金属材料前言及基础知识Word格式.docx

1、这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中。白口铸铁白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁。麻口铸铁麻口铸铁是介于白口和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间麻点状，性能不好，极少应用。按化学成分分普通铸铁是指不令任何合金元素的铸铁，如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。合金铸铁是在普通铸铁内加入一些合金元素，用以提高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁。如各种耐蚀、耐热、耐

2、磨的特殊性能铸铁。按生产方法和组织性能分普通灰铸铁见“灰铸铁”表2（续） 铸铁的分类孕育铸铁这是在灰铸铁基础上，采用“变质处理”而成，又称变质铸铁。其强度、塑性和韧性均比一般灰铸铁好得多，组织也较均匀。主要用于制造力学性能要求较高，而截面尺寸变化较大的大型铸件。可锻铸铁可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成，比灰铸铁具有较高的韧性，又称韧性铸铁。它并不可以锻造，常用来制造承受冲击载荷的铸件。球墨铸铁简称球铁。它是通过在浇铸前往铁液中加入一定量的球化剂和墨化剂，以促进呈球状石墨结晶而获得的。它和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料，在机械工程上应用广泛

3、。特殊性能铸铁这是一种有某些特性的铸铁，根据用途的不同，可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。大都属于合金铸铁，在机械制造上应用较广泛。1.3 钢的分类（见表3）表3 钢的分类碳素钢碳素钢是指钢中除铁、碳外，还含少量锰、硅硫、磷等元素的铁碳合金，按其含碳量不同，可分为：低碳钢含碳量0.25%中碳钢含碳量0.25%0.60%高碳钢含碳量0.60%合金钢为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素面炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按其合金元素的总含量，可分为：低合金钢合金元素的总含量5%中合金钢合金元素的总含量5%10%高合金钢合金元素的总含量10%按冶炼设备分转炉钢用转炉吹

4、炼的钢，可分为底吹、侧吹、顶吹和空气吹炼、纯氧吹炼等转炉钢；根据炉衬的不同，又分酸性和碱性两种。平炉钢 用平炉炼制的钢，按炉衬材料的不同分为酸性和碱性两种，一般平炉钢多为碱性。电炉钢 用电炉炼制的钢，有电弧炉钢、感应炉钢及真空感应炉钢等。工业上大量生产的，是碱性电弧炉钢。按浇注前脱氧程度分沸腾钢 属脱氧不完全的钢，浇注时在钢锭模里产生沸腾现象。其优点是冶炼损耗少、成本低、表面质量及深冲性能好；缺点是成分和质量不均匀、抗腐蚀性和力学强度较差，一般用于轧制碳素结构钢的型钢和钢板。表3（续） 钢的分类镇静钢属脱氧完全的钢，浇注时在钢锭模里钢液镇静，没有沸腾现象。其优点是成分和质量均匀；缺点是金属的收

5、得率低，成本较高。一般合金钢和优质碳素结构钢都为镇静钢。半镇静钢脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，因生产较难控制，目前产量较少。按钢的品质分普通钢钢中含杂质元素较多，含硫量一般0.05%，含磷量0.045%，如碳素结构钢、低合金结构钢等。优质钢钢中含杂质元素较少，含硫及磷量一般均0.04%，如优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢和合金工具钢、弹簧钢、轴承钢等。高级优质钢钢中含水量杂质元素极少，含水量硫量一般0.03%，含磷量0.035%，如合金结构钢和工具钢等。高级优质钢在钢号后面，通常加符号“A”或汉字“高”以便识别。按钢的用途分结构钢建筑及工程用结构钢简称建造用钢，它是指用于建筑、桥梁

6、、船舶、锅炉或其他工程上制作金属结构件的钢。如碳素结构钢、低合金钢、钢筋钢等。机械制造用结构钢指用于制造机械设备上结构零件的钢。这类钢基本上都是优质钢或高级优质钢，主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、易切结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。工具钢 一般用于制造各种工具，如碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢等。如按用途又可分为刃具钢、模具钢、量具钢。特殊钢 具有特殊性能的钢，如不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、高电阻合金钢、耐磨钢、磁钢等。专业用钢 指各个工业部门专业用途的钢，如汽车用钢、农机用钢、航空用钢、化工机械用钢、锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢等。按制造加工形式分铸钢 指采用铸造方法而生产出来的一种钢铸件

7、。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。锻钢 指采用锻造方法而生产出来的各种锻材和锻件。锻钢件的质量比铸钢件高，能承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸钢件高，所以凡是一些重要的机器零件都应采用锻钢件。热轧钢 指采用热轧方法而生产出来的各种热轧钢材。大部分钢材都是采用热轧轧成的，热轧常用来生产型钢、钢管、钢板等大型钢材，也用于轧制线材。冷轧钢 指用冷轧方法而生产出来的各种冷轧钢材。与热轧钢相比，其特点是表面光洁、尺寸精确、力学性能好。冷轧常用来轧制薄板、钢带和钢管。冷拔钢 指用冷拔方法而生产出来的各种冷拔钢材。其特点是精度高

