第一章金属材料基础知识.

机械工业出版社第一章金属材料基础知识一、金属材料的分类二、钢铁材料生产过程概述三、机械制造过程概述四、金属材料的性能五、金属材料的晶体性能六、纯金属的结晶过程七、金属材料的同素异构转变八、合金的晶体结构与结晶过程九、金属材料的铸锭组织特征十、铁碳合金相图第一节金属材料的分类金属是指具有良好的导电性和导热性,有一定的强度和塑性,并具有光泽的物质,如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以某种金属元素为主,其他金属或非金属为辅构成的,并具有金属特性的工程材料,它包括纯金属和合金两类。纯金属在工业生产中虽具有一定的用途,但由于其强度、硬度一般都较低,且冶炼技术复杂,价格较高,因此在使用上受到较大的限制。目前广泛使用的是合金状态的金属材料。合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。例如,普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金,碳素钢是由铁和碳组成的合金,合金钢是由铁、碳和合金元素组成的合金。与纯金属相比,合金除具有更好的力学性能外,还可以通过调整组成元素之间的比例,以获得一系列性能各不相同的合金,从而满足不同的性能要求。金属材料,尤其是钢铁材料在国民经济中有重要的作用,这主要是由于金属材料具有比其他材料优越的性能,如物理性能、化学性能、力学性能及工艺性能等,能够满足生产和科学技术发展的需要。金属材料通常还可分为钢铁材料和非铁金属两大类,如图1-1所示。1.钢铁材料以铁或以铁为主而形成的金属材料,称为钢铁材料(或称黑色金属),如各种钢材和铸铁。2.非铁金属除钢铁材料以外的其他金属材料,统称为非铁金属(或称有色金属),如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。除此之外,还出现了许多新型的具有特殊性能的金属材料,如粉末冶金材料、非晶态金属材料、纳米金属材料、单晶合金、超导合金以及新型的金属功能材料(如永磁合金、高温合金、形状记忆合金、超细金属隐身材料、超塑性金属材料、储氢合金)等。第二节钢铁材料生产过程概述钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数w(C)(含碳量)进行分类,可分为工业纯铁[w(C)0.0218%];钢[w(C)=0.0218%~2.11%]和白口铸铁或生铁[w(C)2.11%]。生铁是由铁矿石经高炉冶炼而获得的,它是炼钢和铸件生产的主要原材料。钢材生产以生铁为主要原料,首先将生铁装入高温的炼钢炉里,通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数,获得所需要的钢液,然后将钢液浇铸成钢锭或连铸坯,再经过热轧或冷轧后,制成各种类型的型钢。图1-2所示为钢铁材料生产过程示意图。一、炼铁炼铁用的原料主要是含铁的氧化物。含铁比较多且有冶炼价值的矿物有赤铁矿石、磁铁矿石、菱铁矿石、褐铁矿石等。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外,还含有硅、锰、硫、磷等元素的氧化物杂质,这些杂物称为脉石。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)。焦炭作为炼铁的燃料,一方面为炼铁提供热量,另一方面焦炭在不完全燃烧时所产生的CO,又作为使氧化铁和其他金属元素还原的还原剂。熔剂的作用是使铁矿石中的脉石和焦炭燃烧后的灰分转变成密度小、熔点低和流动性好的炉渣(漂浮在钢液表面),并使之与铁液分离。常用的熔剂是石灰石(CaCO3)。炼铁时需要将炼铁原料分批分层装入高炉中,在高温和压力的作用下,经过一系列的化学反应,将铁矿石还原成铁。高炉冶炼出的铁不是纯铁,其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素,这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要,生铁可分为两类:铸造生铁和炼钢生铁。铸造生铁的断口呈暗灰色,硅的质量分数较高,主要用于生产复杂形状的铸件。炼钢生铁的断口呈亮白色,硅的质量分数较低(w(Si)1.5%),用来炼钢。高炉炼铁产生的副产品主要是炉气和炉渣。