金属材料及非金属材料基础知识

-1-金属材料及非金属材料基础知识一、钢铁材料分类钢铁材料又称黑色金属材料，钢铁是指钢和铁的统称，都是以铁和碳为主要元素组成的合金。1、生铁的分类生铁：碳的质量分数ωc大于2%的铁碳合金称为生铁（1）按用途分：①炼钢生铁：指平炉、转炉炼钢用生铁，其含Si量较低，ωsi不大于1.75%，含硫较高，ωs不大于0.07%。炼钢生铁硬而脆，断口成白色，所以也叫白口铁。占生铁产量的80%-90%②铸造生铁:又称翻砂铁，一般含Si量较高，ωsi达3.75%，含硫量较低，ωs不大于0.06%。断口呈灰色又称灰口铁。它占生铁产量的10%（2）按化学成份分：①普通生铁：普通生铁是指不含其它合金元素的生铁，如炼钢生铁、铸造生铁②特种生铁：a.天然合金生铁：天然合金生铁是指含有共生金属，如铜、钒、镍等的铁矿石或精矿石，用还原剂还原而炼成的一种生铁，它含有一定量的合金元素，可用来炼钢或铸造。b.铁合金：是在炼铁中特意加入其它成份，炼成含有多种合金元素的特种生铁，如硅铁、锰铁、铬铁、钼铁等等。2、铸铁的分类碳的质量分数ωc超过2%（一般为2.5%-3.5%）的铁碳合金称为铸铁，是用铸造生铁经冲天炉等设备重熔，用于浇铸机器零件。（1）按断口颜色分：①灰铸铁：铸铁中碳大部或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断口是暗灰色，故称灰铸铁，有一定力学性能和良好的被切削加工性。②白口铸铁：组织中完全没有或几乎没有石墨的一种铁碳合金，其中碳完全以渗碳体形式存在。③麻口铸铁：介于白口铸铁与灰口铸铁之间的一种铸铁，断口呈灰白相间的麻点，故称麻口铸铁，性能不好，极少应用。（2）按化学成份：①普通铸铁：指不含任何合金元素的铸铁。如常用的灰铸铁，可锻铸铁等。②特殊铸铁：在普通铸铁中有意加入一些合金元素，借以提高铸铁某些特殊性而配制的一种高级铸铁，如各种耐热、耐腐蚀、耐磨铸铁。（3）按生产方式和组织性能分：①孕育铸铁：又称变质铸铁，在灰铸铁基础上，采用“变质处理”即是在铁水中加入少量的变质剂（硅铁或硅钙合金）造成人工晶核，获得细晶的珠光体和细片状石墨组织的一种高级铸铁。这种铸铁强度塑性和韧性比一般灰铸铁好，主要用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化大的大型铸件。②可锻铸铁：是一种由一定成份的白口铸铁经石墨化退火后而成，其中碳大部或全部成团絮状石墨的形式存在。比灰铸铁具有较高的韧性，故又称韧性铸铁，此种铸铁并不可以锻造，多用来制造承受冲击载荷的铸件。③球墨铸铁：球墨铸铁又称球铁。它是通过在浇铸前往铁水中加入一定量的球化剂（如纯镁或其合金）和墨化剂（硅铁或硅铝合金）以促进碳呈球状石墨结晶而获得的。由于石墨呈球状，应力大为减轻，它主要可减小金属基体的有效截面积，因而它的力学性能比普通灰铸铁高得多，也比可锻铸铁好。还具备比灰铸铁好的焊接性和接受热处理的性能；和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是一种同时兼有钢和铸铁优点的优良材料。因此，在机械工程上获得广泛应用。-2-3、钢的分类（1）按冶炼方法分：①平炉钢：指用平炉炼钢法所炼制出的钢（有停建平炉的趋势）主要有普通碳钢、低合金钢、优质碳素钢。②转炉钢：指用转炉炼钢法所炼制的钢。分底吹、侧吹、顶吹和空气吹炼、纯氧吹炼等转炉钢。顶吹转炉钢具有生产速度快、质量高、成本低、投资少、基建快一系列优点，是当代炼钢的主要方法，转炉钢的主要品种是普碳钢，也生产优质碳素钢和合金钢。③电炉钢：指用电炉炼钢法所炼出的钢，可分为电弧钢、感应电炉钢、真空感应电炉钢、电渣炉钢。主要品种：优质钢和合金钢。（2）按脱氧程度和浇注分：①沸腾钢：这是脱氧不完全的钢，在浇注时钢锭模里产生沸腾。其特点是效率高、成本低、表面质量及深冲性能好，但成份偏析大，质量不均匀，耐腐蚀性和机械强度差，这类钢大量用来轧制普通碳素钢、钢板型钢。②镇静钢：它是脱氧完全的钢，在浇注时钢液镇静，没有沸腾现象，其特点是成份偏析少，质量均匀，收得率低（缩孔多）成本比较高，一般合金钢和优质碳素钢都是镇静钢。