金属材料基础知识

金属材料及处理工艺基础知识一、金属材料分类：金属材料的分类有多种方式，有按照密度分的，价格分的…常用的是分类是把金属材料分成黑色金属和有色金属两大类。.黑色金属：通常指铁，镒、铭及它们的合金。常用的黑色材料为钢铁。其又分为三类：纯铁，钢，铸铁。纯铁：其主要由Fe组成的，含C量在0.0218%以下，工业中很少用；钢：含C量在0.021822.3%之间的铁碳合金（不加其他元素的称碳素钢，加入其他合金元素的称合金钢）。其又可以按照成分分类（碳素钢，合金钢），用途分类（轴承钢，不锈钢，工具钢，模具钢，弹簧钢，渗碳用钢，耐磨钢，耐热钢…），品质分类（普通钢，优质钢，高级优质钢），成形方式分类（锻钢，铸钢，热轧钢，冷拉钢），形式分类（板材;棒材，管材，异形钢等）等等。铸铁：含C量在2.3%-6.69%之间的铁碳合金成为铸铁。按石墨的形态其又可以分为灰铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁等，石墨的不同形态和基体的配合而具有不同的性能。.有色金属：又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝、银镒以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。二、金属材料的使用性能及指标金属材料常用的性能指标有力学性能和物理性能。.力学性能：金属材料在外力作用下表现出来的各种特性，如弹性、塑性、韧性、强度、硬度等。强度：金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。屈服强度、抗拉强度是极为重要的强度指标，是金属材料选用的重要依据。强度的大小用应力来表示,即用单位面积所能承受的载荷（外力）来表示，常用单位为MPa。屈服强度：金属试样在拉力试验过程中，载荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象，称为“屈服”。产生屈服现象时的应力，即开始产生塑性变形时的应力，称为屈服点，用符号os表示，单位为MPa。一般的，材料达到屈服强度，就开始伴随着永久的塑性变形，因此其是非常重要的指标。抗拉强度：金属试样在拉力试验时，拉断前所能承受的最大应力，用符号ob表示，单位为MPa。塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形（去掉外力后不能恢复原状的变形），但不会被破坏的能力。弹性：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力（去掉外力后能恢复原状的变形）。伸长率：金属在拉力试验时，试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，称为伸长率。用符号8表示。伸长率反映了材料塑性的大小，伸长率越大，材料的塑性越大。韧性：金属材料抵抗冲击载荷的能力，称为韧性，通常用冲击吸收功或冲击韧性值来度量。冲击吸收功：试样在冲击载荷作用下，折断时所吸收的功。用符号Ak表示，单位为J。硬度：金属材料的硬度，一般是指材料表面局部区域抵抗变形或破裂的能力。根据试验方法和适用范围的不同，可分为布氏硬度和洛氏硬度等多种。布氏硬度用符号HB表示，洛氏硬度用符号HRA、HRB或HRC表示，维式用HV表示。一般硬的材料打洛氏硬度，软的材料（有色金属，退火的钢铁）打布氏硬度，很小的件打维式硬度（显微硬度）。以上指标中，最常用几个指标是强度（os,0b）,伸长率（6）,硬度。.物理性能：金属材料固有的属性，如密度，导电性等。三、金属材料的分类使用.钢板（钢带，钢卷）按照轧制方式分，汽车用钢板有两种，及热轧钢板和冷扎钢板两大类。国家有相关的标准，如GB3275中有《汽车制造用优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》，也有相应的冷轧钢板标准，但标准的内容相对较松；现在国内汽车厂使用的多数是钢厂的标准，如宝钢的冷轧标准Q/BQ403-2002。下面就其中的牌号和性能做一下简单的解释：冷轧钢板：a.普通冷轧板：宝钢现用的St系列（Stl2,Stl3,Stl4,Stl6等）和TL系列都是德国的牌号，其中Stl2,Stl3属于深冲级，Stl4,Stl6属于超深冲级，国内根据冲压的复杂程度又将超深冲级分为复杂（F）,很复杂（HF）,最复杂（ZF）和一般，如Stl4,Stl4F,Stl4HF,Stl4ZF,他们的强度都相同，只是冲压性能好些。此外，Stl4,Stl6还要05板，stl405,Stl605,05是指表面无缺陷，即钢板的标准平整，没有坑包等缺陷，与此对应的有03板，即表面状态差一些的。即BLC,BLD,BUSD,BUFD,BSUFD是来源于日本的牌号,与Stl2到Stl6基本对应。b.