材料科学基础知识

1常用金属材料基础知识日期：2007-10-232目录1.常用钢板牌号简介2.钢板性能指标定义3.XX钢板牌号命名体系简介4.钢板表面形貌对冲压成型的影响3钢板生产工艺流程4冷连轧低碳钢板冷轧板是由热轧板经过酸洗后冷轧再退火得到的。酸洗的目的为了出去氧化皮；热轧后再冷轧的目的是使晶粒进一步变小，组织更加紧密，从而塑性好，强度高；退火目的是去除内应力，减少钢的化学成分及组织的不均匀性，增加材料可塑性。冷轧板在常温下的金相组织由合金固溶铁素体和少量合金渗碳体组成。（铁素体是碳溶解在Fe的体心立方晶胞中的固溶体，合金固溶铁素体是指合金元素溶解在铁素体中；渗碳体是Fe和C的稳定化合物，合金渗碳体是合金元素与渗碳体形成稳定的化合物）常用的牌号：ＤＣ０１、ＤＣ０３、ＤＣ０４、ＤＣ０６ＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ、5加磷高强钢冷轧高强度钢板主要用磷强化,这是由于磷的强化能力很强,约为硅的7倍,锰的10倍。只要钢中磷含量≤0.12%,其对钢的冷脆性影响甚微，还应当指出,随着钢中含碳量增加,磷的冷脆性倾向加大。加磷高强度钢在组织上具有以下两个特点：1)磷属于置换固容强化,当磷原子置换铁原子时,在磷原子周围产生弹性形变,引起晶格位移,从而使钢强化。2)磷有利于在钢板表内层形成致密的保护层,提高了钢板的耐腐蚀性能，其耐蚀性提高15%～30%，可以弥补高强度钢板减薄对耐蚀性的不利影响。常用牌号：B170P1，B210P1，B250P16烘烤硬化钢•BH值：钢板在经过2%的预应变后放置在170±5度的温度下保持20分钟，然后进行拉伸试验，测得该试样对2%预应变时应力的增加值。一般为30MPa。烘烤温度提高,BH值增加,烘烤温度在280℃时BH值达到最大值。XX公司涂装的烘烤温度最高间在180±10度。•烘烤钢的机理：有间隙固溶原子C、N的退火状态薄板经变形后导致基体内位错密度增加,C、N原子向位错扩散的距离缩短,随着高温时效处理（如烤漆温度处理）,提高了C、N原子扩散的热激活能,促使其向位错的扩散加快。C、N原子在位错处聚集,钉轧位错,此时薄板再变形需要更高的屈服应力•常用的牌号；B140H1、B180H17双相钢双相钢是由铁素体和马氏体两相组织构成的钢板，马氏体弥散分布在铁素体基体上，马氏体的体积百分比一般不超过20％。钢板的强度主要由马氏体的体积百分比的多少决定。常用的牌号：DP600、DP800。8低合金高强钢•低合金高强度钢是在低碳钢中添加少量的Ni或Ti等合金元素(总量不超过3%)，使其与C、N等元素形成碳化物、氮化物并在铁素体基体上析出从而提高钢的强度。这种钢具有良好的成形性能和较高的强度，主要用于汽车座椅、横梁等结构件。•常用的低合金高强度钢有B340LA、B410LA、B280VK(宝钢)等。9热轧酸洗钢板•热轧板指在温度t800℃时轧制而成的晶粒较冷轧板粗大、含碳量较冷轧板高、塑性较冷轧板差的钢板。其生产流程短，成本低，主要是用来制造汽车车架、车轮、车厢及底盘和结构件。这种钢板经盐酸酸洗在线平整和涂油，钢板表面光洁平整，尺寸精度高，称热轧酸洗钢板。可用它代替部分冷轧钢板生产结构件和深冲件，以降低汽车成本。热轧板有酸洗和非酸洗两种，但汽车用热轧板一般采用酸洗板。热轧板按照成形特点分为冷成形用热连轧钢板及钢带、汽车结构用热连轧钢板及钢带。•常用牌号：SPHC、SPHD、SPHE、SAPH370、SAPH440、10镀锌钢板•主要分为电镀锌钢板和热镀锌钢板，目前XX公司用的镀锌钢板都是热镀锌钢板，原因是热镀锌的成本比较低。是镀纯锌的。镀纯锌的耐蚀性好。•热镀锌钢板的成本要比基板的价格高出800元/吨。热镀锌钢板的镀层又分为纯锌和锌-铁合金。镀锌钢板对焊接性能有较大影响。11车身钢材的性能指标•车身钢材常用的基本性能指标有：•屈服强度、抗拉强度、伸长率、应变强化指数n，即加工硬化指数•塑性应变比r值，即宽度方向和厚度方向的变化比值•弹性模量E•硬度12•屈服强度•金属试样在静拉力（5mm/min）试验过程中，载荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象，称为“屈服”。