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第一篇金属材料的基本知识第一章金属材料的主要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所表现出来的性能。零件的受力情况有静载荷，动载荷和交变载荷之分。用于衡量在静载荷作用下的力学性能指标有强度，塑性和硬度等；在动载荷和作用下的力学性能指标有冲击韧度等；在交变载荷作用下的力学性能指标有疲劳强度等。金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。P6低碳钢的拉伸曲线图1，强度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，工程上以屈服点和强度最为常用。屈服点：δs是拉伸产生屈服时的应力。产生屈服时的应力=屈服时所承受的最大载荷/原始截面积对于没有明显屈服现象的金属材料，工程上规定以席位产生0.2%变形时的应力，作为该材料的屈服点。抗拉强度：δb是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力。拉断前所能承受的最大应力=拉断前所承受的最大载荷/原始截面积2，塑性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。伸长率：δ试样拉断后，其标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。伸长率=（原始标距长度－拉断后的标距长度）÷拉断后的标距长度×100%伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较。同一种材料的δ5比δ10要大一些。断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以ψ表示。收缩率=（原始横截面积－断口处横截面积）÷原始横截面积×100%伸长率和断面收缩率的数值愈大，表示材料的塑性愈好。3，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。金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法。1，布氏硬度（HB）是以直径为D的淬火钢球HBS或硬质合金球HBW为压头，在载荷的静压力下，将压头压入被测材料的表面，停留若干秒后卸去载荷，然后采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的表格中查出相应的HB值。布氏硬度法测试值较稳定，准确度较洛氏法高。是测量费时，且压痕较大，不适于成品检验。2，洛氏硬度(HR)是将压头（金刚石圆锥体、淬火钢球或合金球）施以100N的初始压力，使压头与试样始终保持紧密接触。然后，向压头施加主载荷，保持数秒后卸除主载荷，以残余压痕尝试计算其硬度值。实际测量时，由刻度盘上的指针直接指示出HR值。洛氏硬度法测试简便、迅速，因压痕小、不损伤零件，可用于成品检验。其缺点是测得的硬度值重复性较差，需在不同部位测量数次。3，韧性金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。金属材料的韧度通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。冲击韧度=冲断试样所消耗的冲击功/试样缺口处的横截面积冲击值的大小与很多因素有关。它不公受试样开关、表面粗糙度及内部组织的影响，还与试验时的环境温度有关。因此，冲击值的大小一般公作为选择材料时的参考，不直接用于强度计算。4，疲劳强度承受循环应力或交变应力的零件在工作一段时间后，有时突然发生断裂，而其所承受的应力往往低于该材料的屈服点，这种断裂称为疲劳断裂。一般认为产生疲劳断裂的原因，是由于材料有内部缺陷、表面划痕驻其他能引起应力食品的缺陷，导致产生微裂纹。下列符号所表示的力学性能指标名称和含义是什么？δb抗拉强度δs屈服强度或屈服点δ0.2工程规定屈服点δ-1按正弦曲线变化的对称循环应力的疲劳强度δ伸长率αk冲击韧度HRC120°金刚石圆锥体HBS布氏硬度计以淬火钢球为压头HBW布氏硬度计以合金球为压头第二章铁碳合金金属的结晶就是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。液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的。金属的冷却速度愈快，自发晶核愈多。金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。一般来说，同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。影响晶粒粗细的因素很多，但主要取决于晶核的数目。细化铸态金属晶粒的主要途径是：提高冷却速度，以增加晶核的数目。在金属浇铸之前，向金属液内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。此外，还可采用招牌理或塑性加工方法，使固态金属晶粒细化。钝铁的晶格有体心立方和面心立方两种。铁及锡、钛，锰等金属在结晶之后，在不同温度范围内将呈现出不同的晶格。这种随着温度的改变，固态金属的晶格也随之改变的现象称为同素异晶转变。两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质称为合金。组成合金的元素称为组元，简称元。按照铁和碳相互作用形式的不同，铁碳合金的组织可分为固溶体、金属人物和机械混合物三种类型。固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。铁素体F：碳溶解于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体，呈体心立方晶格。力学性能与纯铁相近。铁素体在显微镜下为明亮的多边形晶粒，得晶界曲折。奥氏体A：碳溶入γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，呈面心立方晶格。力学性能与其溶碳量有关。一般来说，其强度、硬度不高，但塑性优良。在显微镜下，奥氏体也是呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直，并存有双晶带。化合物：是各组元按照一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。金属化合物一般具有复杂的晶格，且与构成人物的各组元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。渗碳体Fe3C是钢铁中的强化相，其组织可呈片状、球状、网状等不同形状。它的硬度，可以刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨。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：铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，当冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。钢它是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。铸铁即生铁，它是指含碳量为2.11%~6.69%的铁碳合金。