对金属材料的基本认识

对金属材料的基本认识作者：李志高【摘要】金属材料之所以获得如此广泛的应用，除因冶炼铸铁和钢的铁矿石在地壳中储存丰富外，主要是由于它具有制造机器所需要的物理、化学性能，并且还可以用简便的工艺方法加工成适用的机器零件，也即具有所需的工艺性能。熟悉金属材料的主要性能以及金属材料的成分，组织，性能之间的关系，以便根据零件的技术要求合理的选用金属材料。制造出高质量的机器，应用于日常生活中。【关键词】金属材料性能铁碳合金刚的热处理工业用钢【前言】机械制造中应用最广泛的是金属材料。一个国家金属材料的产量或耗用量体现其国民经济发展水平。选出优良的金属材料，使得最终的产品能达到最高的质量，成了人们关注的焦点。这里主要介绍金属材料的主要性能及成分、组织、性能之间的关系。一.金属材料的主要性能（一）力学性能金属材料的力学性能又称机械性能，是金属材料在力的作用下所表现的性能。1．强度与塑性。金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种指标，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。塑性是金属材料在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。2.硬度。金属材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力称为硬度。硬度是衡量金属软硬的指标。金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度（HB）和洛氏硬度法（HR）。3.韧性。金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性，通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。4.疲劳强度。承受循环应力的零件在工作一段时间后，有时突然发生断裂，而且所承受的应力往往低于该金属材料的屈服点，这种断裂称为疲劳断裂。（二）物理、化学及工艺性能。1．物理性能。金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。2.化学性能。主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3.工艺性能。是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反可锻性二.金属材料的主要用材（铁碳合金）钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料，它们都是以铁、碳为主组成的合金，即铁碳合金。(一)纯铁的晶体结构及其同素异晶转变1.金属的结晶。是指金属液态转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序的排列过程。2纯铁的晶体结构。为便于研究晶体中原子排列规律，可将原子抽象化，即将每个原子看成是一个点，再把相邻原子中心用假象的直线连接起来，使之形成晶格，纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。（二）纯铁合金的基本组织铁碳合金的组织结构相当复杂，并随其成分、温度和冷却速度而变化。按照铁和碳互相作用形式的不同，铁碳合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。1.固溶体。溶质原子溶入溶剂晶粒而仍然保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。碳可溶入α-Fe，γ-Fe，也可溶入δ-Fe，形成不同的固溶体。2.化合物。金属化合物是各组元按一定整数比结合而成，并且有金属性质的均匀物质，属于单相组织。3.机械混合物。是由结晶过程所形成的两相混合组织。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。(三)铁碳合金状态图1.铁碳合金状态图的分析：图中有四个基本相，即液相（L），奥氏体相（A）、铁素体相（F）和渗碳体相（Fe3C）。它们各有其相应的单相区。主线介绍：（1）ACD线——液相线。（2）AECF线——固相线。（3）GS线——奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线。（4）ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线。（5）PSK线——共析线。（6）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。2.钢在结晶过程中的组织转变在铁碳合金状态图的实际应用中，常需分析具体成分合金在冷却或加热过程中的组织转变。（1）共析钢。（2）亚共析钢。(3)过共析钢。三.金属材料的主要处理（钢的热处理）（一）钢在加热和冷却时组织转变1.钢在加热时组织转变。加热是热处理工艺的首要步骤，以达到细化晶粒的效果，使材料不仅强度高，且塑性和韧性均较好。2.钢在冷却时的组织转变。钢经过加热、保温形成奥氏体后，接着便需进行冷却。（二）钢的退火和正火1.退火。退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺常用的有：（1）完全退火。(2）球化退火。(3)去应力退火。2.正火。正火是将钢加热到AC3以上30~50℃（亚共析钢）或ACcm以上30~50℃（过共析钢），保温后在空气中热处理工艺。主要用于：（1）取代部分完全退火。(2)用于普通结构件的最终热处理。(3)用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。(三)淬火和回火淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火，再配以不同温度的回火，可使钢获得所需的力学性能。1.淬火。淬火是将钢加热到AC3或AC1以上30~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。在工艺上还应采取如下措施：(1)严格控制淬火加热温度。(2)合理选择淬火介质。(3)选择正确淬火方法。2.回火。将淬火的钢重新加热到AC1以上某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。可分为以下三种：(1)低温回火（250℃以上）。(2)中温回火（250~500℃）。(3)高温回火（500℃以上）。（四）表面淬火和化学热处理1.表面淬火。是通过快速加热，使钢的表层很快达到淬火温度，在热量来不及到钢件心部时就立即淬火，从而使表层获得马氏体组织，而心部仍保持原始组织。方法有：电感应火焰、电接触、激光等。2.化学热处理。是将钢件置于适合的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表面层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。四.金属材料的主要材料（工业用钢）钢主要由生铁冶炼而成，是机械制造中应用最为广泛的金属材料。（一）碳素钢1.化学成分对碳素钢性能的影响碳素钢的含量在15‰以下，除碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等杂质。2.碳素钢的牌号通常分为以下三类：（1）碳素结构钢。以“Q”和后面的三位数字表示。在每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最小屈服点(MPa)。（2）优质碳素结构钢。用两位数字表示，即钢中平均含碳量的百分数。（3）碳素工具钢。以符号“T”开始，其后面的一位或两位数字表示钢中平均含碳量的千分数。（二）低合金钢是为了改善钢的某些性能，在碳素钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。（三）合金钢当钢中合金元素超过低合金钢的限度时，即为合金钢。1.合金结构钢。它是指常用于制造机器零件用的合金钢。牌号通常以“数字+元素符号+数字”来表示。前面两位数表示钢中的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金数及其平均含量的百分数。2.合金工具钢。主要用于制造刀具、量具、模具等，含碳量甚高。其合金元素的主要作用是提高钢的淬透性、耐磨性和热硬性。3.特殊性能刚。包括不锈钢，耐磨钢，耐蚀钢及具有软磁、永磁、无磁等特殊物理、化学性能的钢。【结论】通过对金属材料的认识我们知道，材料的选择对工件的影响是至关重要的这关系到一个工件是否能够很好的运作和安全。所以，在选择材料时必须考虑其主要性能，成分、组织、性能之间的关系，工作状况及经济制造。多方面考虑，选出最适合、最优异、最廉价的材料制造出高质量的工件。【参考文献】《金属工艺学》