求占90%左右，对钒的价格影响很大。未来，含钒抗震钢筋的使用和储能设备对钒电池的使用，是带动钒需求增长的主要动力。
得益于全球钢产量及钒消费强度的同步增长，预计2010-2015年世界钒消费量年平均增长率预计10.4%。
图表目录
图表1钒产业链简介 (5)
图表2全球钒资源储量分布 (7)
图表3我国钒资源分布图 (8)
图表4全球2010年金属钒的产量国家分布图 (9)
图表5全球钒产品2010年总产能分布图 (10)
图表6我国钒钛磁铁矿产钒产能分布 (11)
图表7我国与全球钒产量增长状况 (12)
图表8金属钒的应用领域分布图 (13)
图表9全球金属钒的供给和需求状况 (14)
图表10全球钒产品的消费地区分布图 (14)
图表11我国钢铁行业钒消费强度仅为美国的1/5 (16)
图表12钒电池的优点 (18)
图表13钒电池的部分应用领域 (18)
图表14我国2009年-2020年风力、光伏发电装机容量预测 (19)
图表15全球钒2010-2015年需求预测 (22)
图表16钒铁生产比例图 (22)
图表17我国2004年4月-2012年4月钢铁价格指数与五氧化二钒价格走势比较 (24)
图表18我国2004年4月-2012年4月钢铁价格指数与GDP增长率走势图比较 (24)
图表19钒铁、铌铁的价格走势比较图 (26)
图表20国际五氧化二钒均价历年走势图 (27)
图表21中国五氧化二钒价格历年走势图 (28)
金属钒及其市场简介
1金属钒的定义及属性
1.1定义
钒（Vanadium）作为元素周期表钒族元素中的一员，化学符号为V,原子数是23，原子量为50.942，熔点为1887℃，沸点为3337℃，常见化合价为+5、+4、+3、+2。纯钒呈现闪亮的白色，质地坚硬，为体心立方结构，晶格系数为3.024A。钒在地壳中为第17位常见的元素，且很少以单质的形式直接使用。
钒具有众多优异的物理性能和化学性能，因而钒的用途十分广泛，有金属“维生素”之称。钒是一种高熔点稀有金属，作为非常宝贵的战略性资源，广泛应用于机械制造、汽车、航空航天、铁路、桥梁等部门，如输油管、海底管道、造船、聚变反应堆容器、喷气机和火箭、空气压缩机、金属模具、高速钢、工具钢等，钒产品也越来越广泛地被应用在航空航天等高科技领域。
1.2属性
钒是一种银灰色的金属。熔点1887℃，沸点3000-3400℃，常与铌、钽、钨、钼并称为难熔金属。有延展性，质坚硬，无磁性。
具有耐盐酸和硫酸的本领，并且在耐气-盐-水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好。与三氟化氯、锂接触剧烈反应，与空气中不被氧化，可溶于氢氟酸、硝酸和王水。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。应与易（可）燃物、酸类、食用化学品分开存放，切忌混储。
1.3钒的产业链介绍
目前钒的生产主要是利用含钒的钛磁铁矿为原料,在钢铁生产过程中回收钒渣,进而加工成V2O5、V2O3等初级产品,或是进一步加工成钒铁，最后应用于钢铁、合金和新能源钒电池等领域。
图表1钒产业链简介
金属钒单质很少，大部分以化合价存在。工业中常用的钒产品化合物主要有：VO（氧化钒）、V2O3(三氧化二钒)、V2O5（五氧化二钒）FeV(钒铁)及NH4VO3(偏钒酸铵)。
偏钒酸铵：略带淡黄色结晶粉末。熔点200。微溶于冷水、热乙醇和乙醚。溶于热水及稀氢氧化铵。空气中灼烧时变成五氧化二钒,有毒.主要用作化学试剂、催化剂、催干剂、媒染剂等。陶瓷工业广泛用作釉料，也可用于制取五氧化二钒。
五氧化二钒:主要有片状和粉末状。外观：粉状产品为橘黄色粉末或会黑色片钒。片钒主要用于冶金工业中的钒铁合金及其他合金；粉状则主要用于玻陶工业中着色剂和化工工业中催化剂。根据工业使用领域又可分为化学级和冶金级五氧化二钒。化学级即高纯度氧化钒。
钒铁是钒和铁组成的合金。外观亮黑褐色，块状。主要在炼钢过程中作为合金元素使用，使钢的结晶组织细化，从而提高钢的强度、韧性、可塑性及耐磨性。在实际应用中，国内以FV50为主即含钒量为50%，剩余50%为铁。俗称铁50或中钒铁。国外以FeV80为主。
钒氮合金是一种新型合金添加剂，可以替代钒铁用于微合金化钢的生产。氮化钒添加于钢中能提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊性。在达到相同强度下，添加氮化钒节约钒加入量30-40%，进而降低了成本。钒氮合金研发难度大，属冶金行业的顶级尖端技术。最初全世界只有美国VAMETCO公司和攀钢能够生产。目前国内已经有多家企业掌握了钒氮合金的生产技术，开始了大批的生产。
2金属钒供给情况分析
2.1全球储量及分布
钒主要和其他一些金属矿共生，至今没有发现独立的钒矿。世界上已知的钒储量有98%产于钒钛磁铁矿，其次是油类矿藏中。少部分还赋存于磷块岩矿，含铀砂岩，粉砂岩，铝土矿，含碳质的原油、煤、油页岩及沥青砂中。
钒主要蕴藏在中国、俄罗斯、南非、澳大利亚和新西兰的钛铁磁铁矿中，委内瑞拉、加拿大阿尔伯托、中东和澳大利亚昆士兰的又累矿藏中，以及美国的钒矿石和黏土矿中。据美国矿业局统计,世界上
的钒资源储量基础为15980万亿吨,按目前的开采规模计,尚可开采150年。从钒储量基础的占有比重情况看,南非占46%,,俄罗斯占23. 6%,美国占13.1%,中国占11%,其它国家占有6%左右。
来源:美国矿业局
2.2中国储量及分布
我国钒资源基础储量居世界四，总体来说钒资源还算丰富。我国的钒资源主要赋存钒钛磁铁矿中，多数是以石煤的形式存在。钒钛磁铁矿主要分布在四川的攀枝花市、河北承德地区、陕西汉中地区、湖北郧阳地区区、湖北襄阳地区等地区。我国的钒资源主要集中在四川，占全国的６２.２％，其次是湖南（１４.４％）和甘肃（５％）等省，其他地区储量较小。我国的在攀枝花五氧化二钒的资源储量有1580万吨，占全国储量的62.2%左右。
图表3我国钒资源分布图
2.3全球产量及分布
全球已知的钒产量有98%产于钒钛磁铁矿中，因此，钒产品生产也主要集中在南非、俄罗斯和中国等含钒磁铁矿资源比较丰富的国家。2010年世界钒产量为10.7万吨，其中中国、南非、俄罗斯的钒产量合计占全球的80%以上,产量分列第1、2、3位。统计数据显示，中国钒产量占全球总产量的50%以上；南非占21%；俄罗斯占9-10%；美国占9-10%。
图表4全球2010年金属钒的产量国家分布图
世界钒产品（折合V2O5）总产能约为18万吨，主要分布在资源较多的中国、南非、俄罗斯、美国等国。其中我国的钒产品总产能9万吨，其中以钒钛磁铁矿提钒、石煤提钒和其他的产能分别为5.5、2.6和0.9亿吨。
图表5全球钒产品2010年总产能分布图
来源:中国铁合金在线
2.4我国钒资源产量和分布
我国钒资源储量虽然位居第四，但是我国的钒产量位居世界第一。我国的钒资源主要有：钒钛磁铁矿、含钒石煤和废催化剂。钒钛磁铁矿原矿含钒低，但能通过选矿和炼铁富集成高品位钒渣，生产钒最为经济，因此在当前和今后一个时期，仍然是我最主要的钒资源。2010年世界钒产量为10.7万吨，而我国钒产量达5.6万吨，产量世界
第一。
我国的钒生产分布和钒矿资源分布密切相关，2005年以前，钒的生产主要以攀钢和承钢为主，但是受到2005年钒价格大幅度上升，各地区钒生产企业迅速增加，尤其是在河南南阳地区、陕西商南地区、贵州铜仁地区和甘肃敦煌地区。但从产能上来看，在我国的钒产量中，攀钢和承钢占总量的60%以上，而在污染较小的钒钛磁铁矿的提钒工艺中更是占到了95%以上，在供给方占据了绝对的垄断优势。
来源:光大证券研究所
2007年10月29日，攀钢新钢钒和河北承德新新钒钛合资组建了北京攀承钒业贸易有限公司（钢持股比例为51％，承钢49％），统一销售攀钢与承钢的钒产品。就其实效果来看，其不仅进一步加强了供给方的话语权（垄断我国70%以上的钒产品贸易量），同时还成为了全球最大的钒贸易商公司在全球钒产业转移的背景下牢牢把握着主动权。
