金属材料的分类及应用

金属材料的分类及其应用,金属材料性能指标,1.常温下机械性能（1）强度和塑性（2）硬度【布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度】（3）冲击韧性和断裂韧性（4）疲劳强度2.高温机械性能（1）高温下金属的强度和温度及时间有关。（2）金属长时间在恒温、恒应力作用下，即使应力小于材料的屈服强度，也会产生塑性变形-蠕变。（3）在一定温度下，在规定时间内材料断裂所能承受的最大应力持久强度（4）持久塑性（5）抗松弛性3.工艺性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能。4.物理性能：是金属的固有属性。主要有：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等,材料的性能,使用性能,工艺性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性能,锻压性能,热处理性能,焊接性能,力学性能,定义:是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,塑性变形:外力去除后不能消失的变形,硬度(hardness),1.定义：是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。,2.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法,布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV,压入法,试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,硬度的标注：,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,二、按照实用来分类：黑色金属：指铁及铁的合金。如生铁、铸铁、铁合金、钢等。有色金属：除黑色金属以外的金属及合金。,金属材料的分类,一、按照组成成分来分类：纯金属：（简单金属）由1种金属元素组成的物质。工业上应用较少。合金：（复杂金属）由1种元素为主的与另外1种或几种金属元素或非金属元素组成的物质。种类繁多，应用广泛。,金属材料在应用上通常分为以下两大类：铁合金（钢、铸铁和铁合金）非铁合金除铁合金外的所有金属及合金,按照以下顺序进行介绍：1、碳素钢2、铸铁3、合金钢4、有色金属及其合金,金属材料的分类,碳钢分类及其应用,碳钢的定义,碳钢：含碳量为0.022.11%的铁碳合金,碳钢的分类,碳素结构钢：机械零件及金属构件碳素工具钢：各种工具,2、按用途分：,低碳钢（C0.25%）中碳钢（C=0.25%0.55%）高碳钢（C0.55%）,1、按含碳量分：,3、按质量分：碳素结构钢：S0.035%0.05%P0.035%0.045%优质碳素结构钢:S0.035%P0.035%高级优质碳素结构钢：S0.02%P0.03%,碳钢的分类,4、按脱氧程度分：沸腾钢（F）镇静钢（Z）半镇静钢（b）,碳钢的分类,按冶炼方法分类可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢、特殊冶炼炉钢等。按用途分类可分为工具钢、弹簧钢、低温钢、锅炉用钢、压力容器用钢等,碳钢内含元素,硫-有害的杂质元素“热脆”现象;降低焊接性。,一、杂质元素对钢性能的影响,锰-有益的杂质元素消除硫在钢中的有害影响,氢-有害元素塑性、韧性降低，引起“氢脆”及白点）,硅-有益元素钢的强度、弹性提高。,磷-有害元素“冷脆”。