金属材料讲座.

1、金属材料讲座金属材料讲座MetalsMetals 第一讲第一讲基本知识与钢基本知识与钢产品产品-材料材料-工艺工艺 从材料学的角度看，材料的性从材料学的角度看，材料的性能取决于能取决于内部结构内部结构，而材料的内部，而材料的内部结构又取决于结构又取决于成分成分和和加工工艺加工工艺。所。所以，正确地选择材料，确定合理的以，正确地选择材料，确定合理的加工工艺，得到理想的组织，获得加工工艺，得到理想的组织，获得优良的使用性能，是决定机械制造优良的使用性能，是决定机械制造中产品性能的重要环节。中产品性能的重要环节。 石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 xxxx时代时代 简单简单

2、复杂复杂 简单简单 例如：例如： 碳钢碳钢 合金钢合金钢 碳钢（超细晶粒）碳钢（超细晶粒） 铸态铸态 正火态正火态 新铸态新铸态 球铁球铁 球铁球铁 球铁球铁 出于节能、降本和环保的考虑出于节能、降本和环保的考虑金属材料的发展历程金属材料的发展历程金属材料的特点金属材料的特点（CharacteristicCharacteristic）优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）性能等）优良的加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、优良的加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能、冷成形焊接性能、热处理性能、机械加工性能、冷

3、成形性能等）性能等） 可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能部组织结构，从而改善性能可回收再利用可回收再利用可持续发展可持续发展有些金属，特别是黑色金属，抗腐蚀性能差有些金属，特别是黑色金属，抗腐蚀性能差比强度较低比强度较低密度较大，不易轻量化密度较大，不易轻量化金属材料的分类金属材料的分类n黑色金属（黑色金属（Ferrous MetalsFerrous Metals）-钢（碳素钢、合金钢、微合金钢钢（碳素钢、合金钢、微合金钢）-铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁）n有色金属（有色金属（Nonfer

4、rous MetalsNonferrous Metals）-铝合金铝合金-铜合金铜合金-锌合金锌合金-镁合金镁合金 金属材料的分类金属材料的分类 金属材料还可以其他方式分类，例如以金属材料还可以其他方式分类，例如以化学成分、冶金质量、用途、金相组织化学成分、冶金质量、用途、金相组织分类，还可以形状分类：分类，还可以形状分类：-棒（棒（Bar)Bar)-板（带）板（带）( (PlatePlate，Strip)Strip)-管管( (Tube,Pipe)Tube,Pipe)-丝丝( (Wire)Wire) 金属材料在轿车用材料中所占的比例金属材料在轿车用材料中所占的比例钢板52.7%其它钢材17.

5、6%生铁2.1%有色金属8.0%非金属19.7%MG车用金属材料的种类车用金属材料的种类372251112362229 30 309112931020406080100120140碳素钢碳素钢合金结构钢合金结构钢表面硬化钢表面硬化钢易切钢易切钢钢板（带）钢板（带）轴承钢轴承钢不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢钢丝钢丝钢管钢管铝合金铝合金铸铁和铸钢铸铁和铸钢粉末冶金粉末冶金冷镦钢冷镦钢铜、锌等有色金属铜、锌等有色金属材料标准材料标准( (Material Standard)Material Standard)n材料标准又称材料标准又称“技术条件技术条件”( (SPECIFICATION)SPECIFI

6、CATION)- -范围范围 - -技术要求技术要求- -引用标准引用标准 - -试验方法试验方法- -订货内容订货内容 - -检验规则检验规则- -分类与代号分类与代号- -尺寸、外形、重量及允许偏差尺寸、外形、重量及允许偏差- -包装、标志和质量证明书包装、标志和质量证明书材料标准中材料标准中“检验规则检验规则”举例举例“冷镦和冷挤压用钢冷镦和冷挤压用钢” GB/T 6478-2001序号序号检验项目检验项目取样数量取样数量取样方法取样方法试验方法试验方法1 1化学成分化学成分1 1按按GB/T 222GB/T 2232 2低倍组织低倍组织2 2按按GB/T 226GB/T 226，GB/

7、T 19793 3拉伸拉伸1 1按按GB/T 2975GB/T 2284 4冷顶锻冷顶锻3 3不同根钢材不同根钢材GB/T 2335 5脱碳层脱碳层2 2不同根钢材不同根钢材GB/T 2246 6末端淬透性末端淬透性1 1钢材或钢坯钢材或钢坯GB/T 2257 7非金属夹杂非金属夹杂2 2不同根钢材不同根钢材GB/T 105618 8洛氏硬度洛氏硬度3 3不同根钢材不同根钢材GB/T 2309 9表面质量表面质量逐根（盘）逐根（盘）目视检查，必要时也可取样目视检查，必要时也可取样去除氧化铁皮检查去除氧化铁皮检查1010尺寸尺寸逐根（盘）逐根（盘）用具有足够精度的量具测量用具有足够精度的量具测量

