金属材料基础(排版刘欢)

金属材料基础金属材料基础 排版刘欢排版刘欢 金属材料基础金属材料 尤其是钢铁 对人类文明的发展起到重要 作用 主要是因为它本身具有比其它材料优越的综合性能 诸如物 理性能 化学性能 力学性能 工艺性能等 因此金属材料能够适应科学技术和人类生活的不同需要 本课程以钢铁材料为代表 主要讲述金属材料的各项性能以及具有 比其它材料性能优越的内在组织结构等因素 具体内容主要涉及钢铁的各项性能 晶体组织结构和由液态钢铁转 变为固态钢铁的组织变化规律 第一节钢的性能金属材料的使用性能为了保证金属材料所制成的产 品 机械零件或金属结构件等 能正常使用而应具备的性能 称为 金属材料的使用性能 它包括物理性能 化学性能 机械性能等 下面就针对钢的这几方面的性能分别加以简要介绍 一 物理性能物理性能是指金属不发生变化所表现的性能 包括密 度 熔点 导电性 导热性 磁性等 密度是指单位体积所具有的质量 即密度 质量 体积 单位为g cm3 钢的密度为7 85g cm3 铝的密度为2 7g cm3 在航空航天领域中 在相同的强度下要求尽量减轻质量 所以象铝 合金和钛合金就比较受欢迎 一般不用钢材 在钢材的供应销售中 经常根据金属材料的密度来计算其质量 即 质量 密度 体积 这样算出的质量称为理论质量或理论重量 熔点指物质 晶体 有固态转变为液态的温度 钢的熔点为1400 1500 铝的熔点为658 纯铁的熔点为1538 钢的熔点是冶炼 铸造 焊接 热镀是必须考虑的因素 导热性指金属传导热量的能力 纯金属的导热性比合金好 钢的导热性一般 比铜 铝及其合金差 热膨胀性一般的金属材料在受热时体积胀大 即几何尺寸要伸长 的性质 通常用膨胀系数表示 导电性指金属传导电流的能力 一般说来 纯金属的导电性比合金的好 银的导电性最好 其次为铜铝 如果把银的导电性作为100 那幺铜的为94 铝的为55 铁为2 镍 铬更差 导电性好 电能损失小 反之 电流通过时会产生很大热量 磁性金属能被磁场吸引后磁化的性能 钢为铁磁性的 即在外磁中能强烈被磁化的 另外还有电阻率 电导性 比热 磁场强度即磁导率等物理性能 但这些与轧钢没有多大关系 就不一一阐述了 重点要掌握钢的密度 熔点等物理性能 其它的性能作为了解内容 二 化学性能金属材料的化学性能主要指其化学稳定性 即抵抗周 围各种介质 如大气 水 各种酸 碱 盐溶液 腐蚀的能力 包括抗氧化性 抗蚀性等 抗氧化性是指金属抵抗高温气体腐蚀的能力 也属于金属抗蚀性的 范畴 一般钢材的抗腐蚀性较差 不锈钢的抗氧化性强 主要是因为里面 加了合金元素如铬 镍和锶等 抗蚀性抗蚀性又叫耐蚀性 是指金属材料抵抗周围介质腐蚀作用的 能力 金属的抗蚀性好 就不易受到周围介质的作用而发生质量上的变化 表现出稳定的化学性能 因此又叫做化学稳定性 根据腐蚀的种类不同 抗蚀性可分为抗氧化性 耐酸性等 一般说来 钢铁抗蚀性不如有色金属 但是 不同有色金属的抗蚀性不同 同一种有色金属的抗蚀性的好 坏 也因周围腐蚀介质的种类不同而异 三 机械性能金属的机械性能包括力学性能和工艺性能 1 力学性能是指金属材料在外力的作用下所表现出来的各种特征 如弹性 塑性 强度 硬度等 弹性金属材料受外力作用发生了变形 当去掉外力后 恢复原来行 状和尺寸的能力 金属材料弹性的好坏是通过弹性极限 比例极限来反映的 弹簧钢有两种碳素弹簧钢和合金弹簧钢 碳素弹簧钢的含碳量在0 6 0 9 合金弹簧钢的含碳量在0 5 0 7 加以硅 锰合金元素或是铬 钨 钒合金元素 塑性金属材料在外力作用下产生永久变形 指去掉外力不能恢复原 状的变形 但不会被破坏的能力 塑性用伸长率 延伸率 断面收缩率表示 金属的塑性与温度 变形方式 如拉伸和挤压时金属塑性不同 金属的塑性是进行压力加工 冷弯工艺必须考虑的重要因素 钢铁在高温下塑性很好 在常温下也有一定的塑性 在钢材常规检验中 延伸率是一重要的指标 强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力 金属材料的强度 是通过比例极限 弹性极限 屈服强度 抗拉强 度等许多强度指标来反映的 不同的钢种的强度差别挺大 在钢材常规检验中 屈服强度和抗拉强度是两项重要指标 屈服点金属试样在拉伸过程中 负荷不再增加 而试样仍继续发生 变形的现象 称为 屈服 发生屈服现象时的应力 即开始出现塑性变形时的应力 称为屈服 点或屈服极限 用 s表示 单位为Mpa 计算公式为 s Ps 材料屈服时的负荷 F0 试样原横截面面积 屈服强度对于一些屈服现象不明显的金属材料 测定屈服点比较困 难 常把产生0 2 永久变形的应力定为屈服点 称为屈服强度或条 件屈服极限 用 0 2表示 单位为Mpa 计算公式 0 2 P0 2 试样拉断前的最大负荷 F0 试样原截面面 积 抗拉强度金属试样拉伸时 再拉断前所承受的最大压力 它表示金属材料再拉力作用下抵抗大量塑性变形和破坏的能力 抗拉强度以 b表示 单位为Mpa 计算公式为 b Pb 试样拉断前的最大负荷 F0 