第三节常用金属材料的一般知识

第三节常用金属材料的一般知识一、金属材料的性能金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。(一)金属材料的物理化学性能1．密度物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P表示。利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。常用金属材料的密度如下：铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g／cm3。2．导电性金属传导电流的能力叫做导电性。各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和铝。3．导热性金属传导热量的性能称为导热性。一般说导电性好的材料，其导热性也好。若某些零件在使用中需要大量吸热或散热时，则要用导热性好的材料。如凝汽器中的冷却水管常用导热性好的铜合金制造，以提高冷却效果。4．热膨胀性金属受热时体积发生胀大的现象称为金属的热膨胀。例如，被焊的工件由于受热不均匀而产生不均匀的热膨胀，就会导致焊件的变形和焊接应力。衡量热膨胀性的指标称为热膨胀系数。5．抗氧化性金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。热力设备中的高温部件，如锅炉的过热器、水冷壁管、汽轮机的汽缸、叶片等，易产生氧化腐蚀。一般用作过热器管等材料的抗氧化腐蚀速度指标控制在≤0．1mm／a。6．耐腐蚀性金属材料抵抗各种介质(大气、酸、碱、盐等)侵蚀的能力称为耐腐蚀性。化工、热力设备中许多部件是在腐蚀条件下长期工作的，所以选材时必须考虑钢材的耐腐蚀性。(二)金属材料的力学性能金属材料受外部负荷时，从开始受力直至材料破坏的全部过程中所呈现的力学特征，称为力学性能。它是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等。1．强度金属材料的强度性能表示金属材料对变形和断裂的抗力，它用单位截面上所受的力(称为应力)来表示。常用的强度指标有屈服强度及抗拉强度等。(1)屈服强度钢材在拉伸过程中，当拉应力达到某一数值而不再增加时，其变形却继续增加，这个拉应力值称为屈服强度，以σs表示。σs值越高，材料的强度越高。(2)抗拉强度金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。σb值越大金属材料抵抗断裂的能力越大，强度越高。强度的单位是MPa(兆帕)。2．塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。表示金属材料塑性性能有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。(1)伸长率金属材料受拉力作用破断时，伸长量与原长度的百分比叫做伸长率，以δ表示。%100001LLL式中L0——试样的原标定长度，mm；L1——试样拉断后标距部分的长度，mm。(2)断面收缩率金属材料受拉力作用破断时，拉断处横截面缩小的面积与原始截面积的百分比叫做断面收缩率，以甲表示。%10000FFF式中F——试样拉断后，拉断处横截面面积，mm2；F0——试样标距部分原始的横截面面积，mm2。(3)冷弯角冷弯角也叫弯曲角，一般是用长条形试件，根据不同的材质、板厚，按规定的弯曲半径进行弯曲，在受拉面出现裂纹时试件与原始平面的夹角，叫做冷弯角，以α表示。冷弯角越大，说明金属材料的塑性越好。3．冲击韧性冲击韧性是衡量金属材料抵抗动载荷或冲击力的能力，冲击试验可以测定材料在突加载荷时对缺口的敏感性。冲击值是冲击韧性的一个指标，以ak表示。ak值越大说明该材料的韧性越好。FAakk式中Ak——冲击吸收功，J；F——试验前试样刻槽处的横截面积，cm2；ak——冲击值，J／cm2。4．硬度金属材料抵抗表面变形的能力。常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV三种。(三)金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指承受各种冷热加工的能力。1．切削性能切削性是指金属材料是否易于切削的性能。切削时，若切削刀具不易磨损，切削力较小且被切削工件的表面质量高，则称此材料的切削性能好。