常用金屬材料分類及鑒別知識(shí)

1.2常用金屬材料金屬材料來(lái)源豐富，并具有優(yōu)良的使用性能和加工性能，是機(jī)械工程中應(yīng)用最普遍的材料，常用以制造機(jī)械設(shè)備、工具、模具，并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。金屬材料大致可分為黑色金屬兩大類。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵；有色金屬是指黑色以外的金屬及其合金，如銅合金、鋁及鋁合金等。1.2.1鋼鋼分為碳素鋼（簡(jiǎn)稱碳鋼）和合金兩大類。碳鋼是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、錳、硫、磷雜質(zhì)的鐵碳合金。工業(yè)用碳鋼的含碳量一般為0.05%～1.35%。為了提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能或某些特殊性能（如耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等），冶煉中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），這種鋼稱為合金鋼。（一）碳鋼1．碳鋼的分類碳鋼的分類方法有多種，常見(jiàn)的有以下三種。（1）按鋼的含碳量多少分類分為三類：低碳鋼，含碳量0.25%；中碳鋼，含碳量為0.25%～0.60%；高碳鋼，含碳量0.60%。（2）按鋼的質(zhì)量（即按鋼含有害元素S、P的多少）分類分為三類：普通碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.055%和0.045%；優(yōu)質(zhì)碳素鋼，鋼中S、P含量均≤0.040%；高級(jí)碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.030%和0.035%。（3）按鋼的用途分類分為兩類：碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種工程構(gòu)件和機(jī)械零件；碳素工具鋼，主要用于制造各種工具、量具和模具等。2．碳鋼牌號(hào)的表示方法（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由屈服點(diǎn)"屈"字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D）及脫氧方法符號(hào)（F、b、Z）等四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級(jí)按A、B、C、D順序依次增高，F(xiàn)代表沸騰鋼，b代表鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼等。如Q235-A·F表示屈服強(qiáng)度為235Mpa的A級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字代表鋼中的平均含碳量的萬(wàn)分之幾。例如45鋼，表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。08鋼，表示平均含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。（3）碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號(hào)是用碳字漢語(yǔ)拼音字頭T和數(shù)字表示。其數(shù)字表示鋼的平均含碳量的千分之幾。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)，則在數(shù)字后面加"A"。例如，T12鋼，表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。T8鋼，表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。T12A，表示平均含碳量為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。3．碳鋼的用途舉例Q195、Q215，用于鉚釘、開(kāi)口銷等及沖壓零件和焊接構(gòu)件。Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉桿、連桿及建筑、橋梁結(jié)構(gòu)件。Q275，用于強(qiáng)度較高轉(zhuǎn)軸、心軸、齒輪等。Q345，用于船舶、橋梁、車輛、大型鋼結(jié)構(gòu)。08鋼，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷沖壓零件。10、20鋼，常用于制造沖壓件和焊接件。也常用于制造滲碳件。35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，主要用制造齒輪、套筒、軸類零件等。這幾種鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用非常廣泛。T7、T8鋼，用于制造具有較高韌性的工具，如沖頭、鑿子等。T9、T10、T11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鉆頭、絲錐、鋸條等。