金属材料介绍-steel

金屬材料介紹一、黑色金屬、鋼和有色金屬

1﹒黑色金屬是指鐵和鐵的合金。如鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。鋼和生鐵都是以鐵爲基礎，以碳爲主要添加元素的合金，統稱爲鐵碳合金。

生鐵是指把鐵礦石放到高爐中冶煉而成的産品，主要用來煉鋼和製造鑄件。

把鑄造生鐵放在熔鐵爐中熔煉，即得到鑄鐵（液狀），把液狀鑄鐵澆鑄成鑄件，這種鑄鐵叫鑄鐵件。鐵合金是由鐵與矽、錳、鉻、鈦等元素組成的合金，鐵合金是煉鋼的原料之一，在煉鋼時做鋼的脫氧劑和合金元素添加劑用。

2﹒把煉鋼用生鐵放到煉鋼爐內按一定工藝熔煉，即得到鋼。鋼的産品有鋼錠、連鑄坯和直接鑄成各種鋼鑄件等。通常所講的鋼，一般是指軋製成各種鋼材的鋼。鋼屬於黑色金屬但鋼不完全等於黑色金屬。3﹒有色金屬又稱非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、錫、鉛、鋅、鋁以及黃銅、青銅、鋁合金和軸承合金等。另外在工業上還採用鉻、鎳、錳、鉬、鈷、釩、鎢、鈦等，這些金屬主要用作合金附加物，以改善金屬的性能，其中鎢、鈦、鉬等多用以生産刀具用的硬質合金。以上這些有色金屬都稱爲工業用金屬，此外還有貴重金屬：鉑、金、銀等和稀有金屬，包括放射性的鈾、鐳等。

二、常用金屬材料

A鐵碳合金

根據含碳量不同可分爲：1熟鐵（WroughtIron）C<0.08%2碳鋼（steel）0.08%

<C<2.0%

低碳鋼C<=0.25;中碳鋼0.25%<C<0.55%;高碳鋼0.56%<C<2.11%3鑄鐵（CastIron）C>2.11%

根據鑄鐵中石墨結晶狀態不同鑄鐵可分爲三類：

a灰口鑄鐵：鑄鐵組織中的石墨狀態呈片狀結晶，機械性能不高，應用最爲廣泛。

b可鍛鑄鐵：鑄鐵組織中的石墨狀態呈團絮狀，其機械性能（特別是衝擊韌性）較前者爲好，只用來製造重要的小型鑄件。

c球墨鑄鐵：鑄鐵組織中的石墨狀態呈球狀，不僅機械性能較高而且可通過熱處理進一步顯著提高強度，一定條件下可代替鋼.B合金鋼爲提高鋼的機械性能、工藝性能或化學和物理特性，在冶煉時特意往鋼中加入一些合金元素，這種鋼就稱爲合金鋼。

1低合金鋼（特殊合金元素少於5%）

2中合金鋼

(特殊合金元素占5%~10%)3高合金鋼（特殊合金元素大於10%）

3.1不銹鋼:在空氣中或化學腐蝕介質中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼;最常用的不銹鋼是鉻不鏽鋼(Ｃr13型,Cr17型)和鉻鎳不銹鋼(18-8型),其中Cr13型屬馬氏體型鋼,由於經鍛造空冷後組織中出現馬氏體,因此硬度較高,常用來製造食具,刀具或外科刃具.Cr17型屬鐵素體型鋼,不能淬火強化但耐蝕性和塑性都比Cr13型好,固常用來作硝酸工廠設備;而18-8型屬奧氏體型鋼,由於含碳量都很低,無磁性,塑性,韌性及耐腐蝕性都比Cr13

型好,適合冷作成型,常用來作炊具和需深拉伸的器皿.3.2影響不銹鋼耐腐蝕性能的元素鉻在不銹鋼中取起決定性作用,(不銹鋼中至少要含12%的鉻)主要是因爲鋼中加入鉻之後會使鐵基固溶體的電極電位提高(抗電化學腐蝕);鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化(耐氧化).碳在不銹鋼作用是雙重的,一方面鋼的性能很大程度上決定於碳的含量和分佈形式;另一方面碳與鉻具有很大的親和力,與鉻形成複雜的碳化物從而削弱其耐蝕性能.