2.5影响钒供给的主要因素
世界上大部分钒储存于钒钛铁精矿中，钒产品多为冶金工业的副产品，钒大多由炼钢钒渣中提取。在钒的整个提取生产过程中具有多项技术诀窍，包括钒钛磁铁矿烧结和高炉冶炼技术、顶底侧复吹转炉提钒技术、钒渣直接合金化技术、氧化钒工艺技术和一步法生产氮化钒技术等，需要一大批具有丰富实践经验的专业技术人员。这些因素均构成了进入本行业的主要堡垒。钒的生产属于资源依赖和技术依赖型行业，因此决定了钒的生产具有一定的集中度。
1998年全球钒产量只有6.7万吨，2006年首次超过10万吨，但随后几年内全球钒产量保持稳定，均在10万吨左右的水平（2010年为10.7万吨）。但中国的钒产量则稳步增加，2010年中国钒产量5.6万吨，较2006年升了56.86%。
图表7我国与全球钒产量增长状况
来源:光大证券研究所
从近些年统计数据来看，全球钒产业向中国转移的趋势明显。国外不仅产能增加有限（全球前三大除攀钢之外的另两个——南非的海威尔德、俄罗斯的下塔吉尔产能在未来一段时间皆无增长），产量更是负增长，故未来国外产能和产量增加也非常有限；我国钒产能有近30%为石煤，由于石煤提钒具有较大的污染，这部分产能利用率将保持低位。更重要的是，在我国的钒产量中，攀钢和承钢占总量的60%以上，而在污染较小的钒钛磁铁矿的提钒工艺中更是占到了95%以上，在供给方占据了绝对的垄断优势。
3钒的应用
钒有着“现代工业的味精”之称，在钢铁、化工、能源、特种材料、生物医药等领域有广泛用途，但从量上讲最大的用量还是钢铁行业，85%的钒用于钢铁工业，而国内这一比例达到90%左右。其余少量用于有色金属合金行业、电池行业、化学行业、医学行业等。
图表8金属钒的应用领域分布图
从世界钒的消费量来看，近些年来全球钒需求基本上维持在10万吨左右，供需基本上能够达到平衡。但由于近些年来世界钒产能很大，其产能利用率不高，产能有些过剩。统计数据显示，2010年我
国钒消费量约4.1万吨，同比增长13%，是全球最大的钒消费国。
图表9全球金属钒的供给和需求状况
来源:华创证券
从氧化钒、钒铁等钒产品消费看，我国是世界上最大的钒产品消费国，占世界的35%。欧洲、美国、日本、韩国等是另外几个钒产品消费地区。具体分布情况如下：
图表10全球钒产品的消费地区分布图
来源:华创证券
3.1钒在钢铁中的应用
钢铁工业是钒的最大应用领域，全球大约85%的钒用于钢铁工业，在我国钒用于钢铁工业的量可以达到90%。钒主要以钒铁形式用于钢铁工业。钒可提高钢的强度、韧性、延展性和耐热性。在结构
钢中加入0.1％的钒，可提高强度10～20％，减轻结构重量15～25％，降低成本8～10％。钒在钢铁方面的消耗主要在碳素钢、高强度低合金钢占、高合金钢、工具钢等。由于钒钢具有强度大，韧性、耐磨性及耐蚀性好的特点而广泛应用于输油(气)管道、建筑、桥梁、钢轨和压力容器等工程建设中。2000年我国钒钢应用量已经达到120万吨／年，含钒钢应用年增长10％。未来几年钒在钢铁行业的需求主要体现在以下几个方面：
（1）建筑钢材：按照建设部要求，今后建筑工程项目要大力推广使用含钒HRB400级（Ⅲ级）钢筋和含钒HRB500级（Ⅳ级）钢筋。（HRB400级热扎（H）带肋（R）钢筋（B），屈服强度400KN/m㎡的钢筋）（2）管线钢：西气东输、俄罗斯油气输送到中国、山西与安徽等地煤层气项目，将为含钒低合金管线钢的发展带来机遇。
（3）汽车用高强度钢板、耐蚀钢板等高强度韧性钢板将成为国内板材发展的方向
我国钒在钢铁行业的未来需求巨大，具体有以下两方面原因：一方面，我国钒消费强度低于世界平均水平，增量空间大；另一方面，我国在抗震建筑钢材对钒消费有巨大需求。
我国钒消费强度（每1000吨钢消耗钒公斤数）目前只有30kg，远远低于西方发达国家的80kg和美国的150kg。预计未来几年我国钢铁工业中钒消耗强度将逐渐增加到30-35公斤/1000吨钢的水平，并将加速向50公斤/1000吨钢的世界水平靠拢。这意味着仅满足钢铁工业的消耗一项，钒产品每年新增消费量就在30%以上，市场发展前
景十分广阔。
图表11我国钢铁行业钒消费强度仅为美国的1/5
来源:光大证券研究院
近年来地震的频发，特别是我国西南地区和日本大地震的发生，使用抗震建筑钢材已经是大势所趋。而与之形成鲜明对比的是，我国已存建筑中几乎90%以上不属于抗震建筑钢材，甚至目前在用的建筑钢材符合要求的也不足70%。该局面产生的主要原因在项目施工方对成本的控制。
与传统观念有差别的是，抗震建筑钢材不仅性能上优越，成本上也具有一定的优势。采用HRB400E替代HRB335（二级螺纹钢）可节省用量10-20%，若用使用抗压力更强的HRB500E则可再节约16.7%，相当于每吨至少节约成本600元。HRB400与HRB355市场价格的差距仅为100-200元/吨,成本的节约远大于价差的增幅。因此，未来用抗压较好的HRB400钢材取代HRB355的钢材是建筑业的发展趋势。
对钢厂而言，目前HRB400主流内控成分中含钒量在0.05-0.08%
之间，即每吨耗钒约70kg（以0.07%计）。我国用在建筑钢材方面的钢材产量约有3亿吨，以普通的钒消费强度0.07%估算，则每年将消耗钒21万吨；即使抗震钢筋比例达到60%，打开的钒消费空间也有12.6万吨，是我国2010年钒总产量的2倍
3.2钒在有色金属合金的应用
钒在有色金属行业应用主要是钒钛合金和钒铝合，占钒消费总量的10%左右。钒钛合金主要用于飞机发动机、宇航船舱骨架、导弹、军舰的水翼和引进器、蒸汽涡轮机叶片、火箭发动机壳等。此外，钒合金还应用于磁性材料、硬质合金、超导材料(如V3Ga)及核反应堆材料等领域。国内生产钒铝中间合金的企业有宝鸡有色金属加工厂和锦州铁合金厂，国内的钒铝合金产量不能完全满足国内需要，每年尚需从国外进口一部分，钒铝中间合金的市场发展潜力相当大。
3.3钒在电池中的应用
目前，钒的另一重大应用领域是钒电池（全称为全钒氧化还原液流电池，VRB）。钒电池是采用不同价态钒离子作为正负极活性物质的新型储能电池。钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，钒电池具有很多优点。虽然目前钒的使用占比很小，但是它是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池，具有诸多优点和良好的前景。
图表12钒电池的优点
钒电池的诸多优点使其应用广泛，未来将改变我们生活的方方面面。钒电池在新能源汽车、UPS及军用蓄电、分布式储能电站等设施中皆有广泛地应用。未来最大的需求增长点表现在两方面：第一方面，新能源发电领域带动储能设备对钒电池的需求；另一方面，新能源汽车将带动汽车行业对钒电池的需要。
图表13钒电池的部分应用领域
来源:光大证券研究院
钒电池储能设备可以用于电站调峰和储能的钒电池发展。以风电为例，我国风电规模居世界第二，但与之对应的是我国目前完成的风电装机总量只有不到20%的比例实现发电并网，究其原因主要为风
能固有的随机性、间歇性特征决定了其属于能量密度低、稳定差、调节能力差的电能。为解决这一瓶颈问题，需要建立大量的储能设备来调解类似风力这种不稳定的发电。目前，储能设备的好坏直接决定了新能源发电的规模，也已经成为目前利用新能源这类绿色能源的瓶颈风电和太阳能不仅仅属于长期概念，短期内也仍然有巨大的发展空间。依据《新兴能源产业发展规划》，到2020年中国风电的规模将增加到1.529亿千瓦（目前为0.2亿千瓦），光电规模将到3000万千瓦（目前为200万千瓦），因此届时我国仅风电和光电就需钒电池0.91亿千瓦。目前常用的800W钒电池电解液容量10L，其VOSO4浓度为1.5mol/L，相当于耗钒0.345kg，故届时年耗钒量将达到4.26万吨，与目前钒消费量总体相当。