T12、T13鋼，用于要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。（二）合金鋼合金鋼的分類方法有多種，常見(jiàn)的有以下兩種。（1）按用途分類分為三類：合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的機(jī)械零件和工程構(gòu)件；合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種性能要求更高的刃具、量具和模具；特殊性能鋼，具有特殊物理和化學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。（2）銨合金元素總含量多少分類分為三類：低合金鋼，合金元素總含量小于5%；中合金鋼，合金元素總含量為5%～10%；高合金鋼，合金元素總含量大于10%。2．合金鋼牌號(hào)的表示方法合金鋼是按鋼材的含碳量以及所含合金元素的種類和數(shù)量編號(hào)的。①鋼號(hào)首部是表示含碳量以及所含合金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同，以萬(wàn)分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為45，則表示平均含碳量為0.45%；合金工具鋼以千分之一的碳作為單位，如首部數(shù)字為5，則表示平均含碳量為0.5%。②在表示含碳量的數(shù)字后面，用元素的化學(xué)符號(hào)表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之幾表示，當(dāng)平均含量小于1.5%時(shí)，只標(biāo)明元素符號(hào)，不標(biāo)含量。如25Mn2V，表示平均含碳量為0.25%，含錳量約為2%，含釩量小于1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。又如9SiCr，表示平均含碳量為0.9%，含硅、鉻都少于1.5%的合金工具鋼。③對(duì)于含碳量超過(guò)1.0%的合金工具鋼，則在牌號(hào)中不表示含碳量。如CrWMn鋼，表示含碳量大于1.0%并含有鉻、鎢、錳三種合金元素的合金工具鋼。但也有特例，高速鋼的含碳量小于1.0%，牌號(hào)中也不表示含碳量。如W18Cr4V鋼，其含碳量?jī)H為0.7%～0.8%。④特殊性能鋼牌號(hào)中也不表示方法基本上與合金工具鋼相同。如2Cr13，表示平均含碳量為0.2%，含鉻量約為13%的不銹鋼。⑤有些特殊用鋼，則用專門的表示方法，如滾動(dòng)軸承鋼，其牌號(hào)以G表示，不標(biāo)含碳量，鉻的平均含量用千分之幾表示。如GCr15，表示含鉻量為1.5%的滾動(dòng)軸承鋼。⑥對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在鋼號(hào)末尾加一個(gè)"A"字，如38CrMoAIA。3．合金鋼的用途舉例09MnNb、16Mn、15MnTi鋼屬低合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造橋梁、車輛、鍋爐、油罐、建筑結(jié)構(gòu)和化工容器等。14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB鋼用于制造大型船舶、重要橋梁、電站設(shè)備及鍋爐、化工、石油等中高壓容器。20Cr、20MnV鋼，適于制造滲碳小齒輪、小軸、活塞銷等。20CrMnTi鋼，常用于制造汽車、拖拉機(jī)上的齒輪。18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo、20Cr2Ni4A鋼，常用于制造大型滲碳齒輪和軸類件。40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo鋼，用于制造重要調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、連連桿和齒輪等機(jī)械零件。尾花組成，（3）節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)就是流線上火花爆裂的原點(diǎn)，呈明亮點(diǎn)。（4）爆花爆花就是節(jié)點(diǎn)處爆裂的火花。鋼的化學(xué)成分不同，尾花的形狀也不同。通常，尾花可分為狐尾尾花、槍尖尾花、菊花狀尾花、羽狀尾花等。（二）常用鋼鐵材料的火花特征碳是鋼鐵材料火花的基本元素，也是火花鑒別法測(cè)定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形狀不同。1．碳素鋼火花的特征①通常低碳鋼火花束較長(zhǎng)，流線少，芒線稍粗，多為一次花，發(fā)光一般，帶暗紅色，無(wú)花粉。②中碳鋼火花束稍短，流線較細(xì)長(zhǎng)而多，爆花分叉較多，開(kāi)始出現(xiàn)二次、三次花，花粉較多，發(fā)光較強(qiáng)，顏色橙。③高碳鋼火花束較短而粗，流線多而細(xì)，碎花、花粉多，又分叉多且多為三次花，發(fā)光較亮。2．鑄鐵的火花特征鑄鐵的火花束很粗，流線較多，一般為二次花，花粉多，爆花多，尾部漸粗下垂成弧形，顏色多為橙紅?；鸹ㄔ囼?yàn)時(shí)，手感較軟。3．合金鋼的火花特征合金鋼的火花特征與其含有的合金元素有關(guān)。一般情況下，鎳、硅、鉬、鎢等元素抑制火花爆裂，而錳、釩鉻等元素卻可助長(zhǎng)火花爆裂。所以對(duì)合金鋼的鑒別難掌握。