金属材料的基础知识-06-07-18-1

金属材料的基础知识=917&news_catpath=0011:作者：夏纪真来自：发布时间：2006-2-1617:59:34§5.1金属材料的基础知识§5.1.2金属材料的分类一.碳钢一般指含碳量＜2.06%的铁碳合金，按照含碳量的多少，可以分类为：低碳钢-含碳量在0.08~0.25%，例如20钢（含碳量中值0.2%）、10钢（含碳量中值0.1%）、Q235钢（含碳量中值0.15%）等。低碳钢的塑性好，易于焊接、冲压、渗碳等处理。中碳钢-含碳量在0.25~0.70%，其中含碳量在0.25~0.45%左右的中碳钢多用作调质处理的结构零件，例如35钢（含碳量中值0.35%）、45钢（含碳量中值0.45%）等。含碳量在0.5~0.7%左右的中碳钢多用作高强度结构零件或弹性零件。高碳钢-含碳量大于0.55%，或者指含碳量在0.7~1.4%左右，用于不同要求的工模具、量具以及刃具等，例如T7和T7A（含碳量中值0.7%）、T8和T8A（含碳量中值0.8%）、T13和T13A（含碳量中值1.3%）等（称为碳素工具钢）按照碳钢的质量，可以分类为：普通碳素钢-含碳量控制不严格，含杂质要求S（硫）≤0.055%，P（磷）≤0.045%。普通碳素钢还分为甲（A）类钢，只保证机械性能而不标明化学成分，例如A3钢，在其后还可以加字母表示其所应用的冶炼方法，例如F表示沸腾钢，J表示碱性转炉钢，S表示酸性转炉钢，等等；乙（B）类钢，只保证化学成分；还有特（C）类钢，机械性能和化学成分都保证。优质碳素钢-含碳量范围控制比较严格，要求含硫量≤0.045%，含磷量≤0.040%，例如45钢就属于优质碳素钢。高级优质碳素钢-含碳量控制准确，要求含硫量＜0.030%，含磷量＜0.035%，但冶炼成本较高。按照钢在冶炼时的脱氧方法，可以分类为：沸腾钢（代号F）-钢水浇注时，由于碳和一氧化铁（FeO）发生反应析出一氧化碳（CO）气体，使得钢水液面上呈沸腾状态而得名。沸腾钢的组织不致密，性能不均匀，冲击韧性差，质量较低，多用于普通型材（普通角钢、钢筋等），例如A3F钢。镇静钢-冶炼时脱氧比较完全，因此钢水浇注时无沸腾现象，组织结构比较致密，质量较高，多用于优质和高级优质钢，例如A3R。半镇静钢-介于沸腾钢与镇静钢之间。按照钢的用途分类有：碳素结构钢（含碳量＜0.7%）-包括建筑结构钢（普通碳素结构钢）和机械结构钢（多为优质和高级优质碳素结构钢），例如焊条用钢（代号H）、压力容器用钢（代号R）、锅炉用钢（代号g），多层高压容器用钢（代号gC）等。碳素结构钢的牌号表示方法是：数字表示含碳量（以万分之一为单位，例如45钢，表示含碳量在0.45%）；数字后面加字母“A”表示高级优质的意思，如果加字母“Mn”则表示为含锰的优质钢，例如20Mn。碳素工具钢（含碳量＞0.7%）-优质和高级优质钢，表示方法为字母“T”后加数字表示含碳量（以千分之一为单位），例如T8（含碳量0.8%），T13（含碳量1.3%），T7（含碳量0.7%），如果在数字后面再加字母“A”则表示为高级优质钢，例如T7A，T8A等。二.合金钢按照所含合金元素量分类：低合金钢-合金元素总含量＜2.5%，例如16Mn。中合金钢-合金元素总含量为2.5~10%，例如5CrNiMo、40CrNiMo等。高合金钢-合金元素总含量＞10%，例如Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti、1Cr11Ni2W2MoV等。按照用途分类：合金结构钢-包括建筑用钢（多为普通低合金钢）和机械制造用钢（例如合金渗碳钢-20CrMnTi、12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等；合金调质钢-40Cr、40CrNiMoA、38CrMoAlA、30CrMnSi等；合金弹簧钢-65Mn、50CrVA等；滚动轴承钢-GCr15等）。合金结构钢牌号前面两位数字表示含碳量（以万分之一为单位），后面的字母符号以及随后紧跟的数字表示元素及其含量（以百分之一为单位，如果仅有元素字母没有数字，则表示该元素的含量在1%或1%以下）。合金工具钢-含碳量小于1%时，在牌号前面用数字表示（以千分之一为单位），例如3Cr2W8V、9Mn2V、5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5W2VSi等；含碳量大于等于1%时，牌号前面不标明数字，例如CrWMn、Cr12MoV、W18Cr4V等，字母符号以及随后紧跟的数字表示元素及其含量（以百分之一为单位，如果仅有元素字母没有数字，则表示该元素的含量在1%或1%以下）。合金工具钢又可进一步细分为刃具钢（低合金与高合金刃具钢）、模具钢（用于冷冲压、冷轧、冷挤压等的称为冷变形模具钢；用于锻造、热轧、热挤压等的称为热变形模具钢或热作模具钢；用于铸造模具的称为铸模钢）以及用于制作量具的量具钢等等。特殊用途钢-按照具体用途不同，可以分为许多种类，其牌号标志方法与合金工具钢相同，或者自有规定的专用代号。不锈钢-具有耐蚀不锈的性能。一般把在大气环境下能抵抗腐蚀的统称为不锈钢；在某些浸蚀性强烈的介质（例如硫酸）中能抵御腐蚀作用的称为耐酸不锈钢；在高温环境下能抵御腐蚀的称为耐热不锈钢等。按照不锈钢的显微组织形态，又可以分为马氏体不锈钢（以马氏体为基体，例如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoV等）、奥氏体不锈钢（以奥氏体为基体，例如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9等）、铁素体不锈钢（以铁素体为基体，例如Cr17）以及半马氏体不锈钢等。