试样原横截面面 积 伸长率 延伸率 指金属在拉伸试验时 试样拉断后 其标距 部分所增加的长度与原标距长度的百分比 以 表示 单位为 计算公式为 L1 L0 L0 100 其中L1表示拉断后试样标距长度 单位为mm L0表示试样原标距长度 单位为mm标距长度对伸长率影响很大 所 以伸长率必须注明标距 如L0 5D0 D0为等效直径 钢材常规检验中按照标准进行 断面收缩率金属拉伸试验中 在断裂处试样截面面积减小的百分率 以 表示 单位为 计算公式为 F0 F1 F0 100 其中F0表示试样原横截面面积 单位mm2F1表示试样 断裂处的最小面积 单位mm2冲击吸收功或冲击韧性值金属材料对冲 击的抵抗能力称为韧性 通常用冲击吸收功或冲击韧性值来度量 用一定尺寸和形状的试样 在规定类型的试验机上收一次冲击负荷 折断时所吸收的功 称冲击吸收功 以AK表示 单位为J 试验刻槽 处单位面积上所消耗的功 称为冲击韧性值 以aK表示 单位为KJ m2 计算公式为aK AK 冲击吸收功 KJ F 试验前试样刻槽的横截面 积 m2 低温冲击韧性和高温冲击韧性金属材料在常温 低温及高 温下所测得的冲击吸收功或冲击韧性值是不一样的 低温条件下的冲击韧性称为低温冲击韧性 高温条件下测的冲击韧 性 称为高温冲击韧性 低温或高高温的冲击吸收功或冲击韧性值都要注明试验温度 硬度材料抵抗更硬物质压入其表面的能力 硬度不是一个单纯的物理量 而是反映弹性 强度与塑性等综合性 能指标 它是金属材料的重要性能指标之一 一般来说 硬度越高耐磨性愈好 根据试验方法和适应范围的不同 硬度可分为布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 肖氏硬度等 下面重点介绍布氏硬度 其它各种硬度作了解即可 布氏硬度用一定直径D的淬硬钢球 以规定负荷P压入试验金属表面 并保持一定时间 除去负荷后 测量金属表面的压痕直径 以直径 算出压痕球面积F 再以负荷P除以压痕球面积F所得之商 为该金属 的布氏硬度值 布氏硬度以HB表示 单位为Kgf mm2 但使用中一般不表注单位 计算公式为HB 2P D D 22dD 式中P 所加的规定负荷 kgf D 钢球直径 mm d 压痕直径 mm布氏硬度测定较为准确可靠 但只使用于测定HB8 HB480范围内的金属材料 脆性材料在受力时没有显着的变形而突然断裂的性质 金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构 脆性有热脆性和冷脆性之分 钢的热脆一般是由硫引起 冷脆一般 是由磷引起的 钢除了以上这些的力学性能外 还有象高温硬度 红硬性 疲劳极 限和疲劳强度 蠕变极限 持久极限 持久强度 抗压强度及抗 弯强度等性能 实际工作中 我们主要掌握屈服强度 抗拉强度 延伸率 冲击功 及布氏硬度等 其它有个了解就行 2 工艺性能是指金属材料在投入生产的过程中 能承受各种加工制 造工艺而不产生疵病或废品而应具备的性能 它包括冷弯性 焊接性 切削加工性及冲压性等 冷弯性指金属材料在常温下能承受弯曲而不破坏的能力 出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大 则材料的冷弯性愈好 弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径对材料厚度a的比值来表示 弯 曲角度愈大或弯芯直径d对材料厚度a的比值愈小 则材料的冷弯性 能愈好 金属材料的塑性愈好则其冷弯性能愈好 焊接性 可焊性 是指金属材料适应常用焊接方法和工艺的能力 金属的焊接性一般根据焊接时产生裂纹的敏感性及焊缝区力学性能 的变化来判断 碳当量小于0 2 的钢的焊接性较好 降低钢中S和P的含量对提高钢 的焊接性也大有好处 注碳当量 C wC wMn 6 wCr 5 wMo 4 wNi 15 wSi 24 wCu 13 wP 2 此公式为经验公式切削加工性是金属材料被切削加工时所表现出 来的性能 亦即金属材料切削加工的难易程度 硬度在HB 140 250之间的钢的切削加工性较好 冲压性是指金属经过冲压变形而不产生裂纹等缺陷的能力 检验金属材料冲压性能的方法叫杯凸试验 也叫艾利克森试验 钢的工艺性能还有铸造性 顶锻性及气密性等 我们要重点掌握冷 弯性 冲压性及焊接性等 其它作了解即可 第二节钢的内部结构金属材料的化学成分不同 其性能也不同 但对于同一种成分的金属材料 通过不同的加工处理工艺 改变材 料内部的组织结构 也可以时其性能发生极大的变化 由此可以看出 除化学成分外 金属的内部结构和组织状态也是决 定金属材料性能的重要因素 所以我们要了解钢的内部结构 钢及其合金通常都是晶体 要了解钢及合金的内部结构 首先要了 解晶体的结构 一 晶体结构1 晶体的特性 谈到晶体 大家很容易联想到价格昂贵的钻石和晶莹剔透的各种宝 石 这些的确是晶体 并且这些都是有规则几何外形的天然晶体 事实上 象食盐 冰块 雪花及各种金属制品都是晶体 可见 