含磷量较高时，使钢的焊接性能变坏,氮和氧-有害元素氮使钢的塑性、韧性降低而脆性增大氧使钢的强度和塑性降低，增加钢的热脆性,锰硅有益元素硫磷氢氧氮有害元素,碳钢的编号、性质和用途,1、碳素结构钢,编号：Q质量等级脱氧程度,用途：金属构件、型钢、垫片、铆钉、普通小零件,2、优质碳素结构钢,编号：平均含碳量的万分数,Q235AF,20、45,60Mn、65Mn,低碳钢（10、15、20、25）性能：强度、硬度较低，塑性、韧性好，焊接性好用途：金属构件、型钢、钢板、钢管等,中碳钢（35、40、45、50）性能：良好的综合机械性能用途：重要机械零件，如轴、齿轮、螺栓,高碳钢（60、65、65Mn）性能：高强度、高弹性用途：弹簧、高强度零件,碳素工具钢,编号：T或T,用途：各种量具、刃具、磨具,含碳量为0.651.3%,T8、T10、T10A,性能：硬度高、耐磨性好,碳素铸钢,编号：铸造碳钢：ZG工程用铸钢：ZG,铸钢件：将钢水直接铸成零件毛坯后，不再进行锻压加工的钢件,铸钢：制造铸钢件的钢,ZG25（ZG230-450）性能:一定强度、良好塑、韧性、焊接性、铸造性用途：400-450C以下铸件，用于隔板、蒸汽室、喷嘴室、轴承盖,含碳量为0.150.55%,铸铁分类及其应用,成分：2.5-4%CSi,S,P,Mn组织：碳以Fe3C及C形式存在性能：1）强度、塑性、韧性低2）良好的减振性、减摩性、切削加工性铸造性，低的缺口敏感性,铸铁,工业铸铁,铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金,铸铁的分类,1、白口铸铁（碳以Fe3C存在）,2、灰口铸铁：（片状石墨）,4、球墨铸铁：（球状石墨）,3、可锻铸铁：（团絮状石墨）,灰口铸铁,性能：抗拉强度、疲劳强度、塑性、韧性低，硬度、抗压强度取决于基体组织,牌号：HT,用途：不受冲击、承压、减振零件，如机身、机座、泵体、阀门汽缸套,HT200,可锻铸铁,性能：强度、塑性、韧性高于灰口铸铁,牌号：KTB(白心可锻铸铁）KTH（黑心铁素体可锻铸铁）KTZ（黑心珠光体可锻铸铁）,用途：形状复杂、受动载荷作用，要求强度、塑韧性较高铸件，如连杆、低中压阀门、管接头,组织：F+G,P+G,F+P+G,B下+G,球墨铸铁,性能：强度高于其他铸铁，塑性、韧性高于灰口铸铁，屈强比高,牌号：QT,用途：用于要求强度较高、受冲击、耐磨损的重要零件，如后汽缸、后几级隔板、磨煤机衬板,合金铸铁,耐热铸铁的编号：RT+元素符号+数字RQT+元素符号+数字,用途：锅炉受热面吊架、喷嘴、烟道挡板,1、耐热铸铁-铬、硅、铝,铸铁的耐热性：在高温下抗氧化、抗生长并保持较高的强度、硬度及抗蠕变的能力,铸铁的生长：铸铁在400C以上，特别是经反复加热，体积逐渐增大的现象,RTCr16(900C),RQTAL22(1100C),3）中锰球墨铸铁：用于球磨机的衬板、钢球、煤粉机锤头,1）冷硬铸铁：用于：低速球磨机衬板、磨球,2）合金白口铸铁（猛、硅、铬、钼、钨）用于球磨机衬板、灰浆泵泵体、叶轮、护板,耐磨铸铁,合金钢分类及其应用,合金钢定义及常用元素,合金钢：在碳钢的基础上有意加入一些其它元素的钢常用合金元素：铬、锰、硅、钼、钨、钒、钛、铌、硼、镍、锆、稀土等,1、溶入铁素体合金铁素体（合金元素溶入铁素体中形成的固溶体）固溶强化，使强度、硬度升高，塑性、韧性有下降趋势，有些元素若加入量适当，韧性可以提高,2、形成碳化物,一、合金元素对钢的影响,（一）合金元素在钢中的存在形式,含有碳化物的钢的性能,钢中所有碳化物和Fe3C一样硬而脆,碳化物的数量、大小、形态和分布,碳化物呈细小颗粒状弥散分布时，钢的强度、硬度、耐磨性，又不降低塑性和韧性；随碳化物数量增加，钢的强度、硬度、耐磨性，塑性、韧性,除Ni、Co元素外，大多数合金元素使奥氏体化过程减慢奥氏体化温度提高奥氏体化的保温时间也较碳钢长,合金元素对钢的热处理的影响,1、合金元素对奥氏体化的影响,合金元素除锰、磷外，几乎都能不同程度地阻止奥氏体晶粒的长大，即在奥氏体化的过程中能细化晶粒,合金钢的奥氏体化温度高一些，时间长一些,3、合金元素对回火转变的影响,提高回火稳定性（淬火钢在回火过程中抵抗强度、硬度下降的能力）,合金钢的回火稳定性比碳钢高,合金钢的分类,按照用途分类（3类）合金结构钢：用作工程构件（管道及支架等）；各种机械零件（轴类、齿轮、弹簧、叶轮等）合金工具钢：用作测量工具、模具、刀具等特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢等，具有特殊的物理性能或化学性能。