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金属材料基础知识2010-11-22金属材料基础知识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金属元素为主要材料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。气瓶主体系由合金钢或优质碳素钢、铝合金等制造。金属材料基础知识一、金属材料的分类金属（或金属材料）通常分为黑色金属和有色金属两大类：1、黑色金属以铁或以它为主而形成的物质，称为黑色金属，如钢和生铁。2、有色金属除黑色金属外的其它金属，称为有色金属，如铜、铝和镁等。黑色金属分为钢和生铁。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，大于2.11%的铁碳合金称为生铁。1、生铁的分类炼钢生铁、铸造生铁（灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）。2、钢的分类钢是含碳量在0.04%-2.1%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，其主要方法有如下几种：A.按化学成分分类（1）碳素钢含碳量低于1.5%，其杂质（Si、Mn、S、P等）含量在规定范围内（Mn≤0.8%、Si≤0.4%、S≤0.055%、P≤0.045%）的铁碳合金。a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。d.工业纯铁：为含碳量≤0.04%的铁碳合金。（2）合金钢(2)合金钢：合金钢是指在碳素钢的基础上，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、钼、钨、钒、钛、硼……等）而炼成的钢。按其合金元素的总含量，可分为：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%）。B.按用途分（1）结构钢用于制造各种机器零件（螺钉、螺帽、轴类、齿轮等）及工程结构（桥梁、厂房钢筋、锅炉、造船结构等）。（2）工具钢制作各种刀具（车刀、铣刀、钻头等），量具（如卡尺、游标尺、块规等）及模具（3）特殊性能钢不锈钢、耐热钢C.按质量分根据钢中所含有有害杂质元素硫、磷的多少来划分普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）优质钢（P、S均≤0.035%）高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）D.按脱氧程度分（1）镇静钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。（2）沸腾钢钢液在浇注前进行轻度脱氧,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。（3）半镇静钢半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。金属材料基础知识E、按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；（4）冷轧钢；(5)冷拉钢。F、按金相组织分类：铁素体钢、奥氏体钢等。G、按冶炼方法分类：平炉钢、转炉钢、电炉钢金属材料基础知识H、综合分类:在实际中按其化学成分、质量、用途进行综合分类。(1)普通钢a.碳素结构钢，b.低合金结构钢，c.特定用途的普通结构钢。(2)优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。金属材料基础知识二、金属材料的性能1、金属的物理性能2、金属的化学性能3、金属的力学性能4、金属的工艺性能金属材料基础知识1、金属的物理性能金属的物理性能是指金属固有的属性,包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。2、金属的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。金属材料基础知识3、金属的力学性能所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。金属材料基础知识a.强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形（不可恢复变形）和断裂的能力,强度大小通常用应力来表示。抗拉强度Rm(MPa)表征金属材料抵抗拉伸断裂的最大应力称为抗拉强度，也称强度极限。屈服强度Re(MPa)表征金属材料抵抗塑性变形的能力。金属材料受拉伸载荷作用时，当载荷不再增加而变形继续增加的现象叫屈服，发生屈服时的应力称为屈服点。金属材料基础知识拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的抗拉强度、屈服强度、伸长率和面收缩率等力学性能。金属材料基础知识金属材料基础知识b.塑性:断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的。常用金属材料拉伸时最大的相对塑性变形（伸长率和断面收缩率）来表示。伸长率A试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用符号δ表示。其计算方法如下：A=（L1-L0）/L0×100％。面收缩率Z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为断面收缩率。其计算方法如下：Z=（S0-S1）/S0×100％。金属材料基础知识C.硬度:材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或痕的能力称为硬度。硬度试验的方法很多，有压入硬度试验法（如布氏硬度、洛氏硬度等）；回跳硬度试验法(如肖氏硬度)等。布氏硬度HB洛氏硬度HR测量残余压入深度h定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属、未淬火钢②HRC－－金刚石圆锥，大载荷，测较硬、淬硬钢制品③HRA－－金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件维氏硬度HV金刚石四棱锥体测量压痕对角线长度硬薄层工件硬度和强度有一定关系显微硬度HV载荷以g计算测量组织中某一相硬度金属材料基础知识D.韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。表征金属材料在断裂前塑性变形和裂纹扩展时吸收能量的能力，是金属材料强度和塑性的综合性能指标。表征材料韧性的主要参量有冲击吸收功、冲击韧性、脆性转变温度和无塑性转变温度以及断裂韧性等。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击吸收功（Ak）：摆锤冲断试样所失去的能量，单位为J。AKU，AKV，冲击韧度（ak）：单位为J/cm2韧性与温度有关——脆性转变温度TK冲击韧性国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比(charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV。另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mm×l0mm×10mm的无缺口冲击试样。金属材料基础知识4.金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻压性能、焊接性和切削加工性能等。金属材料基础知识三、金属的结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属力学的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。1、晶体与非晶体在物质内部，凡是原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如普通玻璃、松香、树脂等，都属于非晶体。相反，凡是原子作有序、有规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金都属于金属晶体。金属材料基础知识2、晶体结构为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连结起来，就构成了有明显规律性的空间格子。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，叫做晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。金属材料基础知识3、金属晶格的类型1）体心立方晶格它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心，属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、及a-铁（a-Fe）等金属。金属材料基础知识2）面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个面的中心，属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及r-铁（r-Fe）等金属。3）密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个角顶上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等金属。见晶格示意图。三种典型的纯金属晶体晶胞a-Fe、V、Nb、Cr、Mo、W等体心立方晶胞BCC(Body-centeredcubic)γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pb等。面心立方晶胞FCC(Face-centeredcubic)Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等。密排六方晶胞HCP(hexagonalclose-packed)金属材料基础知识4、钢的晶粒度钢中晶粒大小的尺寸称为晶粒度，通常用显微晶粒级别指数G表示。在放大100倍的条件下，645.16mm2面积所包含的晶粒数n与G的关系为n=2G-1。金属材料基础知识5、双相合金及多元合金合金：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。相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。组元：组成合金的独立的、最基本的单元。合金两类基本相：固溶体和金属化合物。金属材料基础知识固溶体：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。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，虽然是两种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。溶剂、溶质例：A(B),A：溶剂,B：溶质。α、β、γ、δ⑴．固溶体①固溶体的分类②固溶强化通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。合金的组元相互作用形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物——中间相。特性：熔点、硬度高、脆性大。分类：①正常价化合物：②电子化合物：③间隙化合物：过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼⑵、金属化合物组织：金属材料内部的微观形貌，又叫显微组织。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成相：指合金中晶体结构相同、成分和性能均一并以界面与其他部分分开的均匀组成部分。1.组织概念四、钢中常见的金相组织组织取决于化学成分和工艺过程2.组织的决定因素金属材料基础知识3、钢中常见的金相组织①、奥氏体碳或其它合金元素溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或A表示。②、铁素体碳和其它合金元素溶入α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，以α或F表示。③、渗碳体渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，在碳素钢中用分子式Fe3C表示。④、珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，通常呈片层状相间分布，片层间距和片层厚度主要取决于奥氏体分解时的过冷度。4、铁碳合金的组织与状态图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，都可作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。4.1、铁碳合金的基本组织是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在-Fe