一般鉻鋼的火花束白亮，流線稍粗而長(zhǎng)，爆裂多為一次花、花型較大，呈大星形，分叉多而細(xì)，附有碎花粉，爆裂的火花心較明亮。鎳鉻不銹鋼的火花束細(xì)，發(fā)光較暗，爆裂為一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。高速鋼火花束細(xì)長(zhǎng)，流線數(shù)量少，無(wú)火花爆裂，色澤呈暗紅色，根部和中部為斷續(xù)流線，尾花呈弧狀。1.3.2色標(biāo)鑒別法生產(chǎn)中為了表明金屬材料的牌號(hào)、規(guī)格等，常做一定的標(biāo)記，如涂色、打印、掛牌等。金屬材料的涂色標(biāo)志是表示鋼號(hào)、鋼種的，涂在材料一端的端面或端部。具體的涂色方法在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中做了詳細(xì)規(guī)定，現(xiàn)舉例如下：碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235鋼為紅色；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼為棕色加綠色，45鋼為白色加棕色；合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi鋼為黃色加黑色，40CrMo鋼為綠色加紫色；鉻軸承鋼GCr15鋼為藍(lán)色；高速鋼W18Cr4V鋼為棕色加藍(lán)色；不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼為綠色國(guó)藍(lán)色；熱作模具鋼5CrMnMo鋼為紫色加白色。1.3.3斷口宏觀鑒別法材料或零部件因受某些物理、化學(xué)或機(jī)械作用的影響而導(dǎo)致破斷，此時(shí)所形成的自然表面稱為斷口。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)斷口的自然形態(tài)判定材料的韌脆性，從而推斷材料含碳量的高低。若斷口呈纖維狀，無(wú)金屬光澤，，顏色發(fā)暗，無(wú)結(jié)晶顆粒，且斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，則表明鋼材具有良好的塑性和韌性，含碳量較低。若斷口齊平，呈銀灰色，且具有明顯的金屬光澤和結(jié)晶顆粒，則表明屬脆性材料。而過(guò)共析鋼或合金經(jīng)淬火后，斷口呈亮灰色，具有綢緞光澤，類似于細(xì)瓷器斷口特征。常用鋼鐵材料的斷口特點(diǎn)大致如下：低碳鋼不易敲斷，斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，有微量顆粒；中碳鋼的斷口邊緣的塑性變形特征沒(méi)有低碳鋼明顯，斷口顆粒較細(xì)、較多；高碳鋼的斷口邊緣無(wú)明顯塑性變形特征，斷口顆粒很細(xì)密；鑄鐵極易敲斷，斷口無(wú)塑性變形，晶粒粗大，呈暗灰色。1.3.4音色鑒別法根據(jù)鋼鐵敲擊時(shí)發(fā)出的聲音不同，以區(qū)別鋼和鑄鐵的方法稱為音色鑒別法。敲擊時(shí)，發(fā)出比較清脆聲音的材料為鋼，發(fā)出較低沉聲音的材料為鑄鐵。為了準(zhǔn)確地鑒別材料，在以上幾種現(xiàn)場(chǎng)鑒別的基礎(chǔ)上，一般還可采用化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)等手段進(jìn)行鑒別。1.4鋼的常用熱處理熱處理就是通過(guò)對(duì)固態(tài)金屬的加熱、保溫和冷卻，來(lái)改變金屬的顯微組織及其形態(tài)，從而提高或改善金屬的機(jī)械性能的一種方法。鑄造、鍛壓、焊接和機(jī)加工的目的是使零件成形或改變其形狀，而熱處理的目的是改變金屬材料的組織和性能，而不要求改變零件的形狀和尺寸，各種機(jī)械零件中，大多數(shù)或絕大多數(shù)都要經(jīng)過(guò)熱處理才投入使用。鋼的熱處理對(duì)提高和改善零件的機(jī)械性能發(fā)揮著十分重要的作用。熱處理方法很多，常用的有退火、正火、淬火、回火和表面熱處理等。熱處理既可以作為預(yù)先熱處理以消除上一道工序所遺留的某些缺陷，為下一道工序準(zhǔn)備好條件；也可作為最終熱處理進(jìn)一步改善材料的性能，從而充分發(fā)揮材料的潛力，達(dá)到零件的使用要求。因此，不同的熱處理工序常穿插在零件制造過(guò)程的各個(gè)熱、冷加工工序中進(jìn)行。任何一種熱處理的工藝過(guò)程，都包括下列三個(gè)步驟：（1）以一定速度把零件加熱到規(guī)定的溫度。這個(gè)溫度范圍根據(jù)不同的金屬材料、不同的熱處理要求而定。（2）在此溫度下保溫，使工件全部或局部熱透。（3）以某種速度把工件冷卻下來(lái)。鋼的熱處理工藝規(guī)范如圖1-8所示。通過(guò)控制加熱溫度和冷卻速度，可以在很大范圍內(nèi)改變金屬材料的性能。1.4.1退火退火是把工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱至780～900℃），保溫一定時(shí)間后隨爐子降溫而冷卻的熱處理方法。工具鋼和某些重要結(jié)構(gòu)零件的合金鋼有時(shí)硬度較高，鑄、鍛、焊后的毛坯有時(shí)硬度不均勻，存在著內(nèi)應(yīng)力。為了便于切削加工，并保持加工后的精度，常對(duì)工件施以退火處理。