晶体与非晶体的区别不在外形 主要在于内部的原子排列情 况 在晶体中 原子按一定的规律周期性排列着 而所有的非晶体 如 玻璃 木材 棉花等 其内部原子则是散乱分布着 至多有些局部 的短程规则排列 晶体与非晶体的区别主要有熔点和各项异性 但在一定条件下 晶体和非晶体可以相互转变 晶体可分为单晶体和多晶体两类 2 晶格与晶胞 为了了解晶体结构 假定理想晶体中的原子都是固定不动的钢球 那幺晶体即由这些钢球堆垛而成 图1 1a即为这种原子堆垛模型 从中可以看出 原子在各个方向的排列 都是很有规则 这种模型的优点是立体感强 很直观 缺点是每个钢球密密麻麻地 堆积在一起 很难看清内部排列的规律和特点 不便于研究 为了清楚地表明原子在空间排列地规律性 常常将构成晶体地实际 质点 原子 离子或分子 忽略 而将它们抽象为纯粹地几何点 称之为阵点或结点 这些阵点可以是原子或分子的中心 也可以是彼此等同的原子群或 分子群的中心 各个阵点的周围环境都相同 为了观察方便起见 可以做许多的直线将这些阵点连接起来 构成 一个三维的空间格架 如图1 1b所示 这种用以描述晶体中原子 离子或分子 排列规律的空间 格架称为空间点阵 简称为点阵或晶格 由于晶格中原子排列具有周期性的特点 因此 为了简便起见 可 以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特点的最小的几何单元 来 分析晶体中原子排列的规律性 这个最小的几何单元称为晶胞 见 图1 1c 图1 1晶体中原子排列示意图a 原子堆垛模型 b 晶格 c 晶胞3 三 种典型的金属晶体结构 工业上使用的精神元素中 除了少数具有复杂的晶体结构外 绝大 多数都具有比较简单的晶体结构 其中最典型 最常见的金属晶体 结构有3种 即体心立方结构 面心立方结构和密排六方结构 这三种金属晶体结构的晶格图如下所示a b c 图1 2晶格模型图a 体心立方结构 b 面心立方结构 c 密排立方结 构4 多晶型性 大部分金属只有一种晶体结构 但也有少数金属如F e Mn Ti Co等具有两种或两种以上的晶体结构 即具有多晶性 但外部条件 如温度和压强 改变时 金属内部由一种晶体结构转 向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变 由于不同的晶体结构具有不同的致密度 因而当发生多晶型转变时 将伴有比容或体积的突变 除体积变化外 多晶型转变还会引起其它性能的变化 5 铁的晶体结构 铁是多晶型晶体 在912 以下为体心立方晶格 称为 Fe 在912 1394 具有面心立方晶格 称为 Fe 从1394 到熔点 又转变为体心立方晶格 称为 Fe 图1 3为纯铁加热时的膨胀曲线 Fe的致密度小 Fe的致密度大 Fe的致密度又小 所以在曲线上出现了明显的转折点 图1 3纯铁加热时的膨胀曲线 二 实际金属的晶体结构在实际应用的金属材料中 总是不可避免 地存在着一些原子偏离排列地不完整型区域 这就是晶体缺陷 但这些偏离排列地原子很少 在最严重情况下不过占原子总数地千 分之一 因此总的看来 其结构还是接近完整的 尽管如此 这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能 其中特别是那 些对结构敏感的性能 如强度 塑性 电阻等产生重大影响 而且 还在扩散 相变 塑性变形和再结晶等过程中扮演着重要的角色 晶体缺陷的种类根据晶体缺陷的几何形态特征 可分三类点缺陷 线缺陷及面缺陷 点缺陷其特征是三个方向上的尺寸都很小 相当于原子的尺寸 点缺陷有空穴 间隙原子及置换原子等种类 线缺陷其特征是在两个方向上的尺寸很小 另一个方向相对很大 线缺陷主要有位错 面缺陷其特征是在一个方向上的尺寸很小 另外两个方向上的尺寸 相对很大 面缺陷有晶界 亚晶界等 三 晶界晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒晶界 简称位晶界 当相邻晶粒的位向差小于10 时 称为小角度晶界 位向差大于10 称为大角度晶界 小角度晶界小角度晶界基本上有位错构成 其有两种形式 对称倾侧晶界和扭转晶界 大角度晶界大角度晶界的结构十分复杂 目前尚不十分清楚其具体 结构 而多晶体金属材料中的晶界大都属于大角度晶界 一般认为 大角度晶界可能接近于图1 4所示的模型 即相邻晶粒在邻接处的形状是由不规则的台阶所组成 图1 4金属晶粒内的结构示意图亚晶界在每个晶粒内的原子排列也并不十 分完整 会出现位向差极小的 通常小于1 亚结构 在亚结构之 间就是亚晶界 亚晶界为小角度晶界的一种 四 晶粒度晶粒的大小称为晶粒度 通常用晶粒的平均面积或平均 直径来表示 在国标GB6394 86重规定测量晶粒度的方法有比较法 面积法和截线法等 生产检 验中常用比较法 比较法是在100倍显微镜下与标准评级图对比来评定晶粒度的 标准图是按单位面积内的平均晶粒数来分级的 晶粒度级别指数G和 平均晶粒度N的关系为N 2G 3式中N 放大100倍时每1mm2面积内的晶粒数 