图表14我国2009年-2020年风力、光伏发电装机容量预测
来源:光大证券研究院
在新能源汽车领域，钒电池在电动汽车上的应用进展很快，尤其是日系汽车厂商在此方面做了深入的研究。根据新能源产业规划，2020年我国新能源汽车保有量将达到500万辆，假设钒电池届时享受到30%的市场份额，以每辆电动汽车10kg电解液计算，则消耗的钒
总量也能达到5.175万吨。综合其他方面，预计未来10年钒电池带来的钒需求量将有望达到25万吨，是目前钒总需求量的5倍。
3.4钒在其他行业的应用
钒在化工行业中主要应用有深加工产品V2O5(98％～99.99％)，NH4VO3(偏钒酸铵)、NaVO3及KVO3等。它们分别应用于催化剂、陶瓷着色剂、显影剂、干燥剂及生产高纯氧化钒或钒铁的原料。V2O5作催化剂具有特殊的活性，其它元素难以代替。随着化学工业和科学技术的迅速发展，钒作催化剂的重要性将更加显现出来，应用价值也将在更多行业中得到体现。
钒在医药行业也有一定作用。钒除有抗糖尿病作用外，同时它还对糖尿病并发症有一定的治疗作用。钒能提高心肌高能磷酸化合物，改善心肌功能，并且对所致高血压有明显的治疗作用。同时，钒可使肾肿大明显改善，尿蛋白明显减少，肾功能得到改善。此外对白内障的恢复也起到有益的作用。我国现有糖尿病患者3000万人，因此，钒药物具有广阔的市场前景。
钒还可以应用于钒-锆蓝陶瓷色料及钒酸铋无机无毒黄颜料新产品二氧化钒薄膜和超细粉体由于其自身独特的相变特性，广泛应用于电学和光学开关装置、太阳能控制材料、光盘介质材料、涂层、热敏电阻等领域。北京烁光特晶科技有限公司研制出长距离光纤通讯用的钒酸钇晶体材料，是性能极佳的双折射晶体，具有双折射率大、透过率高、透光波段范围宽、抗潮解和易加工等特点，可广泛应用于光纤
一、各牌号碳素结构钢的主要用途: 1.牌号Q195，含碳量低，强度不高，塑性、韧性、加工性能和焊接性能好。用于轧制薄板和盘条。冷、热轧薄钢板及以其为原板制成的镀锌、镀锡及塑料复合薄钢板大量用用屋面板、装饰板、通用除尘管道、包装容器、铁桶、仪表壳、开关箱、防护罩、火车车厢等。盘条则多冷拔成低碳钢丝或经镀锌制成镀锌低碳钢丝，用于捆绑、张拉固定或用作钢丝网、铆钉等。 2.牌号Q215，强度稍高于Q195钢，用途与Q195大体相同。此外，还大量用作焊接钢管、镀锌焊管、炉撑、地脚螺钉、螺栓、圆钉、木螺钉、冲制铁铰链等五金零件。 3.牌号Q235，含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量用用建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。 4.牌号Q255，性能与Q235差不多，强度稍有提高，塑性有所降低。应用不如Q235广泛，主要用作铆接与检接结构。 5.牌号Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好。用于制造轴类、农业机具、耐磨零件、钢轨接头夹板、垫板、车轮、轧辊等。 (二)各牌号低合金高强度结构钢的主要用途 低合金高强度结构钢旧标准称低合金结构钢，又叫普通低合金结构钢。 1.牌号Q295钢，钢中只含有极少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑结构，工业厂房，低压锅炉，低、中压化工容器，油罐，管道，起重机，拖拉机，车辆及对强度要求不高的一般工程结构。 2.牌号Q345、Q390钢，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、 D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。 3.牌号Q420钢，强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。主要用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件。 4.牌号Q460钢，强度最高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能，全部用铝补充脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性的备用钢种。用于各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的轻型结构。 (三)优质碳素结构钢的特性和用途 优持碳素结构钢简称碳结钢、俗称优钢。是各种机器的零部件制造用钢。 1. 08和08F钢，用于轧制薄板，深冲制品、油桶、高级搪瓷制品，也可用于制作管子，垫片及心部强度要求不高的渗碳和氰化零件，电焊条等。 2. 10和10F钢，用4mm以下冷压深冲制品，如深冲器皿、炮弹弹体。也可制造锅炉管、油桶顶盖及钢带、钢丝、焊接件、机械零件。 3. 15和15F钢，用于制造机械上的渗碳零件、紧固零件、冲锻模件及不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、法兰盘及化工机械用贮器、蒸汽锅炉等。
1.2 常用金属材料 金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料，常用以制造机械设备、工具、模具，并广泛应用于工程结构中。金属材料大致可分为黑色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色以外的金属及其合金，如铜合金、铝及铝合金等。 1.2.1 钢 钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金两大类。 碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为0.05%～1.35%。 为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。 （一）碳钢 1．碳钢的分类 碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。 （1）按钢的含碳量多少分类分为三类： 低碳钢，含碳量<0.25%； 中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%； 高碳钢，含碳量>0.60%。 （2）按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分类分为三类： 普通碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%； 优质碳素钢，钢中S、P含量均≤0.040%； 高级碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.030%和0.035%。