不同的不锈钢各自具有不同的承受腐蚀的性能。抗磨钢-耐磨性好，例如ZGMn13（高锰铸钢，ZG表示铸造钢，例如可用于铁路路轨岔辙）。超高强度钢-具有很高的机械强度，例如30CrMnSiNi2A等。超高强度钢也分为低合金、中合金与高合金三类。高温合金-在高温环境中仍能保持较高的强度性能，按照其显微组织形态和化学成分，可分为镍基高温合金与铁基高温合金、铁镍基高温合金三类。例如GH33A、GH30、GH16、GH36、GH901、GH220、GH44，以及铸造用高温合金K3等等。此外，根据钢的用途还可划分有易切削钢、电工硅钢、焊条用钢、磁钢、硬质合金、桥梁用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、铸造用钢……等等。三.铸铁常见的铸铁主要有以下几种：灰口铸铁-其中的碳全部或大部以自由碳（石墨）的形式存在，代号HT，后面以数字表示其抗拉强度和抗弯强度。例如HT38-60，“38”表示抗拉强度不小于38公斤力/平方毫米，“60”表示抗弯强度不小于60公斤力/平方毫米。根据灰口铸铁的显微组织形态，还可以进一步划分为铁素体灰铸铁、珠光体/铁素体灰铸铁、珠光体灰铸铁以及变质灰铸铁。可锻铸铁-其中的碳全部或大部以团絮状石墨形态存在，代号KT，后面用第一个数字表示抗拉强度（公斤力/平方毫米），第二个数字表示延伸率（%），例如KT30-6。球墨铸铁-其中的碳全部或大部以球状石墨形态存在，代号QT，后面用第一个数字表示抗拉强度（公斤力/平方毫米），第二个数字表示延伸率（%），例如QT30-6。合金铸铁-在铸铁中加入了合金元素以提高其机械性能，还可以进一步划分为高强度合金铸铁、耐磨铸铁、耐热铸铁等，例如稀土镁钼、铬钼铜、高硅球铁等。四.有色金属与合金（1）铜与铜合金可分为：纯铜-以Tx（x为数字）表示，例如T1、T2、T3等黄铜-以Hxx（x为符号与数字）表示，主要为铜锌合金，可再划分为普通黄铜（例如H80，表示含有80%Cu和20%Zn），锡黄铜（例如HSn90-1，表示含有90%Cu和1%Sn），铅黄铜（例如HPb59-1），铝黄铜（例如HAl85-0.5），硅黄铜（例如Hsi80-3），锰黄铜（例如HMn59-3-2），铸造黄铜（例如ZHMn58-2-2，ZHAl66-6-3-2等）。除了普通黄铜，其余的可归为特殊黄铜。青铜-以Qxx（x为符号与数字）表示，这是指除锌以外的元素与铜组成的合金。例如锡青铜（又称普通青铜，例如QSn4-3），铝青铜（例如Qal10-4-4），铍青铜（例如Qbe2），铅青铜（例如QPb30）等。白铜-这是铜镍合金，以Bxx表示。有普通白铜（例如B19），铝白铜（例如Bal6-1.5），锌白铜（例如BZn17-18-1.8），铁白铜（例如Bfe5-6）等等。滑动轴承合金-用于滑动轴承、轴瓦等，其种类有锡基合金（含有锑、铜等元素，又称锡基巴氏合金），铅基合金（含有锑、锡、铜等元素，又称铅基巴氏合金），锌基耐磨合金，铸造青铜等。（2）铝合金主要分为铸造铝合金（以ZLxx表示，例如ZL101、ZL105等）和压力加工用铝合金。压力加工用铝合金可分为：防锈铝：以LFxx表示，例如LF21，LF11，LF5，LF2等。硬铝：以Lyxx表示，例如Ly11，Ly16，Ly12等。超强度硬铝（简称超硬铝）：以LCxx表示，例如LC4，LC9等。锻造铝合金（简称锻铝）：以LDxx表示，例如LD5，LD10，LD7等。和钢相比之下，铝合金有一个明显的特点是淬火后仍能保持良好的塑性，强度没有明显增加，需要经过时效处理后才能使其强度和硬度提高（防锈铝不能通过热处理强化）。（3）镁合金镁合金的塑性与耐蚀性都很差，但是其最大的特点是比重轻（约为1.7），能得到较高的比强度（强度与比重之比），而其表面则通过阳极化处理以及涂敷漆层等方法实现防腐。主要应用的镁合金有铸造镁合金（以ZMxx表示）和锻造镁合金（又称变形镁合金，以MBxx表示，例如MB15，MB2等）。（4）钛及钛合金钛合金的比重也是比较轻（约4.5），能得到较高的比强度（强度与比重之比），但其很大的特点是耐蚀性强，因而已经得到越来越多的应用。纯钛的牌号主要有TA1。钛合金的分类主要依据其显微组织形态与类型，有：α型钛合金-例如TA7。β型钛合金-例如TB1，TB2。α-β型钛合金-例如TC4，TC6，TC9，TC11等。此外还有近α型和近β型钛合金。5.2金属材料性能的基础知识§5.2金属材料性能的基础知识金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。一.机械性能（一）应力的概念物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。（二）机械性能金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：1.强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPaσb=Pb/Fo式中：Pb–至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）；Fo–拉伸试样原来的横截面积。（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。金属材料的拉伸试验曲线σs=Ps/Fo单位