8、、表面质量好。冷拔主要用于生产钢丝，也用于生产直径在50mm以下的圆钢和六角钢，以及直径在76mm以下的钢管。2 钢铁材料的使用性能2.1 物理性能（见表4）表4 物理性能名 称量的符号单位含 义1. 密度g/cm3指某种物质单位体积的质量。2.热性能熔点金属材料由固态转变为液态时的熔化温度。比热容cJ/（kgK）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W/（m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线胀系数L10-6/K金属温度每升高1所增加的长度与原来长度的比值3.电电阻率m表示物体导电性能的一个参数。它等于1m长，

9、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P1/温度每升降1，材料电阻率的改变量与原电阻率之比电导率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.磁磁导率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（值甚高，可达数万）和硬磁材料（值在1左右）两大类磁感应强度BT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4J的新磁场，因而在磁介质中的磁场B=H+4J，叫磁

10、感应强度磁场强度HA/m导体中通过电流，其周围就产生了磁场。磁场对原磁矩或电流产生作用图的大小为磁场强度的表征。矫顽力HC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PW/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。2.2 力学性能（见表5）表5 力学性能1.强度强度是指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力抗拉强度bMPa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抗弯强度bb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。抗压强度bc材料在压力作用下不发生

11、碎、裂所能承受的最大正压力抗剪强度、试样剪断前，所承受的最大负荷下的受剪截面具有的平均剪应力抗扭强度b指外力是扭转力的强度极限屈服点s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屈服强度0.2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%永久变形的应力定为屈服点，称为屈服强度或条件屈服极限持久强度b/h 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后的断裂强度蠕变强度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

12、件也会随着时间的增长而缓慢地产生变形，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弹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开头和大小的一种特性。弹性模量EGPa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例关系时，这个比例系数就称为切变模量，也叫正弹性模数切变模量G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例关系时，这个比例系数就称为切变模量弹性极限e金属能保持弹性变形的最大应力，称为弹性极限比例极限p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

13、限塑塑性是指金属材料在外力的作用下，产生永久变形而不致破裂的能力伸长率%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。5是标距为5倍直径时的伸长率。断面收缩率金属试样拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比表5（续） 力学性能泊松比对于各向同性的材料，泊松比表示：试样在单向拉伸时，横向相对收缩量与轴向相对伸长量之比韧性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冲击韧度aKU或aKVJ/cm2冲击韧度是评定金属材料在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（aKU或aKV）作为标准的。它是采用一定尺寸和开头的标准试样，在

14、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与断面处横截面积之比值大小来衡量冲击吸收AKU或AKVJ由于aK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，故aK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作业冲击韧度的指标5.疲劳金属材料在极限强度下，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。疲劳极限-1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之疲劳强度N金属材料在重复或交变应力作用下，循环一定周次（N）后断

15、裂时所能承受的最大应力，称疲劳强度。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6.硬硬度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布氏硬度HBSHBW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450HBS；使用硬质合金球测定硬度450HBW洛氏硬度HRAHRBHRCHRDHREHRFHRGHRHHRK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

16、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标尺维氏硬度HV 用金刚石正四棱体压头以49.03980.7N的试验力压入试样表面，经规定的体持时间后，卸除试验力，测压痕对角线长度计算的硬度值肖氏硬度HSCHSD 用金刚石或钢球冲头从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HSD7.减摩、耐磨摩擦因数相互接触的物体，当作杆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）与施加在摩擦部位上的垂直载荷（N）的比值，称为摩擦因数磨耗量WVgcm3

17、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），以磨去重量表示者称为重量磨耗W，用磨去体积表示者称为体积磨耗V相对耐磨系数 在模拟耐磨试验机上，采用65Mn（5253HRC）作为标准试样，在相同条件下，标准试样的绝对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2.3 化学性能（见表6）表6 化学性能耐腐蚀性 指金属材料抵抗周围介质（大气、水蒸气、有害气体、酸、碱、盐等）腐蚀作用的能力。金属的耐腐蚀性与许多因素有关，如金属的化学成分、加工性能、热处理条件、组织状态以及介质和温度等化学腐蚀 是金属与周围介质

18、直接起化学作用的结果。它包括气体体育馆和金属在非电解质中的腐蚀两种形式。其特点是：腐蚀过程不产生电流；且腐蚀产物沉积在金属表面电化学腐蚀 金属与酸、碱、盐等电解质溶液接触时发生作用而引起的腐蚀，称为电化学腐蚀。它的特点是腐蚀过程中有电流产生，其腐蚀产物（铁锈）不覆盖在作为阳极的金属表面上，而是在距离阳极金属的一定距离处一般腐蚀 这种腐蚀是均匀分布在整个金属内外表面上，使截面不断减小，最终使受力件破坏晶间腐蚀 这种腐蚀在金属内部沿晶粒边缘进行，通常不引起金属外形的任何变化，往往使设备或机件突然破坏点腐蚀 这种腐蚀集中在金属表面不大的区域内，并迅速向深处发展，最后穿透金属，是一种危害较大的腐蚀破坏