（3）按钢的用途分类分为两类： 碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件； 碳素工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。 2．碳钢牌号的表示方法 （1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Z代表镇静钢等。如Q235-A·F表示屈服强度为235Mpa的A 级沸腾碳素结构钢。 （2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。 （3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例如，T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。T8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。 3．碳钢的用途举例 Q195、Q215，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。 Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。 Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。 Q345，用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。 08钢，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷冲压零件。 10、20钢，常用于制造冲压件和焊接件。也常用于制造渗碳件。 35、40、45、50钢属中碳钢，经热处理后可获得良好的综合力学性能，主要用制造齿轮、套筒、轴类零件等。这几种钢在机械制造中应用非常广泛。 T7、T8钢，用于制造具有较高韧性的工具，如冲头、凿子等。 T9、T10、T11钢，用作要求中等韧性、高硬度的刃具，如钻头、丝锥、锯条等。 T12、T13钢，用于要求更高硬度、高耐磨性的锉刀、拉丝模具等。 （二）合金钢
基础知识自测题 第一章传感器的一般特性 1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。 2.传感器的基本特性通常用其特性和特性来描述。当传感器变换的被测量处于动态时，测得的输出一输入关系称为特性。 3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的 特性，其主要技术指标有：、、和等。 4.传感器实际曲线与理论直线之间的称为传感器的非线性误差，其中的与输出满度值之比称为传感器的。 5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。对传感器来说，其灵敏度是常数。 6.传感器的动态特性是指传感器测量时，其输出对输入的特性。 7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。 8.只感受由敏感元件输出的，并且与成确定关系的另一种非电量，然后输出电量的元件，称为元件。 第二章电阻式传感器 1.电阻应变片是将被测试件上的转换成的传感元件。 2.电阻应变片由、、和等部分组成。 3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。 4.金属电阻应变片敏感栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最多，材料以用的最广泛。 5.电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立与变形之间的量值关系而工作的。 6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受一维应力时，应变片灵敏系数K是应变片的 与试件主应力的之比。 7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。 8.电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上，则补偿应变片不。 9.用弹性元件和及一些附件可以组成应变式传感器. 10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。 11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。 12.电阻应变片的配用测量电路大都采用交流不平衡电桥，其目的是配接和克服的影响。
3.3 用途广泛的金属材料 【学习目标】 1、了解合金的定义及一般性质； 2、了解铜合金、铝合金、铁合金等金属材料的基础知识； 3、学会正确选用金属材料。 【要点梳理】 要点一、常见合金的重要应用 【用途广泛的金属材料#认识合金】 1．合金及其性质。 合金定义：由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合在一起形成的具有金属特性的物质。合金属于混合物，如：黄铜、青铜、钢、生铁、钠钾合金等。合金的性质特点：一般说来，合金的熔点比其成分金属都低，而在硬度、韧性等方面却往往有其成分金属所不具有的独特性质。如：纯铁的硬度很小而钢的硬度较大。 【用途广泛的金属材料#使用合金】 2．常见合金的比较。 （1）铁合金（钢）
（2）铝合金 （3）铜合金 （4）新型合金 新型合金包括储氢合金、钛合金、耐热合金和形状记忆合金等。氢能的利用存在两大难题：制取和储存。储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。具有实用价值的储氢合金要求：储氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快。 要点二、正确选用金属材料 1．选择材料应注意的问题。 某种金属能不能成为一种应用广泛的材料主要取决于该金属的储量、冶炼成本、市场价格以及所具有的性能和是否易于加工等。 选择金属材料时，除了要考虑金属的用途、外观和价格外，还要考虑金属的物理性质和化学性质。 （1）物理性质：密度、硬度、强度、导电性和导热性等，这些性质决定金属材料的加工难易程度。 （2）化学性质：对水的作用、耐腐蚀性等，这些性质决定金属材料的日常维护
和环境对其的影响。 2．金属的回收和资源保护。 （1）废旧金属的最好处理方法是回收利用。 （2）回收利用废旧金属的意义是减少垃圾量，防止污染环境且缓解资源短缺的矛盾。 要点诠释：金属材料的基本元素是金属，因此可笼统说金属材料具有高强度、优良的可塑性和韧性，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。
电阻应变片 一、应变计的分类 根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类： 1、金属应变计包括丝式（丝绕式、短接式）应变计、箔式应变计和薄膜应变计； 2、半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计； 3、金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。 二、应变计的主要参数 1、应变计的电阻值应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下，测定的电阻值。应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。 2、应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数是指：当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变)的比值，即式中，K为应变计的灵敏系数；ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变；RRΔ为由ε所引起的应变计电阻的相对变化,常用的应变计灵敏系数为2.0~2.4。 3、应变计的疲劳寿命: 应变计的疲劳寿命是指：在恒定幅值的交变应力作用下，应变计连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数。 