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金属材料知识vWord97文档
金属材料与热处理
1.金属材料基础知识
2.金属材料热处理基础知识
1.金属材料基本知识
1.1金属材料分类金属材料可分为钢铁（黑色金属）材料和有色金属材料。
灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁
铸铁抗磨铸铁、耐蚀铸铁
耐热铸铁
1.普通质量非合金钢
按主要质量2.优质非合金钢
等级分类3.特殊质量非合金钢
1.以规定最高强度或硬度为主要特性的非合金钢
非合金钢2.以规定最低强度为主要特
（碳素钢）性的非合金钢
黑色金属材料3.以限制碳含量为主要
（钢铁材料）特性的非合金钢
按主要性能4.非合金易切削钢
及使用特性分类5.非合金工具钢
6.规定磁性能和电性能
的非合金钢
7.其它非合金钢
1.普通质量的低合金钢
按主要质量2.优质低合金钢
钢等级分类3.特殊质量低合金钢
1.可焊接低合金高
低合金钢强度钢
2.低合金耐候钢
按主要性能及3.低合金钢筋钢
使用特性分类4.铁道用低合金钢
金属材料分类5.矿用低合金钢
6.其它低合金钢
按主要质量1.优质合金钢
等级分类2.特殊质量合金钢
1.工程结构用合金钢
合金钢2.机械结构用合金钢
按主要性能及3.不锈、耐蚀和耐热钢
使用特性分类4.合金工具和高速工具钢
5.轴承钢
6.特殊物理性能钢7.其它合金钢
铜及铜合金
铝及铝合金
镍及镍合金
有色金属材料镁及镁合金
锌及锌合金
钛及钛合金
轴承合金：
锡基轴承合金、铅基轴承合金
其它有色合金
1.2常用它化学元素符号
氢（H）锂（Li）钠（Na）钾（K）铍（Be）镁（Mg）钙（Ca）锶（Sr）钡（Ba）镭（Ra）钛（Ti）锆（Zr）钒（V）铌（Nb）钽（Ta）铬（Cr）钼（Mo）钨（W）锰（Mn）铁（Fe）钴（Co）铑（Rh）镍（Ni）铂（Pt）钡（Ba）铜（Cu）银（Ag）金（Au）锌（Zn）汞（Hg）硼（B）铝（Al）碳（C）硅（Si）锡（Sn）铅（Pb）氮（N）磷（p）砷（As）锑（Sb）铀（U）钚（Pu）
鉍（Bi）铯（Cs）镧（La）铈（Ce）钕（Nd）钐（Sm）锕（Ac）氧（O）
1.3钢铁材料生产过程
1.3.1钢铁的定义
钢铁是Fe（铁）与C（碳）、Si（硅）、Mn（锰）、P（磷）、S（硫）以及少量的其它元素所组成的合金。
其中除铁外，碳的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。
它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。
除钢铁材料以外的其它金属材料，统称为非铁金属，如金、银、铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨等
1.3.1.1刚的定义
钢是含碳量为0.0218%--2.11%的铁碳合金。
碳钢是最常用普通钢，冶炼方便，加工容易。
按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，常加入钢中的合金元素有硅（Si）、钨（W）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）等
1.3.1.2生铁的定义
含碳量小于0.0218%铁碳合金为工业纯铁，含碳量2.11%以上的铁碳合金称为生铁。
生铁硬而脆，耐压耐磨。
分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。
白口铸铁端口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。
灰口铁，断口呈银灰色，易切削、易铸、耐磨。
球墨铸铁，其性能接近钢。
在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁。
1.4钢铁生产工艺
1.4.1钢铁如何产生
铁矿石烧结厂铸钢件
炼铁炼钢钢水
焦煤焦化厂钢坯
铸铁件轧钢
各种钢材
1.4.2钢铁冶炼
现代钢铁生产流程是将铁矿石加入高炉中冶炼成生铁，将铁水注入转炉或电炉冶炼成钢，再将钢水铸成连铸坯或钢锭，经轧制等塑性变性方法加工成各种用途的钢材。
1.4.3钢铁联合企业
钢铁联合企业一般包括原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应、交通运输等生产环节，是一个复杂而庞大的生产体系。
我国的钢铁企业一般都是这样的全流程联合企业。
1.4.4钢铁生产工艺流程
炼铁
炼钢
连铸
轧钢
主要产品
钢轨
棒材
型钢
钢板
▲▲▲▲▲型钢轧制
铁球烧焦石
矿团结炭灰
石矿石棒线材轧制棒线材
中厚板
中厚板轧制
制
小方坯
大方坯
板坯
直接
热轧板卷或薄板
热轧板卷轧制
轧制
冷轧板卷
或薄板
冷连轧机
铁水
焊管焊管
氧气转炉
无缝管轧制无缝管
┊
高炉
电弧炉
废钢
加热炉
铸钢件
1.4.5炼铁原料及工艺
●原料
