常用金属材料

金属材料•一、金属材料包括黑色金属材料和有色金属材料。•二、黑色金属是指铁和碳的合金。如钢、生铁、铸铁等。1、钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。生铁含碳量大于2％2、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，这种铸铁叫铸铁件。•三、有色金属材料有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。1.4.1钢1.化学成分对钢的力学性能的影响1)锰、硅的影响:有益元素.Mn和Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。Mn能减轻S的有害作用。FeS＋Mn＝MnS＋Fe,MnS高熔点，可以消除硫的热脆性。2)硫的影响:有害元素,Fe＋S＝FeS，FeS与Fe易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。FeS+Fe共晶体的熔点低（989℃），对钢进行热加工（锻造，轧制）时，加热温度常在1000℃以上，这时晶界上的FeS+Fe共晶熔化，导致热加工时钢的开裂。3)磷的影响:有害元素。P在钢中可溶于铁素体，使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生冷脆现象。冷脆现象：磷在纯铁中有相当大的溶解度它使钢的脆性转变温度急剧升高。温度降低时金属材料由韧性状态变化为脆性状态的温度区域叫脆性转变温度。2.钢的分类(1)按化学成分分类:根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为1）非合金钢（碳素钢），见教材27页2）低合金钢（合金元素含量小于5%）3）合金钢钢的分类化学成分质量等级主要性能使用特性表1-2部分合金元素规定质量分数界限值(%)合金元素非合金钢低合金钢合金钢Cr0.300.30~0.50≥0.50Mn1.001.00~1.40≥1.40Mo0.050.05~0.10≥0.10Ni0.300.30~0.50≥0.50Si0.500.50~0.90≥0.90(2)按主要质量等级分类1)普通质量钢：即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。S、P含量见教材p282)优质钢:即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,并达到比普通质量钢较高的质量要求。3）特殊质量钢：即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。按质量等级普通质量钢优质钢特殊质量钢(3)按使用特性分类工程结构用钢耐热钢不锈耐蚀钢机械结构用钢工具钢使用特性钢使用特性分类的具体解释•合金工具钢：容易淬硬，不易产生变形和裂纹，适于用来制造尺寸大、形状复杂的刃具、模具和量具。•工程结构用钢：工程和建筑结构用的合金钢。•机械结构钢：制造机器和机械零件的合金钢。它是在优质碳紊钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。•不锈耐蚀钢：它是由不锈钢和耐酸钢两大部分组成的。简言之，能抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，而能抵抗化学介质(如酸类)腐蚀的钢叫耐酸钢。•耐热钢：在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。(1)非合金钢1)普通碳素结构钢（p28）牌号：例如Q235F“Q”表示屈服点，“235”表示屈服点值为235MPa,“F”表示脱氧方法（沸腾钢）。用途：碳素结构钢w(C)为0.06%~0.38%。主要用来制造一般工程结构和普通机床零件，通常轧制成各种型材、板材和线材等。3.钢的牌号和应用牌号质量等级化学成分(质量分数,%)力学性能CMnSiSPσs/MPaσb/MPaδ(%)不大于Q195——0.06~0.120.25~0.500.030.0500.045195315~43033Q215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.045215335~45031Q255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045255410~55024Q275——0.28~0.380.50~0.800.350.0500.045275490~63020表1-3碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能2)优质碳素结构钢牌号：是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平均碳的质量分数（万分数）。例如45钢表示平均w(C)为0.45%的优质碳素结构钢。若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如08F。若含锰量较高，则在数字后加“Mn”符号。用途：主要用来制造比较重要的机械零件，如轴、连杆、弹簧等。20钢金相组织示意图牌号化学成分（质量分数，%）力学性能（不小于）应用举例CSiMnσs/MPaσb/MPaδ(%)ψ(%)HBS(热轧）08F0.05~0.11≤0.030.25~0.502951753560131要求冷成形性和焊接性良好的零件，如冲压件、焊接件等。200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156同上，且用于要求内韧外硬的渗碳件。600.57~0.650.17~0.370.50~0.806754001535255经淬火和中温回火具有较高弹性的各类弹簧等。表1-4优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例3）碳素工具钢牌号：是用规定符号T（碳字的汉语拼音字首）和数字表示（数字表示含碳量的千分之几）。例如T10A“10”表示平均w(C)为1%，“A”表示高级优质。用途:用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具，如锉刀、手锯条、拉丝模等。T12钢的金相组织图1-15丝锥牌号化学成分（质量分数，%）试样淬火HRC（不小于）应用举例CSiMnT80.75~0.84≤0.35≤0.40（780~800℃，水淬）62承受冲击，要求较高硬度的工具。如压缩空气工具等。T9A0.85~0.94≤0.40（760~780℃,水淬）62韧性中等，硬度高的工具。如冲头、木工工具，凿岩工具。T100.95~1.04不受剧烈冲击、高硬度、耐磨的工具。如冲头、手锯条等。T12A1.15~1.24不受冲击、要求高硬度、高耐磨的工具。如锉刀、量具等。表1-5碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用(2)低合金高强度结构钢牌号：例如Q390A“Q”表示屈服点，“390”表示屈服点值为390MPa，“A”表示质量等级为A级。用途：低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理，综合力学性能良好，用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。