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金属材料知识
钢材基础知识
1、碳素钢的定义及钢中五元素
含碳2%以下的铁碳合金称为钢。
碳素钢中的五元素是指化学成份中的主要组成物，即C、Si、Mn、S、P（碳、硅、锰、硫、磷）。
其次是在炼钢过程中不可避免地会混入气体，含O、H、N（氧、氢、氮）。
此外，用铝—硅脱氧镇静工艺中，必然在钢水中含有Al，当Als（酸溶铝）≥0。
020%时，还有细化晶粒的作用。
2、钢铁是怎样炼成的？
炼钢的主要任务是按所炼钢种的质量要求，调整钢中碳和合金元素含量到规定范围之内，并使P、S、H、O、N等杂质的含量降至允 许限量之下。
炼钢过程实质上是一个氧化过程，炉料中过剩的碳被氧化，燃烧成CO气体逸出，其它Si、P、Mn等氧化后进入炉渣中。
S部份进入 炼渣中，部份则生成SO2排出。
当钢水成份和温度达到工艺要求后，即可出钢。
为了除去钢中过剩的氧及调整化学成份，可以添加脱氧剂和铁合金或合金元素。
3、转炉炼钢简介
从鱼雷车运来的铁水经过脱硫、挡渣等处理后即可倒入转炉中作为主要炉料，另加10%以下的废钢。
然后，向转炉内吹氧燃烧，铁水中的过量碳被氧化并放出大量热量，当探头测得达到预定的低碳含量时，即停止吹氧并出钢。
一般在钢包中需进行脱氧及调整成份操作；然后在钢液表面抛上碳化稻壳防止钢水被氧化，即可送往连铸或模铸工区。
对要求高的钢种可增加底吹氩、RH真空处理、喷粉处理（喷SI—CA粉及变性石灰）可以有效降低钢中的气体与夹杂，并有进一步降碳及降硫的作用。
在这些炉外精炼措施后还可以最终微调成份，满足优质钢材的需求。
4、初轧
模铸钢锭采取热装、热送新工艺，进入均热炉加热，然后通过初轧机及钢坯连轧机轧成板坯、管坯、小方坯等初轧产品，经过切头、切尾、表面清理，（火焰清理、打磨）高品质产品则还需对初轧坯进行扒皮和探伤，检验合格后入库。
目前初轧厂的产品有初轧板坯、轧制方坯、氧气瓶用钢坯、齿轮用圆管坯、铁路车辆用车轴坯及塑模用钢等。
初轧板坯主要供应热轧厂作为原料；轧制方坯除部份外供，主要送往高速线材轧机作原料。
由于连铸板坯的先进性，初轧板坯的需求量大为削减，因此转向上述其它产品了。
5、热连轧
用连铸板坯或初轧板坯作原料，经步进式加热炉加热，高压水除鳞后进入粗轧机，粗轧料经切头、尾、再进入精轧机，实施计算机控制轧制，终轧后即经过层流冷却（计算机控制冷却速率）和卷取机卷取、成为直发卷。
直发卷的头、尾往往呈舌状及鱼尾状，厚度、宽度精度较差，边部常存在浪形、折边、塔形等缺陷。
其卷重较重、钢卷内径为760mm。
（一般制管行业喜欢使用。
）
将直发卷经切头、切尾、切边及多道次的矫直、平整等精整线处理后，再切板或重卷，即成为：
热轧钢板、平整热轧钢卷、纵切带等产品。
热轧精整卷若经酸洗去除氧化皮并涂油后即成热轧酸洗板卷。
该产品有局部替代冷轧板的趋向，价格适中，深受广大用户喜爱。
宝钢新投资的一条热轧酸洗线正在紧张建设中。
6、冷连轧
用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。
轧硬卷可作为热镀锌厂的原料，因为热镀锌机组均设置有退火线。
轧硬卷重一般在6~13.5吨，钢卷内径为610mm。
一般冷连轧板、卷均应经过连续退火（CAPL机组）或罩式炉退火消除冷作硬化及轧制应力，达到相应标准规定的力学性能指标。
冷轧钢板的表面质量、外观、尺寸精度均优于热轧板，且其产品厚度右轧薄至0.18mm左右，因此深受广大用户青睐。
以冷轧钢卷为基板进行产品的深加工，成为高附加值产品。
如电镀锌、热镀锌、耐指纹电镀锌、彩涂钢板卷及减振复合钢板、PVC 复膜钢板等，使这些产品具有美观、高抗腐蚀等优良品质，得到了广泛应用。
冷轧钢卷经退火后必须进行精整，包括切头、尾、切边、矫平、平整、重卷、或纵剪切板等。
冷轧产品广泛应用于汽车制造、家电产品、仪表开关、建筑、办公家具等行业。
钢板捆包后的每包重量为3~5吨。
平整分卷重一般为3~10吨/卷。
钢卷内径610mm。
7、钢的力学性能
7．1拉力试验
按标准制备的拉力试样，安装在拉力试验机的夹头内，对试样缓慢施加单轴向拉伸应力，直至试样被拉断为止的试验称作拉力试验。
7．1．1强度
金属材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力叫强度。
强度指标包括：
比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等。