P18铁碳合金状态图共析钢亚共析钢过共析钢第三章钢的热处理在固态下，通过回执、保温和冷却，以获得预期组织和性能的工艺。它只改变金属材料的组织和性能而不以改变形状和尺寸为目的。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。常用的有完全退火，球化退火，去应力退火。正火：正火是将钢加热到亚共析钢或过共析钢，保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火主要用于：1，取代部分完全退火。但中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。2，用于普通件的最终热处理。3，用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。淬火和回火是强化钢最常用的工艺。淬火是将钢加热到一定温度，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。注意：1严格控制淬火加热温度。2，合理选择淬火介质使其冷却速度略大于临界冷却速度。3，正确选择淬火方法。回火：将淬火的钢重新加热到Ac1以下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时也使钢获得所需的力学性能。总的趋势是回火温度愈高、析出的碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。将钢的回火分为如下三种：1，低温回火250度以下目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度和高耐磨性。用途最广，如各种刀具、模具、流动轴承和耐磨件等。2，中温回火250~500度目的是使钢获得高弹性，保持较高硬度和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条、锻模等。3，高温回火500度以上它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。经调质处理的钢可获得强度及韧性都好的综合力学性能。表面淬火常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。快速加热法有多种，如电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用广泛的是电感应加热法。第四章工业用钢碳素钢即“非合金钢”，简称碳钢。碳素钢的含碳量在1.5%以下，除碳之外，还含有硅、锰、磷、硫等杂质。磷和硫是钢中的有害杂质。磷可使钢的塑性、韧性下降，特别是在低温时脆性急剧增加，这种现象称为冷脆性。硫在钢的晶界处可形成低熔点的共晶体，致使含硫较高的钢在高温变回工时容易产生裂纹，这种现象称为热脆性。硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢液中残存的。硅和锰可提高钢的强度和硬度，锰还能与硫形成MnS，从而抵消硫的部分有害作用。显然，它们都是钢中的有益元素。碳素钢通常分为如下三类：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。1、碳素结构钢的牌号以代表屈服点的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示，每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最低（Mpa）。在钢号尾部A、B为普通级别，C、D为磷、硫低的优等级别，可用于较重要的焊接结构。Q315塑性好通常轧制成薄板、钢管、型材制造钢结构，也用于制作铆钉、螺钉、冲压件、开口销等。Q235强度较高，塑性也较好，常轧制成各种型钢、钢管、钢筋等制成各种钢构件、冲压件、焊接件及不重要的轴类、螺钉、螺母等。Q255强度更高，用做键、轴、俏、齿轮、撙、连杆、销钉等。2、优质碳素结构钢的硫、磷含量较低，供货时既保证化学成分，又保证力学性能，主要用于制造机器零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字即是钢中平均含碳量的万分数。例如，20钢表示平均含碳量为0.20%的优质结构钢。08、10、15、20等牌号属于低碳钢。20钢用途最广，常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴，焊接件，有时也用于渗碳件。40、45等牌号属于中碳钢。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、、套筒、键和重要螺钉等。60、65等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后，不仅强度、硬度显著提高，且弹性优良，常用弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。3、碳素工具钢的含碳量高达0.7%~1.3%，淬火、回火后有高的硬度和耐磨性，常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢，则在数字后面增加“A”表示，例如，T10A表示平均含碳量为1.05的高级优质碳素工具钢。T8冲头、錾子、锻工工具、木工工具、台钳钳口等。T10，T10A硬度较高、但仍要求一定韧性的工具，如手锯条、小冲模、丝锥、板牙等。T12适用于不受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀、绞刀等。合金钢是为了改善钢的某些性能，在钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%，或者含锰量大于1.0%，也属于合金钢。低合金钢是指合金总含量较低（小于3%）、含碳量也较低的合金结构钢。可焊接低合金高强钢（简称合金高强钢）应用最为广泛。低合金高强钢的牌号表示方法与碳素钢相同，即以字母“Q”开始，后面以三们数字表示其最像屈服点，最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示不小于345Mpa的A级低合金高强钢。Q295低压容器、输油管道、车辆等Q345桥梁、船舶、压力容器、车辆等Q390桥梁、船舶、起重机、压力容器等Q420高压容器、牺牲、桥梁、锅炉等合金钢：当钢中合金元素超过低钢的限度时，即为合金钢。合金钢不仅合金元素含量高，且严格控制硫、磷等有害杂质的含量，属于优质钢或高级优质钢。合金钢可分为合金结构钢（常用于制造机器零件用的合金钢），合金工具钢（主要用于制造刀具、量具、模具等，含碳量甚高），特殊性能钢（包括不锈钢，耐磨钢，耐蚀钢及具有软磁，永磁，无磁等特殊性能的钢）第二篇铸造第一章铸造工艺基础液态合金直译铸型的过程，简称充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状准确，轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。在液态合金的过程中，有时伴随着结晶现象，若充型能力不中，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不到或冷隔等缺陷。影响充型能力的主要因素如下：合金的流动性（其中以化学成分的影响最为显著）浇注条件（浇注温度和充型压力）铸型填充条件（铸型材料，铸型温度，铸型中的气体，铸件结构）浇入铸型中的金属液在冷凝过程中，其液态收缩和凝固收缩