金屬材料知識分解

金屬材料知識寧波萬華聚氨酯有限公司設備部2008-9-1課程目標及要求目標：通過本課程的學習，使員工掌握金屬材料的基礎知識，對裝置設備的金屬材質(zhì)有一定的認識能力；要求：員工在學習本課程后，須課后做復習目錄1.金屬材料的分類2.金屬材料的性能3.熱處理4.常用金屬材料-鑄鐵與鋼金屬材料的分類按成分分類：純金屬（簡單金屬）、合金（復雜金屬）純金屬（簡單金屬）：指由一種金屬元素組成的物質(zhì)。目前已知純金屬約有八十多種，但工業(yè)上采用的甚少。

合金（復雜金屬）：由一種金屬元素（為主的）與另外一種（或幾種）金屬元素（或非金屬元素）組成的物質(zhì)。

它的種類甚多，如工業(yè)上常用的生鐵和鋼就是鐵碳合金，黃銅就是鋼鋅合金。由于合金的各項性能一般較優(yōu)于純金屬，因此在工業(yè)上合金的應用比純金屬廣泛。2）按使用分類分為：黑色金屬和有色金屬。黑色金屬：指和鐵的合金，加生鐵、鐵合金、鑄鐵和鋼。有色金屬：又稱非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、鋁、鋅、錫、鎳、鉛、鈦、鎂以及銅合金、鋁合金、鎳合金、鈦合金、鎂合金和軸承合金等。另外，在工業(yè)上還采用鉻、錳、鉬、鎢、釩、鈷等，作為改善金屬性能用的合金元素，其中鎢、鈷多用于生產(chǎn)刀具用的硬質(zhì)合金。所有上述有色金屬，都稱為工業(yè)用金屬，以區(qū)別于貴金屬（鉑、金、銀等）與稀有金屬（包括放射性的鈾、鐳等）。金屬材料性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。神舟一號飛船a.力學性能（機械性能）

力學性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性

材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。-外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。-外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。一、彈性和剛度

彈性：即材料承受最大彈性變形時的應力。指標為彈性極限

e。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。二、強度與塑性強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。屈服強度

s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。條件屈服強度

0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值。抗拉強度

b：材料斷裂前所承受的最大應力值。塑性塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為：伸長率

，斷面收縮率

。三、沖擊韌性沖擊韌性：是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。四、疲勞材料在低于

s重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象.材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用

-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞斷口通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）五、硬度硬度：材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。布氏硬度：表示符號HB壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，之后的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間,如120HBS10/1000/30洛氏硬度用符號HR表示。

根據(jù)壓頭類型和主載荷不同,分為九個標尺,常用的標尺為A、B、C。

符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。

HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。

HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。

HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。

維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。

根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。

維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。

六、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關。裂紋擴展的基本形式斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。b.工藝性能

工藝性能指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。工藝性能：鑄造性能、焊接性能、頂氣段性能、冷彎性能、沖壓性能、鍛造性能鑄造性能：指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，主要包括流性能、充滿鑄模能力；收縮性、鑄件凝固時體積收縮的能力；偏析指化學成分不均性。焊接性能：指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個或兩個以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性。頂氣段性能：指金屬材料能承授予頂鍛而不破裂的性能。冷彎性能：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一般用彎曲角度α（外角）或彎心直徑d對材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，則材料的冷彎性愈好。沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進行沖壓叫冷沖壓。檢驗方法用杯突試驗進行檢驗。鍛造性能：金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。c.化學性能

指金屬材料與周圍介質(zhì)掃觸時抵抗發(fā)生化學或電化學反應的性能。1、耐腐蝕性：指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。

2、抗氧化性：指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮能力。

1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻,以改變鋼的組織結(jié)構(gòu),獲得所需要性能的一種工藝。

熱處理為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標繪出熱處理工藝曲線。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應用。-在機床制造中約60~70%的零件要經(jīng)過熱處理。-在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理的零件達70~80%。-模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理。-總之，重要零件都需適當熱處理后才能使用。熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。2、熱處理特點:

3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。4、熱處理分類

依加熱、冷卻方式等不同，將熱處理工藝分類如下：熱處理普通熱處理表面熱處理其他熱處理退火正火淬火回火表面淬火—感應加熱、火焰加熱、電接化學熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等。觸加熱等?？刂茪夥諢崽幚碚婵諢崽幚硇巫儫崽幚砑す鉄崽幚硗嘶?/p>

將鋼加熱至適當溫度保溫，然后緩慢冷卻(爐冷)的熱處理工藝叫做退火。1、退火目的：⑴調(diào)整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為170-250HB。⑵消除內(nèi)應力，防止加工中變形。⑶細化晶粒，為最終熱處理作組織準備。正火正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃，共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，過共析鋼加熱到Accm+30~50℃保溫后空冷的工藝。正火比退火冷卻速度大。50鋼正火組織T12鋼正火組織正火溫度正火的目的：

⑴對于低、中碳鋼(≤0.6C%)，目的與退火的相同.