8、检测标准检测标准 ( (Test Standard)Test Standard)n检测标准又称试验标准检测标准又称试验标准- -范围范围 - -试样试样- -引用标准引用标准 - -试验设备的准确度试验设备的准确度- -原理原理 - -试验要求试验要求- -定义定义 - -XXXX的测定的测定- -符号和说明符号和说明 - -试验结果处理试验结果处理- -试验报告试验报告金属材料的牌号金属材料的牌号（DenominationDenomination） 金属材料的牌号具有唯一性、严谨金属材料的牌号具有唯一性、严谨性和明确性等特征。它由专门的标准制性和明确性等特征。它由专门的标准制定。各国有各自的

9、金属材料牌号，各企定。各国有各自的金属材料牌号，各企业亦有各自的金属材料牌号。因此弄清业亦有各自的金属材料牌号。因此弄清世界上各种金属材料的牌号是一件颇为世界上各种金属材料的牌号是一件颇为费劲的事。中国金属材料牌号最初吸取费劲的事。中国金属材料牌号最初吸取前苏联的牌号命名，后逐渐形成自己的前苏联的牌号命名，后逐渐形成自己的材料系统。材料系统。金属材料主要力学性能指标金属材料主要力学性能指标(Mechanical Properties)(Mechanical Properties) 维氏硬度HV抗拉强度Rm塑性断后伸长率A断面收缩率Z弹性和刚度强度屈服强度Re材料力学性能指标材料力学性能指标韧性

10、冲击韧性KCV断裂韧性KIC疲劳强度硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR力学性能新旧符号对照力学性能新旧符号对照参数参数旧符号旧符号新符号新符号抗拉强度抗拉强度b bR Rm m屈服强度屈服强度S SR Re e断后伸长率断后伸长率A A断面收缩率断面收缩率Z Z布氏硬度布氏硬度HBHBHBWHBW力与应力单位对照力与应力单位对照新公制新公制旧公制旧公制美制美制kgfkgflbflbftonftonfkipkip9.81N9.81N4.45N4.45N9964N9964N4448Nkgf/mmkgf/mm2 2psipsitonf/intonf/in2 2kpsipsi9.81N/mm9.81N/mm

11、2 20.006895N/mm0.006895N/mm2 215.44N/mm15.44N/mm2 26.895N/mm6.895N/mm2 2英制英制N NN/mmN/mm2 2(MPa)(MPa)拉伸试验的应力拉伸试验的应力-应变图应变图( (Stress-Strain)Stress-Strain)bbbs0.2(a)无塑性变形的材无塑性变形的材料（例如铸铁）料（例如铸铁）(b)有明显屈服的延有明显屈服的延性材料（例如软钢）性材料（例如软钢）(c)无明显屈服的延性材无明显屈服的延性材料（例如调质钢）料（例如调质钢）金属材料的力学性能金属材料的力学性能n弹性与刚性弹性与刚性-材料不产生永久残

12、余变形的能力称为弹材料不产生永久残余变形的能力称为弹性性-材料在弹性范围内，应力与应变成正比，材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值其比值E=/E=/称为弹性模量。称为弹性模量。E E表示了表示了原子间结合力的程度，标志着材料抵抗原子间结合力的程度，标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。 金属材料的力学性能金属材料的力学性能n切变模量：切变模量：G=/rG=/rn泊松比：泊松比：=/=/ : :纵向弹性变形，纵向弹性变形， ：横向弹性变形：横向弹性变形 E=2G(1+ )E=2G(1+ )n形变强化：形变强化：S STrueTrue=K=Kn

13、 n S Struetrue：真应力真应力 K K： 材料常数材料常数 ： 真应变真应变 n n： 硬化指数硬化指数金属材料的力学性能金属材料的力学性能n强度强度 在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。能力称为强度。-屈服强度屈服强度 外加载荷没有增加，试样的变形量自动外加载荷没有增加，试样的变形量自动增大。此时对应的应力值称为屈服强度。增大。此时对应的应力值称为屈服强度。-抗拉强度抗拉强度 对应最大应力值对应最大应力值金属材料的力学性能金属材料的力学性能n塑性塑性 材料在外力作用下，产生永久变形而不发材料在外力作用下，产生永久变形而不发生断裂的能力

14、，称为塑性。生断裂的能力，称为塑性。金属的塑性是金属的塑性是相对的，随温度、应力状态的变化而变化相对的，随温度、应力状态的变化而变化。n硬度硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维或划裂的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度氏硬度金属材料的力学性能金属材料的力学性能n韧性韧性 材料断裂时所需能量的度量。材料断裂时所需能量的度量。- - 冲击韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力冲击韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。的作用而不被破坏的能力。- - 断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力断裂韧性：