高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料（）焦炭与喷吹燃料、溶剂（石灰石和白云石等）。
冶炼一顿生铁大概需要品位为63%的铁矿石1.60-1.65吨，02-0.4吨熔剂
●
高炉炼铁是以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。
它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。
高炉炼铁的主导地位预计在相当长时期之内不会改变。
高炉炼铁的本质是铁的还原过程，及焦炭作燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4•TiO2）还原为液态生铁。
炼铁工艺
●炼铁过程
冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。
从下部风口吹入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期的从高炉中排出。
上升过程中煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高温煤气从炉顶排出。
1.4.6炼钢原料与工艺
●炼钢的任务
1.脱碳；2.脱磷；3.脱硫；4.脱氧；5.脱氮、氢等；6.去除非金属夹杂物；7.合金化；8.升温；9.凝固成型。
●炼钢原理及原料
炼钢过程是个氧化过程，其去除杂质的主要手段是向熔池吹入氧气并加入造渣熔剂形成熔渣出来。
脱碳反应是炼钢过程的主要手段，硅、锰、磷、硫等元素也通过氧化反应去除。
炼钢的原料有生铁、废钢、熔剂（石灰石）、脱氧剂（硅铁、锰铁、铝合金等）。
1.4.7钢铁材料的基本组织
表1 钢铁材料的基本组织
序号
名 称
含 义
1
晶粒和晶界
金属结晶后形成的外形不一致、内部品格排列方向一致的小晶体，称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的分界面，称为晶界
2
相和相界
在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并有界面相互隔开的均匀组成部分，称为相。
相与相之间的界面，称为相界
3
固溶体
在组成合金的一种金属元素的晶体中溶有另一种元素的原子形成的固态相，称为固溶体。
固溶体一般有较高的强度、良好的塑性、耐蚀性以及较高的电阻和磁性
4
金属化合物
合金中不同元素的原子相互作用形成的、晶格类型和性能完全不同于其组成元素的、具有金属特性的固态相，称为金属化合物
5
奥氏体
奥氏体是碳和其他元素溶解在y-Fe中的固溶体。
奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在
6
铁索体
铁素体是碳和其他元素溶解于a-Fe中的固溶体。
铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，也叫纯铁体
7
渗碳体
渗碳体是铁和碳的化合物，也称碳化三铁，含碳量6.69％，具有复杂的品格结构。
其性能硬而脆，几乎没有塑性
8
珠光体
珠光体是铁素体和渗碳体相间的片层状组织。
因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名。
其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性
9
索氏体
亦称细珠光体，是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合物。
其层片比珠光体细，仅在高倍显微镜下才能辨别。
硬度、强度和冲击韧性均高于珠光体
10
屈氏体
亦称极细珠光体，由奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合体。
其层片比索氏体更细。
其硬度和强度均高于索氏体
11
贝氏体
贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。
贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体。
在较高温度形成的称“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成的称“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。
下贝氏体与上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性
12
马氏体
马氏体通常是指碳在a-Fe中的过饱和固溶体。
钢中马氏体的硬度随碳含量的增加而提高。
高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。
马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高
13