⑵對于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。

⑶普通件最終熱處理.

淬火是將鋼加熱到臨界點以上，保溫后以大于Vk速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。淬火淬火是應用最廣的熱處理工藝之一。淬火目的是為獲得馬氏體組織，提高鋼的性能.真空淬火爐回火

回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝?；鼗鸬哪康模?、減少或消除淬火內(nèi)應力,防止變形或開裂.2、獲得所需要的力學性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。螺桿表面的淬火裂紋3、穩(wěn)定尺寸。淬火M和A’都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織轉(zhuǎn)變的傾向?；鼗鹂墒筂與A’轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時變形。4、對于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。表面淬火

表面淬火是指在不改變鋼的化學成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法。表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;②心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌?；鹧婕訜岣袘訜峄瘜W熱處理化學熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學成分和組織,進而改變其性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。其他熱處理火焰加熱:利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控制。激光熱處理:利用高能量密度的激光對工件表面進行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好?；鹧婕訜峄鹧婕訜崾疽鈭D激光表面熱處理常用的金屬材料——鋼與鑄鐵

鋼：工業(yè)用鋼按化學成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。鋼的分類：1、按化學成分分類：

中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低合金鋼合金元素總量

5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量

10%碳素鋼合金鋼低碳鋼

0.25%C2、按質(zhì)量分類：鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。鋼類碳素鋼合金鋼PSPS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015根據(jù)現(xiàn)行標準，各質(zhì)量等級鋼的磷、硫含量如下：3、按冶煉方法分類：平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼

按爐別分沸騰鋼：脫氧不充分，澆注時C與O反應鎮(zhèn)靜鋼:脫氧充分，組織致密，成材率低.半鎮(zhèn)靜鋼：介于前兩者之間。

發(fā)生沸騰。這種鋼成材率高，但不致密.按脫氧程度分特殊鎮(zhèn)靜鋼平爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼4、按金相組織分珠光體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼按正火組織分亞共析鋼共析鋼過共析鋼

按退火組織分5、按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼耐磨鋼機器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼鑄鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡便、成本低廉等優(yōu)點，因而是應用最廣泛的材料之一。鑄鐵分為:灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵。石墨以片狀形態(tài)存在的鑄鐵稱為灰鑄鐵。由于片狀石墨存在，其石墨尖端的應力集中現(xiàn)象，使灰鑄鐵的抗拉強度及塑性低?；诣T鐵的牌號為HT后加三位數(shù)字。三位數(shù)字表示最低的抗拉強度（MPa）。例如HT200、HT250和HT300等共六種。（1）灰鑄鐵灰鑄鐵齒輪箱石墨以團絮狀的形態(tài)存在的鑄鐵稱為可鍛鑄鐵。由于團絮狀石墨對應力集中影響較小，故可鍛鑄鐵的力學性能較灰鑄鐵高。可鍛鑄鐵的牌號為三個拼音字和二組數(shù)字：如KTH300-06、KTZ550-04。KT表示“可鍛”，“H”和“Z”分別表示“黑”和“珠”的拼音字首；前一組三位數(shù)表示最低的抗拉強度（MPa）；后一組數(shù)字表示最低伸長率（%）。（2）可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵

黑心可鍛鑄鐵

石墨以球狀形態(tài)存在的鑄鐵稱為球墨鑄鐵。由于球狀石墨的應力集中影響更小，故球黑鑄鐵的性能最好。球墨鑄鐵的牌號表示和可鍛鑄鐵類似，就是把拼音字母改為“QT”。如QT450-10、QT600-3等。（3）球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵鐵素體加珠光體球墨鑄鐵（3）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵。蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。蠕墨鑄鐵中的石墨鑄鐵的分類與牌號表示方法鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號實例

灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字數(shù)字表示最低抗拉強度值，單位MPa。“HT”表示灰鑄鐵代號。

HT100F+PHT150PHT200

可鍛鑄鐵團絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTB+兩組數(shù)