高炉排出的炉气中含有大量的CO、CH4和H2等可燃性气体,具有较高的经济价值,可以回收利用。高炉炉渣的主要成分是CaO,SiO2,也可以回收利用,用于制造水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。二、炼钢炼钢以生铁(铁液或生铁锭)和废钢为主要原料,此外,还需要加入熔剂(石灰石、氟石)、氧化剂(O2、铁矿石)和脱氧剂(铝、硅铁、锰铁)等。炼钢的主要任务是把生铁熔化成液体,或直接将高炉铁液注入高温炼钢炉中,利用氧化作用将碳及其他杂质元素减少到规定的化学成分范围之内,以获得需要的钢材。所以,用生铁炼钢实质上是一个氧化过程。1.炼钢方法现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法。各种炼钢方法的热源及生产特点比较列于表1-1。2.钢的脱氧钢液中的过剩氧气与铁生成氧化物,对钢的力学性能会产生不良的影响,因此,必须在浇注前对钢液进行脱氧处理。按钢液脱氧程度的不同,钢可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z),半镇静钢(b)和沸腾钢(F)四种。(1)镇静钢(Z)指脱氧完全的钢。钢液冶炼后期用锰铁、硅铁和铝块进行充分脱氧,钢液在钢锭模内平静地凝固。这类钢锭的化学成分均匀,内部组织致密,质量较高。但由于钢锭头部形成较深的缩孔,轧制时需要切除,因此,钢材浪费较大,如图1-3a所示。(2)沸腾钢(F)指脱氧不完全的钢。钢液在冶炼后期仅用锰铁进行不充分的脱氧。钢液浇入钢锭模后,钢液中的FeO和碳相互作用,脱氧过程仍在进行(FeO+C→Fe+CO↑),生成的CO气体引起钢液沸腾现象,故称沸腾钢。钢液凝固时大部分气体逸出,少量气体被封闭在钢锭内部,形成许多小气泡,如图1-3c所示。这类钢锭缩孔较小,切头浪费少。但是,钢的化学成分不均匀,组织不够致密,质量较差。(3)半镇静钢(b)其脱氧程度和性能状况介于镇静钢和沸腾钢之间。(4)特殊镇静钢(TZ)脱氧质量优于镇静钢,其内部材质均匀,非金属夹杂物含量少,能满足特殊需要。3.钢的浇注钢液经脱氧后,除少数用来浇注成铸钢件外,其余都浇注成钢锭或连铸坯。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。连铸法由于生产率高,钢坯质量好,节约能源,生产成本低,因此,得到广泛采用。4.炼钢的最终产品钢锭经过轧制最终形成板材、管材、型材、线材及其他类型的材料。(1)板材板材一般分为厚板和薄板。4~60mm为厚板,常用于造船、锅炉和压力容器;4mm以下为薄板,分为冷轧和热轧钢板。薄板轧制后可直接交货或经过酸洗镀锌或镀锡后交货使用。(2)管材管材分为无缝钢管和有缝钢管两种。无缝钢管用于石油、锅炉等行业;有缝钢管是用带钢焊接而成,用于制作煤气及自来水管道等。焊接钢管生产率较高、成本低,但质量和性能与无缝钢管相比稍差些。(3)型材常用的型材有方钢、圆钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、钢轨等。(4)线材线材是用圆钢或方钢经过冷拔而成的。其中的高碳钢丝用于制作弹簧丝或钢丝绳,低碳钢丝用于捆绑或编织等。(5)其他材料其他材料主要是指要求具有特种形状与尺寸的异形钢材,如车轮箍、齿轮坯等。第三节机械制造过程概述机械产品的制造过程一般分为设计、制造和使用三个阶段,如图1-4所示。一、设计阶段机械产品在设计阶段首先要从市场调查、产品性能、生产数量等方面出发,制定出产品的开发计划。在设计时首先进行总体设计,再进行部件设计,并画出装配图和零件图。然后根据机械零件的使用条件、场合、性能及环境保护要求等,选择合适的材料和合理的加工方法。不同的机械产品有不同的性能要求,如汽车必须满足动力性能、控制性能、操纵性、安全性以及使用起来舒适、燃料消耗率低、噪声小、维护与维修方便等要求。在满足了产品性能和成本要求的前提下,则由工艺部门编制生产加工工艺规程或工艺图,并交付生产。设计人员在设计零件时,应根据机械产品的使用场合、工作条件等选择零件的制作材料和加工方法。例如,在高温氧化性气氛环境中工作的受力零件,应选择耐热性好的耐热钢;如果零件的形状复杂,则应选择铸造方式进行生产。同时,在设计过程中要特别重视零件的使用性能、使用条件、材质以及加工方法的协调。二、制造阶段生产部门根据机械零件的加工工艺规程与零件图进行制造,然后进行装配。通常不能根据零件设计图直接进行加工,而应根据设计图绘制出制造图,再按制造图进行加工。