鎳是優良的耐腐蝕材料,但須與鉻配合才能發揮.3.3國際不銹鋼標示方法

美國鋼鐵學會是用三位元數位來標示各種標準級的可鍛不銹鋼的。其中：

a奧氏體型不銹鋼用200和300系列的數位標示,例如，某些較普通的奧氏體不銹鋼是以201、

304、

316以及310爲標記.

b鐵素體和馬氏體型不銹鋼用400系列的數位表示。

c鐵素體不銹鋼是以430和446爲標記，馬氏體不銹鋼

是以

410、420以及440C爲標記，雙相（奧氏體－鐵素體），

d不銹鋼、沈澱硬化不銹鋼以及含鐵量低於50%的高合金通常是採用專利名稱或商標命名。C有色金屬及其合金鋁及其合金

a工業純鋁：具有質輕，導熱和導電性好，塑性好，耐大氣腐蝕，強度很低；主要用於製造電線、電纜以及要求具有導熱和耐大氣腐蝕性能而對強度要求不高的一些用品和器皿。

b鑄造鋁合金：如

鋁矽合金、鋁銅鑄造合金、鋁鎂鑄造合金、鋁鋅鑄造合金。

c形變鋁合金：如

硬鋁（Al-Cu-Mg）、鍛鋁（Al-Mg-Si-Cu）2.銅及其合金

a工業純銅（紫銅）:具有導熱和導電性好、塑性好、另外它還是逆磁性物質，因之用銅製作的各種儀器和機件不受外來磁場的干擾。b黃銅：含鋅量低於50%、以鋅爲唯一的或主要的合金元素的銅合金。

c青銅：含錫的銅合金稱爲青銅。

基本的成型方法

1.切削加工主要有車床,銑床,刨床,鑽床,磨床,鋸床,衝床,火焰切割,線切割,鐳射切割加工等方式.

一般而言,曲面成型用車床加工;平面切削,制較大的孔用銑床加工;直槽或平面切削用刨床加工;制小孔用鑽床加工;表面的精加工用磨床加工;材料的截斷用鋸床加工;薄板材制孔,切除邊角用衝床加工.2.非切削加工主要有鍛壓,衝壓,滾軋,拉伸,擠壓,彎曲等手段.

一般工件的胚材成型用鍛壓(熱鍛,冷鍛),擠壓加工;容器,淺盤類和食具類的産品通過衝壓和拉伸的方式加工.3.冶金成型鑄造:是指將金屬加熱至液態,注入一定形狀的模具容器,凝固成型之後,獲得所需外形的工藝.粉末冶金:是指不用熔煉和鑄造,而用壓制,燒結金屬粉末來製造金屬零件的工藝.

一般金屬産品的加工製成可能爲:原材料-(或)加熱(煤炭,燃油,電能)-成型(鍛造,壓制,擠形)

噴砂

調質

粗磨去毛邊

車削,銑削,刨削

鑽孔

攻牙

絞孔

熱處理

細成型(研磨,火化加工,線切割)表面披覆(電鍍,噴漆,染黑)四、機械常識１.材料的機械特性:包括拉力強度,壓力強度,扭力強度,彈性模數,

及硬度.一般材料的剪力強度約爲拉力強度的50%;扭力強度約爲拉力強度的75%;鑄鐵的壓力強度約爲拉力強度的三至四倍.

２.材料的加工性能:包括鑄造性能,壓力加工性能,焊接性能,

熱處理性能,切削性能等.

材料的鑄造性能主要決定于液態時的流動性和凝固時的收縮率.

鐵碳合金的焊接性能主要取決於其含碳量,含碳量越高可焊接性越差.

壓力加工性能:主要取決於材料的塑性(延展性),塑性越好冷加工性能越好;由於材料在高溫下具有更好的塑性,所以壓力加工常常採用熱加工.

切削性能:一般而言中等硬度的材料切削性能最好,硬度愈低越易切削,但在高速切削時會在刀尖處形成球瘤妨礙切削效果;

硬度過高又不易獲得光潔的表面.3.幾個機械概念:

腐蝕:一般有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種;化學腐蝕是不發生電

化學反應的(即在化學反應過程中無電流産生),鋼在高溫

下氧化屬於典型的化學腐蝕;而電化學腐蝕是發生電化學

反應的(即在化學反應過程中有電流産生),鋼在室溫時氧

化(生銹)主要屬於電化學腐蝕.

