金属材料基础培训

金属材料基础知识培训钢研纳克技术中心文志旻2012年5月一、引言材料是人类社会发展的基础材料是指人类用以制造各种有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础，是人类进化史上的里程碑材料、能源、信息并列称为现代文明的三大支柱，而材料是基础任何物质只要能为人类经济地使用，就成为材料所谓金属，就是一种具有光泽(即对可见光强烈反射)、延展性好、容易导电和导热的物质在自然界中，绝大多数金属以化合物的形式存在，少数金属(如金、铂、银)以单质的形式存在。元素周期表里的100多种元素中，金属元素占了3/4。金属材料的分类方法1、科学上的分类科学上的分类是依据元素周期表，将金属按一定的规律分为碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素等。2、工业上的分类分类依据类别是否有铁钢铁材料、非铁金属材料颜色黑色金属、有色金属密度重金属、轻金属市场价值贵金属、贱金属储量稀有金属、富有金属钢铁材料也称为黑色金属材料，包括生铁、铁合金、铸铁、铸钢、结构钢、工具钢、不锈钢、耐热钢等。非铁金属材料也称为有色金属材料，包括铝、镁、铜、锌、钛、镍、稀土金属、稀有金属、贵金属、半金属等。一般工业生产中金属材料的分类如下表所示。二、钢铁材料的分类1、生铁的分类生铁是含碳量大于2.11％(质量分数)的铁碳合金，工业生铁含碳量一般为2.5%~4%(质量分数)，并含硅、锰、硫、磷等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。生铁按用途不同分为炼钢生铁和铸造生铁。(1)炼钢生铁是炼钢的主要原料，在生铁产量中占80％~90％，硬而脆，断口呈白色，也叫白口铁。一般含硅量较低，含硫量较高。(2)铸造生铁是指用于铸造各种铸件的生铁，俗称翻铁砂，在生铁产量中占10％~20％，是炼钢厂的主要商品铁，断口呈灰色，所以也叫灰口铁。一般含硅量较高，含硫量稍低。1、生铁的分类2、铁合金铁合金是铁与一种或几种元素组成的合金，主要用于钢铁冶炼。在钢铁工业中一般还把所有炼钢用的合金，不论含铁与否(如硅钙合金)，都称为“铁合金”。作为炼钢过程中的脱氧剂、合金剂的铁合金是炼钢和铸钢的重要原料，可以改善钢的理化性能和铸件的力学性能。2、铁合金(1)脱氧剂炼钢时所添加的一些与氧结合力比较强，且其氧化物又能顺利从钢液中排除，用以降低钢液中的氧含量的金属称为脱氧剂。常用的脱氧剂有硅铁、锰铁、铝铁、硅钙铁、硅锰铁、硅钡铁、硅铝铁等。(2)合金剂在钢中加入各种铁合金可以调整其化学成分，生产出各种新金属材料。常用的合金剂主要有铬铁、钼铁、钨铁、钛铁、铌铁、钒铁、镍铁等。3、铸铁的分类铸铁与生铁的区别是进行了二次加工，即将铸造生铁在炉中重新熔化，并加入铁合金、废钢进行成分调整而得到。铸铁中碳的质量分数大于2.11％。铸铁具有许多优良的力学性能且生产简便，成本低廉，是应用最广泛的材料之一。3、铸铁的分类(1)按断口颜色分类铸铁按断口颜色不同分为灰铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。1)灰铸铁灰铸铁的大多数力学性能指标远低于钢，但抗压强度与钢相当，具有良好的铸造性能、减振性、耐磨性、切削加工性能及低的缺口敏感性，常用来生产一些强度要求不高、主要承受压力的箱体或底座等。灰铸铁是工业生产上应用最普遍的一种铸铁。2)白口铸铁白口铸铁(不是白口铁，白口铁是一种生铁)是不含石墨的铸铁，几乎全部的碳都与铁形成碳化三铁。它具有很高的硬度和脆性，不能承受冷加工，也不能承受热加工，只能直接用于铸造状态。它是一种良好的抗磨材料，可在磨损条件下工作。白口铸铁包括普通白口铸铁、低合金白口铸铁、中合金白口铸铁和高合金自口铸铁。3)麻口铸铁麻口铸铁又称麻口铁、斑铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状。由于麻口铸铁的综合性能不好，故应用较少。3、铸铁的分类(2)按化学成分分类铸铁按化学成分不同可分为普通铸铁与合金铸铁两类。1)普通铸铁普通铸铁是指不含合金元素的铸铁，一般常用的灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等都属于这一类铸铁。2)合金铸铁合金铸铁是指在普通铸铁内有意识地加入一些合金元素，以提高铸铁某些特殊性能而配制成的一种高级铸铁，如具有各种耐蚀、耐热、耐磨特殊性能的铸铁。