退火后的工件硬度較低，消除了內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)還可以使材料的內(nèi)部組織均勻細(xì)化，為進(jìn)行下一步熱處理（淬火等）做好準(zhǔn)備。加熱時(shí)溫度控制應(yīng)準(zhǔn)確。溫度過(guò)低達(dá)不到退火目的，溫度過(guò)高又會(huì)造成過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、脫碳等缺陷。操作時(shí)還應(yīng)注意零件的放置方法，當(dāng)退火的主要目的是為了消除內(nèi)應(yīng)力時(shí)更應(yīng)注意。如對(duì)于細(xì)長(zhǎng)工件的穩(wěn)定尺寸退火，一定要在井式爐中垂直吊置，以防止工件由于自身重力所引起的變形。操作時(shí)還應(yīng)注意不要觸碰電阻絲，以免短路。為保證安全，應(yīng)安裝爐門開(kāi)啟斷電裝置，裝爐和取出工件時(shí)能自行斷電。2．正火將工件放到爐中加熱到適當(dāng)溫度，保溫后出爐空冷的熱處理方法叫正火。正火實(shí)質(zhì)上是退火的另一種形式，其作用與退火相似。與退火不同之處是加熱（對(duì)碳鋼而言，一般加熱至800～930℃）和保溫后，放在空氣中冷卻而不是隨爐冷卻。由于冷卻速度比退火快，因此，正火工件獲得的組織比較細(xì)密，比退火工件的強(qiáng)度和硬度稍高，而塑性和韌性稍低。但這一點(diǎn)對(duì)于一般低碳鋼而言差別并不明顯，對(duì)中碳鋼零件而言有時(shí)由于正火后的硬度適中，更適合于切削加工。又由于正火冷卻時(shí)不占爐子，還可使生產(chǎn)效率提高，成本降低。所以一般低碳和中碳結(jié)構(gòu)鋼等，多用正火代替退火。3．淬火淬火是將工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋▽?duì)碳鋼一般加熱到760～820℃），保溫后在水中或油中快速冷卻的熱處理方法。工件經(jīng)淬火后可獲得高硬度的組織，因此淬火可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。但工件淬火后脆性增加、內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件變形甚至開(kāi)裂。所以，工件淬火后一般都要及時(shí)進(jìn)行回火處理，并在回火后獲得適度的強(qiáng)度和韌性。淬火操作時(shí)要注意工件浸入淬火劑的方法。如果浸入方式不正確，可能使工件各部分的冷卻速度不一致而造成很大的內(nèi)應(yīng)力，使工件發(fā)生變形和裂紋，或產(chǎn)生局部淬不硬等缺陷。例如，鉆頭、軸桿類等細(xì)長(zhǎng)工件應(yīng)以吊掛的方式垂直地浸入淬火液中；薄而平的工件（圓盤銑刀等），不能平著放人而必須立著放人淬火劑中；使工件各部分的冷卻速度趨于一致等。淬火操作時(shí)還必須穿戴防護(hù)用品，如工作服、手套、防護(hù)眼鏡等，以防淬火液飛濺傷人。4．回火將淬火后的工件重新加熱到某一溫度范圍并保溫后，在油中或空氣中冷卻的操作稱為回火?；鼗鸬臏囟却蟠蟮陀谕嘶?、正火和淬火時(shí)的加熱溫度，因此回火并不使工件材料的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。回火的目的是減小或消除工件在淬火時(shí)所形成的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)降低淬火鋼的硬度，減小脆性，使工件獲得較好的強(qiáng)度和韌性，即較好的綜合機(jī)械性能。根據(jù)回火溫度不同，回火操作可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火回火溫度為150～250℃。低溫回火可以部分消除淬火造成的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈裕岣唔g性，同時(shí)工件仍保持高硬度。低溫回火一般多用于工具、量具。中溫回火回火溫度為300～450℃。淬火工件經(jīng)中溫回火后，可消除大部分內(nèi)應(yīng)力，硬度有較大的下降，但是具有一定的韌性和彈性。一般用于處理熱鍛模、彈簧等。高溫回火回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除絕大部分因淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)刀，硬度也有顯著的下降，塑性有較大的提高，使工件具有高強(qiáng)度和高韌性等綜合機(jī)械性能。淬火后再加高溫回火，通常稱為調(diào)質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機(jī)械性能的重要結(jié)構(gòu)零件，如汽車車軸、坦克的扭力軸等，都要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。用于調(diào)質(zhì)處理的鋼多為中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼。也把用于調(diào)質(zhì)處理的鋼稱為調(diào)質(zhì)鋼。5．表面熱處理有些零件如齒輪、銷軸等，使用時(shí)希望它的心部保持一定的韌性，又要求表面層具有耐磨性、抗蝕性、抗疲勞性。這些性能可通過(guò)表面熱處理來(lái)得到。表面熱處理按處理工藝特點(diǎn)可