鋼材教育訓練教程--金屬材料基礎教材.doc

均豪精密工業（蘇州）有限公司金屬材料基礎教材一金属材料的分类（1）按组成成分（2）按实用二、 金属材料的基本性能1、化学成分2、物理性能3、机械性能4、工艺性能三金属组织与热处理A. 金属组织B金属热处理 制定單位品保部/周再文 制定日期 2004/01/14金屬材料基礎教材一金属材料的分类 （1）按组成成分纯金属（简单金属）：指由一种金属元素组成的物质。目前已知纯金属约有八十多种，但工业上采用的甚少。合金（复杂金属）：指由一种金属元素（为主的）与另外一种（或几种）金属元素（或非金属元素）组成的物质。它的种类甚多，如工业上常用的生铁和钢就是铁碳合金，黄铜就是钢锌合金。由于合金的各项性能一般较优于纯金属，因此在工业上合金的应用比纯金属广泛。（2）按实用1） 黑色金属：指和铁的合金，如加生铁、铁合金、铸铁和钢。生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。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。2）有色金属：又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、铝、锌、锡、 镍、铅、钛、镁以及铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、镁合金和轴承合金等。另外，在工业上还采用铬、锰、钼、钨、钒、钴等，作为改善金属性能用的合金元素，其中钨、钴多用于生产刀具用的硬质合金所有上述有色金属，都称为工业用金属，以区别于贵金属（铂、金、银等）与稀有金属（包括放射性的铀、镭 等）。又密度小于4.5g/cm3的有色金属称为重金属,如铜、镍、铅、锌、锡等金属及其合金。 二、 金属材料的基本性能金属材料的基本性能是指它的物理性能、机械性能、化学性能和工艺性能，这些性能一般都受其化学成分的影响。1、化学成分化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑韧性等有较大影响，对热处理效果也有较大影响。（1）碳（C）主要元素。一般地，碳含量增加，强度极限和硬度提高，而塑性、韧性下降。当碳的含量超过0.9%时，钢的强度极限反而降低。碳含量偏高会对钢的焊接性能产生不利影响。（2）硫（S）一种有害元素。以FeS形式存在（熔点只有989），使钢材在热加工时容易开裂，产生热脆现象。硫含量高还使材料的断裂韧性降低。（3）磷（P）也是一种有害元素。磷能全部溶于铁素体中，使强度和硬度增加，会导致塑性和冲击韧性的显着降低。在低温变脆，产生“冷脆”现象。在某些特殊用途钢中，如含磷的铜钢，可以提高在大气中的耐蚀性。（4）锰（Mn）一种有益的元素。锰是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。由于锰可以和硫形成高熔点(1600)的硫化锰，能减轻硫的有害作用，并能提高钢的强度和硬度，是低合金钢中的常见元素。（5）硅（Si）一种有益的元素。作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。能使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。硅作为合金元素，可以提高钢的耐蚀性和耐热性，但过量的硅会恶化钢的热加工工艺性能。2、物理性能 物理性能主要指密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导电性以及弹性模量等。（1）弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。（2）线膨胀系数是指材料在温度变化1时单位长度的伸缩变化值，其值可从机械设计手册中查取。（3）导热系数是指当温度梯度（温度差与器壁厚度的比值）为1K/m，每小时通过每平方米传热面积传过的热量，单位为W/(m?K)。3、机械性能材料的机械性能主要是指材料的弹性、塑性、强度和韧性。（1）材料的弹性和塑性材料弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又能够恢复其原来形状的性能。材料塑性：指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。（2）材料的强度强度：是金属材料在外力作用下低抗塑性变形和断裂的能力。抗拉强度：抗拉强度是金属材料试样在拉断前所能承受的最大应力，以b表示，单位为MPa。屈服强度：是金属材料开始产生屈服现象时的应力，以s表示，单位为MPa。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服强度，以0.2表示。屈强比：屈服极限和抗拉强度的比值称为屈强比。这个比值可反映材料屈服后强化能力的高低。一般高强度钢的屈强比数值较大，低强度钢的屈强比较小。持久强度：持久强度是材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内（如105 h）引起断裂时的应力。用 Tt表示，单位为MPa。蠕变强度：指在给定的温度下，在规定的时间内（如105h），使试样产生的蠕变变形量不超过规定值（如1%）时的最大应力，以T/t表示，单位为MPa。疲劳强度： 是指材料在经受N次应力循环而不断裂时的最大应力，以1（纯弯曲疲劳），1（扭转疲劳）表示，单位为MPa。零件或构件在工作过程中受到方向、大小反复变化的交变应力的长期作用下，会在应力远小于该材料的屈服强度情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳破坏。（3）硬度：是材料抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力。用标准试验方法测得的表面硬度是材料耐磨能力的重要指标。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。a. 布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。b. 洛氏硬度（HR）当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金）。HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。c. HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。d. 维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）（4）材料的韧性 韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映，用来衡量材料的抗裂纹扩展能力。 *冲击韧性：衡量材料韧性的指标之一。可用带缺口的冲击试样在冲击试验中所吸收的冲击功数值作为冲击韧性值。料的冲击韧性可指导选材，但冲击功不能直接用于设计计算， *断裂韧性：断裂韧性值可以衡量材料的韧性情况，即可看出存在裂纹时材料所具有的防断能力。压力容器由于裂纹的存在也可以在塑性与冲击韧性值足够大的情况下发生脆性断裂事故。 *无塑性转变温度（NDT）：在不同的温度下测定出一系列的冲击韧性值，可以发现材料在某一温度区间随温度降低韧性值突然下降。由此可得出该材料的无塑性转变温度，以便确定材料的最低使用温度。（5）温度对材料机械性能的影响 一般金属材料的机械性能，随温度的升高会发生显着的变化。 *材料在高温下应力松弛(应力随时间降低) *材料在低温下材料的冷脆性(有塑性转变为脆性)。4、工艺性能材料要经过各种加工后，才能做成设备或机器的零件。材料在加工方面的物理、化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性能，又叫加工性能。选材时必须同时考虑材料的使用与加工两方面的性能。水工艺与工程中容器和设备主要零部件的制造主要是焊接、锻造、切削、冲压、弯曲和热处理工艺过程。（1）可焊性：指被焊金属在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 *工艺可焊性：主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向 *使用可靠性：焊接接头的机械性能及其它特殊性能（如耐热、耐蚀性能等）。（2）可锻性：金属承受压力加工的能力叫金属的可锻性。（3）切削加工性：材料被切削加工的难易程度。（4）成型工艺性：成型就是金属在热态或冷态下，经外力作用产生塑性变形而成为所需形状的过程。（5）热处理性能：热处理是以改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以不同的速度冷却下来的一种操作。三金属组织与热处理 A金属组织 1、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）。2、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。3、相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。4、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。5、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。6、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。7、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。8、铁素全：碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。9、奥氏体：碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。10、渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。11、珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）12、莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%） B金属热处理把金属材料在固态范围内放在一定介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一段时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。通过改变金属材料内部显微组织或改变表面的化学成分，来改变其力学/物理/和化学性能，以改善工件的使用性能。其工艺一般包括加热保温冷却三个过程有时只有加热和冷却两个过程这些过程相互衔接不可间断。金属热处理工艺可分为整体热处理表面热处理化学热处理三大类根据加热介质加热温度和冷却方法的不同每一大类又分为若干不同的热处理工艺。同一金属采用不 同的热处理工艺可获得不同的组织从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属而且钢铁显微组织出最为复杂因此钢铁热处理工艺种类繁多。（1）整体热处理对金属整体加热然后以适当的速度冷却以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理有退火正火淬火回火四种基本工艺。退火-将材料加热到适当温度根据材料和尺寸采用不同的保温时间然后进行缓慢冷却目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态消除表面硬化现象消除金属内的残余应力便于以后的机加工和电加工以获得良好的工艺性能和使用性能或者为进一步淬火做准备。正火-将材料加热到适当温度后在空气中冷却正火的效果同退火相似只是得到的组织更细韧性更好并提高表面精糙度。常用于改善材料的切削性能也有时用于对一些要求不高的零件作最终热处理。淬火-将材料加热保温后在水油或其它无机盐有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后材料变硬耐磨性能好但同时变脆。回火-为了消除淬火后的内应力降低材料的脆性将淬火后的材料在高于室温低于650度的某一适当温度进行长时间的保温再进行冷却。退火正火淬火回火是整体热处理中的”四把火”其中的淬火与回火关系密切常常配合使用缺一不可。四把火随着加热温度和冷却方式的不同又演变成不同的热处理工艺。如：调质-为了获得一定的强度和韧性把淬火和高温回火结合起来的工艺。时效处理-某些合金淬火形成过饱和溶液后将其置于室温或稍高温度下保持较长时间以提高合金的硬度强度或电性