三、金属电阻应变片应用与工作原理电阻应变计有两方面的应用：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作间接测量。用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。 金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下: R=ρ*(L/S)式中：ρ—电阻率(Ω·mm2/m) L—金属丝的长度(m) S—金属丝的截面积(mm2) 由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为 ΔR/R=Koε式中:R—金属丝电阻值的变化量; Ko—金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值; ε—金属材料的轴向应变值,即ε=ΔL/L，因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言,其值勤在0.24~0.4之间。 在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。 电路原理：通常传感器采用四片等值电阻组成惠氏顿等桥电路。R,B为输入端，G,W为输出端，RS起到保护电路的作用。通过调节RS、R1调节电路的零点平衡。
实验报告 姓名：学号：班级： 实验项目名称：实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥，半桥 实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况；：验证单臂、半桥性能及相互之间关系。 实验原理： 单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时，有一个桥臂、二个桥臂、全部四个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。 电桥的灵敏度：电桥的输出电压（或输出电流） 与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之 间的比值，称为电桥的灵敏度。如图是直流电桥，它 的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，U。是供桥电 压，输出电压为： 当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平 衡状态。 如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。当臂工作时，电桥只有R4桥臂为应变片，电阻变为R＋R，其余各臂仍为固定阻值R,代入上式有 组桥时，R1和R3，R2和R4受力方向一致。 实验步骤（电路图）： （1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 （2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。
（3）根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。 图1金属箔式应变片性能—单臂电桥电路 （4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V 表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 （5）——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表： （6）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F ／V表显示的电压相应变化）。 (7) 将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（5）过程同样测得读数，填入下表： 实验结果及分析： 单臂电桥结果： 位移（mm）-1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 电压（mv）-0.057 -0.044 0.012 0.025 0.036 灵敏度计算：电压变化的平均值=0.013mv S=ΔV／ΔX=0.026mv/mm 结果分析：半桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的2倍。 实验中的注意事项及实验感想、收获或建议等：
1）.各牌号钢的主要性能和用途 一、各牌号碳素结构钢的主要用途: 1.牌号Q195，含碳量低，强度不高，塑性、韧性、加工性能和焊接性能好。用于轧制薄板和盘条。冷、热轧薄钢板及以其为原板制成的镀锌、镀锡及塑料复合薄钢板大量用用屋面板、装饰板、通用除尘管道、包装容器、铁桶、仪表壳、开关箱、防护罩、火车车厢等。盘条则多冷拔成低碳钢丝或经镀锌制成镀锌低碳钢丝，用于捆绑、张拉固定或用作钢丝网、铆钉等。 2.牌号Q215，强度稍高于Q195钢，用途与Q195大体相同。此外，还大量用作焊接钢管、镀锌焊管、炉撑、地脚螺钉、螺栓、圆钉、木螺钉、冲制铁铰链等五金零件。 3.牌号Q235，含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量用用建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。 4.牌号Q255，性能与Q235差不多，强度稍有提高，塑性有所降低。应用不如Q235广泛，主要用作铆接与检接结构。 5.牌号Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好。用于制造轴类、农业机具、耐磨零件、钢轨接头夹板、垫板、车轮、轧辊等。 二、各牌号低合金高强度结构钢的主要用途： 低合金高强度结构钢旧标准称低合金结构钢，又叫普通低合金结构钢。 1.牌号Q295钢，钢中只含有极少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑结构，工业厂房，低压锅炉，低、中压化工容器，油罐，管道，起重机，拖拉机，车辆及对强度要求不高的一般工程结构。 2.牌号Q345、Q390钢，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、 D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。 3.牌号Q420钢，强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。主要用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件。 4.牌号Q460钢，强度最高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能，全部用铝补充脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性的备用钢种。用于各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的轻型结构。 三、优质碳素结构钢的特性和用途： 优持碳素结构钢简称碳结钢、俗称优钢。是各种机器的零部件制造用钢。 1. 08和08F钢，用于轧制薄板，深冲制品、油桶、高级搪瓷制品，也可用于制作管子，垫片及心部强度要求不高的渗碳和氰化零件，电焊条等。 2. 10和10F钢，用4mm以下冷压深冲制品，如深冲器皿、炮弹弹体。也可制造锅炉管、油桶顶盖及钢带、钢丝、焊接件、机械零件。 3. 15和15F钢，用于制造机械上的渗碳零件、紧固零件、冲锻模件及不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、法兰盘及化工机械用贮器、蒸汽锅炉等。 4. 20钢，用于不经受很大应力而要求韧性的各种机械零件，如拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；也可用于制造在60大气压、450℃以下非腐蚀介质中使用的管子、导管等；还可以用于