7．1．2比例极限
对金属施加拉力，金属存在着力与变形成直线比例的阶段，而这个阶段的最大极限负荷Pp除以试样的原横截面积即为比例极限，用σP表示。
7．1．3弹性极限
金属受外力作用发生了变形，外力去掉后，能完全恢复原来的形状，这种变形称为弹性变形。
金属能保持弹性变形的最大应力称为弹性极限，用σe表示。
7．1．4抗拉强度
试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力，称作抗拉强度，用σb表示。
当材料所受的外应力大于其抗拉强度时，将会发生断裂。
因此σb越高，则表示它能承受愈大的外应力而不致于断裂。
国外标准的结构钢常按抗拉强度来分类，如SS400，其中400即表示σb的最小值为400MPa超高强度钢是指σb≥1373Mpa的钢。
7．1．5屈强比
屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值（σS/σb）。
屈服比值越高，则该材料的强度愈高，屈强比值愈低则塑性愈佳，冲压成形性愈好。
如深冲钢板的屈强比值为≤0.65。
弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役，受载荷时不允许产生塑性变形，因此要求弹簧钢经淬火、回火后具有尽可能高的弹性极限和屈强比值（σS/σb≥0.90）此外疲劳寿命与抗拉强度及表面质量往往有很大关连。
7．1．6塑性
金属材料在受力破坏前可以经受永久变形的性能称为塑性。
塑性指标通常伸长率和断面收缩率表示。
伸长率与断面收缩率越高，则 塑性越好。
8、冲击韧性
用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功，称为冲击韧性以αk表示。
目前常用的10×10×55mm，带2mm深的V形缺口夏氏冲击试样，标准上直接采用冲击功（J焦耳值）AK，而不是采用αK值。
因为单位面积上的冲击功并无实际意义。
冲击功对于检查金属材料在不同温度下的脆性转化最为敏感，而实际服役条件下的灾难性破断事故，往往与材料的冲击功及服役温 度有关。
因此在有关标准中常常规定某一温度时的冲击功值为多少、还规定FATT（断口面积转化温度）要低于某一温度的技术条件。
所谓FATT，即一组在不同温度下的冲击试样冲断后，对冲击断口进行评定，当脆性断裂占总面积的50%时所对应的温度。
由于钢板厚度的影响，对厚度≤10mm的钢板，可取得3/4小尺寸冲击试样（7.5×10×55mm）或1/2小尺寸冲击试样（5×10×55mm）。
但是一定要注意，同规格及同一温度下的冲击功值才可相互比较。
只有在标准规定的条件下，才可按标准的换算方法，折算成标准冲击试样的冲击功，再相互比较。
9、硬度试验
金属材料抵抗压头（淬硬的钢球或具有1200圆锥或角锥的金刚石压头）压陷表面的能力称为硬度。
根据试验方法和适用范围的不同，硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度以及显微硬度、高温硬度等。
冶金产品常用的是布氏硬度和洛氏硬度。
10、宝钢企业标准（Q/BQB）
宝钢企标中的钢号大致可分为三个来源即从日本JIS标准、德国DIN标准移植及自行开发研制的钢号。
从日本JIS标准中移植来的钢号，一般首位常为S（Steel）；从DIN标准移植来的钢号，一般常以ST开头（Stahl德文中的“钢”）；宝钢自行开发研制的钢号，一般首位常以宝钢的拼音首位B开头。
11、结构用热连轧、冷连轧钢板及钢带
结构钢一般按强度分类，在钢号中的数字往往代表抗拉强度的最低值。
由于该类钢常用于制作结构件，因此称作为结构钢。
结构钢的强化机制倾向于降碳增锰固溶强化铁素体、细化珠光体和添加微合金的析出强化、沉淀强化和细晶强化，以确保在提高强度的同时仍保持较好的韧、塑指标并兼具良好的焊接性能。
金属材料的检验
金属材料属于冶金产品，从事金属材料生产、订货、运输、使用、保管和检验必须依据统一的技术标准--冶金产品标准。
对从事金属材料的工作人员必须掌握标准的有关内容。
我国冶金产品使用的标准为国家标准（代号为"国标"GB""）、部标（冶金工业部标准"YB"、一机部标准"JB"等、）企业标准三级。
（一）包装检验
根据金属材料的种类、形状、尺寸、精度、防腐而定。
1．散装：
即无包装、揩锭、块（不怕腐蚀、不贵重）、大型钢材（大型钢、厚钢板、钢轨）、生铁等。
2．成捆：
指尺寸较小、腐蚀对使用影响不大，如中小型钢、管钢、线材、薄板等。