19、表6（续） 化学性能应力腐蚀 在静应力（金属的内外应力）作用下，金属在腐蚀介质中所引起的破坏。这种腐蚀一般穿过晶粒，即穿晶腐蚀腐蚀疲劳 在交变应力作用下，金属在腐蚀介质中所引起的破坏。它也是一种穿晶腐蚀腐蚀速度mg/（dm2.d）或g/（m2.d） 单位面积的金属材料在单位时间内经腐蚀之后的失重，称为腐蚀速度腐蚀率RMm/d 金属材料在单位时间内腐蚀掉的材料深度抗氧化性g/（cm2.h）或mm/a 金属材料在室温或高温下抵抗氧化的能力。金属的氧化过程实际上是属于化学腐蚀的一种形式。它可直接用一定时间内，金属表面经腐蚀之后重量损失的大小，即用金属减重的速度表示化学稳定性 指金属材料的耐腐蚀性和抗

20、氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。3 钢铁材料的工艺性能和一般热处理3.1 工艺性能（见表7）表7 工艺性能铸造性金属材料能用铸造方法获得合格铸件的能力称为铸造性。铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。流动性是指液态金属充满铸模的能力，流动性愈好，愈易铸造细薄精致的铸件。收缩性是指铸件凝固时体积收缩的程度，收缩愈小，铸件凝固时变形愈小。偏析是指化学成分不均匀，偏析愈严重，铸件各部位的性能愈不均匀，铸件的可靠性愈小。切削加工性 金属材料的切削加工性是指金属接受切削加工的能力，也是指金属经过切削加工而成为合乎要求的工件的难易程度。通常可以切削后工作表面的粗糙程度、切削速度和刀

21、具磨损程度来评价金属的切削加工性。焊接性 焊接性是指金属在特定结构和工艺条件下通过常用焊接方法获得预期质量要求的焊接接头的性能。焊接性一般根据焊接时产生的裂纹敏感性和焊缝区力学性能的变化来判断。可锻性 可锻性是材料在承受锤锻、轧制、拉拔、挤压等加工工艺时会改变形状而不产生裂纹的性能。它实际上是金属塑性好坏的一种表现，金属材料塑性越高，变形抗力就越小，则可锻性就越好。可锻性好坏主要决定于金属的化学成分、显微组织、变形温度、变形速度及应力状态等因素。表7（续） 工艺性能冲压性 冲压性是指金属经过冲压变形而不发生裂纹等缺陷的性能。许多金属产品的制造都要经过冲压工艺，如汽车壳体、搪瓷制品坯料及锅、盆、

22、盂、壶等日用品。为保证制品的质量和工艺的顺利进行，用于冲压的金属板、带等必须具有合格的冲压性能。顶锻性 顶锻性是指金属材料承受打铆、镦头等的顶锻变形的性能。金属的顶锻性，是用顶锻试验测定的。冷弯性 金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂的性能，称为冷弯性。出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。热处理工艺性 指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却方法，以改变金属或合金的内部组织，而得到所需性能的一种工艺操作。热处理工艺性就是指金属经过热处理后其组织和性能改变的能力，包括淬硬性、淬透性、回火脆性等。3.2一般热处理（见表8）表8 一般热处理热处理过程热处理目的退火 将钢件

23、加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却到室温1） 降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；2） 细化晶粒，均匀钢的组织，改善钢的性能及为以后的热处理做准备；3）消除钢中的内应力，防止零件加工后变形及开裂。类别完全 将钢件加热到临界温度（不同钢材其临界温度不同，一般是710750，个别合金钢临界温度达800900）以上3050，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却（或埋在沙中冷却）细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力完全退火适用于含碳量（质量分数）0.8%的锻件或铸钢件球化将钢件加热到临界温度以上2030，经过保温以后，缓慢冷却至500以下再出炉空冷降低钢的硬度，改善切削性能，

24、并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂球化退火适用于含碳量（质量分数）0.8%的碳素钢和合金工具钢去应力 将钢件加热到500650，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般采用随炉冷却）消除钢件焊接和冷校直时产生的内应力，消除精密零件切削加工时产生的内应力，以防止以后加工和使用过程中发生变形去应力退火适用于各种铸件、锻件、焊接件和冷挤压件等表8（续） 一般热处理正 将钢件加热到临界温度以上4060，保温一定时间，然后在空气中冷却1） 改善组织结构和切削加工性能2） 对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理3） 消除内应力淬 将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油（个别材料在空气中）中急速冷却1） 使钢件获得较高的硬度和耐磨性2） 使钢件在淬火以后得到某种特殊性能，如较高的强度、弹性和韧性等单液将钢件加热到淬火温度，经过保温以后，在一种淬火剂中冷却单液淬火只适用于形状比较简单，技术要求不太高的碳素钢及合金钢件。淬火时，对于直径或厚度大于5mm8mm