晶粒越细 N越大 则G越大 晶粒的大小对金属的机械性能有很大影响 在常温下 金属的晶粒 越细小 强度和硬度则越高 同时塑性韧性也越好 表1 1列出了晶粒大小对纯铁机械性能的影响 表1 1晶粒大小对纯铁机械性能的影响晶粒平均直径 mm抗拉强度 MPa 屈服强度 MPa 延伸率 9 71654028 87 01803830 62 521 14439 50 202635748 80 162646550 70 1027811650 0 五 固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合 混合后形成的 固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同 这种相就称为固溶 体 这种组元称为溶剂 其它的组元即为溶质 固溶体的晶体结构和其基体金属 溶剂 的基本相同 工业上所使用的金属材料 绝大多数是以固溶体为基体的 有的甚 至完全由固溶体所组成 例如碳钢和合金钢 均以固溶体为其基体相 其含量占组织的绝大 部分 固溶体的分类根据固溶体的不同特点 可以将固溶体进行不同的分 类 a 按溶质原子在晶格中所占位置分类置换固溶体和间隙固溶体 b 按固溶度分类有限固溶体和无限固溶体 c 按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类无序固溶体和有序固溶体 d 按基体 溶剂 的性质分类一次固溶体 以纯金属为基体 和二 次固溶体 以化合物为基体 固溶体的性能一般说来 固溶体的硬度 屈服强度和抗拉强度等总 是比组成它的纯金属的平均值高 随着溶质原子浓度的增加 硬度 和强度也随之提高 在塑性韧性方面 如延伸率和冲击功等 固溶体要比组成它的纯金 属的平均值低 但比一般化合物要高的多 因此 综合来看 固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机 械性能 因此 各种金属材料总是以固溶体为其基体相 六 碳化物碳化物是金属化合物的一种 在合金中 组元间发生相互作用 除彼此形成固溶体外 还可能形 成一种具有金属性质的新相 即为金属化合物 碳化物属于金属化合物中的间隙化合物或间隙相种类 间隙相和间隙化合物的区别在于非金属元素 以X表示 与金属元素 以M表示 原子半径的比值当rX rM0 59时 则形成具有复杂晶体结构 的化合物 称为间隙化合物 表1 2列出钢种常见的碳化物的硬度及熔点 表1 2钢中常见碳化物的硬度及熔点间隙相间隙化合物类型NbC W2C WCMo2CTaC TiCZrC VCCr23C6Fe3C熔点 3770313028672960415034103805302315771227 硬度HV2050 17301480155028502840 xx1650800第三节铁碳合金状态图铁碳合金包 括碳钢和铸铁等 其中碳钢是使用最广泛的金属材料 铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具 由于钢中碳的含量最多不超过2 11 所以下面研究的铁碳合金实际 上是Fe Fe3C相图 是铁碳相图的一部分 一 铁碳合金的组元及基本相1 纯铁 铁是元素周期表上的第26个元素 相对原子质量为55 85 在一个大气压下 其熔点是1538 沸点是2738 常温下的密度是7 87g cm3 铁的同素异晶转变图1 5是铁的冷却曲线 从图中可以看出冷却过程中共发生一次结晶 1538 两次异晶 转变 分别在1394 和912 和一次磁性转变 770 通常把 Fe Fe 1394 的转变称为A4转变 转变的平衡临界点称为A4点 把 Fe Fe 912 的转变称为A3转变 转变的平衡临界点称为A3点 把在 770 的磁性转变称为A2转变 转变的平衡临界点称为铁的居里点 但在发生磁性转变时铁的晶格不变 所以磁性转变不属于相变 图1 5纯铁的冷却曲线及晶体结构变化铁素体与奥氏体铁素体是碳溶于 铁中的间隙固溶体 为体心立方晶格 常用符号F或 表示 奥氏体是碳溶于 铁中的间隙固溶体 为面心立方晶格 常用符号A 或 表示 铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多 根据测定 奥氏体得最大溶碳w C 2 11 于1148 而铁素体得最大溶碳量仅wC 0 0218 于72 7 在室温下铁素体得溶碳能力就更低了 一般在0 008 以下 2 渗碳体 渗碳体是铁于碳形成得间隙化合物Fe3C 含碳量wC 6 69 可以用 符号Cm表示 是铁碳相图中得重要基本相 渗碳体具有很高得硬度 约为800HB 但塑性极差 延伸率接近于零 渗碳体于低温下有一定得铁磁性 但是在230 以上 这种铁磁性就 消失了 所以230 是渗碳体得磁性转变温度 称为A0转变 根据理论计算 渗碳体得熔点为1227 二 F Fe3C相图分析1 相图中得点 线 区及其意义 图1 6是F Fe3C相图 图中各特征点的温度 