常 用 金 属 材 料 基 础 知 识Word下载.docx

1、 低碳钢：C0.25% 中碳钢：C0.250.60% 高碳钢：C0.60%2）合金钢： 低合金钢（合金元素总含量5%）； 中合金钢（合金元素总含量510%）； 高合金钢（合金元素总含量10%）。3按成形方法分类：锻钢铸钢热轧钢冷拉钢。4按金相组织分类1）退火状态的：亚共析钢（铁素体+珠光体）；共析钢（珠光体）；过共析钢（珠光体+渗碳体）；莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。2）正火状态的：珠光体钢贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢。3）无相变或部分发生相变的5按用途分类1）建筑及工程用钢：普通碳素结构钢；低合金结构钢；钢筋钢。2）结构钢机械制造用钢：调质结构钢；表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；

2、易切结构钢；（d）冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。弹簧钢轴承钢3）工具钢：碳素工具钢；合金工具钢；高速工具钢。4）特殊性能钢：不锈耐酸钢；耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；电热合金钢；耐磨钢；低温用钢；电工用钢。5）专业用钢 如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。6综合分类1）普通钢碳素结构钢：低合金结构钢特定用途的普通结构钢2）优质钢（包括高级优质钢）结构钢：优质碳素结构钢合金结构钢弹簧钢易切钢轴承钢特定用途优质结构钢。工具钢：碳素工具钢合金工具钢高速工具钢。特殊性能钢：不锈耐酸钢耐热钢电热合金钢电工用钢高锰耐磨钢。8按冶炼方法分类1）按炉种分平炉钢：酸性平

3、炉钢碱性平炉钢。转炉钢：酸性转炉钢碱性转炉钢或底吹转炉钢侧吹转炉钢顶吹转炉钢。电炉钢：电弧炉钢电渣炉钢感应炉钢真空自耗炉钢电子束炉钢。2）按脱氧程度和浇注制度分沸腾钢半镇静钢镇静钢特殊镇静钢。 第3章：金属材料机械性能基础知识11 金属材料机械性能基础术语：1）屈服点（s）：钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，此时应力不增加或开始有所下降，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点s =Ps/Fo（MPa），MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/

4、m2）2）屈服强度（0.2） 有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2 。3）抗拉强度（b） 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。 设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度b= Pb/Fo （MPa）。4）抗压强度（lc） 材料试样受压力时，在压坏前所承受的最大应力。5）抗弯强度（cb） 材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。4）伸

5、长率（s） 材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。5）屈强比（s/b） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。6）硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。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。 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，

6、即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 （N/mm2）。 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：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。 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）。 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

7、材料（如淬火钢等）。 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）12 力学性能与可成形性及使用性能的关系 要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、深冲、张拉或这些成型方法的组合。（1）薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点值过高，常常有可能发生过大的回弹、成形时容易破断，磨具磨损快以及由于塑性不良而出现缺陷。然而材料的屈服点小于140Mpa时，又可能经受不住成形过程中施加的应力，对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，

8、通常要求具有比较低的屈服强度值，而且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。（2）中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产生永久变形所需的应力愈小；伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致断裂。（3）对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用途的钢材都要求规定抗拉强度、屈服强度的最小值或范围值。（4）对用于承受冲击负荷变形，例如船舶、桥梁、石油、天然气管线用钢板，为防止其使用中发生脆性断裂，又要求其具有一定足够高的冲击韧性-冲击功值。 第4章：

9、常用金属材料中各种化学成分对性能的影响1生铁： 生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。 碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。 硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。 锰（Mn）：能溶于铁素体

10、和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。 磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。 硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。2钢：21元素在钢中的作用211 常存杂质元素对钢材性能

11、的影响 钢除含碳以外，还含有少量锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。1）硫 硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁（FeS）的形态存在于钢中，FeS和 Fe形成低熔点（985）化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必

12、须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；普通钢：S0.055%0.7%以下。2）磷 磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称冷脆。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。 P0.025%； P0.04%； P0.085%。3）锰 锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点（1600）的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣

13、，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%1.2%。4）硅 硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。5）氧 氧在钢中

14、是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。6）氮 铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。7）氢 钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点

15、；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。212为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。1）硅 提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低； 硅能显著地

16、提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比； 耐腐蚀性。硅的质量分数为15一20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。2）锰 锰能提高钢的淬透性。 锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 含锰较高时，有较明显的回火脆性现象； 锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服： 当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏， 锰会使钢的耐锈蚀性能降低。3）铬在钢中的作用 铬可提高钢的强度和

17、硬度。 铬可提高钢的高温机械性能。 使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性 阻止石墨化 提高淬透性。 铬是显著提高钢的脆性转变温度 铬能促进钢的回火脆性。4）镍在钢中的作用 可提高钢的强度而不显著降低其韧性； 镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性； 改善钢的加工性和可焊性； 镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5）钼在钢中的作用 钼对铁素体有固溶强化作用。 提高钢热强性 抗氢侵蚀的作用。 提高钢的淬透性。 钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。6）钨在钢中的作用 提高强度 提高钢的高温强度。 提高钢的抗氢性能。 是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中

