金属材料黑色金属铁碳钢合金钢

模块四金属材料基础知识基本概念•工程材料分为：•金属材料：黑色金属（铁、碳钢、合金钢）和有色金属材料（轻有色金属、重有色金属、稀土金属）。•非金属材料：有机非金属材料（合成塑料、合成橡胶、合成纤维）、无机非金属材料（陶瓷材料、玻璃材料、石墨及碳、木材、水泥、混凝土等）、复合材料（树脂基复合材料、金属基复合材料、非金属基复合材料）。基本概念•金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。•合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。•相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。基本概念•固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。•固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。•化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。•机械混合物：由两种晶体结构组成的合金组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。金属材料性能•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。当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。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。金属材料性能•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。力学性能指标有：•⑴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。•①屈服点（бs）：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时应力值，单位用牛顿/毫米（N/mm）表示。金属材料性能②抗拉强度（бb）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（N/mm）表示。•⑵塑性•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。•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。•⑶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（HRA、HRB、HRC）•⑷冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米（J/cm）⑸疲劳强度金属材料性能•2、工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。•⑴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。•⑵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。•⑶锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力•①顶锻性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。金属材料性能②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。•③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。⑷切削加工性能•⑸热处理性能金属材料性能•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。•⑴耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。•⑵抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。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。根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。•灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这种铸铁具有一定的机械性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造中业获得最广泛的应用。灰铸铁：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁以及可锻铸铁。铸铁•铸铁牌号:•灰口铸铁常见牌号有HT100-260、HT150-330、HT200-400、HT250-470、HT300-540、HT350-610、HT400-680等•可锻铸铁牌号有KTH300-06、KTH330-08、KTH350-10、KTH370-12、KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02等。白心可锻铸铁牌号有KTB350-04、KTB380-12、KTB400-05、KTB450-07，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。铸铁•球墨铸铁牌号有QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2，球墨铸铁因抗拉强度高，塑性、冲击韧性较好，并具有耐磨、减震、工艺性能好、成本低等优点，现已广泛替代部分铸钢、锻钢件、如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。•蠕墨铸铁RuT，如RuT400；耐磨铸铁MT如MTCu1PTi-150。•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。钢的分类•钢是含碳量在0.04%~2.11%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，主要有如下几种：•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%）钢的分类•2、按化学成份分类•(1)碳素钢：a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≤0.60%）。•(2)合金钢：a.低合金钢（Me≤5%）；b.中合金钢（Me＞5~10%）c.高合金钢（Me＞10%）。•3、按成形方法分类•(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。钢的分类•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：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氮钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。•b.弹簧钢；c.轴承钢钢的分类•(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。钢的分类1）压力容器用钢板•用大写R在牌号尾表示，其牌号可用屈服点也可用含碳量或含合金元素表示。如：Q345R，Q345为屈服点。再如：20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、8MnMoNbR、MnNiMoNbR、15CrMoR等均用含碳量或含合金元素来表示。•2）焊接气瓶用钢板•用大写HP在牌号尾表示，其牌号可以用屈服点表示，如：Q295HP、Q345HP；也可用含合金元素来表示如：16MnREHP。钢的分类•3）锅炉用钢板•用小写g在牌号尾表示。其牌号可用屈服点表示，如：Q390g；也可用含碳量或含合金元素来表示，如20g、22Mng、15CrMog、16Mng、19Mng、13MnNiCrMoNbg、12Cr1MoVg等。•4）桥梁用钢板•用小写q在牌号尾表示，如Q420q、16Mnq、14MnNbq等。•5）汽车大梁用钢板•用大写L在牌号尾表示，如09MnREL、06TiL、08TiL、10TiL、09SiVL、16MnL、16MnREL等。钢的分类•6、按冶炼方法分类•(1)按炉种分•a.平炉钢；b.转炉钢；c.电炉钢•(2)按脱氧程度和浇注方法分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。钢的分类•7.按钢材外形分类•钢材可分为型材、板材、管材、金属制品四大类。•为便于采购、订货和管理，中国目前将钢材分为十六大品种：重轨、轻轨、大中小型钢（普通钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、等边和不等边角钢及螺纹钢等）、线材、冷弯型钢、优质型钢、薄钢板、厚钢板、钢带、电工硅钢薄板也叫硅钢片或矽钢片、无缝钢管、焊接钢管、金属制品等。钢号表示方法•普通碳素结构钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275•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。•②必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。钢号表示方法•优质碳素结构钢•①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”。•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•常见优质钢牌号有08F、10F、15F、45、50、55、60、65、70、75、80、85、15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn、50Mn、60Mn、65Mn、70Mn。钢号表示方法•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”。•碳素工具钢牌号T7、T8、T8Mn、T9、T10、T11A、T12A、T13。钢号表示方法•易切削钢•①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。•②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。•③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例如“Y40Mn”。•易切削钢牌号有Y12、Y12Pb、Y15、Y15Pb、Y20、Y30、Y35、Y40Mn、Y45Ca钢号表示方法•合金结构钢•①以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。•②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV1”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4~0.6%，后者为0.9~1.2%，其余成分全部相同。钢号表示方法•③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07~0.12%，硼为0.001~0.005%。•④高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。•合金结构钢牌号20Mn2、30Mn2MoW、27SiMn、20SiMn2MoV、40B、40MnB、20MnVB、20Mn