,合金钢的分类,按照金相组织分类：珠光体、贝氏体、马氏体、奥氏体、铁素体等。按照合金元素含量分类：低合金钢：合金元素含量不大于5%中合金钢：合金元素含量在5%-10%之间高合金钢：合金元素含量大于10%,合金钢的编号,编号方法原则采用“数字+化学元素符号+数字”的方法。,（1）合金结构钢编号,前面数字表示钢的平均碳质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，用化学符号表示，后面的数字表示合金元素平均含量的百分数。合金元素的平均含量四舍五入。如含S、P量低的高级优质钢，则在钢号的末尾加以符号“A”或“高”字，如20Cr2Ni4A，表示平均碳质量分数为0.20、Cr=2.0、Ni=4.0的高级优质合金钢,（2）滚动轴承钢与易切钢,滚动承钢牌号为“G+平均铬质量分数的千分数”组成，碳质量分数不标出。如GCr15（滚铬15）表示平均含铬量为1.5的滚动轴承钢。易切钢为“Y”+碳质量分数的万分数。如Y12、Y20分别表示平均碳质量分数为0.12、0.20的易切钢。,（3）合金工具钢及高速钢,合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，区别的是平均碳质量分数1.0时不标出，1.0时以千分数表示如9SiCr表示平均碳质量数为0.9，Si、Cr的平均含量1.5；CrMn表示平均碳质量分数1.0，Cr、Mn平均含量1.5。对于高速钢不论碳质量分数多少，均不标出。如W18Cr4V表示平均碳质量分数为0.70.8、含钨量为18、含铬量为4、含钒量1.5,特殊性能钢,牌号前面的数字表示平均碳质量分数的千分数。如9Cr18表示碳质量分数为0.9，含铬量为18当平均碳质量分数0.03及0.08时，在钢号前分别标以“00”及“0”。如00Cr18Ni10表示平均碳质量分数0.03、含铬量为18、含镍量为10；又如0Cr19Ni9表示平均碳质量分数0.08、平均含铬量为19、平均含镍量为9。,工程结构钢,（1）低合金结构钢低碳、低合金，C0.2，合金元素总量3.0。合金有Mn、Ti、V、Nb、Cu、P。Mn是基本强化元素，提高强度、改善塑性。Ti、Nb、V提高钢的强度和韧性。Cu、P可提高钢对大气的抗蚀能力。（2）锅炉钢专用于锅炉制造的低合金结构钢，有专用牌号。后边带有G字母锅炉钢Si含量不能太低，以保证Si氧化膜覆盖于钢的表面，提高钢的强度、韧性和抗氧化性，碳质量分数不能太高，便于焊接。,合金调质钢,是指淬火+高温回火（调质处理）后使用的结构钢。按淬透性大小可分三类1）低淬透性合金调质钢主要40Cr、40MnB等。合金元素总量2.5，淬透性低，综合力学性能及工艺性能好，可用于制造中小截面零件。如汽车、拖拉机轴、连杆、齿轮。2）中淬透性合金调质钢主要牌号35CrMo、40CrNi。合金元素总量不大于3.5，可用于制作大截面、重载齿轮、曲轴和连杆等。3）高淬透性合金调质钢主要牌号40CrNiMoA、40CrMnMo等。合金元素总量达4.0以上，淬透性高，可用于制作汽轮机的主轴、叶轮等。,常用耐热钢,1）奥氏体耐热钢：1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo等。可在600750使用。用于汽轮机、锅炉等的高温装置的重要构件。2）铁素体耐热钢：可在低于650工作。如15CrMo、1Cr17等可长期在580650使用。3）马氏体耐热钢：一般含Cr量高，有较高的抗氧化性和热强性，淬透性好。一般用于600650以下受力较大的零件，如各种汽轮机叶片等。4）珠光体耐热钢：合金元素总量35，常用Cr12MoV、15CrMo等。在500以下工作。,耐热钢的化学稳定性,一、腐蚀原理：按照腐蚀的原理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀二、电厂常见的腐蚀损坏类型(一)蒸汽腐蚀（二）烟气腐蚀（三）垢下腐蚀（四）苛性脆化（五）应力腐蚀（六）腐蚀疲劳三、提高钢耐腐蚀性能的方法最根本的方法是在钢中加入合金元素以提高钢的抗氧化性能和抗电化学府蚀的能力。