第三章《金属及其化合物》导学案 第三节用途广泛的金属材料 （共一课时） 【学习目标】1.通过思考、讨论交流，能结合金属及其化合物的性质提取证据，理解合金特性和化学性质，了解合金的分类、组成和用途。 2.通过问题探究，理论联系实际，认识合理使用金属材料的意义，主动关心资源开发、环境保护等问题，形成合理利用自然资源的观念。 3.通过角色扮演实践活动，增强社会活动能力、表达能力、素材归纳整合能力。 【学习重点】常见合金的重要应用和如何正确使用金属材料。 【学习难点】查阅资料书写科学小论文 【自主学习】 的单质反应。 新知预习：1.生活中经常使用的金属材料有不锈钢可制成餐具；制钢轨的钢材是锰钢，镁铝合金材料可制成笔记本电脑外壳、自行车等。 2.合金是由两种或两种以上的金属(或金属和非金属) 熔合而成的具有金属特性的物质。常见合金有钢、青铜、硬铝、黄铜。我国使用最早的合金是青铜；使用量最大、用途最广泛的合金是钢，根据其化学成分，可分为两大类：碳素钢和合金钢。 【同步学习】 情景导入：在生活和生产中，金属材料（纯金属或它们的合金）几乎无处不在，特别是新型材料的研制，已成为现代高新技术发展的重要物质基础。那么，你知道生活中有哪些经常使用的金属材料及它们的重要性质和功能吗？ 活动一、常见合金的重要应用 1．思考交流：联系旧知，结合教材P64页“学与问”，思考合金的定义及组成是什么？ 【温馨提示】（1）合金是由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。 （2）合金的组成：①合金中一定有金属元素，也可能含有非金属元素；②合金一般是混合物，没有固定的熔点。 2．阅读归纳：阅读教材P64页，归纳合金与纯金属的性能有何差异？并指出合金的性质。 【温馨提示】(1)合金与纯金属的性能差异：①合金的硬度及机械性能一般优于各成分金属；②合金的熔点一般低于它的各成分金属；③合金具有各成分金属的化学性质，合金一定是混合物。 （2）合金的性质：①合金的熔点一般比各成分金属的低；②合金在硬度、密度、强度以及其他一些机械性能上要优于各成分金属；③合金具有金属特性，如导热、导电性；④合金中各成分金属的化学性质不
第1章金属的结构与结晶 一、填空： 1、原子呈无序堆积状态的物体叫，原子呈有序、有规则排列的物体称为。一般固态金属都属于。 2、在晶体中由一系列原子组成的平面，称为。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的的直线，称为。 3、常见的金属晶格类型有、和三种。铬属于晶格，铜属于晶格，锌属于晶格。 4、金属晶体结构的缺陷主要有、、、、、和 等。晶体缺陷的存在都会造成，使增大，从而使金属的提高。 5、金属的结晶是指由原子排列的转变为原子排列的过程。 6、纯金属的冷却曲线是用法测定的。冷却曲线的纵坐标表示，横坐标表示。 7、与之差称为过冷度。过冷度的大小与有关， 越快，金属的实际结晶温度越，过冷度也就越大。 8、金属的结晶过程是由和两个基本过程组成的。 9、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的及。 10、金属在下，随温度的改变，由转变为的现象称为
同素异构转变。 二、判断： 1、金属材料的力学性能差异是由其内部组织结构所决定的。（） 2、非晶体具有各向同性的特点。（） 3、体心立方晶格的原子位于立方体的八个顶角及立方体六个平面的中心。（） 4、金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。（） 5、金属结晶时过冷度越大，结晶后晶粒越粗。（） 6、一般说，晶粒越细小，金属材料的力学性能越好。（） 7、多晶体中各晶粒的位向是完全相同的。（） 8、单晶体具有各向异性的特点。（） 9、在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。（） 10、同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。（） 11、金属发生同素异构转变时要放出热量，转变是在恒温下进行的。（） 三、选择 1、α—Fe是具有（）晶格的铁。 A、体心立方 B、面心立方 C、密排六方 2、纯铁在1450℃时为（）晶格，在1000℃时为（）晶格，在600℃时为 （）晶格。A、体心立方 B、面心立方 C、密排六方 3、纯铁在700℃时称为（），在1000℃时称为（），在1500℃时称为（）。
电阻应变片传感器例题与习题例题：
例2-3 采用阻值为120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 解：单臂时40U K U ε=，所以应变为1时660102410244--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为330102410244--?=??==U K U ε/V ；双臂时2 0U K U ε=，所以应变为1时 6 6 01042 10242--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为 33 010*******--?=??==U K U ε/V ；全桥时U K U ε=0，所以应变为1时 60108-?=U /V ，应变为1000时应为30108-?=U /V 。从上面的计算可知：单臂时灵敏
度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。 例2-4 采用阻值R =120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片与阻值R =120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V 。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV ，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？ 解：由于不知是何种工作方式，可设为n ，故可得： 得n 要小于2，故应采用全桥工作方式。 例 2-5 解：（1）沿纵向粘贴时： 由112 10t E 0.49E 210N /m σ σεεμε=??= = =?， 6R R R K K 20.490.9810R εε-??=?=?=?=? （2）沿圆周向粘贴时： 66R 0.30.49100.14710R με--?=-=-??=-? 例2-6 解： 按题意要求圆周方向贴四片相同应变片，如果组成等臂全桥电路，当四片全感受应变 时，桥路输出信号为零。故在此种情况下，要求有补偿环境温度变化的功能，同时桥路输出电压还要足够大，应采取两片31R R 、贴在有应变的圆筒壁上做敏感元件，而另两片4 2R R 、