磁性:磁性的本質是電磁,對每個原子而言,電子繞原子核高速

震動産生電磁場,即每一個原子都相當於一個小磁鐵(磁疇

),當這些小磁鐵在材料的組織結構中的排列表現出一定的

方向性時,材料整體就具有了磁性.若材料本身不帶磁性,

但在強磁場的作用下磁疇的排列表現出方向性,從而使其

具有磁性的過程叫磁化.根據材料被磁化的難易程度將材料分爲強磁性物質和弱磁性物質.材料很難被磁化就不會

被磁鐵所吸引.(奧氏體鋼就是無磁性鋼)由於磁性的電磁

本質,所以磁性物質在加熱或劇烈震動時磁性都會減弱,因

爲在這兩種情況下原子都會因吸收能量而震動加劇從而使

其運動雜亂無章磁性減弱.

鐵碳合金隨溫度的升高磁化強度首先是慢慢減弱,,到約

790Cº時幾乎爲零,通常鐵在800Cº以下式是強磁體,但在此溫度以上就會失去磁性.冷作硬化:所謂冷作硬化是指金屬表面或整體在外力的作用下發生塑性變形,導致表面或整體晶格發生畸變産生內應力,從而使表面或整體塑性降低,硬度和強度增加的物理現象.一方面冷作硬化可以作爲物理強化方法,如珠擊(噴丸),滾壓等;另一方面也會使零件的進一步加工變困難;所以實際中

一般通過回火或時效以消除內應力.應力集中:只有極少數零件的破壞是由突然加上單一重載荷所引起的,絕大部分的情況,破裂是由強反復或疲勞負荷所引起的;而零件如果形狀的突然改變就會産生應力集中點從而極大削弱零件的整體強度,導致斷裂在應力集中點處發生;這種由零件形狀的突然改變所引起的應力分佈的不規則性,稱之爲應力集中(內圓角,孔,缺口,鍵槽;工具記號’意外刮傷;

裂縫等都是易應力集中處).

4.硬度知識定義：對金屬而言,硬度是指金屬抵抗塑性變形的能力。各種材料的基本硬度值爲莫氏硬度規格,其數值由１至10;鑽石爲10.A.含碳量與機械強度的關係一般而言,當鋼的含碳量<=１.０%時,隨這鋼中的含碳量增加,鋼的硬度和強度不斷增加,而塑性和韌性卻不斷降低;當鋼的含碳量>１.０%時,鋼的強度下降,然而硬度還是不斷增加.隨硬度的增大而提高,但當硬度達到某一臨界值時材料的機械性能反而會下降.但材料的耐磨性與硬度成正比.B.常用的改變材料硬度的方法

(1)可以通過熱處理改變材料的硬度;(2)可以通過冷作硬化提高材料的硬度;(3)可以向材料中加入少量合金元素來改變材料的硬度.C.硬度的測量

一般有三種類型的測試用於金屬工業，即布氏硬度測試，洛氏硬度測試，維氏硬度測試。(1)布氏硬度測試用10.00mm的硬化鋼球爲壓痕器,對於軟金屬使用壓力爲

500KGS,對於鑄造鋁使用壓力1500KGS,對於鋼鐵材料使用壓力3,000KGS;壓力通常保10-15秒鐘,用一種特備的顯微鏡測量壓痕直徑,準確都在0.05mm以內,由壓痕直徑在硬度對照表查出布氏硬度值.(2)洛氏硬度測試一般對淬火鋼等的硬質合金材料所用壓痕器是鑽石頂角爲

120º,半徑0.2mm的金剛石圓錐體,(壓力150KG/330LBS),標度爲”

Ｃ”(HRC);對於薄的和空心的工件使用壓力60KG/132LBS,標度爲”Ａ”(HRC).對退火鋼和其他軟質材料或非金屬,所用壓痕器是直徑1/16”的硬鋼球,所加荷重爲100KGS(220LBS),標度爲”