3、铸铁的分类(3)按生产方法和组织性能分类铸铁按生产方法和组织性能不同可分为普通灰铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊性能铸铁。1)普通灰铸铁普通灰铸铁具有一定的强度、硬度、良好的减振性和耐磨性；具有高导热性，好的抗热疲劳能力；同时还具有良好的铸造工艺性能，以及优异的切削加工性能。普通灰铸铁生产简便，成本低，在工业和民用生活中得到了广泛的应用。2)孕育铸铁孕育铸铁也叫变质铸铁，是在灰铸铁的基础上，采用变质处理(即在铁液中加入少量的变质剂)得到的一种高级铸铁。这种铸铁的强度、塑性和韧性均比普通灰铸铁好得多，主要用来制造力学性能要求较高且截面尺寸变化较大的大型铸铁件。3、铸铁的分类3)可锻铸铁可锻铸铁也叫韧性铸铁，它的名字很奇怪，虽然名曰“可锻”，但这种铸铁却不可锻造，只是比灰铸铁具有更高的韧性，一般是由白口铸铁经退火而成。这种铸铁可用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车与拖拉机的前后轮壳、低压阀门、管接头等。4)球墨铸铁球墨铸铁和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料。5)特殊性能铸铁特殊性能铸铁是一些具有某些特性的铸铁，根据用途的不同，可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。3、铸铁的分类(4)按碳在铸铁中存在的状态分类按碳在铸铁中存在的状态的不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。1)白口铸铁中的碳，不以石墨形式存在，断口呈亮白色，硬而脆。2)碳以石墨形式存在的有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。①灰铸铁中石墨以片状形式存在；②可锻铸铁中石墨以团絮状形式存在；③球墨铸铁中石墨以圆球状形式存在；④蠕墨铸铁中石墨以蠕虫状形式存在。4、钢的分类钢是碳的质量分数为0.04％一2.11％的铁碳合金。钢的分类方法很多，一般可按品质、用途、化学成分、制造加工形式和冶炼方法分类。(1)按品质分类钢按品质不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。1)普通钢S、P等杂质及残存元素含量的控制要求一般的钢。普通非合金钢中S不大于0.055%，P不大于0.045%；普通低合金钢中S、P含量按A、B、C、D、E质量等级分别为不大于0.045%、0.040%、0.035%、0.030%、0.025%；对其它杂质元素的含量也有明确的控制要求，主要用于制作建筑结构件和要求不太高的机械零件。4、钢的分类2)优质钢S、P等杂质及残存元素含量的控制要求较高的钢。优质非合金结构钢中S、P均不大于0.040%，优质非合金工具钢中S、P分别不大于0.030%、0.035%，主要用于制作机械结构零件和工具，如轴承、弹簧等。3)高级优质钢高级优质钢含杂质元素极少，其中硫和磷的质量分数均少于0.03％，主要用于重要机械结构零件和工具。为了区别于一般优质钢，这类钢的钢号后面，通常加符号“A”以便识别，如Q235A等。4、钢的分类(2)按用途分类钢按用途不同分为结构钢、工具钢、特殊钢和专业用钢。1)结构钢又分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢。①建筑及工程用结构钢是用于建筑、桥梁、锅炉或其他工程上制造金属结构件的钢，多为低碳钢。由于大多要经过焊接施工，故其含碳量不宜过高。②机械制造结构钢用于制造机械设备上的结构零件，基本上都是优质钢和高级优质钢。4、钢的分类2)工具钢工具钢是用于制造工具的钢，可制造刀具、模具、量具、手工工具等。3)特殊钢特殊钢指用特殊方法生产，具有特殊物理性能、化学性能和力学性能的钢，主要包括不锈钢、耐热钢、高电阻合金钢、耐磨钢、磁钢等。4)专业用钢专业用钢指各工业部门专业用途的钢，如农机用钢、机床用钢、汽车用钢、航空用钢、锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢等。4、钢的分类(3)按化学成分分类钢按化学成分不同分为碳素钢和合金钢。1)碳素钢碳素钢是指碳的质量分数不大于2％，并含有少量锰、硅、硫、磷和氧等杂质元素的铁碳合金。