一般灰口铸铁具有良好的切削性，钢的硬度在HB180～200范围内时具有较好的切削性能。2．铸造性能金属的铸造性能主要是指金属在液态时的流动性以及液态金属在凝固过程中的收缩和偏析程度。金属的铸造性能是保证铸件质量的重要性能。3．焊接性能焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性评定方法有很多，其中广泛使用的方法是碳当量法。这种方法是基于合金元素对钢的焊接性不同程度的影响，而把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当含量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳当量法用于对碳钢和低合金钢淬硬及冷裂倾向的估算。常用碳当量的计算公式1556CuNiVMoCrMnCCE碳当量式中元素符号表示它们在钢中所占的百分含量，若含量为一范围时，取上限。经验证明：当CE0．4％时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热；当CE＝0．4％～0．6％时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需采取适当预热和控制线能量等工艺措施；当CE0．6％时，钢材的淬硬倾向强，属于较难焊的材料，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。二、钢材和有色金属的分类、编号及性能随着生产和科学技术的发展，各种不同焊接结构的金属材料越来越多。为了保证焊接结构安全可靠，焊工必须掌握常用金属材料的基本性能和焊接特性。(一)钢材的分类钢和铁是黑色金属的两大类，都是以铁和碳为主要元素的合金。含碳量在2．11％以下的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。钢中除了铁、碳以外还含有少量其它元素，如锰、硅、硫、磷等。锰、硅是炼钢时作为脱氧剂而加入的，称为常存元素；硫、磷是由炼钢原料带入的，称为杂质元素。1．按化学成分分类(1)碳素钢这种钢中除铁以外，主要还含有碳、硅、锰、硫、磷等几种元素，这些元素的总量一般不超过2％。按含碳量多少，碳素钢又可分为：1)低碳钢含碳量小于0．25％。2)中碳钢含碳量为0．25％～0．60％。3)高碳钢含碳量大于0．60％。(2)合金钢这种钢中除碳素钢所含有的各元素外，尚还有其它一些元素，如铬、镍、钛、钼、钨、钒、硼等。如果碳素钢中锰的含量超过0．8％，或硅的含量超过0．5％时，这种钢也称为合金钢。根据合金元素的多少，合金钢又可分为：普通低合金钢(普低钢)，合金元素总含量小于5％；中合金钢，合金元素总含量为5％～10％；高合金钢，合金元素总含量大于10％。此外，合金钢还经常按显微组织进行分类，如根据正火组织的状态，分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢，有些含合金元素较多的高合金钢，在固态下只有铁素体组织，不发生铁素体向奥氏体转变，称为铁素体钢。2．按用途分类(1)结构钢(2)工具钢(3)特殊用途钢如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等。3．按品质分类(1)普通钢含硫量不超过0．045％～0．050％，含磷量不超过0．045％。(2)优质钢含硫量不超过0．030％～0．035％，含磷量不超过0．035％。(3)高级优质钢含硫量不超过0．020％～0．030％，含磷量不超过0．025％～0．030％。根据需要，钢材的几种分类方法可以混合使用。按照使用性能和用途综合分类如下：(二)钢材的编号我国的钢材编号方法是采用国际化学符号和汉语拼音字母并用的原则。即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn、Cr、W、Mo等，其中只有稀土元素由于含量不多但种类不少，不易全部一一标注出来，因此用“Re”表示其总含量。钢材的名称、用途、冶炼和浇注方法等，则用汉语拼音字母表示，如沸腾钢用“F”(沸)，锅炉钢用“g”(锅)，容器用钢用“R”(容)，焊接用钢用“H”(焊)，高级优质钢用“A”，特级优质碳素钢用“E”等。1．碳素钢的编号(1)碳素结构钢一般结构钢和工程用热轧钢板、型钢均属此类。