这是由于设计图绘制的是零件加工完成的最终状态图,而制造图则表示在制造过程中某一工序完成时工件的状态。两者是有差异的。在加工时需要根据制造图准备合适的坯料,并进行预定的加工。准备好材料后,根据零件的不同,可采用铸造、锻造、焊接、机械加工、热处理等不同的加工方法,分别在各类车间进行加工。零件加工完成后再装配成部件或整机。机械产品装配完后,需要按设计要求进行各种试验,如空载与载荷试验、性能与寿命试验以及其他单项试验等。整机质量验收合格后,则可进行涂装、包装和装箱,最后准备投入市场。三、使用阶段出厂的机械产品一经投入使用,其磨损、腐蚀、故障及断裂等问题就会接踵而来,并暴露出设计和制造过程中存在的质量问题。一个好的机械产品除了应注重设计功能、外观特征和制造工艺外,还应经常注意收集与积累使用过程中零件的失效资料,据此反馈给制造或设计部门,以进一步提高机械产品的功能和质量。这样做不仅能使机械产品获得良好的可靠性,而且还能在良好的信誉方面赢得市场。第四节金属材料的性能通常我们把金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。其中使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能,即在使用过程中所表现出的特性。金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等。工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中,适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度,它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。只有了解金属材料的性能,才能科学合理地选用金属材料。一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能,如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力,称为内力。单位面积上的内力,称为应力R(N/mm2)。金属材料的强度指标就是用应力来度量的。应变ε是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。金属材料的力学性能是评定金属材料质量的主要判据,也是金属构件设计时选材和进行强度计算的主要依据。金属材料的力学性能主要有:强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。(一)强度与塑性金属材料在力的作用下,抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。1.拉伸试验拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸,测量拉伸力和相应的伸长,并测其力学性能的试验。拉伸时一般将拉伸试样拉至断裂。(1)拉伸试样拉伸试样的尺寸按国家标准中金属拉伸试验试样中的有关规定进行制作,通常采用圆柱形拉伸试样,分为短试样和长试样两种,一般工程上采用短试样。拉伸试样如图1-5所示,L0为标准试样的原始标距,Lu为拉断试样对接后测出的标距长度。长试样L0=10d0;短试样L0=5d0。(2)试验方法拉伸试验在拉伸试验机(图1-6)上进行。将试样装在试验机的上下夹头上,开动机器,在压力油的作用下,试样受到拉伸。同时,记录装置记录下拉伸过程中的力-伸长曲线。2.力-伸长曲线在进行拉伸试验时,拉伸力F和试样伸长量ΔL之间的关系曲线,称为力伸长曲线。通常把拉伸力F作为纵坐标,伸长量ΔL作为横坐标。图1-7所示为退火低碳钢的力-伸长曲线图。从力-伸长曲线可以看出,试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。(1)弹性变形阶段观察图1-7中力-伸长曲线,在斜直线op阶段,当拉伸力F增加时,试样伸长量ΔL也呈正比增加。当去除拉伸力F后,试样伸长变形消失,恢复其原来形状,其变形规律符合胡克定律,表现为弹性变形。图中Fp是试样保持完全弹性变形的最大拉伸力。(2)屈服阶段当拉伸力F超过Fe时,试样将产生塑性变形,去除拉伸力后,变形不能完全恢复,塑性伸长将被保留下来。当拉伸力继续增加到Fs时,力-伸长曲线在s点后出现一个平台