③半镇钢：它是脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间的钢，浇注时沸腾现象较弱，生产较难，其特点是成份偏析少，质量较可以，在钢的比重不大。注：（i）脱氧方法表示符号：F、b、Z、TZ（ii）F-沸腾钢、b-半镇静钢、Z-镇静钢、TZ-特殊镇静钢（Si≯0.07%）(Si≯0.17%)Si下限值0.12%（3）按化学成份分：①合金钢：在碳素钢基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时，特意加入一些合金元素（如铬、镍、硅、锰、钛、硼等）而炼成的钢。a.低合金钢合金元素总量ω≦5%b.中合金钢合金元素总量ω5%~10%c.高合金钢合金元素总量ω10%②碳素钢：ωc低于2%，并含有少量锰、硅、硫、磷、氧等杂质的铁、碳合金。a.工业纯铁ωc≦0.04%的铁碳合金b.低碳钢ωc≦0.25%的钢c.中碳钢ωc0.25%-0.60%的钢d.高碳钢ωc0.60%的钢（4）按用途分：①建筑及工程用结构钢（i）.建筑及工程用结构钢a、普通碳素结构钢b、低合金钢（ii）.机械制造用结构钢a优质碳素结构钢-3-b合金结构钢c易切削钢：在钢中加一些使钢变脆的元素，使钢切削时切屑易脆断成碎屑，从而有利提高切削速度和提高刀具寿命。变脆主要元素是硫，钢中的硫和锰以硫化锰形态存在。硫化锰很脆并有润滑性能，有利于提高加工表面质量，如Y12、Y40Mn2d弹簧钢e滚动轴承钢②工具钢（i）按化学成份分a碳素工具钢b合金工具钢c高速钢（ii）按用途分A刃具钢（或刀具钢）b模具钢c量具钢③特殊钢：指用特殊方法生产具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢。如：（i）.不锈耐酸钢（ii）耐热不起皮钢（iii）高电阻合金钢（iv）低温用钢（v）耐磨钢（vi）磷钢（vii）抗磁钢（viii）超高强度钢（指σb1400MPa的钢）④专业用钢：指工业部门用钢（i）汽车用钢（ii）农机用钢（iii）航空用钢（iv）化工用钢（v）锅炉用钢等等（5）按品质分（i）普通钢：这类钢含杂质较多，主要用作建筑结构既要求不太高的机械零件，如普通碳素钢、低合金结构钢(ωcωp均限在0.07%内)（ii）优质钢：杂质少、质量好，其中硫与磷含量ωs、ωp限制在0.04%内，主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢等（iii）高级优质钢：含杂质极少，其中硫与磷含量ωsωp限制在0.03%内，主要机械零件和工具，在钢号后加A或文字。（6）按制造加工形式分（i）铸钢：ωc一般在0.15-0.60%的钢，制造一些复杂难于锻造或切削加工成型又要求较高强度和塑性的零件。（ii）锻钢：指用锻造方法而生产出来的各种锻材和零件，锻钢件的质量一般比铸钢件高，能承受大的冲击力，塑性、韧性和其它力学性能都比铸钢件高。（iii）热轧钢：热轧用来生产型钢、钢管、钢板，也用来轧制线材。（iv）冷轧钢：表面光洁、尺寸精确、力学性能好。（v）冷拔钢：指用冷拔方法生产出的各种冷拔钢材，其特点是精度高，表面质量好，主要生产冷拔钢丝、圆钢、六角钢、钢管。二、钢铁产品名称、用途、特性1、常用钢铁产品命名的符号元素名称化学元素符号元素名称化学元素符号铁Fe钙Ca锰Mn锡Sn铬Cr铅Pb镍Ni碳C铜Cu硅Si钒V硫S-4-钛Ti磷P铝Al氮N镁Mg氧O氢H2、钢铁产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号名称汉字汉语拼音采用符号字体位置炼钢用生铁炼LIANL大字牌号头铸造用生铁铸ZHUZ大字牌号头球墨铸铁用生铁球QIUQ大字牌号头耐磨生铁耐磨NAIMOTL大字牌号头碳素结构钢屈QUQ大字低合金高强度钢屈QUQ大字易切削钢易YIY大字牌号头电工用热轧硅钢电热DIANREDR大字电工用冷轧无取向硅钢无WUW大字牌号头电工用冷轧取向硅钢取QUQ大字牌号头电磁铁电铁DIANTIEDT大字牌号头碳素工具钢碳TANT大字牌号头塑料模具钢塑模SUMOSM大字滚珠轴承钢滚GUNG大字铆螺钢铆螺MAOLUOML大字3、常用钢铁产品的牌号表示方法（1）碳素结构钢GB/T700-1988（i）常用牌号Q235BbQ195AFQ255AQ275（ii）牌号符号意义Q235BbF-沸腾钢b-半镇静钢Z-镇静钢脱氧方法：TZ-特殊镇静钢-5-（2）优质碳素结构钢GB/T699-1999（i）常用牌号：08、10、15、20、25、30、35、45、20A、40Mn、50、55等（ii）牌号符号意义优质碳素结构钢的硫、磷含量（质量分数）组别PS(%≦)优质钢0.0350.035高级优质钢0.0300.030特级优质钢0.0250.020(3)低合金高强度钢GB/T1591-1994（i）牌号：Q295Q390BQ345AQ420CQ46009MnV16Mn15MnTi等（ii）牌号符号意义：（4）电工用热轧硅钢薄钢板GB5212-1985质量等级A、B、C、D屈服点（强度）值MPa钢材屈服强度“屈”字的拼音首位字母50MnFA脱氧方法：同碳素结构优质无符号质量等级：A-高级优质脱氧方法：同碳素结构锰元素，锰含量较高ωMn0.70%-1.00%含碳量：以平均万分之几表示Q390A质量等级A、B、C、D、E屈服点（强度）值（MPa）钢材屈服强度“强”字的拼音首位字母-6-DR510-50DR1750G35（5）滚动轴承钢GB/T5216-1985（i）牌号：GCr9、GCr15SiMn等（ii）牌号符号意义：三、金属材料基本性能1、金属材料主要性能①物理性能：a、密度b、热性能（熔点C导热率λ膨胀系数α）c、电阻性能（电阻率e导电率k电阻温度系数αp）d、磁性能指标（导磁率µ磁感应强度B磁场强度H铁损e减磨耐磨性能（摩擦系数µ相对摩擦系数ε）②力学性能：弹性指标（弹性模量E（MPa）切变弹性量G）强度（强度极限σ抗拉强度σb抗弯强度σw或σY抗剪切强度τ抗扭强度ζb）屈服极限бs屈服强度б0.2③化学性能：a、耐腐蚀性(i)化学腐蚀：指抵抗周围介质（大气、水蒸气、有害气体、酸碱盐等）腐蚀作用的能力(ii)电化学腐蚀：金属与酸、碱、盐等电解液时发生作用而引起的腐蚀(iii)点腐蚀(iv)腐蚀速度(v)腐蚀率等b、抗氧化性：指在室温或高温下抵氧化的能力，金属的氧化过程实际上是属于化学腐蚀的一种形式。c、化学稳定性：指金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。2、金属材料的工艺性能①铸造性（流动性、收缩率、偏析倾向）GCr15SiMnDR1750G-35厚度值的100倍G-表示频率为400Hz时在强磁场下检测的钢板无符号-表示频率为50Hz时在强磁场下检验的钢板铁损值的100倍代表电工用热轧硅钢薄钢板化学元素符号，以百分之几表示含Cr量，以千分之几表示代表滚动轴承-7-②锻造性：指金属材料在锻造过程承受塑性变形能力。③焊接性：用焊接方法将金属材料焊合在一起的性能。低碳钢好、中碳钢中等、高碳钢和高合金钢、铸铁、铝合金焊接性差。④加工性：指金属在切削时的难易程度。⑤热处理工艺性：是指金属或合金在固态范围内通过加热、保温和冷却方法以改变金属或合金内部组织所需工艺。工艺性指淬硬性、淬透性（指钢在淬火时能够得到的淬硬层深度）、淬火变形及开裂趋势、表面氧化及脱碳趋势、回火稳定性、回火脆性、时效趋势等。⑥金属材料工艺性能试验i顶锻试验：锻短至原长1/3或1/2，检查是否有裂纹。ii冷弯试验：将材料试件围绕具有一定直径圆柱弯到一定角度，或弯到两端面接触，查弯曲处塑性变形有无裂纹。iii杯突试验：规定的钢球或球形冲头顶压在压模内的试样，直至试样产生第一个裂纹为止，压入深度称为杯突深度。iv金属管液压试验：用以检查金属管的质量和耐液压强度，查有无漏水，浸湿和永久变形。⑦铁-碳平衡图（略）3、金属材料力学性能指标名称、符号、单位的说明（1）弹性——弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。①弹性模量E=（Mpa）-应力-应变在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模量俞大，刚度也俞大即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小。任何机器零件，在使用过程中，大都处于弹性状态，对于要求弹性变形小的零件，必须选用弹性模量大的材料。（弹性模量