是永久塑性变形的开始。•抗拉强度•金属试样在拉力试验时，拉断前所能承受的最大应力，单位为MPa。13•伸长率•金属在拉力试验时，试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，称为伸长率。•应变强化指数n•钢材在拉伸中实际应力（纵轴）－应变（横轴）曲线的斜率。其物理意义是，n值高，表示材料在成形加工过程中变形容易传播到低变形区，而使应变分布较为均匀，减少局部变形集中现象，因此n值对拉延胀形非常重要。n反应了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。14•塑性应变比r值•r值表示钢板拉伸时，宽度方向与厚度方向应变比之比值。r值越大，表示钢板越不易在厚度方向变形（越不容易开裂），深冲性越好。ｒ值是表征深冲性的重要指标。•真实应力——应变曲线•材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化。但材料的加工硬化行为，不能用工程应力-应变曲线来描述。因为工程应力σ=F/A,工程应变δ＝ΔL/L0。应力的变化是以不变的原始截面积来计量，而应变是以初始的试样标距长度L0来度量。但实际上在变形过程的每一瞬时试样的截面积和长度都在变化，这样，自然不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化，而必须采用真实应力-应变曲线。15•弹性模量•弹性模量E表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。钢铁的弹性模量一般为２１０ＧＰａ，不同类型的材料，其弹性模量可以差别很大。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。•例如铁(钢)的弹性模量为210GPa，是铝(铝合金)的三倍(EAl≈70GPa)。弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。16•布氏硬度•a.布氏硬度试验的基本原理•布氏硬度的测定原理是：在直径D的钢珠上，加一定负荷P，压入被试金属的表面，根据金属表面压痕的陷凹面积F凹计算出应力值。布氏硬度的符号以HB标计。•b.布氏硬度试验的优缺点和适用范围•优点：代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。试验数据稳定，试验数据从小到大都可以统一起来。•缺点：１、钢球本身变形问题。对HB450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。•２、不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。17•洛氏硬度值的规定•生产上用得最多的是A级、B级和C级，即HRA(金钢石圆锥压头、60kgf负荷)，HRB(1/16钢球压头、100kgf负荷)和HRC(金钢石圆锥压头、150kgf负荷)，而其中又以HRC用得最普遍。•因为洛氏硬度是以压痕陷凹深度t作为计量硬度值的指标。在同一硬度级下，金属愈硬则压痕深度t愈小，愈软则t愈大。如果直接以t的大小作为指标，则将出现硬金属t值小从而硬度值小，软金属的t值大从而硬度值大的现象，这和布氏硬度值所表示的硬度大小的概念相矛盾，也和人们的习惯不一致。为此，只能采取一个不得已的措施，即用选定的常数来减去所得t值，以其差值来标志洛氏硬度值。此常数规定为0.2mm(用于HRA、HRC)和0.26mm(用于HRB)。18•洛氏硬度试验的优缺点•洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是：•1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；•2)压痕小，不伤工件表面；•3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。