按含碳量的不同又分为四类：①工业纯铁，是指碳的质量分数不大于0.04％的铁碳合金；②低碳钢，是指碳的质量分数在0.04％~0.25％范围内的铁碳合金；③中碳钢，是指碳的质量分数在0.25％～0.60％范围内的铁碳合金；④高碳钢，是指碳的质量分数在0.6％~2.0％范围内的铁碳合金。4、钢的分类2)合金钢合金钢是在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时加入一些合金元素(如铬、镍、钼、钨、钒、钛等)而炼成的钢。按合金元素的总含量不同可分为三类：①低合金钢，是指合金元素的总质量分数不大于5％的钢；②中合金钢，是指合金元素的总质量分数在5％～10％范围内的钢；③高合金钢，是指合金元素的总质量分数大于10％的钢。4、钢的分类(4)按制造加工形式分类钢按制造加工形式的不同分为铸钢、锻钢、热轧钢、冷轧钢、冷拔钢等。1)铸钢铸钢是指用铸造方法生产出来的一种钢，碳的质量分数为0.15％～0.6％。随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大载荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件，如摇枕、侧架、车轮等。2)锻钢锻钢指用锻造方法生产出来的各种钢。锻钢制造出的零件质量比铸钢件高，能承受较大的冲击力，用于制造一些重要的机器零件，如大型阀门、法兰等。4、钢的分类3)热轧钢热轧钢是指用热轧方法生产出的各种钢材。常用于生产型钢、钢管、钢板等。4)冷轧钢冷轧钢是指用冷轧方法生产出的各种钢材。与热轧钢相比，它的特点是表面光洁，尺寸精确，力学性能好。常用来轧制薄板、精密钢带和精密钢管。5)冷拔钢冷拔钢是指用冷拔方法生产出的各种钢材。特点是精度高，表面质量好。主要用于生产钢丝。4、钢的分类(5)按冶炼方法分类钢按冶炼方法不同分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢及特殊镇静钢。1)沸腾钢沸腾钢是指脱氧不完全的钢。钢在冶炼后期不加脱氧剂，导致钢液中含氧量较高(质量分数为0.02％～0.04％)、在锭模中发生强烈反应生成一氧化碳气泡，浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象，气体逸出。钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。优点是钢的收缩率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好，广泛应用于一般建筑工程。缺点是钢的杂质较多，成分不均匀。4、钢的分类2)镇静钢镇静钢是指炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧进行较完全的钢。浇注时钢液很平静，没有沸腾现象。镇静钢的生产成本虽然较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，适用于预应力混凝土等重要的结构工程。3)半镇静钢半镇静钢是指脱氧介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。浇注时沸腾现象较沸腾钢弱，生产很难控制，在钢产量中所占比例很小。4)特殊镇静钢特殊镇静钢是指比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢。这类钢质量最好，适用于特别重要的结构工程。钢铁材料的特点资源丰富地壳中5%的丰度成本低廉大部分钢材的售价较低便于回收90%的钢铁材料可回收性能优良且多样强度和韧度耐腐蚀性能耐磨性能低温性能特殊功能固态多形性相变使得性能可大幅改变钢铁材料与技术的发展方向提高产量－满足经济建设发展需求高性能－高强度、高韧性、长寿命高内部质量－高洁净度、高均匀性、超细晶粒高表面质量－高尺寸精度和光洁度微合金化－改善组织和性能多品种－钢种和材型低成本－降低合金含量和工艺操作成本绿色化－易于回收和利用、可持续发展钢铁材料研究的挑战与机遇上千年的发展使其进一步创新难度增大工业化试验费用很高企业创新观念需加强经济效益显著，对国民经济影响较大上千年的发展积累了丰富的经验和奠定了良好的基础中国正逐步成为世界钢铁研究的中心三、金属材料的力学性能金属材料在不同环境(温度、介质、湿度)下，承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征，称为金属材料的力学性能，主要包括强度、硬度、塑性和冲击韧性等。检验金属材料力学性能的试验很多，通过试验测定相关数值