镀锌板/镀铝板:镀锌板的主要作用就是有一定的防腐性能，但由于表面的锌层，会给冲压和焊接带来一定的困难，有基体相当于Stl6的DC56D+Z（StO7Z）,相当于Stl2的DC54D+Z（StO6Z）,我们B11发动机罩内板目前使用的就是DC56D+Z钢板，主要的就是增加内板的防腐性能；镀铝板的主要作用是隔热，目前我们的百车身上还没有使用，在排气系统中有一些。c.高强度钢板（加磷钢）一般的，在金属材料中磷和硫属于有害元素（量较少时），但当磷的量达到一定的量（0.05%以上）时，磷的强化作用（置换强化）要超过其有害的作用。目前使用的加磷钢属于这个范畴，有B170P1,B210P1,B250P1Bl80P2等，其中B代表宝钢，170,210,250等代表其最小的屈服强度（MPa）,P代表加磷强化，P1中的1代表是超低碳（碳含量为双零一一小数点后两个零），P2中的2代表是低碳（碳含量为单零）。d.烘烤硬化钢（BH钢）BH钢是为提高钢板的抗凹性、抗划痕性和表面质量而开发的高强度钢板。即材料经过涂装烘烤后（170度左右），屈服强度会增加30—50MPa,其机理是高温C、N原子扩散速度加快，而在位错聚集而强化材料，烘烤前后的屈服强度的增量即为BH值。由于烘烤硬化钢的特殊性能，常将其用于表面覆盖件，如门外板，顶盖等。e.其它新型高强度钢板近年，随着新技术的应用和开发，还出现了双相钢，多相钢，诱导塑性相变钢等成型性能好，强度高的钢板，目前在我们车上有少量使用，这里就不赘述了。.结构材料机构材料，主要是承担较高的载荷，根据其使用地点和要求，有很多种，下面就简单的介绍几种。a.不锈钢顾名思义，不锈钢的主要特定是能抵抗外界的腐蚀，如抗酸蚀，碱蚀等，主要是通过加入Cr,Ni等合金元素而起作用的。其按照基体又可分为奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢，马氏体不锈钢等。常见的牌号有奥氏体型：lCrl7Mn6Nil5N,lCrl8Mn8Ni5N,!Crl8Ni9,1Crl8Ni9Si3,0Crl8Ni9；铁素体型：0Crl3Al,lCrl5；马氏体型：lCrl2,4Crl3等。b.弹簧钢弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类，其钢号表示方法，前者基本上与优质碳素结构钢相同，后者基本上与合金结构钢相同。其基本功能是通过弹性变形的产生和恢复，把机械能转变为形变能，以及反过来把形变能转化为动能和机械能。其一般含C量为0.55%-0.7%,钢种有Si-Mn,Cr-Mn等等多种，典型的有65Mn。c.渗碳钢渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳或低碳合金钢。主要是通过不同的渗碳工艺提高钢材的表面碳含量而使材料的表面具有较高的硬度而心部仍具有好的塑性，这样材料的综合性能有较大的提高，即表面硬，耐磨耐接触疲劳，而心部软，耐冲击载荷。渗碳钢常用于齿轮，轴等件。d.调质钢：调质钢为含碳量在0.30%-0.60%的中碳钢，经过调质处理（淬火+高温回火）后得到一定的强度和足够的韧度，能够满足汽车的使用要求。主要用在汽车的一些轴，，转向臂，传动系统的花键，中间轴等。四、金属材料的热处理方式金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类，热处理工艺有四种，即常说的热处理四把火：退火，正火，淬（读音为zhan）和回火，见下图：热处理普通热处理退火

正火

淬火

回火火焰加热淬火表面淬火热处理普通热处理退火

正火

淬火

回火火焰加热淬火表面淬火表面热处理化学热处理感应加热泞火表面热处理化学热处理渗碳氨化碳如共渗及其他表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙快或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。经过高频淬火的材料表面具有硬度高的组织而耐磨，有高的接触疲劳强度，而心部组织未变；化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质（气体、液体、固体）中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铝等元素。渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。其主要的参数是加热的温度，保温时间，冷却的速度和方式。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。因为材料的分子（原子）结构决定了材料的显微组织，而显微组织又能决定材料的性能，热处理正是通过改变材料的显微组织而获得必要的性能。选择何种热处理工艺（方式）是根据处理材料的状态，需要的性能而定的。退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这