示范实验举例 实验一应变片单臂特性实验 一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。 二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得 （1—1） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R为： （1—2） 式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr 由材料力学得：εL= - μεr (1—3) 式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得： （1—4）
式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取 （1—5） 其灵敏度系数为： K= 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ?ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。 ＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的基本结构 应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝 或金属箔制成，如图1—1所示。
常用钢材的分类和用途 1、钢材的概念：钢材是钢锭、钢坯或钢材通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。 钢材是国家建设和实现四化必不可少的重要物资，应用广泛、品种繁多，根据断面形状的不同、钢材一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类、为了便于组织钢材的生产、订货供应和搞好经营管理工作，又分为重轨、轻轨、大型型钢、中型型钢、小型型钢、钢材冷弯型钢，优质型钢、线材、中厚钢板、薄钢板、电工用硅钢片、带钢、无缝钢管钢材、焊接钢管、金属制品等品种。 2、钢材的生产方法 大部分钢材加工都是钢材通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑性变形。根据钢材加工温度不钢材同以分冷加工和热加工两种。钢材的主要加工方法有： 轧制：将钢材金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产钢材型材、板材、管材。分冷轧、热轧。锻造钢材：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，常用作生产大型材、开坯等截面尺钢材寸较大的材料。 拉拨钢材：是将已经轧制的金属坯料（型、管、制品等）通过模孔拉拨成截面减小长度增加的加工方法大多用作冷加工。 挤压：是钢材将金属放在密闭的挤压简内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到有同形状和尺寸的成品的加工方法，多用于生产有色金属材钢材 一、黑色金属、钢和有色金属在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属、钢材钢与有色金属的基本概念。 1、黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁钢材为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和钢材制造铸件。把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件钢材，这种铸铁叫铸铁件。 铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在钢材炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 2、把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直钢材接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢材钢属于黑色金属但钢
金属材料及非金属材料基础知识 一、钢铁材料分类 钢铁材料又称黑色金属材料，钢铁是指钢和铁的统称，都是以铁和碳为主要元素组成的合金。 1、生铁的分类 生铁：碳的质量分数ωc大于2%的铁碳合金称为生铁 （1）按用途分： ①炼钢生铁：指平炉、转炉炼钢用生铁，其含Si量较低，ωsi不大于1.75%，含硫较高，ωs不大于0.07%。 炼钢生铁硬而脆，断口成白色，所以也叫白口铁。占生铁产量的80%-90% ②铸造生铁:又称翻砂铁，一般含Si量较高，ωsi达3.75%，含硫量较低，ωs不大于0.06%。断口呈灰色又称 灰口铁。它占生铁产量的10% （2）按化学成份分： ①普通生铁：普通生铁是指不含其它合金元素的生铁，如炼钢生铁、铸造生铁 ②特种生铁： a.天然合金生铁：天然合金生铁是指含有共生金属，如铜、钒、镍等的铁矿石或精矿石，用还原剂还原而炼 成的一种生铁，它含有一定量的合金元素，可用来炼钢或铸造。 b.铁合金：是在炼铁中特意加入其它成份，炼成含有多种合金元素的特种生铁，如硅铁、锰铁、铬铁、钼铁 等等。 2、铸铁的分类 碳的质量分数ωc超过2%（一般为2.5%-3.5%）的铁碳合金称为铸铁，是用铸造生铁经冲天炉等设备重熔，用于浇铸机器零件。 （1）按断口颜色分： ①灰铸铁：铸铁中碳大部或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断口是暗灰色，故称灰铸铁，有一定力学 性能和良好的被切削加工性。
②白口铸铁：组织中完全没有或几乎没有石墨的一种铁碳合金，其中碳完全以渗碳体形式存在。 ③麻口铸铁：介于白口铸铁与灰口铸铁之间的一种铸铁，断口呈灰白相间的麻点，故称麻口铸铁，性能不好， 极少应用。 （2）按化学成份： ①普通铸铁：指不含任何合金元素的铸铁。如常用的灰铸铁，可锻铸铁等。 ②特殊铸铁：在普通铸铁中有意加入一些合金元素，借以提高铸铁某些特殊性而配制的一种高级铸铁，如各 种耐热、耐腐蚀、耐磨铸铁。 （3）按生产方式和组织性能分： ①孕育铸铁：又称变质铸铁，在灰铸铁基础上，采用“变质处理”即是在铁水中加入少量的变质剂（硅铁或硅 钙合金）造成人工晶核，获得细晶的珠光体和细片状石墨组织的一种高级铸铁。这种铸铁强度塑性和韧性比一般灰铸铁好，主要用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化大的大型铸件。 ②可锻铸铁：是一种由一定成份的白口铸铁经石墨化退火后而成，其中碳大部或全部成团絮状石墨的形式存 在。比灰铸铁具有较高的韧性，故又称韧性铸铁，此种铸铁并不可以锻造，多用来制造承受冲击载荷的铸件。 ③球墨铸铁：球墨铸铁又称球铁。它是通过在浇铸前往铁水中加入一定量的球化剂（如纯镁或其合金）和墨 化剂（硅铁或硅铝合金）以促进碳呈球状石墨结晶而获得的。由于石墨呈球状，应力大为减轻，它主要可减小金属基体的有效截面积，因而它的力学性能比普通灰铸铁高得多，也比可锻铸铁好。还具备比灰铸铁好的焊接性和接受热处理的性能；和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是一种同时兼有钢和铸铁优点的优良材料。因此，在机械工程上获得广泛应用。 3、钢的分类 （1）按冶炼方法分： ①平炉钢：指用平炉炼钢法所炼制出的钢（有停建平炉的趋势） 主要有普通碳钢、低合金钢、优质碳素钢。 ②转炉钢：指用转炉炼钢法所炼制的钢。分底吹、侧吹、顶吹和空气吹炼、纯氧吹炼等转炉钢。顶吹转炉
普通金属应变片常见参数和使用方法 本文档简要的介绍了应变及应变片相关的内容，包括个人在使用中应变片的关键参数，查到的一些应变片品牌，以及应变片的使用技巧，尽管最终应变用的是淘宝货，但这些查阅的资料对应变片的选型和使用很有帮助。其中应变计基础知识引自章和电气。 目录 关键参数 (2) 应变计命名规则 (2) 国产金属应变片举例 (2) 应变片基础知识 (3) 区分应力与应变的概念 (3) 应变片的构造及原理 (4) 惠斯通电桥概述 (5) 温度补偿 (7) 应变片粘贴 (8) 残余应力的概念 (11) 常见品牌： (12)