18、的主要合金元素。7）钒在钢中的作用 热强性。 钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。8）钛在钢中的作用 钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度； 并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9）铌在钢中的作用 铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。 有极好的抗氢性能。 铌能提高钢的热强性10）硼在钢中的作用 ； 提高钢的淬透性。强化晶界的作用。11）铝在钢中的作用

19、 用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度； 提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4AI即可改变氧化皮的结构，加入6A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50一55、铬30一35、铝10一15的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。 此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。 脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。 当含铝较高时其高温强度和韧性较低。22合金元素对钢的主要工

20、艺性能的影响： 钢的主要工艺性能有：冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等221 合金元素对钢的冷态成型性的影响 冷态成型性：冷态成型包括许多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量（模具形状、变形量、变形速度、润滑条件等）。 与冷态成型性有关的材料性能参量有：低的屈服强度高的延伸率高的均匀伸长率高的加工硬化率（n值），高的深冲性参量（r值）适当而均匀的晶粒度；控制夹杂物的形状和分布；游离渗碳体的数量和分布。1）冷轧薄钢板： 碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。 锰：锰的影响和碳相似，

21、但适当的含量可以减轻硫的不良作用。 磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。2）热轧钢板 选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压性能。碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的办法来提高强度，应采用添加合金元素来提高钢的强度。 硫：硫在钢中形成硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。222 合金元素对钢的切削加工性的影响 非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。 为了达到改善钢的切削性的目的，这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件

22、：在切削运动平面上，夹杂物必须作为应力集中源，从而引起裂纹和脆化切屑的作用。夹杂物必须具有一定的塑性，而不致切断金属的塑性流变，从而损害刃具的表面。夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。夹杂物必须具有光滑的表面，而不能在刃具的侧面作为磨料。钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂，例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se（硒）、Te（碲）等。 硫是了解最清楚和广泛应用的易削添加剂。 当钢中含足够量的Mn时，S的加入将形成MnS夹杂物。加S的碳钢可以提高切削速度25或更高，它取决于钢的成分和S的加入量。 约1体积份额的MnS, 可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS夹杂物在切削剪切

23、区作为应力集中源，可以起裂纹源的作用，并随后引起切屑断裂。因此，随着MnS体积份额的增加，切屑破断能力得到改善。 MnS夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为MnS薄层，这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦，导致切削温度和切屑力的降低，并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍，从而延长刃具的使用寿命。 Pb是仅次于S的常用易削添加剂。 Pb对切削加工性的有益效应，不取决于MnS的存在，因而可以加到低S钢和加S钢中。在不添加S的钢中，Pb以分散的质点形式分布于钢中。在加S钢中，Pb首先与MnS结合。与S相似，Pb可以作为内部润滑剂降低摩擦力，并转过来降低剪切抗力，并减小切屑与刃具的接触面积，从而降低刃具的磨损

24、。 近年来许多注意力已经转到通过Ca脱氧生产易削结构钢上。 通过用Ca-Si和Si-Fe合金控制脱氧，可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物，它在机加工时，将在刃具磨损表面沉积为一个薄层（约20m）。这种薄层是磨损的障碍，因而可延长碳化物刃具的使用寿命。223合金元素对钢的焊接性的影响 钢的焊接性是一个很复杂的工艺性能，因为它既与焊接裂纹的敏感性有关，又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。 一般认为，高强度低合金钢的焊接性是良好的，并且随含碳量的降低，焊接性得到改善。 为此，国际焊接协会根据统计数据，采用碳当量为比较的基础，由加入的各元素来计算和评定钢材的

25、焊接性能。 其近似公式如下： 碳当量 = C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5 式中：元素符号代表该元素重量百分比。 碳当量越低，焊接性能越好。 碳当量0.35%，焊接性能良好；碳当量0.4-0.5%，焊接就较困难。 第5章：常用金属材料牌号表示方法11 炼钢生铁（即白口铁）： 炼钢生铁按含硅（Si ）量划分铁号, 按含锰（Mn ）量分组，按含磷（P ）量分级，按含硫（S ）量分类。 具体牌号和标准见下表（根据GB717-82）铁种 炼钢用生铁铁号 牌号 炼04 炼08 炼10 代号 L04 L08 L10化学成分% Si 0.45 0.45-0.850.85-1.25 Mn 一组 0.30 二组0.30-0.50 三组0.50 P 一级 0.15 二级0.15-0.25 三级0.25-0.40 S 特类 0.02 一类0.02-0.03 二类0.03-0.05 三类0.05-0.0712 铸造用生铁（即灰口铁） 铸造生铁硅含量为1.25-3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色，质软易切削加工。主要用来生产各种铸铁件原料如床身、箱体等。 铸造用生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）、磷（P）、硫（S）分组、级、类。 具体牌号和标准见下表（根据YB/ T14 -91）： 铸34 铸30 铸26 铸22 铸18 铸14 Z34 Z30 Z26 Z22