金属材料基础知识

金属材料基础知识一第一章概述1金属组织金属：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。l相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。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：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。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。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。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。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2（N/mm2）表示。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2（N/mm2）表示。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。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）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）工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。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。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。顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。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。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。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。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。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。金属材料基础知识二第一讲黑色金属黑色金属：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。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。第一节铁及其分类生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品，也叫“铣铁”。生铁是高炉产品，可分为6普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是锰铁和硅铁。合金生铁作为炼钢的辅助材料，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。生铁是含碳量2.11%~6.67%并含有非铁杂质较多的铁碳合金。生铁的杂质元素主要是硅、硫、锰、磷等。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形。但含硅高的生铁（灰口铁）的铸造及切削性能良好。4铁的主要矿石有：赤铁矿Fe2O3，含铁量在50%~60%之间；磁铁矿Fe3O4，含铁量60%以上有磁性，还有褐铁矿2Fe2O3-·3H2O、菱铁矿FeCO3和黄铁矿FeS2，它们的含铁量低一些，但比较容易冶炼。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、东北鞍山等。5单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿Fe2O3和磁铁矿Fe3O4为原料，与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应，焦炭燃烧产生CO2气，CO2气与过量的焦炭接触就生成CO气，CO气和氧化铁作用就生成金属铁。C+O2=CO2CO2+C=2COFe3O4+CO=3Fe+CO2Fe2O3+CO=2Fe+CO2FeO+CO=FeO+CO26另一种理解是：生铁、铁合金属于炉料，即治炼用原料。铸铁是用生铁（主要是铸造生铁）治炼后的产品。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。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。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。7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。第二节钢及其分类钢是用生铁（炼钢生铁）或生铁加一部分废钢炼成的钢中含碳量低于2.11%，并使其杂质（主要指S、P）含量降低到规定标准。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：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.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%）。3.按成形方法分类(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。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、渗氨钢、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(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。5.按金相组织8分类(1)正火状态a.珠光体钢；8金相组织就是指材料的显微组织。有关金相组织与特性：金相组织种类组织特点铁索体（F）1.组织：碳在a铁中的固溶体2.特性：呈体心立方晶格。溶碳能力最小，最大为0.02%；硬度和强度很低，HB=80~120、sb=250N/mm2；而塑性和韧性很好，d=50%、?=70~80%。因此，含铁素体多的钢材（软钢）中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件。这类钢有超低碳钢，如：0Cr13、1Cr13、硅钢片等。奥氏体(A)1.组织：碳在?铁中的固溶体2.特性：呈面心立方晶格。最高溶碳量为2.06%，在一般情况下，具有高的塑性，但强度和硬度低（HB=170~220），奥氏体组织除了在高温转变时产生以外，在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中，如奥氏体不锈钢等渗碳体（C）1.组织：铁和碳的化合物（Fe3C）2.特性：呈复杂的八面体晶格。含碳量为6.67%、硬度很高、HRC70~75、耐磨，但脆性很大。因此，渗碳体不能单独应用，而总是与铁素体混合在一起。碳在铁中溶解度很小，所以在常温下，钢铁组织内大部分的碳都是以渗碳体或其他碳化物形式出现。珠光体（P）1.组织：铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织，是铁素体与渗碳体机械混合物（共析体）。2.特性：是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物。其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同，过冷程度越大，片层组织越细性质也不同。奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体（有的叫一次索氏体），在500~600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体（有的一次屈氏体），它们的硬度较铁素体和奥氏体高，而较渗碳体低，其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高。正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密，弥散度大，故其力学性能较好，但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中，故不如索氏体。莱氏体（L）1.组织：奥氏体与渗碳体的共晶混合物2.特性：铁合金溶液含碳量在2.06%以上时，缓慢冷到1130℃便凝固出莱氏体。当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体。因此，在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物（共晶混合）。莱氏体硬而脆（＞HB700），是一种较粗的组织，不能进行压力加工，如白口铁。在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等。这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性。淬火与马氏体1.组织：碳在a-Fe中的过饱和固溶体，显微组织呈针叶状2.特性：淬火后获得的不稳定组织。具有很高的硬度，而且随含碳量增加而提高，但含碳量超过0.6%后的硬度值基本不变，如含C0.8%的马氏体，硬度约为HRC65，冲击韧性很低，脆性很大，延伸率和断面收缩率几乎等于零。奥氏体晶粒愈大，马氏体针叶愈粗大，则冲击韧性愈低；淬火温度愈低，奥氏体晶粒愈细，得到的马氏体针叶非常细小，即无针状马氏组织，其韧性最高。回火马氏（S）1.组织：与淬火马氏体硬度相近，而脆性略低的黑色针叶状组织2.特性：淬火钢重新加热到150~250℃回火获得的组织。硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格，但内应力比淬火马氏体小。下贝氏体（B）1.组织：显微组织呈黑色针状形态，其中的铁素体呈现针状，而碳化物呈现极小的质点以弥散状分布在针状铁素体内。2.特性：过冷奥氏体在400~240℃等温度转变后的产物。具有较高的硬度，约为HRC40-55，良好的塑性和很高的冲击韧性，其综合机械性能比索氏体更好。因此，在要求较大的韧性和高强度相配合时，常以含有适当合金元素的中碳结构钢等温淬火，获得贝氏体以改善钢的机械性能，并减小内应力和变形。低碳马氏体具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点（sb=1200~1600N/mm2、s0.2=1000~1300N/mm2、d5=10%、?=40%ak=60J/cm2）；同时还有低的冷脆转化温度（=-60℃）；在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下，其缺口敏感度和过载敏感性都较低。低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA综合力学性能，比中碳合金钢等温淬火获得的下