(3)合金钢1）合金结构钢牌号：例如60Si2Mn,“60”表示平均w(C)=0.6%，“Si2”表示平均w(Si)=2%，“Mn”表示平均w(Mn)1.5%。用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢，常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。例：渗碳钢，20CrMnTi；调质钢，40CrMn；弹簧钢，60Si2Mn。2）合金工具钢牌号：例1：低合金工具钢:9SiCr“9”表示平均w(C)=0.9%，“Si”表示平均w(Si)1.5%，“Cr”表示平均w(Cr)1.5%。用途：合金工具钢的力学性能优于碳素工具钢，广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。如钻头、绞刀、量块和冲模等。图1-16硬质合金冲模(4)铸钢将熔炼好的钢液直接铸成零件毛坯，不再进行锻造的钢件称铸钢件。性能特点：铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁，用途：主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的构件。如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在各类铸造合金中，铸钢的应用仅次于铸铁。主要分为：铸造碳钢和铸造合金钢。图1-17铸钢件1)铸造碳钢牌号：例如ZG230－450450—бb≥450MPa；230—бs（σ0.2）≥230MPa；ZG—“铸钢”汉语拼音首字母。性能特点：有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途：作砧座、轴承盖、齿轮等。图1-18各种铸钢件牌号化学成分（质量分数，%）力学性能（最小值）主要特点及应用CSiMnσs(σ0.2)/MPaΣb/MPaδ(%)ZG200－4000.200.500.8020040025塑性、韧性较好，强度、硬度较低，焊接性良好，但铸造性能差，用于受力不大，韧性要求较高的零件。如机座、机架等。ZG340－6400.600.600.9034064010强度、硬度较高，塑性、韧性较差，焊接性和铸造性能均差，用于受力较大的耐磨零件。如齿轮、棘轮、车轮等。表1-6铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用2)铸造合金钢即为改善性能而添加的合金元素含量超过铸造碳钢范围的铸钢。牌号：例如ZG30MnSi130——W（C）为0.3%左右。Si——W（Si）为0.9~1.4%Mn——W（Mn）为0.9~1.4%主要特点：耐磨性高。用途：用于受力较大的耐磨零件，如链轮、齿轮、承力支架等。1.4.2铸铁•铸铁：含碳量为2.5%~•4.0%的铁碳合金。性能特点：良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减震性，且熔炼工艺与设备比较简单，成本低廉。用途：铸铁件占铸件总产量的80%左右。如机床床身、箱体等。w(Si)1.0%~3.0%w(Mn)0.5%~1.3%w(P)≤0.3%w(S)≤0.15%w(C)2.5%~4.0%铸铁的化学成分1.铁碳合金双重相图铸铁中，碳的存在形式有渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（G）两种。铁碳合金实际上存在两种相图：（1）Fe－Fe3C相图，（2）Fe－G相图。图1-19铁碳双重相图2.铸铁的石墨化过程(三个过程)第一阶段：高温石墨化阶段，“一次结晶析出石墨G”1154℃：L4.26→A2.08+G(共晶)第二阶段：中间石墨化阶段，“二次结晶析出G”1154-738℃：A→G第三阶段：低温石墨化阶段，“共析反应析出G”738℃：A0.68→F+G(共析)铸铁的石墨化过程包括铸铁凝固时碳以石墨形态析出的过程和铸铁中碳化物分解为石墨的过程。以共晶合金为例，如果全部按照Fe-C(石墨)相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：第一阶段石墨化：温度在1154℃时液态合金通过共晶反应而形成石墨，其反应式为：L→A+G第二阶段石墨化：温度在1154℃~738℃范围内过饱铸铁的组织：铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织：（1）珠光体+石墨，（2）珠光体+铁素体+石墨，（3）铁素体+石墨。铁素体+石墨铁素体+珠光体+石墨珠光体+石墨铸铁组织3.影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。（1）化学成分碳和硅分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳、硅含量越高，石墨越容易析出。硫强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向，锰虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利于减弱硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成，强化基体，故铸铁中必须含一定量的锰。磷是微弱促进石墨化的元素，但会增加铸铁的冷脆性。（2)冷却速度1）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口，2）快冷：石墨来不及析出，碳以Fe3C存在，形成白口。注：要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，控制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制硫、磷的含量。（3）变质处理（孕育处理）•变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），如Si－Fe、Si－Ca合金，以增加石墨的结晶核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。•变质铸铁（孕育铸铁）即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。4.铸铁的分类、牌号及应用按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型。铸铁按石墨形态按碳的存在形式白口铸铁麻口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁铸铁中常见的石墨形态（示意图）铸铁中常见的石墨形态(1)片状（2）球状（3）团絮状（4）蠕虫状(1)白口铸铁白口铸铁：碳以游离碳化物的形式析出的铸铁，断口呈白色。白口铸铁硬而脆，难以加工，很少用来制造零件，有时利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件，如球磨机的衬板、磨球等。（2）麻口铸铁麻口铸铁：碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式