碳浓度及意义示于表1 3中 各特征点得符号示国际通用的 不能随便更换 相图的液相线是ABCD 固相线是AHJECF 相图中有五个单相区ABCD 以上 液相区 L AHNA 固溶体区 NJESGN 奥氏体区 或A GG 铁素体区 或F DFKL 渗碳体区 Fe3C或Cm 相图中有七个两相区 它们分别存在于相邻 两个单相区之间 这些两相区分别是L L L Fe3C Fe3C及 Fe3 C 另外 相图上有两条磁性转变线MO为铁素体的磁性转变线 230 虚 线为渗碳体的磁性转变线 铁碳相图上有三条水平线 即HJB 包晶转变线 ECF 共晶转变线 PSK 共析转变线 图1 6以相组成表示的铁碳相图表1 3铁碳合金相图中的特征点符号温度 wC 说明符号温度 wC 说 明A15380纯铁的熔点J14950 17包晶点B14950 53包晶转变时液态合 金成分K7276 69渗碳体的成分C11484 30共晶点M7700纯铁的磁性转 变点 Fe Fe的D12276 60渗碳体的熔点N13940转变温度A4E11482 11碳在 Fe中的最大溶解度O770 0 5合金的磁性转变点碳在 Fe中的最F11486 69渗碳体的成分P7270 0218大溶解度G9120 Fe Fe转变温度A3S7270 77共析点 A1 H14950 09碳在 Fe中的最大溶解度Q6000 0057600 碳在 Fe中的溶解度2 包晶转变 水平线HJB 在1495 的恒温下 wC 0 53 的液相与wC 0 09 的 铁素体发生包 晶反应 得到奥氏体 含碳量wC0 0218 的铁碳合金都将发生共析转变 5 三条重要的特性曲线GS线又称为A3线 它是在冷却过程中 由奥 氏体析出铁素体的开始线 或者说在加热过程中 铁素体溶入奥氏 体的终了线 事实上 GS线是G点 A3点 演变而来的 随着含碳量的增加 使奥 氏体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降 从而由A3点变成了A3 线 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线 当温度低于此曲线时 就要从奥氏体中析出次生渗碳体 通常称之 为二次渗碳体 因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线 ES线也叫ACm线 线是碳在铁素体中的溶解度曲线 铁素体中的最大溶碳量 于727 时达到最大值wC 0 0218 随着温度的降低 铁素体中的溶碳量逐渐减少 在300 以下 溶碳 量 wC 小于0 001 因此 但铁素体从727 冷却下来时 要从铁素体中析出渗碳体 称 之为三次渗碳体 三 铁碳合金的平衡组织铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶 的综合结果 通常按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁两大类 即含碳量wC2 11 为铸铁 wC 0 0218 的为工业纯铁 根据组织特征 如图1 7所示将铁碳合金按含碳量划分为七种类型1 工业纯铁wC 0 0218 2 共析钢wC 0 77 3 亚共析钢wC 0 0218 0 77 4 过共析钢wC 0 77 2 11 5 共晶白口铁wC 4 3 6 亚共晶白口铁wC 2 11 4 3 7 过共晶白口铁wC 4 3 6 69 图1 7典型铁碳合金冷却后的平衡组织 四 钢中的杂质元素及其影响在钢的冶炼过程中 不可能除尽所有 的杂质 所以实际使用的碳钢中除了碳外 还含有少量的猛 硅 硫 磷 氧 氢及氮等元素 它们的存在会影响钢的质量和性能 1 锰和硅的影响 锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂 用于去除钢液中的氧 脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中 冷至室温后即溶于铁 素体中 提高铁素体的强度 此外 锰还可以溶入渗碳体中 锰对碳钢的机械性能有良好的影响 它能提高钢的强度和硬度 当 含锰量不高 wMn 0 8 时 可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧 性 碳钢中的含硅量一般小于0 5 它也是钢中的有益元素 在沸腾钢 中的含量很低 而镇静钢的含量较高 硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用 显着提高钢的强度和硬度 但含量较高时 将使钢的塑性和韧性下降 2 硫的影响 硫是钢中的有害元素 它是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂 质 硫只能溶于钢液中 在固态铁中几乎不能溶解 而是以FeS夹杂的形 式存在于固态钢中 硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂 这种现象称为热脆 防止热脆的方法时在钢中加入适当的锰 由于硫于猛的亲和力大于硫和铁的亲和力 硫便于锰生成MnS 避免 了FeS的形成 所以在一般工业用钢中 锰含量常为硫的5 10倍 此外 含硫高时 还会使钢铸件在铸造应力作用下产生热裂纹 同 样也会使焊接件杂焊缝处产生热裂纹 在焊接时产生的SO2气体 还是焊缝产生气孔和缩松 但硫能提高钢的切削加工性能 在易削钢中 硫的含量在0 08 0 2 之间 同时锰含量在0 50 1 20 之间 3 磷的影响 一般说来 磷是有害的杂质元素 它是由矿石和生铁等炼钢原料带 来的 钢中的磷一般都是固溶于铁中的 磷具有很强的固溶强化作用 它使钢的强度 硬度显着提高 但剧 烈地降低钢地韧性 尤其是低温韧性 称为冷脆 在一定条件下磷也有一定的有益作用 例如由于它降低铁素体的韧性 可以用来提高钢的切削加工性 它与铜共存时 可以显着提高钢的抗大气腐蚀能力 4 氮的影响 一般认为 钢中的氮是有害元素 在淬火时效和应力时效的情况下 氮从铁素体中易氮化铁的形式析 出 使钢的强度硬度升高 塑性韧性下降 使钢材变脆 解决的方法是往钢中加入足够数俩数量的铝 铝能与氮结合成AlN 这样就可以减弱或完全消除这两种在较低温度下发生的时效现象 此外 AlN还阻碍加热时奥氏体晶粒的长大 从而起细化晶粒的作用 5 氢的影响 钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸入的 此外 在含氢的还原性气氛中加热钢材 酸洗及电镀等 氢均可被 钢件吸收 并通过扩散进入钢内 氢对钢的危害是很大的 一是引起氢脆 即在低于钢材强度极限的应力作用下 经一定的时 间后 在无任何预兆的情况下突然断裂 往往造成灾难性的后果 钢的强度越高 对氢脆的敏感性往往越大 二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷 白点 在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点 在酸洗后的横断面 上则呈较多的发丝状裂纹 如图1 8所示 白点使钢材的延伸率显着下降 尤其使断面收缩率和冲击韧性降低 的更多 有时可接近于零值 因此具有白点的钢使不能使用的 这些缺陷主要发生在合金钢中 图1 8钢中白点a 横向低倍 b 纵向断口6 氧及其它非金属夹杂物的影 响 氧在钢中的溶解度非常小 几乎全部以氧化物夹杂的形式存在 如FeO Al2O 3 SiO 2 MnO CaO MgO等 除此以外 钢中往往还有硅酸盐 氮化物即磷化物等 这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性 在静载荷和动载荷的 作用下 往往成为裂纹的起点 它们的性质 大小 数量即分布状态不同程度地影响着钢的各种性 能 尤其是对钢的塑性 韧性 疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大 因此 对非金属夹杂物应严加控制 在要求高质量的钢材时 炼钢 生产中应用真空技术 渣洗技术 惰性气体净化 电渣重溶等炉外 精炼手段 可以卓有成效地减少钢中气体和非金属夹杂 第四节金属材料的名词术语和相关问题 一 晶体结构与结晶1 解释下列名词点缺陷 线缺陷 面缺陷 亚 晶粒 亚晶界 刃型位错 单晶体 多晶体 过冷度 自发形核 非自发形核 变质处理 变质剂 答 点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小 主 要指空位间隙原子 置换原子等 线缺陷原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大 而 在其余两个方向上的尺寸很小 如位错 面缺陷原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大 而 另一方向上的尺寸很小 如晶界和亚晶界 亚晶粒在多晶体的每一个晶粒内 晶格位向也并非完全一致 而 是存在着许多尺寸很小 位向差很小的小晶块 它们相互镶嵌而成 晶粒 称亚晶粒 亚晶界两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界 刃型位错位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的 局部滑移而造成 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线 如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面 多余半原子面的边 缘好像插入晶体中的一把刀的刃口 故称 刃型位错 单晶体如果一块晶体 其内部的晶格位向完全一致 则称这块晶 体为单晶体 多晶体由多种晶粒组成的晶体结构称为 多晶体 