金属材料基础知识培训

金属材料基础知识2007.3.22一.概述：1.在机械、工程等工业领域中，采用的金属材料种类及品种繁多，其分类如下：2.金属材料性能：为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能（机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。2.1机械性能（力学性能）:机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。①强度:材料在外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。②屈服点δs：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时的应力值，单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。③抗拉强度δb：也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。④延伸率δ：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。⑤断面收缩率（Ψ）：材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。⑥硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度(HKA、HKB、HRC）⑦冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（J/cm2）。2.2工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。①铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。②焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。③冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。④冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。⑤锻造性能：金属材料锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。2.3化学性能：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。①耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。②抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。二.黑色金属：黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。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。习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。1.铁及其分类：1.1生铁：生铁是含碳量大于2％（2.11%）的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%~4.0%，并含Si、Mn、S、P等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。生铁生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）量分组，按含磷（P）量分级，按含硫（S）量分类。1）炼钢生铁：炼钢生铁含硅量不大于1.7%，碳以Fe3C状存在。故硬而脆，断口呈白色。主要用作炼钢原料和可锻铸铁原料，炼钢生铁见下表所示。2）铸造用生铁铸造生铁硅含量为1.25~3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。软、易切削加工。主要用来生产各种铸铁件原料如床身、箱体等。铸造生铁见下表所示：3）球墨铸造用生铁球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁，只是低硫低磷。低硫使碳充分在铁中石墨化。低磷提高生铁的机械性能；主要用于生产性能（机械性能）较好的球墨铸铁件。球墨生铁见下表所示：1.2铸铁:铸铁是含碳大于2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等特点。1）铸铁牌号的表示方法：各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。同一名称铸铁，需要细分时，取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母，排列在后面。见下表：牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。两组数字中间用“一”隔开。合金元素用国际元素符号表示，含量大于或等于1%时，用整数表示：小于1%时一般不标注。常规元素（C、Si、Mn、S、p）一般不标注，有特殊作用时，才标注其元素符号及含量。2）白口铸铁白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3C）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3C，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料。3）灰口铸铁铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。由于灰口铸铁内存在片状石墨，而石墨是一种密度小，强度低、硬度低、塑性和韧性趋于零的组分。它的存在如同在钢的基体上存在大量小缺口，即减少承载面积，又增加裂纹源，所以灰口铸铁强度低、韧性差，不能进行压力加工。为改善其性能，在浇注前在铁水中加入一下量的硅铁，硅钙等孕育剂，使珠光体基体细化，石墨变细小而均匀分布，经过这种孕育处理的铸铁。称为孕育铸铁。灰口铸铁的牌号、性能组织及用途见下表：4）可锻铸铁可锻铸铁是用碳、硅含量较低的铁碳合金铸成白口铸铁坯件，再经过长时间高温退火处理，使渗碳体分解出团絮状石墨而成，即可锻铁是一种经过石墨化处理的白口铸铁。可锻铸铁按热处理后显微组织不同分两类；一类是黑心可锻铸铁和珠光可锻铸铁。黑心可锻铸铁组织主要是铁素体（F）基本+团絮状石墨；珠光体可锻铸铁组织主要是珠光体（P）基体+团絮状石墨。另一类是白心可锻铸铁，白心可锻铸铁组织决定于断面尺寸，小断面的以铁素体为基体，大断面的表面区域为铁素体、心部为珠光体和退火碳。可锻铸铁牌号、性能（根据GB9440-88）见下两表：黑心可锻铸铁主要用于制造汽车、拖拉机零件及机床附件、如轮壳、弹簧支座、阀门等。珠光体可锻铸铁则用于制造曲轴、连杆、轮轴、活塞环等。5）球墨铸铁：在铁水（球墨生铁）浇注前加一定量的球化剂（常用的有硅铁、镁等）使铸铁中石墨球化。由于碳（石墨）以球状存在于铸铁基体中，改善其对基体的割裂作用，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性大大提高。并具有耐磨、减震、工艺性能好、成本低等优点，现已广泛替代可锻铸铁及部分铸钢、锻钢件、如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。根据GB1348-88球墨铸铁牌号分为单铸和附铸试块两类；单铸试块分八个牌号见下表：注：牌号后面的字母A系表示该牌号在附铸试块上测定的机械性能，以区别上表的单试块测定的性能。除上述介绍几种常用铸铁外，还有抗磨白口铸铁、冷硬铸铁，耐热铸铁等。铸造生铁通过锻化、变质、球化等方法可以改变其内部结构，改善并提高其机械性能，因此，铸造生铁又可分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特种铸铁等品种。2.钢及其分类：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%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：2.1按品质分类：按照钢中硫（S）和磷(P)的含量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。(1)普通钢（P≤0.045%，S≤0.055%）(2)优质钢（P、S均≤0.035%）(3)高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）2.2按化学成份分类(1)碳素钢：a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≤0.60%）。(2)合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）2.3按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。2.4按用途分类:1)建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。2)结构钢：a.机械制造用钢;b.弹簧钢;c.轴承钢3)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。4)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。5)专业用钢:如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。2.5按金相组织分类：2.6综合分类：(1)普通钢a.碳素结构钢：Q195；Q215(A、B)；Q235(A、B、C)；Q255(A、B)；Q275。b.低合金结构c.特定用途的普通结构钢(2)优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。2.7按脱氧程度和浇注制度分：a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。3.中国钢号表示方法:3.1钢号表示方法概述:钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。中国的钢号表示方法，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB221-79）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即：①钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si、Mn、Cr……等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示，见表。③钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。3.2钢号表示方法的分类说明3.2.1碳素结构钢:①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是Mpa。例如：Q235表示屈服点（ss）235MPa的碳素结构钢。②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。3.2.2优质碳素结构钢①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。3.2.3碳素工具钢①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。碳素工具钢用途广泛。其中T7、（T7A）、T8、（T8A）钢因韧性较好，主要用作承受震动与冲击载荷的工具，如凿子、打铁用模、各种锤子、木工工具等；T9（T9A）由于含碳量较高，故硬度、耐磨性较高、韧性较差，有一定韧性用作不受剧烈震动冲击的工具。如冲模、冲头、木工切削工具、凿岩凿子等到；T10、（T10A）、T11、（T11A）韧性尚