3．成箱（桶）：
指防腐蚀、小、薄产品，如马口铁、硅钢片、镁锭等。
4．成轴：
指线、钢丝绳、钢绞线等。
对捆箱、轴包装产品应首先检查包装是否完整。
（二）标志检验
标志是区别材料的材质、规格的标志，主要说明供方名称、牌号、检验批号、规格、尺寸、级别、净重等。
标志有；
5．涂色：
在金属材料的端面，端部涂上各种颜色的油漆，主要用于钢材、生铁、有色原料等。
6．打印：
在金属材料规定的部位（端面、端部）打钢印或喷漆的方法，说明材料的牌号、规格、标准号等。
主要用于中厚板、型材、有色材等。
7．挂牌：
成捆、成箱、成轴等金属材料在外面挂牌说明其牌号、尺寸、重量、标准号、供方等。
金属材料的标志检验时要认真辨认，在运输、保管等过程中要妥善保护。
（三）规格尺寸的检验
规格尺寸指金属材料主要部位（长、宽、厚、直径等）的公称尺寸。
8．公称尺寸（名义尺寸）：
是人们在生产中想得到的理想尺寸，但它与实际尺寸有一定差距。
9．尺寸偏差：
实际尺寸与公称尺寸之差值叫尺寸偏差。
大于公称尺寸叫正偏差，小于公称尺寸叫负偏差。
在标准规定范围之内叫允许偏差，超过范围叫尺寸超差，超差属于不合格品。
10．精度等级：
金属材料的尺寸允许偏差规定了几种范围，并按尺寸允许偏差大小不同划为若干等级叫精度等级，精度等级分普通、较高、高级等。
11．交货长度（宽度）：
是金属材料交货主要尺寸，指金属材料交货时应具有的长（宽）度规格。
12．通常长度（不定尺长度）：
对长度不作一定的规定，但必须在一个规定的长度范围内（按品种不同，长度不一样，根据部、厂定）。
13．短尺（窄尺）：
长度小于规定的通常长度尺寸的下限，但不小于规定的最小允许长度。
对一些金属材料，按规定可交一部分"短尺"。
14．定尺长度：
所交金属材料长度必须具有需方在订货合同中指定的长度（一般正偏差）。
15．倍尺长度：
所交金属材料长度必须为需方在订货合同中指定长度的整数倍（加锯口、正偏差）。
规格尺寸的检验要注意测量材料部位和选用适当的测量工具。
（四）数量的检验
金属材料的数量，一般是指重量（除个别例垫板、鱼尾板以件数计），数量检验方法有：
17．按实际重量计量：
按实际重量计量的金属材料一般应全部过磅检验。
对有牢固包装（如箱、合、桶等），在包装上均注明毛重、净重和皮重。
如薄钢板、硅钢片、铁合金可进行抽检数量不少于一批的5%，如抽检重量与标记重量出入很大，则须全部开箱称重。
18．按理论换算计量：
以材料的公称尺寸（实际尺寸）和比重计算得到的重量，对那些定尺的型板等材都可按理论换算，但在换算时要注意换算公式和材料的实际比重。
（五）表面质量检验
表面质量检验主要是对材料、外观、形状、表面缺陷的检验，主要有：
19．椭圆度：
圆形截面的金属材料，在同一截面上各方向直径不等的现象。
椭圆度用同一截面上最大与最小的直径差表示，对不同用途材料标准不同。
20．弯曲、弯曲度：
弯曲就是轧制材料。
在长度或宽度方向不平直、呈曲线形状的总称。
如果把它们的不平程度用数字表示出来，就叫弯曲度。
21．扭转：
条形轧制材料沿纵轴扭成螺旋状。
22．镰刀弯（侧面弯）：
指金属板，带及接近矩形截面的形材沿长度（窄面一侧）的弯曲，一面呈凹入曲线，另一面对面呈凸出曲线，称为"镰刀弯"。
以凹入高度表示。
23．瓢曲度：
指在板或带的长度及宽度方向同时出现高低起伏的波浪现象，形成瓢曲形，叫瓢曲度。
表示瓢曲程度的数值叫瓢曲度。
24．表面裂纹：
指金属物体表层的裂纹。
25．耳子：
由于轧辊配合不当等原因，出现的沿轧制方向延伸的突起，叫作耳子。
26．括伤：
指材料表面呈直线或弧形沟痕通常可以看到沟底。
27．结疤：
指不均匀分布在金属材料表面呈舌状，指甲状或鱼鳞状的薄片。
28．粘结：
金属板、箔、带在迭轧退火时产生的层与层间点、线、面的相互粘连。
经掀开后表面留有粘结痕迹，叫粘结。
29．氧化铁皮：
氧化铁皮是指材料在加热、轧制和冷却过程中，在表面生成的金属氧化物。
30．折叠：
是金属在热轧过程中（或锻造）形成的一种表面缺陷，表面互相折合的双金属层，呈直线或曲线状重合。
31．麻点：
指金属材料表面凹凸不平的粗糙面。
32．皮下气泡：
金属材料的表面呈现无规律分布大小不等、形状不同、周围圆滑的小凸起、破裂的凸泡呈鸡爪形裂口或舌状结疤，叫作气泡。
表面缺陷产生的原因主要上由于生产、运输、装卸、保管等操作不当。
根据对使用的影响不同，有的缺陷是根本不允许超过限度。
有些缺陷虽然不存在，但不允许超过限度；各种表面缺陷是否允许存在，或者允许存在程度，在的关标准中均的明确规定。