•缺点是：用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。19•维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136°的四方角锥体，由金钢石制成。之所以采用四方角锥，是针对布氏硬度的负荷P和钢球直径D之间必须遵循P/D2为定值的这一制约关系的缺点而提出来的。采用了四方角锥，当负荷改变时压人角不变，因此负荷可以任意选择，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。20•四方角锥之所以选取136°，是为了所测数据与HB值能得到最好的配合。因为一般布氏硬度试验时，压痕直径d多半在0.25D到0.5D之间，当d＝0.375D时，通过此压痕直径作钢球的切线，切线的夹角正好等于136°。所以通过维氏硬度试验所得到的硬度值和通过布氏硬度试验所得到的硬度值能完全相等，这是维氏硬度试验的第二个特点。此外，采用四方角锥后，压痕为一具有清晰轮廓的正方形，在测量压痕对角线长度d时误差小，这点比用布氏硬度测量圆形的压痕直径d要方便得多。还有，采用金钢石制压头可适用于试验任何硬质的材料。21•和布氏、洛氏硬度试验比较起来，维氏硬度试验具有许多优点。它不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题。而它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度，这点只有洛氏表面硬度级才能做到。但即使在这样的条件下，也只能在该洛氏级内进行比较，和其它硬度级统一不起来。此外洛氏由于是以压痕深度为计量指标，而压痕深度总比压痕宽度要小些，故其相对误差也越大些。因此，洛氏硬度数据不如布氏、维氏稳定，当然更不如维氏精确。22总的来说，维氏硬度试验具有另外两种试验的优点而摒弃了它们的缺点，此外还有它本身突出的特点——负荷大小可任意选择。唯一的缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。23钢板表面状况介绍•麻面钢板定义：•麻面钢板表面由无数微观的凸峰和凹谷组成,这些凹谷可以储存冲压时形成的金属碎屑和润滑油，因而麻面钢板比光面钢板具有更好的抗擦伤性能和成形性能，目前麻面钢板已广泛用于汽车车身的生产。24•麻面钢板生产工艺：•将平整辊用喷丸、激光等三种方法加工成表明毛化的平整辊，然后用毛化的平整辊对冷轧退火的钢板进行平整就得到了麻面钢板。•喷丸毛化的平整辊的表面形貌是随机,无序的,也是很难控制的。•激光毛化的平整辊的表面形貌是有规律的,也是可以控制的。25•表面形貌对冲压性能的影响：•激光毛化低粗糙度的冲压成型性能最好，激光毛化高粗糙度的次之,喷丸毛化钢板的成形性能最差.钢板表面形貌对油漆外观质量的影响汽车车身油漆外观的质量一般用漆膜的鲜映性来表示,而漆膜鲜映性又受面漆的性能,面漆的涂装条件和钢板表面形貌的影响。钢板表面形貌相差特别大时(如冷轧光面钢板表面粗糙度为0.15um,激光毛化高粗糙度钢板粗糙度为1.89um)油漆后的外观质量将有明显的差别。钢板表面粗糙度的波动范围为0.72一1.26um,油漆后的漆膜遮盖了几乎所有钢板表面形貌的差别.26激光拼焊激光拼焊：优势：•减少零件数量和零件重量•通过材料的合理选择，降低采购成本•减少余料和废料的运输，提高钢材的利用率•减少模具数量、装配工序和装配工具，同时提高装配精度•减轻车身重量、降低能耗、减少污染、提高车速•焊缝细小、焊缝热影响区窄、焊缝表面质量好•解决宽体车的生产27液压成型28热压成型热压成型的优势：•得到超高强度的车身零件；•减轻车身重量；•提高车身安全性、舒适性；•改善冲压成形性；•控制回弹，提高零件尺寸精度；•提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蚀性；•降低压机吨位要求；29热压成型工艺