15、材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力n疲劳性能：金属材料在疲劳性能：金属材料在交变载荷交变载荷作用下，经一定作用下，经一定周次周次运转后发生失效或破坏，称金属的疲劳。金运转后发生失效或破坏，称金属的疲劳。金属在不同的应力状态（拉、弯、扭、应力比）下属在不同的应力状态（拉、弯、扭、应力比）下呈现不同的疲劳行为呈现不同的疲劳行为金属材料的力学性能金属材料的力学性能n断裂韧性断裂韧性 断裂韧性的兴起，源于大型轧辊的断裂、高压断裂韧性的兴起，源于大型轧辊的断裂、高压容器的爆炸、发电机转子的开裂、桥梁和船舰容器的爆炸、发电机转子的开裂、桥梁和船舰的断裂等的断裂等 K=CK=Ca a1/21/2（N/mmN/m

16、m3/23/2） K: K: 应力水平因子应力水平因子 C C：几何形状系数：几何形状系数 ：外加应力：外加应力 a a：裂纹长度：裂纹长度 金属材料的物理性能金属材料的物理性能n密度密度n熔点熔点n热容量热容量n热膨胀性热膨胀性n导热性导热性n磁性磁性n导电性导电性n介电常数介电常数元素元素强度强度硬度硬度塑性塑性韧性韧性焊接性焊接性抗腐蚀性抗腐蚀性淬透性淬透性切削性切削性CSi弹性高温MnPS CrNiMo高温TiV高温Nb略略CuBN低温Xt合金元素对钢性能的影响合金元素对钢性能的影响金属材料的化学性能金属材料的化学性能n耐腐蚀性耐腐蚀性n高温抗氧化性高温抗氧化性金属材料的工艺性金属材料

17、的工艺性工艺性决定了金属材料的应用前景与应用范围工艺性决定了金属材料的应用前景与应用范围n铸造性铸造性n可锻性（含冷镦、温挤等）可锻性（含冷镦、温挤等）n可焊性可焊性 碳当量参考公式：碳当量参考公式： C Ceqeq=C+Mn=C+Mn/6+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)/6+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu) C Ceqeq的界限值：的界限值：0.4%0.4%，0.4-0.6%0.4-0.6%，0.6%0.6%n切削加工性切削加工性n热处理工艺性能热处理工艺性能钢钢-铁铁（Iron & Steel）- - 钢与铁的分界线钢与铁的分界线C C：2.06%2.06

18、%- - 钢与铁在显微组织上的区别，石墨钢与铁在显微组织上的区别，石墨游离的碳游离的碳- - 钢与铁在力学性能上的区别：塑性和韧钢与铁在力学性能上的区别：塑性和韧性性- - 钢与铁在工艺性方面的区别：可锻性钢与铁在工艺性方面的区别：可锻性碳素钢碳素钢 ( (Alloy Steels)Alloy Steels)n低碳钢（低碳钢（Mild Steel)Mild Steel) C0.25% C0.25%，例如：，例如：040040A10-BS 970A10-BS 970n中碳钢中碳钢 C=0.25%C=0.25%0.60%0.60%，例如，例如：C45-DIN 17200C45-DIN 17200

19、高碳钢高碳钢 C C 0.60%0.60%，例如：，例如：CS70-BS 1449 CS70-BS 1449 渗碳钢渗碳钢( (CASE HARDENING STEEL)CASE HARDENING STEEL)n特点：低碳、含合金元素（特点：低碳、含合金元素（Cr,MnCr,Mn, , B,Ni,Mo,V,Ti B,Ni,Mo,V,Ti）。改善性能，增加）。改善性能，增加淬透性，细化晶粒淬透性，细化晶粒 20CrMo-GB/T 5216-200420CrMo-GB/T 5216-2004 708X20-BS 970 708X20-BS 970调质钢调质钢( (QUENCHING & TEMP

20、ER STEEL)QUENCHING & TEMPER STEEL)n特点：中碳（特点：中碳（C=0.30-0.60%C=0.30-0.60%）钢或中碳）钢或中碳合金钢，具有良好的强度和足够的韧性，合金钢，具有良好的强度和足够的韧性， 即具有良好的综合机械性能。有被非调即具有良好的综合机械性能。有被非调质钢和低碳（合金质钢和低碳（合金) )钢取代的趋势。钢取代的趋势。 4545-GB/T 3078-1994-GB/T 3078-1994 41Cr4-BS EN 10084-1998 41Cr4-BS EN 10084-1998弹簧钢弹簧钢( (SPRING STEEL)SPRING STEEL

21、)n特点：中、高碳（合金）钢。据有较高特点：中、高碳（合金）钢。据有较高的抗拉强度、弹性极限和疲劳强度。的抗拉强度、弹性极限和疲劳强度。 65Mn-GB/T 1222-198465Mn-GB/T 1222-1984 C75-UNI 7064 C75-UNI 7064- - 钢丝：用于气门弹簧、螺旋弹簧等钢丝：用于气门弹簧、螺旋弹簧等- - 钢带：用于弹簧垫片等钢带：用于弹簧垫片等不锈钢不锈钢( (STAINLESS STEEL)STAINLESS STEEL) 铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到钢中含铬量达到1212左右时，铬与腐蚀介质中左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。 n奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 0 0Cr18Ni9-GB/T 1220-1992Cr18Ni9-GB/T 1220-1992、321S31-BS 970321S31-BS 970n铁