莱氏体
莱氏体是铁碳合金中的一种共晶组织。
在高温时由奥氏体和渗碳体构成；在低温时（727℃以下），由珠光体和渗碳体构成。
含碳量为4.3％，组织中含有大量渗碳体，所以硬度高，塑性、韧性低
14
断口检验
断口组织是钢材质量标志之一。
将试样刻槽或折断后用肉眼或lO倍放大镜检查断口情况，称为断口检验。
从断口可以看出金属的缺陷
15
塔形车削发
纹检验
将钢材车成规定的塔形或阶梯形试样，然后用酸蚀或磁粉法检验发纹，简称塔形检验
1.4.8钢铁的力学性能
表1-2钢铁材料的力学性能
序号
名 称
量的
符号
单位
符号
含 义
一
强度
强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力
1
抗拉强度
σb
MPa
金属试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷与试样原横截面面积之比称为抗拉强度
Pb
σb＝——
Fo
式中Pb——试样拉断前的最大负荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm2）
2
抗弯强度
σbb
MPa
试样在位于两支承中间的集中负荷作用下，使其折断时，折断截面所承受的最大正压力
8PL
对圆试样：
σbb＝——
πd3
8PL
对矩形试样：
σbb＝——
2bh2
式中：
P——试样所承受最大集中载荷（N）
L——两支承点间的跨距（mm）
d——圆试样截面之外径（mm）
b——矩形截面试样之宽度（mm）
h——矩形截面试样之宽度（mm）
3
抗压强度
σbc
MPa
材料在压力作用下不发生碎、裂所能承受的最大正压力，称为抗压强度
Pbc
σbc＝——
Fo
式中Pbc——试样所受最大集中载荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm2）
4
抗剪强度
r、σr
MPa
试样剪断前，所承受的最大负荷下的受剪截面具有的平均应力
P
双剪:
σr＝——；
2Fo
P
单剪:
σr＝——；
Fo
式中P——剪切时的最大负荷（N）
Fo——受剪部位的横截面积（mm2）
5
抗扭强度
τb
MPa
指外力是扭转力的强度极限
3Mb
τb≈——（适用于钢材）
4Wp
Mb
τb≈——（适用于铸铁）
Wp
式中Mb——扭转力矩（N·mm）
Wp——扭转时试样截面的极断面系数（mm2）
6
屈服点
σs
MPa
金属试样在拉伸过程中，负荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象称为“屈服”。
发生屈服现象时的应力，称为屈服点或屈服极限
Ps
σs=——
Fo
式中Ps——屈服载荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm2）
7
屈服强度
σ0.2
MPa
对某些屈服现象不明显的金属材料，测定屈服点比较困难，常把产生0.2%永久变形的力定为屈服点，称为屈服强度或条件屈服极限
P0.2
σ0.2=——
Fo
式中P0.2——试样产生永久变形为0.2%时的载荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm2）
8
持久强度
σ0.2/时间（h）
MPa
金属材料在高温条件下，经过规定时间发生断裂时的应力称为持久强度。
通常所指的持久强度，是在一定的温度条件下，试样经105h后的断裂强度
9
蠕变强度
温度
σ——
应变量/时间
MPa
金属材料在高于一定温度下受到应力作用，即使应力小于屈服强度，试件也会随着时间的增长而缓慢地产生塑性变形，此种现象称为蠕变。
在给定温度下和规定的时间内，使试样产生一定蠕变变形量的应力称为蠕变强度，例如
500
σ——=100MPa，
1/100000
表示材料在500℃温度下，105h后应变量为1%的蠕变强度为100MPa。
蠕变强度是材料在高温下长期负荷下对塑性变形抗力的性能指标
二
弹性
弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。
1
弹性模量
E
GPa
在弹性范围内，金属拉伸试验时，外力和变形成比例增长，即应力与应变成正比关系时，这个比例系数就称为弹性模量，也叫正弹性
模数
2
切变模量
G
GPa
金属在弹性范围内，当进行扭转试验时，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比关系时，这个比例系数就称为弹性模量，也叫正弹性模量。
3
弹性极限
σe
MPa
金属能保持弹性变形的最大应力，称为弹性
极限。
4
比例极限
σp
MPa
在弹性变形阶段，金属材料所承受的和应变能保持正比的最大应力，称为比例极限
Pp
σ0.2=——
Fo
式中Pp——规定比例极限负荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm2）
三
塑性
所谓塑性是指金属材料在外力作用下，产生
永久变形而不致破裂的能力
1
伸长率
δ
%