关键参数 应变计命名规则 常见应变计命名规则 应变计命名规则国产金属应变片举例
应变片基础知识 所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示： 在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗 外力的力——内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值 即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。 例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力： （Pa或者N/m2） 这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。 图1 ，那么圆柱体的长度则 的比值所表示的伸长率（或压缩 与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。 而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示： 这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。
钢管的品名分类 品名详细品名材质 弹簧钢高强弹簧钢50CrV4，50CrVA 弹簧钢 51CrMoV4，51CrV4，60CrMnA，60CrMnA，60Si2CrA 60Si2CrVA ，60Si2MnA，70S，60Si2Mn，77-82B 50-51CrV4，50CrMnVA，55Cr3，52CrMnV4，55CrMnA 55SiMnVB，60CrMnB， 弹簧扁钢SAE5160(H)，SA387Cr12，9SUP 工模具钢 工具钢40-60CrNi 高强度标准件用 钢 B7 管坯 管坯钢L20Mn2，P91，42Cr，P22，P12，45MnMoB，28Mn2 石油管坯42MnMo7 锅炉管坯25MnG，SA-213-T11，SSW 合金管坯25MV，30-36Mn2V 不锈钢4130X 合金结构钢42CrMo，20Mn2 碳素结构钢16-50Mn 钢连铸圆管坯CL60(H) 合结钢 锅炉钢20G 保淬透性钢22CrMoH 齿轮钢SCM822H3，SGl 2 传动轴用钢48MnV，C56E2，CF53 淬透性合金结构 钢 AISI8740H， AISI4145H 淬透性结构钢40CrH，40CrHH 低合金钢. 16-28MnCr5 非调质钢12Mn2VB 非调质机械结构 钢 F45V 高强矿用圆钢23MnNiMoCr5 高压锅炉钢板15MoG 高压锅炉管坯钢 SA-210Al，SA-210C，SA-213T11，SA-213T12，SA-213T2 SA-213T22，SA-213T23，SA-213T91 工程机械用钢IE0669，IE0963，IE1106，IE1158M，IE1287，IE2892 工具钢42CrMo4 合结钢 27SiMnV，09MnD，9MnD，12Cr1MoV，18CD4，28Mn6 30-42CrMo，30CrMnTi，38CrMoAl，SAE1045W1
第三节用途广泛的金属材料 《新课导入》 随着科学技术的飞跃发展，金属的用途日新月异地变化着：改善钢质量的锰，用作战争金属和宇宙润滑剂的钼，最难熔的金属和光明的使者钨，最硬的金属铬，最重的金属锇，会贮藏气体的钯，能显示踪迹的钴，“长眼睛”的铷和铯，被称为“原子能工业之宝”的铍和锂，“多才多艺”的锆，钢铁的维生素钒，不怕烈火的钽，未来的金属钛，超导元素铌，神通广大的铝，珍贵而实用的铂，用途日新月异的银，国际金融交换媒介的金，核时代的燃料铀和钍……正在各显神通，人类生活在金属世界中，一刻也离不开金属。下面我们就以生铁和钢为例，来了解合金有哪些方面的重要应用？ 【教材讲解】 一、新课引入 展示教材图片，回顾人类使用金属的历程。 过渡：青铜和不锈钢都不是纯金属，因为纯金属质地一般比较软，所以日常生活中应用较多的是合金，青铜和不锈钢实际上就是合金。这节课我们就主要来研究各种各样的合金。我们先来看看各小组的合作成果——学生作关于合金知识的报告。 二、新课教学 学生报告：“你对合金知多少” 小结：肯定学生的积极性，并做一定的补充和介绍(例如人民币硬币的成分：壹元——镀镍合金；伍角——镀铜合金；壹角——铝合金)。 过渡：大家经过自己的努力了解了很多关于合金的知识，那么到底什么是合金？我们一起来总结。 学生阅读书本第64、65页，回答下列问题： 1．什么是合金？为什么合金比纯金属应用广泛？ 2．铜合金分几类？ 3．钢的含碳量不同，用途不同，你能总结出含碳量与钢性质之间的规律吗？ 学生回答，教师补充。 讲解并板书： 1．合金：一种金属跟其他一种或几种金属(或非金属)一起熔合而成的具有金属特性的物质。 性质：(1)合金的硬度大于它的各成分金属。 (2)合金的熔点一般比各成分金属低。
2020-2021年金属和金属材料 一、金属和金属材料选择题 1．我国第四套人民币硬币中，一元币为钢芯镀镍合金，伍角币为钢芯镀铜合金，一角币为铝合金或不锈钢，在选择铸造硬币的材料时，不需要考虑的因素是（） A．金属的硬度B．金属的导热性 C．金属的耐腐蚀性D．金属价格与硬币面值的吻合度 【答案】B 【解析】 【分析】 【详解】 在选择铸造硬币的材料时，需要考虑的因素有金属的硬度、金属的耐腐蚀性、金属价格与硬币面值的吻合度，至于金属是否导热不需要考虑． 2．如图所示的四个图象，能正确反映对应变化关系的是（） A．水的电解 B．木炭在密闭的容器内燃烧 C．加热一定量的高锰酸钾制氧气 D．等质量的锌、铁与足量的稀硫酸反应 【答案】D 【解析】
【分析】 A.根据电解水时生成的氢气和氧气的体积比分析； B.根据木炭燃烧时生成的二氧化碳与时间的关系分析； C.根据加热一定量的高锰酸钾时生成的氧气与时间的关系分析； D.根据等质量的锌、铁与足量的稀硫酸反应时，生成的氢气与时间的关系分析． 【详解】 A.电解水时生成的氢气和氧气的体积比是2：1，图中是质量比，故A选项说法不正确。 B.木炭在密闭的容器内燃烧时二氧化碳的质量应该是由零增加到一定值，故B选项说法不正确。 C.加热一定量的高锰酸钾制氧气时氧气的质量是不断增加的，当高锰酸钾完全反应后氧气的质量不再增加，故C选项说法不正确。 D.锌的活泼性大于铁与酸反应产生的氢气的速率快，等质量的锌和铁与酸反应，铁产生的氢气多。故D选项说法正确。故选D。 【点睛】 掌握电解水的实验、质量守恒定律、金属与酸反应的性质是正确解答本题的关键。 3．“三效催化转换器”可将汽车尾气中的有毒气体处理为无毒气体，下图为该反应的微观示意图。下列有关说法中，正确的是（）。 A．该反应属于置换反应B．反应前后分子和原子的种类及个数均不变 C．反应物均为氧化物D．参加反应的和质量之比为1∶1【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】 A、由微观示意图可知，反应物中没有单质参加反应，故不可能是置换反应，错误； B、在化学变化中，分子的种类一定发生变化，错误； C、由图可知，反应物是一氧化碳和一氧化氮，它们由两种元素组成，且一种元素是氧元素，故都是氧化物，正确； D、有图可知，2个一氧化氮分子与2个一氧化碳分子反应生成了1个氮气分子和2个二氧化碳分子，故参加反应的一氧化碳和一氧化氮分子个数比为1∶1，质量之比不可能为 1∶1，错误。 故选C。