Ｂ”(HRB).(3)維氏硬度測試

把對面角136º的鑽石錐尖(四棱錐),在1KG至120KG壓力(所用壓力視試品之硬度及厚度而定)下壓入試驗片的表面,使試驗片發生方錐形壓痕,這時所加的荷重除以壓痕的方錐形表面積,

所得之商乘以1.854,該值叫做維氏硬度.HV=1.854X(F/D2)F----所加負重單位爲KGFD2----爲壓痕的表面積

5材料的鑒別重量---同等情況下鋁,鎂及其合金最輕.氧化層的狀況---低碳鋼(粗糙);高碳鋼(細緻)生銹---鋼及鐵生紅繡,銅生綠繡.硬度---碳鋼同等條件下硬度越高含碳量越高.磁性---碳鋼均會被磁鐵吸引.但高錳鋼(奧氏體鋼)無磁性,18-8

型不銹鋼(奧氏體鋼)無磁性.鍍層---光亮銀白色爲鍍鉻,顔色略發黃爲鍍鎳,黃色或略紅爲鍍銅,亮金色爲鍍鈦,如零件爲鐵件且表面鍍層爲普通白色或爲泛淡藍色,七彩色一般爲鍍鋅.

A普通熱處理

1.退火和正火都是將鋼件加熱到一定的溫度(,保持一段時間,然後冷卻的過程.正火與退火的明顯區別是正火冷卻速度稍快.

退火正火的目的:(１)軟化鋼件便於切削加工;(２)消除殘餘應力,以防止鋼件的變形,開裂;(３)細化晶粒,改善組織以提高鋼的機械性能;(４)

爲最終熱處理(淬火回火)做好組織上的準備.2.淬火

淬火是把鋼加熱到適當溫度,保溫後快速冷卻的一種操作.

淬火的目的一般都是爲了獲得馬氏體,提高鋼的機械性能(硬度和耐磨性).六、中國鋼號表示方法的分類說明

1．碳素結構鋼

(1)由Q+數位+質量等級符號+脫氧方法符號組成。它的鋼號冠以

“Q”，代表鋼材的屈服點，後面的數位表示屈服點數值，單位是MPa例如Q235表示屈服點（σs）爲235MPa的碳素結構鋼。

(2)必要時鋼號後面可標出表示質量等級和脫氧方法的符號。質量等級符號分別爲A、B、C、D。脫氧方法符號：F表示沸騰鋼；b表示半鎮靜鋼：Z表示鎮靜鋼；TZ表示特殊鎮靜鋼，鎮靜鋼可不標符號，即Z和TZ都可不標。例如Q235-AF表示A級沸騰鋼。

(3)專門用途的碳素鋼，例如橋梁鋼、船用鋼等，基本上採用碳素結構鋼的表示方法，但在鋼號最後附加表示用途的字母。

2．優質碳素結構鋼

(1)鋼號開頭的兩位元數位表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量爲0.45%的鋼，鋼號爲“45”，它不是順序號，所以不能讀成45號鋼。

(2)錳含量較高的優質碳素結構鋼，應將錳元素標出，例如50Mn。

(3)沸騰鋼、半鎮靜鋼及專門用途的優質碳素結構鋼應在鋼號最後特別標出，例如平均碳含量爲0.1%的半鎮靜鋼，其鋼號爲

10b3．碳素工具鋼

(1)鋼號冠以“T”，以免與其他鋼類相混。

(2)鋼號中的數位表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。例如“T8”表示平均碳含量爲0.8%。(3)錳含量較高者，在鋼號最後標出“Mn”，例如“T8Mn”。(4)高級優質碳素工具鋼的磷、硫含量，比一般優質碳素工具鋼低，在鋼號最後加注字母“A”，以示區別，例如“T8MnA”。4．易切削鋼(1)鋼號冠以“Y”，以區別於優質碳素結構鋼。

(2)字母“Y”後的數位表示碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示

例如平均碳含量爲0.3%的易切削鋼，其鋼號爲“Y30”。(3)錳含量較高者，亦在鋼號後標出“Mn”，例如“Y40Mn”。

5．合金結構鋼

(1)鋼號開頭的兩位元數位表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，如40Cr。(2)鋼中主要合金元素，除個別微合金元素外，一般以百分之幾表示。當平均合金含量<1.5%時，鋼號中一般只標出元素符號，而不標明含量，但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號後亦可標以數字“1”，例如鋼號“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者鉻含量爲0.4-0.6%，後者爲0.9-1.2%，其餘成分全部相同。當合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……時，在元素符號後面應標明含量，可相應表示爲2、3、4……等。例如