金属材料在拉伸时，试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比。
δs是标距为5倍直径时的伸长率，δ10是标距
为10倍直径时的伸长率
2
断面收缩率
ψ
%
金属试样拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比
3
泊松比
μ
/
对于各向同性的材料，泊松比表示：
试样在单相拉伸时，横向相对收缩量与轴向相对伸
、长量之比
E
μ=—-1
2G
式中E——弹性模量（GPa）
G——切变模量（GPa）
四
韧性
所谓韧性是指金属材料在冲击力（动力载荷）
的作用下而不破坏的能力
1
冲击韧度
αKU或αKV
J/cm2
冲击韧度是评定金属材料于动载荷下受冲击抗力的力学性能指标，通常都是以大能量的一次冲击值（αKU或αKV）作为标准的，它是采用一定尺寸和形状的标准试样，在摆锤式一次冲击试验机上来进行试验。
试验结果，以冲断试样上所消耗的功（AKU或AKV）与断面处横截面积（F）之比值大小来衡量
2
冲击吸收功
AKU或AKV
J
由于αK值的大小，不仅取决于材料本身，同时还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同而变化，因而αK值只是一个相对指标。
目前国际上许多国家直接采用冲击吸收功
AK作为冲击韧度的指标
AKU
αKU=——；
F
AKU
αKV=——；
F
式中αKU——夏比U形缺口试样冲击值（J/cm2）
αKV——夏比V形缺口试样冲击值（J/cm2）
AKU——夏比U形缺口试样冲断时所消耗的功（J）
AKV——夏比V形缺口试样冲断时所消耗的功（J）
F——试样缺口处的横截面积（cm2）
五
疲劳
金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷（即大小、方向反复变化的载荷）的作用，在不发生显著塑性变形的情况下而突然断裂
的现象，称为疲劳
1
疲劳极限
σ-1
MPa
金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次（N）的应力循环仍不发生断裂时所能承
受的最大应力称为疲劳极限
2
疲劳强度
σN
MPa
金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次（N）后断裂时所能承受的最大应力，叫作疲劳强度。
此时，N称为材料的疲劳寿命。
某些金属材料在重复或交变应力作用下，没有明显的疲劳极限，常用疲劳强度表示
六
硬度
硬度就是指金属抵抗更硬物体压入其表面的能力。
硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度、塑性等的一个综合性能指标
1
布氏硬度
HBS
/
用一定直径的球体（钢球或硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测表面压痕直径计算的
硬度值。
使用钢球测定硬度小于等于450HBS；
使用硬质合金球测定硬度大于450HBW
2
洛氏硬度
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
/
用金刚石圆锥或钢球压头以初始试验力和总试验力作用下，压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，测残余压痕深度
增量计算的硬度值。
洛氏硬度试验分A、B、C、D、E、F、G、H、K标尺
3
维氏硬度
HV
/
用金刚石正四棱体压头以49.03-980.7N的试验力压力试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测压痕对角线长度的计算的硬
度值
4
肖氏硬度
HSC
HSD
/
用金刚石或钢球冲头一定高度落到试样表面，测冲头回跳高度计算硬度值。
用目测型硬度计的硬度符号为HSC，指示型硬度计的
硬度符号为HSD
七
减摩、耐磨性
1
摩擦因数
μ
/
相互接触的物体，当作相对移动时就会引起摩擦，引起摩擦的阻力称为摩擦力。
根据摩擦定律，通常把摩擦力（F）与施加在摩擦部位的垂直载荷（N）的比值，称为摩擦因
数
F
μ=—
N
式中：
F——摩擦力（N）
N—施加在摩擦部件上的垂直载荷（N）
2
磨耗量
W
V
g
cm3
试样在规定试验条件下经过一定时间或一定距离摩擦之后，以试样被磨去的重量（g）或体积（cm3）之量，称为磨耗量（或磨损量），以磨去体积表示者称为体积磨耗V
3
相对耐磨系数
ε
/
在模拟耐磨试验机上，采用65Mn（52-53HRC）作为标准试样，在相同条件下，标准试样磨耗量与被测定材料的绝对磨耗量之比，称为被测材料的相对耐磨系数
1.4.9钢铁材料的物理性能
表1-3钢铁材料的物理性能
序号
名 称
量的符号
单位符号
含 义
１
密 度
ρ
g/cm3
密度就是某种物质单位体积的质量
2
热
性
比
熔点
℃
金属材料固态转变为液态时的熔化温度
比热容
c
J/（kg·K）
