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文档简介
1、对金属材料的基本认识 作者:李志高【摘要】 金属材料之所以获得如此广泛的应用,除因冶炼铸铁和钢的铁矿石在地壳中储存丰富外,主要是由于它具有制造机器所需要的物理、化学性能,并且还可以用简便的工艺方法加工成适用的机器零件,也即具有所需的工艺性能。熟悉金属材料的主要性能以及金属材料的成分,组织,性能之间的关系,以便根据零件的技术要求合理的选用金属材料。制造出高质量的机器,应用于日常生活中。【关键词】 金属材料性能 铁碳合金 刚的热处理 工业用钢【前言】 机械制造中应用最广泛的是金属材料。一个国家金属材料的产量或耗用量体现其国民经济发展水平。选出优良的金属材料,使得最终的产品能达到最高的质量,成了人们
2、关注的焦点。这里主要介绍金属材料的主要性能及成分、组织、性能之间的关系。一. 金属材料的主要性能(一)力学性能金属材料的力学性能又称机械性能,是金属材料在力的作用下所表现的性能。1强度与塑性。金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。强度是金属材料在力的作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种指标,工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。塑性是金属材料在力的作用下,产生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。2.硬度。金属材料表面抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕、划痕的能力称为硬度。硬度是衡量金属软硬的指标。金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度(HB)和洛氏硬度
3、法(HR)。3.韧性。金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性,通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。4.疲劳强度。承受循环应力的零件在工作一段时间后,有时突然发生断裂,而且所承受的应力往往低于该金属材料的屈服点,这种断裂称为疲劳断裂。(二) 物理、化学及工艺性能。1物理性能。金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同,对其物理性能的要求也有所不同。2.化学性能。主要是指在常温或高温时,抵抗各种介质侵蚀的能力,如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3.工艺性能。是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反可锻性二. 金属材料的主要用材(铁碳合金
4、)钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料,它们都是以铁、碳为主组成的合金,即铁碳合金。(一)纯铁的晶体结构及其同素异晶转变1.金属的结晶。是指金属液态转变为晶体的过程,亦即金属原子由无序到有序的排列过程。2纯铁的晶体结构。为便于研究晶体中原子排列规律,可将原子抽象化,即将每个原子看成是一个点,再把相邻原子中心用假象的直线连接起来,使之形成晶格,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。(二)纯铁合金的基本组织铁碳合金的组织结构相当复杂,并随其成分、温度和冷却速度而变化。按照铁和碳互相作用形式的不同,铁碳合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。1.固溶体。溶质原子溶入溶剂晶粒而仍然保持溶
5、剂晶格类型的金属晶体,称为固溶体。碳可溶入-Fe,-Fe,也可溶入-Fe,形成不同的固溶体。2.化合物。金属化合物是各组元按一定整数比结合而成,并且有金属性质的均匀物质,属于单相组织。3.机械混合物。是由结晶过程所形成的两相混合组织。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物,用符号P表示。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。(三)铁碳合金状态图1.铁碳合金状态图的分析:图中有四个基本相,即液相(L),奥氏体相(A)、铁素体相(F)和渗碳体相(Fe3C)。它们各有其相应的单相区。主线介绍:(1)ACD线液相线。(2)AECF线固相线。(3)GS线奥氏体在冷
6、却过程中析出铁素体的开始线。(4)ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线。(5)PSK线共析线。(6)PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。2.钢在结晶过程中的组织转变在铁碳合金状态图的实际应用中,常需分析具体成分合金在冷却或加热过程中的组织转变。(1)共析钢。(2)亚共析钢。(3)过共析钢。三. 金属材料的主要处理(钢的热处理)(一)钢在加热和冷却时组织转变1.钢在加热时组织转变。加热是热处理工艺的首要步骤,以达到细化晶粒的效果,使材料不仅强度高,且塑性和韧性均较好。2.钢在冷却时的组织转变。钢经过加热、保温形成奥氏体后,接着便需进行冷却。(二)钢的退火和正火1.退火。退火是将钢加热、保温,然后随炉或埋入
7、灰中使其缓慢冷却的热处理工艺常用的有:(1)完全退火。(2)球化退火。(3)去应力退火。2.正火。正火是将钢加热到AC3以上3050(亚共析钢)或ACcm以上3050(过共析钢),保温后在空气中热处理工艺。主要用于:(1)取代部分完全退火。(2)用于普通结构件的最终热处理。(3)用于过共析钢,以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。(三)淬火和回火淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火,再配以不同温度的回火,可使钢获得所需的力学性能。1.淬火。淬火是将钢加热到AC3或AC1以上3050,保温后在淬火介质中快速冷却,以获得马氏体组织的热处理工艺。在工艺上还应采取如下措施:(1)严格控制淬火加热温度。
8、(2)合理选择淬火介质。(3)选择正确淬火方法。2.回火。将淬火的钢重新加热到AC1以上某温度,保温后冷却到室温的热处理工艺。可分为以下三种:(1)低温回火(250以上)。(2)中温回火(250500)。(3)高温回火(500以上)。(四)表面淬火和化学热处理1.表面淬火。是通过快速加热,使钢的表层很快达到淬火温度,在热量来不及到钢件心部时就立即淬火,从而使表层获得马氏体组织,而心部仍保持原始组织。方法有:电感应火焰、电接触、激光等。2.化学热处理。是将钢件置于适合的化学介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入钢件表面层,以改变钢件表层的化学成分和组织,从而获得所需的力学性能或理化性能。有渗碳
9、、渗氮、碳氮共渗等。四. 金属材料的主要材料(工业用钢)钢主要由生铁冶炼而成,是机械制造中应用最为广泛的金属材料。(一)碳素钢1.化学成分对碳素钢性能的影响碳素钢的含量在15以下,除碳以外,还含有硅、锰、磷、硫等杂质。2.碳素钢的牌号通常分为以下三类:(1)碳素结构钢。以“Q”和后面的三位数字表示。在每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最小屈服点(MPa)。(2)优质碳素结构钢。用两位数字表示,即钢中平均含碳量的百分数。(3)碳素工具钢。以符号“T”开始,其后面的一位或两位数字表示钢中平均含碳量的千分数。(二)低合金钢是为了改善钢的某些性能,在碳素钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。(三)合金钢当钢中合金元素超过低合金钢的限度时,即为合金钢。1.合金结构钢。它是指常用于制造机器零件用的合金钢。牌号通常以“数字+元素符号+数字”来表示。前面两位数表示钢中的平均含碳量的万分数,元素符号及其后的数字表示所含合金数及其平均含量的百分数。2.合金工具钢。主要用于制造刀具、量具、模具等,含碳量甚高。其合金元素的主要作用是提高钢的淬透性、耐磨性和热硬性。3.特殊性能刚。包括不锈钢,耐磨钢,耐蚀钢及具有软磁、永磁、无磁等特殊物理
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