（六）内部质量检验的保证条件
金属材料内部质量的检验依据是根据材质适应不同的要求，保证条件亦不同，在出厂和验收时必须按保证条件进行检验，并符合要求，保证条件分；
33．基本保证条件：
对材料质量最低要求，无论是否提出，都得保证，如化学成份，基本机械性能等。
34．附加保证条件：
指根据需方在订货合同中注明要求，才进行检验，并保证检验结果符合规定的项目。
35．协议保证条件：
供需双方协商并在订货合同中加以保证的项目。
36．参改条件：
双方协商进行检验项目，但仅作参考条件，不作考核。
金属材料内部质量检验主要有机械性能、物理性能、化学性能、工艺性能、化学成分和内部组织检验。
机械性能、工艺性能第一部分已介绍，这里只对化学成分和内部组织的检验方法的原理及简单过程做概括介绍。
（七）化学成分检验
化学成分是决定金属材料性能和质量的主要因素。
因此，标准中对绝大多数金属材料规定了必须保证的化学成分，有的甚至作为主要的质量、品种指标。
化学成分可以通过化学的、物理的多种方法来分析鉴定，目前应用最广的是化学分析法和光谱分析法，此外，设备简单、鉴定速度快的火花鉴定法，也是对钢铁成分鉴定的一种实用的简易方法。
37．化学分析法：
根据化学反应来确定金属的组成成分，这种方法统称为化学分析法。
化学分析法分为定性分析和定量分析两种。
通过定性分析，可以鉴定出材料含有哪些元素，但不能确定它们的含量；定量分析，是用来准确测定各种元素的含量。
实际生产中主要采用定量分析。
定量分析的方法为重量分析法和容量分析法。
重量分析法：
采用适当的分离手段，使金属中被测定元素与其它成分分离，然后用称重法来测元素含量。
容量分析法：
用标准溶液（已知浓度的溶液）与金属中被测元素完全反应，然后根据所消耗标准溶液的体积计算出被测定元素的含量。
38．光谱分析法：
各种元素在高温、高能量的激发下都能产生自己特有的光谱，根据元素被激发后所产生的特征光谱来确定金属的化学成分及大致含量的方法，称光谱分析法。
通常借助于电弧，电火花，激光等外界能源激发试样，使被测元素发出特征光谱。
经分光后与化学元素光谱表对照，做出分析。
39．火花鉴别法：
主要用于钢铁，在砂轮磨削下由于摩擦，高温作用，各种元素、微粒氧化时产生的火花数量、形状、分叉、颜色等不同，来鉴别材料化学成分（组成元素）及大致含量的一种方法。
（八）内部质量检验
常见的内部组织缺陷有：
40．疏松：
铸铁或铸件在凝固过程中，由于诸晶枝之间的区域内的熔体最后凝固而收缩以及放出气体，导致产生许多细小孔隙和气体而造成的不致密性。
41．夹渣：
被固态金属基体所包围着的杂质相或异物颗粒。
42．偏析：
合金金属内各个区域化学成分的不均匀分布。
43．脱碳：
钢及铁基合金的材料或制件的表层内的碳全部或部分失掉的现象。
另外，汽泡、裂纹、分层、白点等也是常见的内部组织缺陷，对内部组织（晶粒、组织）及内部组织缺陷的检验办法常用有：
44．宏观检验：
利用肉眼或10倍以下的低倍放大镜观察金属材料内部组织及缺陷的检验。
常用的方法有断口检验、低倍检验、塔形车削发纹检验及硫印试验等。
主要检验气泡、夹渣、分层、裂纹晶粒粗大、白点、偏析、疏松等。
45．显微检验：
显微检验又叫作高倍检验，是将制备好的试样，按规定的放大倍在相显微镜下进行观察测定，以检验金属材料的组织及缺陷的检验方法。
一般检验夹杂物、晶粒度、脱碳层深度、晶间腐蚀等。
46．无损检验：
无损检验有磁力探伤、萤光探伤和着色探伤。
磁力探伤用于检验钢铁等铁磁性材料接近表面裂纹、夹杂、白点、折叠、缩孔、结疤等。
萤光探伤和着色探伤用于无磁性材料如有色金属、不锈钢、耐热合金的表面细小裂纹及松孔的检验。
47．超声波检验：
又叫超声波探伤。
利用超声波在同一均匀介质中作直线性传播。
但在不同两种物质的界面上，便会出现部分或全部的反射。
因此，当超声波迂到材料内部有气孔、裂纹、缩孔、夹杂时，则在金属的交界面上发生反射，异质界面愈大反射能力愈强，反之愈弱。
这样，内部缺陷的部位及大小就可以通过探伤仪萤光屏的波形反映出来。
常用的超声波探伤有X光和射线探伤。
我国钢号表示方法
一、我国钢号表示方法概述
钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。
我国的钢号表示方法，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB221-79）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。
即：
①钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si,Mn,Cr……等。
混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。
②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示，见表。
③钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。
表：
GB标准钢号中所采用的缩写字母及其涵义
名称
汉字
符号
字体
位置
屈服点
屈
Q
大写
头
沸腾钢
沸
F
大写
尾
半镇静钢
半
b
小写
尾
镇静钢
镇
Z
大写
尾
特殊镇静钢
特镇
TZ
大写
尾
氧气转炉（钢）
氧
Y
大写
中
碱性空气转炉（钢）
碱
J
大写
中
易切削钢
易
Y
大写
头
碳素工具钢
碳
T
大写
头
滚动轴承钢
滚
G
大写
头
焊条用钢
焊
H
大写
头
高级（优质钢）
高
A
大写
尾
特级
特
E
大写
尾
铆螺钢
铆螺
ML
大写
头
锚链钢
锚
M
大写
头
矿用钢
矿
K
大写
尾
汽车大梁用钢
梁
L
大写
尾
压力容器用钢
容
R
大写
尾
多层或高压容器用钢
高层
gc
小写
尾
铸钢
铸钢
ZG
大写
头
轧辊用铸钢
铸辊
ZU
大写
头
地质钻探钢管用钢
地质
DZ
大写
头
电工用热轧硅钢
电热
DR
大写
头
电工用冷轧无取向硅钢
电无
DW
大写
头
电工用冷轧取向硅钢
电取
DQ
大写
头
电工用纯铁
电铁
DT
大写
头
超级
超
C
大写
尾
船用钢
船
C
大写
尾
桥梁钢
桥
q
小写
尾
锅炉钢
锅
g
小写
尾
钢轨钢
轨
U
小写
头
精密合金
精
J
大写
中
耐蚀合金
耐蚀
NS
大写
头
变形高温合金
高合
GH
大写
头
铸造高温合金
K
大写
头
二、我国钢号表示方法的分类说明
1．碳素结构钢
①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。
它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235MPa的碳素结构钢。
②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。
质量等级符号分别为A、B、C、D。
脱氧方法符号：
F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：
Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。
例如Q235-AF表示A级沸腾钢。
③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。
2．优质碳素结构钢
①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。
②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。
③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。
3．碳素工具钢
①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。
②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。
例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。
③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。
④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。
4．易切削钢
①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。
②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。
③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例
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