单位质量的某种物质，在温度升高1℃时吸收的热量或温度降低1℃时所放出的热量
热导率
λ
W/（m·K）
在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温度降低1℃时，单位面积容许导过的热量
热胀系数
αL
10-6/K
金属温度每升高1℃所增加的长度与原来长度的比值
3
电
性
能
电阻率
ρ
Ω·m
是表示物体导电性能的一个参数。
它等于1m长，横截面积为1mm2的导线两端间的电阻。
也可用一个单位立方体的两平行端面间的电阻表示
电阻温度系数
αp
1/℃
温度每升降1℃，材料电阻的改变量与原电阻率之比，称为电阻温度系数
电导率
k
S/m或
%IACS
电阻率的倒数叫电导率。
在数值上它等于导体维持单位电位梯度时，流过单位面积的电流
4
磁
性
能
磁导率
μ
H/m
是衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标，它是磁性材料中的磁感应强度（B）和磁场强度（H）的比值。
磁性材料通常分为：
软磁材料（μ值甚高，可达数万）和硬磁材料（μ值在1左右）两大类
磁 感 应强度
B
T
在磁介质中的磁化过程，可以看作在原先的磁场强度（H）上再加上一个由磁化强度（J）所决定的，数量等于4πJ的新磁场，因而在磁介质中的磁场B=H+4πJ的新磁场，叫做磁感应强度
磁场强度
H
A/m
导体中通过电流，其周围就产生磁场。
磁场对原磁矩或电流产生作用力的大小为磁场强度的表征
矫顽力
Hc
A/m
样品磁化到饱和后，由于有磁滞现象，欲使磁感应强度减为零，须施加一定的负磁场Hc，Hc就称为矫顽力
铁损
P
W/kg
铁磁材料在动态磁化条件下，由于磁滞和涡流效应所消耗的能量
1.5几个基本概念
1.5.1金属
图1-1
金属是指具有不透明、金属光泽和良好的导热和导电性，并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。
金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。
1.5.2合金
合金是由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。
1.5.3相
相指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。
1.5.4组织
组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。
1.5.5固溶体
固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体。
固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
1.5.6固溶强化
由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
1.5.7化合物
化合物是指合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。
1.5.8机械混合物
机械混合物是由纯金属、固溶体、金属化合物这些合金的基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。
1.5.9铁素体
铁素体是指碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体（F）。
1.5.10奥氏体
奥氏体是指碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体（A）。
1.5.11渗碳体
渗碳体是指碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。
1.5.12珠光体
珠光体是指过冷奥氏体共析分解的铁素体和渗碳体的有机结合的整合组织。
1.5.13马氏体
马氏体是黑色金属材料的一种组织名称。
马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。
1.5.14屈氏体
屈氏体是指过冷奥氏体冷却到600~550℃左右以后等温或者缓慢冷却时形成的片间距约为300~800nm的珠光体（T）。
1.5.15索氏体
索氏体是指钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。
索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。
索氏体具有良好的综合机械性能（S）。
1.5.16贝氏体
贝氏体是指钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间以上这一中温度区间（所谓“贝氏体转变温度区间”）转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，即贝氏体转变的产物。
有上
升级会员 