过冷度实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度 自发形核在一定条件下 从液态金属中直接产生 原子呈规则排 列的结晶核心 非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核 变质处理在液态金属结晶前 特意加入某些难熔固态颗粒 造成 大量可以成为非自发晶核的固态质点 使结晶时的晶核数目大大增 加 从而提高了形核率 细化晶粒 这种处理方法即为变质处理 变质剂在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂 2 常见金属晶体结构有哪几种 Fe Fe Al Cu Ni Pb Cr V Mg Zn各属何种晶体结构 答常见金 属晶体结构体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 Fe Cr V属于体心立方晶格 Fe Al Cu Ni Pb属于面 心立方晶格 Mg Zn属于密排六方晶格 3 实际晶体中的点缺陷 线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响 答 如果金属中无晶体缺陷时 通过理论计算具有极高的强度 随着晶 体中缺陷的增加 金属的强度迅速下降 当缺陷增加到一定值后 金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加 因此 无论点缺陷 线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变 从而使晶 体强度增加 同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻 降低金属的抗腐蚀性能 4 为何单晶体具有各向异性 而多晶体在一般情况下不显示出各向 异性 答因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同 造成原子间 结合力不同 因而表现出各向异性 而多晶体是由很多个单晶体所 组成 它在各个方向上的力相互抵消平衡 因而表现出各向同性 5 过冷度与冷却速度有何关系 它对金属结晶过程有何影响 对铸 件晶粒大小有何影响 答 冷却速度越大 则过冷度也越大 随着冷却速度的增大 则晶体内形核率和长大速度都加快 加速 结晶过程的进行 但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢 因 为这时原子的扩散能力减弱 过冷度增大 结晶驱动力增大 形核率和长大速度都提高 但形 核率比长大速度增加得快 晶粒变细 但过冷度过大 结晶发生困 难 6 金属结晶的基本规律是什么 晶核的形成率和成长率受到哪些因 素的影响 答 金属结晶的基本规律是形核和核长大 受到过冷度的影响 随着过冷度的增大 晶核的形成率和成长率 都增大 但形成率的增长比成长率的增长快 同时外来难熔杂质以 及振动和搅拌的方法也会增大形核率 7 在铸造生产中 采用哪些措施控制晶粒大小 在生产中如何应用 变质处理 答 控制晶粒大小的方法变质处理 钢模铸造 在砂模 中加冷铁等加快冷却速度的方法 机械振动 搅拌 变质处理在液态金属结晶前 特意加入某些难熔固态颗粒 造成 大量可以成为非自发晶核的固态质点 使结晶时的晶核数目大大增 加 从而提高了形核率 细化晶粒 二 金属的塑性变形与再结晶1 解释下列名词加工硬化 回复 再 结晶 热加工 冷加工 答 加工硬化随着塑性变形的增加 金属的强度 硬度迅速增加 塑性 韧性迅速下降的现象 回复为了消除金属的加工硬化现象 将变形金属加热到某一温度 以使其组织和性能发生变化 在加热温度较低时 原子的活动能力不大 这时金属的晶粒大小和 形状没有明显的变化 只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁 移等变化 因此 这时金属的强度 硬度和塑性等机械性能变化不 大 而只是使内应力及电阻率等性能显著降低 此阶段为回复阶段 再结晶被加热到较高的温度时 原子也具有较大的活动能力 使 晶粒的外形开始变化 从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒 和变形前的晶粒形状相似 晶格类型相同 把这一阶段称为 再结 晶 热加工将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工 冷加工在再结晶温度以下进行的压力加工 2 产生加工硬化的原因是什么 加工硬化在金属加工中有什么利弊 答 随着变形的增加 晶粒逐渐被拉长 直至破碎 这样使各晶 粒都破碎成细碎的亚晶粒 变形愈大 晶粒破碎的程度愈大 这样 使位错密度显著增加 同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉 长 因此 随着变形量的增加 由于晶粒破碎和位错密度的增加 金属 的塑性变形抗力将迅速增大 