按照GB700—88的规定，钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成，如Q235—A．F，Q235—B等。符号的规定为：Q——钢材屈服点(屈服强度)“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D——分别为质量等级；F——沸腾钢；b——半镇静钢；例如Q235，A．F的意义为：GBT00—88与GBT00—79所规定的碳素结构钢的牌号、技术要求和内容形式均有变化，新旧GB700标准牌号对照如表1—1，供参考。(2)优质碳素结构钢钢号用两位数字表示。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如45号钢表示钢中平均含碳量为0．45％，08钢表示平均含碳量为0．08％。优质碳素结构钢在供应时既保证化学成分又保证机械性能，而且钢中含的有害元素及非金属夹杂物比普通碳素钢的少。含锰量较高的钢，须将锰元素标出，如平均碳含量为0．50％，锰含量为0．7％～1．0％的钢，其钢号为“50锰”或“50Mn”。沸腾钢、半镇静以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标明，如“20g”即为平均碳含量为0．20％的锅炉用钢。“20R”即为平均碳含量为0．20％的压力容器用钢。表1—1新旧GB700标准牌号对照GB700—88GB700—79Q195不分等级，化学成分和力学性能(抗拉强度、伸长率和冷弯)均须保证，但轧制薄板和盘条之类产品，力学性能的保证项目，根据产品特点和使用要求，可在有关标准中另行规定。1号钢Q195化学成分与本标准1号钢的乙类钢B1同，力学性能(抗拉强度、伸长率和冷弯)与甲类钢A1同(A1的冷弯试验是附加保证条件)。1号钢没有特类钢。Q215A级B级(做常温冲击试验，V形缺口)A2C2Q235A级(不做冲击试验)B级(做常温冲击试验，V形缺口)C级(作为重要焊接结构用)D级(作为重要焊接结构用)A3(附加保证常温冲击试验，U形缺口)C3(附加保证常温或－20℃冲击试验，U形缺口)－－Q255A级B级(做常温冲击试验，V形缺口)A4C4(附加保证冲击试验，U形缺口)Q275不分等级、化学成分和力学性能均须保证C52．合金结构钢的编号合金结构钢的钢号由三部分组成：数字+化学元素符号+数字。前面的两位数字表示平均碳含量的万分之几，合金元素以汉字或化学元素符号表示，合金元素后面的数字，表示合金元素的百分含量。当元素的平均含量1．5％时，则钢号中只标出元素符号而不标注含量；其合金元素的平均含量≥1．5％、≥2．5％、≥3．5％……时，则在元素后面相应标出2、3、4、……如“16Mn”钢，从钢号可知：其平均含碳量为0．16％，平均含锰量为1．5％。钢中的一些特殊合金元素如V、Al、Ti、B、Re等，虽然它们的含量很低，但由于在钢中起到很重要的作用，所以也标注在钢号中。如“20MnVB”钢的大致成分为：C：0．20％，Mn1．5％，同时含有少量的钒和硼。3．不锈钢与耐热钢的编号化学元素符号前面的数字表示平均含碳量的千分之几，如“9Cr17”表示平均含碳量为0．9％；“1Cr18Ni9”表示平均含碳量为0．1％，平均含铬量18％左右，平均含镍量9％左右。当碳含量小于0．03％时，在钢号前标以“00”，如“00Cr19Ni10”钢；当碳含量小于0．08％时，则在钢号前冠以“0”，如“0Cr19Ni9”钢等。(三)钢材的性能及焊接特点1．低碳钢的焊接特点低碳钢由于含碳量低，强度、硬度不高，塑性好，所以应用非常广泛。焊接常用的低碳钢有Q235、20号钢、20g和20R等。由于低碳钢含碳量低，所以焊接性好。其焊接具有下列特点：(1)淬火倾向小，焊缝和近缝区不易产生冷裂纹。可制造各类大型构架及受压容器。(2)焊前一般不需预热，但对大厚度结构或在寒冷地区焊接时，需将焊件预热至100～150℃左右。(3)镇静钢杂质很少，偏析很小，不易形成低熔点共晶，所以对热裂纹不敏感。沸腾钢中硫、磷等杂质较多，产生热裂纹的可能性要大些。(4)如工艺选择不当，可能出现热影响区晶粒长大现象，而且温度越高，热影响区在高温停留时间越长，则晶粒长大越严重。(5)对焊接电源没有特殊要求，可采用交、直流弧焊机进行全位置焊接，工艺简单。2．中碳钢的焊接特点中碳钢含碳量比低碳钢高，强度较高，焊接性较差。常用的有35、45