常 用 金 属 材 料 基 础 知 识Word下载.docx
《常 用 金 属 材 料 基 础 知 识Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《常 用 金 属 材 料 基 础 知 识Word下载.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
①低碳钢：
C≤0.25%
②中碳钢：
C≤0.25~0.60%
③高碳钢：
C≥0.60%
2）合金钢：
①低合金钢（合金元素总含量≤5%）；
②中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；
③高合金钢（合金元素总含量＞10%）。
3．按成形方法分类：
①锻钢
②铸钢
③热轧钢
④冷拉钢。
4．按金相组织分类
1）退火状态的：
①亚共析钢（铁素体+珠光体）；
②共析钢（珠光体）；
③过共析钢（珠光体+渗碳体）；
④莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。
2）正火状态的：
①珠光体钢
②贝氏体钢
③马氏体钢
④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：
①普通碳素结构钢；
②低合金结构钢；
③钢筋钢。
2）结构钢
①机械制造用钢：
Ⅰ调质结构钢；
Ⅱ表面硬化结构钢：
包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；
Ⅲ易切结构钢；
（d）冷塑性成形用钢：
包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
②弹簧钢
③轴承钢
3）工具钢：
①碳素工具钢；
②合金工具钢；
③高速工具钢。
4）特殊性能钢：
①不锈耐酸钢；
②耐热钢：
包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；
③电热合金钢；
④耐磨钢；
⑤低温用钢；
⑥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
①碳素结构钢：
②低合金结构钢
③特定用途的普通结构钢
2）优质钢（包括高级优质钢）
①结构钢：
Ⅰ优质碳素结构钢
Ⅱ合金结构钢
Ⅲ弹簧钢
Ⅳ易切钢
Ⅴ轴承钢
Ⅵ特定用途优质结构钢。
②工具钢：
Ⅰ碳素工具钢
Ⅱ合金工具钢
Ⅲ高速工具钢。
③特殊性能钢：
Ⅰ不锈耐酸钢
Ⅱ耐热钢
Ⅲ电热合金钢
Ⅳ电工用钢
Ⅴ高锰耐磨钢。
8．按冶炼方法分类
1）按炉种分
①平炉钢：
Ⅰ酸性平炉钢
Ⅱ碱性平炉钢。
②转炉钢：
Ⅰ酸性转炉钢
Ⅱ碱性转炉钢
或Ⅰ底吹转炉钢
Ⅱ侧吹转炉钢
Ⅲ顶吹转炉钢。
③电炉钢：
Ⅰ电弧炉钢
Ⅱ电渣炉钢
Ⅲ感应炉钢
Ⅳ真空自耗炉钢
Ⅴ电子束炉钢。
2）按脱氧程度和浇注制度分
①沸腾钢
②半镇静钢
③镇静钢
④特殊镇静钢。
第3章：
金属材料机械性能基础知识
1．1金属材料机械性能基础术语：
1）屈服点（σs）：
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σs=Ps/Fo（MPa），MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：
帕斯卡=N/m2）
2）屈服强度（σ0.2）
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σ0.2。
3）抗拉强度（σb）
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σb=Pb/Fo（MPa）。
4）抗压强度（σlc）
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（σcb）
材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。
4）伸长率（δs）
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（σs/σb）
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。
①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，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2（N/mm2）。
②洛氏硬度（HR）
当HB>
450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，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。
③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）
1．2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，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：
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：
2．1元素在钢中的作用
2．1．1常存杂质元素对钢材性能的影响
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1150～1200℃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，故必须对钢中含硫量进行控制。
高级优质钢：
S＜0.02%～0.03%；
优质钢：
S＜0.03%～0.045%；
普通钢：
S＜0.055%～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。
P＜0.025%；
P＜0.04%；
P＜0.085%。
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，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200～300℃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；
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。
2．1．2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
①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；
②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；
③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
①锰能提高钢的淬透性。
②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。
③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。
①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；
②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：
③当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，
④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。
3）铬在钢中的作用
①铬可提高钢的强度和硬度。
②铬可提高钢的高温机械性能。
③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性
④阻止石墨化
⑤提高淬透性。
①铬是显著提高钢的脆性转变温度
②铬能促进钢的回火脆性。
4）镍在钢中的作用
①可提高钢的强度而不显著降低其韧性；
②镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；
③改善钢的加工性和可焊性；
④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
①钼对铁素体有固溶强化作用。
②提高钢热强性
③抗氢侵蚀的作用。
④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
①提高强度
②提高钢的高温强度。
③提高钢的抗氢性能。
④是使钢具有热硬性。
因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
7）钒在钢中的作用
①热强性。
②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
①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；
②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
①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。
②有极好的抗氢性能。
③铌能提高钢的热强性
10）硼在钢中的作用
；
①提高钢的淬透性。
强化晶界的作用。
11）铝在钢中的作用
①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；
②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；
4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1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1400C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。
③此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。
①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。
②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。
2．2合金元素对钢的主要工艺性能的影响：
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
2．2．1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：
①低的屈服强度
②高的延伸率
③高的均匀伸长率
④高的加工硬化率（n值），
⑤高的深冲性参量（r值）
⑥适当而均匀的晶粒度；
⑦控制夹杂物的形状和分布；
⑧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，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。
2．2．2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：
①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。
②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。
③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。
④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。
●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20μm）。
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。
2．2．3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
1．1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
>
0.45-0.85
0.85-1.25
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
0.05-0.07
1．2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
升级会员 