即强度和硬度显著提高 而塑性和韧 性下降产生所谓 加工硬化 现象 金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难 如钢板在 冷轧过程中会越轧越硬 以致最后轧不动 另一方面人们可以利用加工硬化现象 来提高金属强度和硬度 如 冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的 强度的 加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素 如冷拉钢丝拉过模孔的部分 由于发生了加工硬化 不再继续变形 而使变形转移到尚未拉过模孔的部分 这样钢丝才可以继续通过模 孔而成形 3 冷加工和热加工是依据什么进行划分的 答主要是再结晶温度 在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工 产生加工硬化现象 反之为热加工 产生的加工硬化现象被再结晶所消除 4 与冷加工比较 热加工给金属件带来的益处有哪些 答 通过热 加工 可使铸态金属中的气孔焊合 从而使其致密度得以提高 通过热加工 可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎 从而使晶粒 细化 机械性能提高 通过热加工 可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生 改变 使它们沿着变形的方向细碎拉长 形成热压力加工 纤维组 织 流线 使纵向的强度 塑性和韧性显著大于横向 如果合理利用热加工流线 尽量使流线与零件工作时承受的最大拉 应力方向一致 与外加切应力或冲击力相垂直 可提高零件使用寿 命 5 名词解释细晶强化 答细晶强化金属的晶粒越细小 其强度 硬度越高 塑性 韧性也 越好 6 为什么细晶粒钢强度高 塑性 韧性也好 答晶界是阻碍位错运 动的 而各晶粒位向不同 互相约束 也阻碍晶粒的变形 因此 金属的晶粒愈细 其晶界总面积愈大 每个晶粒周围不同取 向的晶粒数便愈多 对塑性变形的抗力也愈大 因此 金属的晶粒愈细 强度愈高 同时晶粒愈细 金属单位体积中的晶粒数便越多 变形时同样的变 形量便可分散在更多的晶粒中发生 产生较均匀的变形 而不致造 成局部的应力集中和引起裂纹的过早产生和发展 因此 塑性 韧性也越好 7 金属经冷塑性变形后 组织和性能发生什么变化 答 晶粒沿变 形方向拉长 性能趋于各向异性 如纵向 垂直于拉力的方向 的 强度和塑性远大于横向等 晶粒破碎 位错密度增加 产生加工 硬化 即随着变形量的增加 强度和硬度显著提高 而塑性和韧性 下降 织构现象的产生 即随着变形的发生 不仅金属中的晶粒 会被破碎拉长 而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发 生转动 转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致 产生 织构现象 冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶 粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀 金属内部会形成残余的内应 力 这在一般情况下都是不利的 会引起零件尺寸不稳定 8 分析加工硬化对金属材料的强化作用 答随着塑性变形的进行 位错密度不断增加 因此位错在运动时的相互交割 位错缠结加剧 使位错运动的阻力增大 引起变形抗力的增加 这样 金属的塑性变形就变得困难 要继续变形就必须增大外力 因此提高了金属的强度 9 已知金属钨 铁 铅 锡的熔点分别为3380 1538 327 232 试计算这些金属的最低再结晶温度 并分析钨和铁在1100 下的加工 铅和锡在室温 20 下的加工各为何种加工 答T再 0 4T熔 钨T再 0 4 3380 273 273 1188 2 铁T再 0 4 1538 273 273 451 4 铅T再 0 4 327 273 273 33 锡T再 0 4 232 273 273 71 由于钨T再为1188 2 1100 属于热加工 铁T再为451 4 11 00 属于冷加工 铅T再为 33 20 属于冷加工 锡T再为 71 20 属于冷加工 10 在制造齿轮时 有时采用喷丸法 即将金属丸喷射到零件表面上 使齿面得以强化 试分析强化原因 答高速金属丸喷射到零件表面上 使工件表面层产生塑性变形 形 成一定厚度的加工硬化层 使齿面的强度 硬度升高 三 合金的结构与二元状态图1 解释下列名词合金 组元 相 相 图 固溶体 金属间化合物 机械混合物 枝晶偏析 比重偏析 固溶强化 弥散强化 答 合金通过熔炼 烧结或其它方法 将一种金属元素同一种或几 种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质 称为合金 组元组成合金的最基本