18Cr2Ni4WA。

(3)鋼中的釩V、鈦Ti、鋁AL、硼B、稀土RE等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應在鋼號中標出。例如20MnVB

鋼中。釩爲0.07-0.12%，硼爲0.001-0.005%。(4)高級優質鋼應在鋼號最後加“A”，以區別於一般優質鋼。

(5)專門用途的合金結構鋼，鋼號冠以（或尾碼）代表該鋼種用途的符號。例如，鉚螺專用的30CrMnSi鋼，鋼號表示爲

ML30CrMnSi。6．低合金高強度鋼(1)鋼號的表示方法，基本上和合金結構鋼相同。(2)對專業用低合金高強度鋼，應在鋼號最後標明。例如16Mn鋼，用於橋梁的專用鋼種爲“16Mnq”，汽車大梁的專用鋼種爲“16MnL”，壓力容器的專用鋼種爲“16MnR”。7．彈簧鋼

彈簧鋼按化學成分可分爲碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類，其鋼號表示方法，前者基本上與優質碳素結構鋼相同，後者基本上與合金結構鋼相同。

8．滾動軸承鋼

(1)鋼號冠以字母“G”，表示滾動軸承鋼類。(2)高碳鉻軸承鋼鋼號的碳含量不標出，鉻含量以千分之幾表示。例如GCr15。滲碳軸承鋼的鋼號表示方法，基本上和合金結構鋼相同。

9．合金工具鋼和高速工具鋼

(1)合金工具鋼鋼號的平均碳含量≥1.0%時，不標出碳含量；當平均碳含量＜1.0%時，以千分之幾表示。例如Cr12、CrWMn、

9SiCr、3Cr2W8V。(2)鋼中合金元素含量的表示方法，基本上與合金結構鋼相同。但對鉻含量較低的合金工具鋼鋼號，其鉻含量以千分之幾表示，並在表示含量的數位前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之幾表示的方法區別開來。例如Cr06。

(3)高速工具鋼的鋼號一般不標出碳含量，只標出各種合金元素平均含量的百分之幾。例如鎢系高速鋼的鋼號表示爲“W18Cr4V”。鋼號冠以字母“C”者，表示其碳含量高於未冠“C”的通用鋼號。

10．不銹鋼和耐熱鋼

(1)鋼號中碳含量以千分之幾表示。例如“2Cr13”鋼的平均碳含量爲0.2%；若鋼中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,鋼號前分別冠以

“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。

(2)對鋼中主要合金元素以百分之幾表示，而鈦、鈮、鋯、氮……

等則按上述合金結構鋼對微合金元素的表示方法標出。11．焊條鋼它的鋼號前冠以字母“H”，以區別於其他鋼類。例如不銹鋼焊絲爲“H2Cr13”，可以區別於不銹鋼“2Cr13”。12．電工用矽鋼(1)鋼號由字母和數位組成。鋼號頭部字母DR表示電工用熱軋矽鋼，DW表示電工用冷軋無取向矽鋼，DQ表示電工用冷軋取向矽鋼。(2)字母之後的數位表示鐵損值（W/kg）的100倍。

(3)鋼號尾部加字母“G”者，表示在高頻率下檢驗的；未加“G”者，表示在頻率爲50周波下檢驗的。

例如鋼號DW470表示電工用冷軋無取向矽鋼産品在50赫頻率時的最大單位重量鐵損值爲4.7W/kg。

13．電工用純鐵

(1)它的牌號由字母“DT”和數位組成，“DT”表示電工用純鐵，數位表示不同牌號的順序號，例如DT3。

(2)在數位後面所加的字母表示電磁性能：A——高級、E——特級、C——超級，例如DT8A。

附錄:

美國對鋼的編號方法:10xx---碳素鋼(如1035平均含碳量0.35%)11xx---易切碳素鋼(再硫化)12xx---再硫化,再鄰化鋼13xx