,耐热钢的组织稳定性,一、碳化物的球化二、石墨化三、固溶体中合金元素的球化,耐热钢中合金元素的作用,合金元素：铬、钼、钒、钨、钛、铌硼、硅、稀土元素1、碳的作用2、铬能使钢的性能在很多方面得到改善和提高3、钼是耐热钢中强化固溶体的主要元素.4、能阻碍钼和铬元素由固溶体向碳化物中迁移5、钛和铌与钒一样还能有效地防止不锈钢的晶间腐蚀6、铝和硅在钢中能显著地提高钢的抗氧化性7、镍能增加钢的淬透性，国而能提高钢的强度,滚动轴承钢,用来制造轴承的滚珠、滚针、内外套圈和一些工、量、模具等。C：0.91.1，Cr：0.51.65，高碳获得高硬度和耐磨性；铬可提高淬透性，细化碳化物，提高耐磨性和韧性。,4耐蚀钢（不锈钢）,将具有抵抗空气、水、酸碱或其他介质腐蚀的钢称为不锈钢1）奥氏体不锈钢（铬镍不锈钢）常用1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti等，塑性和耐蚀性均较好。2）铁素体不锈钢：典型的是1Cr17钢，C：0.12，含Cr：1618。含铬量高使钢形成单相铁素体，提高抵抗电化学腐蚀的能力，塑性好，强度低，并具有抗高温氧化性。3)马氏体不锈钢：常用1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、7Cr17、8Cr17等。其中1Cr13、2Cr13适用于制造高温下在酸、碱、盐中承受冲击的零件。3Cr13、4Cr13，适用于制造在一定腐蚀介质要求高强度的零件7Cr17、8Cr17，适用于制造耐蚀性的工、刃、量具等。,有色金属及合金分类及其应用,（铁及铁合金以外的金属）,内容及任务,包括:一、铜及其合金二、钛及其合金三、轴承合金,任务：1.能根据编号鉴别铜合金、钛合金、轴承合金2.能表述铜合金、钛合金、轴承合金的主要性能特点,涉及：熟悉铜合金、钛合金、轴承合金的牌号性能及在电厂的应用,铜合金的分类,纯铜：紫铜黄铜：以锌为主要添加元素的铜合金。普通黄铜和特殊黄铜白铜：以镍为主要合金元素的铜合金青铜：锡青铜：以锡为主要合金元素无锡青铜：铜与铝、硼等合金元素的合金,铜合金的牌号,普通黄铜以“H+数字”表示，数字表示平均含铜百分数如H80，表示Cu=80的普通黄铜。特殊黄铜以“H+主加元素+铜百分数+主加元素百分数”表示。如HSn62-1，表示Cu=62%，Sn=1%，其余为Zn的锡黄铜。青铜以代号“Q+主加元素+主加元素、辅加元素含量百分数”如QSn7-0.2，表示Sn=7%，P=0.2%的锡青铜。铸造铜合金以“ZCu+主要合金元素及其含量百分数”如ZCuZn38，表示Zn=38%，其余为铜的铸造黄铜,二、钛及其合金,性能：强度低，塑性较好，密度小，比强度高，优良的耐腐蚀性，对海水和大多数酸、碱盐均有优良的耐蚀能力，耐高温（600C以下具有良好抗氧化性能）、耐寒冷；具有同素异晶转变-882C以下为-钛（密排六方晶格）882C以上为-钛（体心立方晶格）,（一）工业纯钛,用途：电厂凝汽器管、汽轮机长叶片、脱硫烟道等,（二）钛合金以钛为基，加入铝、铬、锰、铁、钼、钒等合金元素,按组织结构的不同分为三类：（1）型钛合金退火状态的组织为固溶体牌号：TA+顺序号序号越大，合金元素越多TA1、TA2、TA8TA1、TA2、TA3为工业纯钛,性能：中等强度，良好的热稳定性、热强性（650C时能保持足够的强度），优良的焊接性能,（2）型钛合金：退火或淬火状态组织为固溶体牌号：TB+顺序号TB1、TB2性能：塑性很好，可冲压成型；热处理后具有很高的强度，可焊性好，但热稳定性差,（3）+型钛合金退火状态的组织为+固溶体牌号：TC+顺序号TC1、TC2、TC10性能：良好的综合机械性能，热稳定性差，焊接性能不如钛合金,钛合金具有优良耐腐蚀性，在海水甚至在含硫化物污染的海水中，在水速高达20m/s和含沙量达40g/L的条件下，均具有优良耐蚀性。钛在海水中抗应力腐蚀