金属材料基本知识

金属材料基本知识一、基础术语：1.1、黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属。如钢、铸铁等。纯

铁：纯度很高的铁，化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量<0.05%。纯铁是很软的，一般不应用到实际中。铸铁：含碳量2％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。钢：以铁为基础，以碳和其他元素为添加元素的合金。如碳钢、低合金钢、合金钢、不锈钢等。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、铝、锡、铅、锌等。二、金属材料机械性能基础术语2.1屈服点（σs）：试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，此时应力不增加或开始有所下降，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。2.2屈服强度（σ0.2）

有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。2.3抗拉强度（σb）

材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。2.4抗压强度（σlc）材料试样受压力时，在压坏前所承受的最大应力。2.5抗弯强度（σcb）材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。2.6伸长率（δs）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。2.7屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。2.8硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。2.9冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的，摆锤冲断带有缺口的试样所消耗的功称为冲击吸收功（通常以KJ表示），冲击韧性=冲击吸收功/试样断口截面积。在低温条件下做的试验称为低温冲击韧性。对于压力管道、压力容器、低温产品的制造安装来讲，（低温）冲击韧性值是衡量材料是否符合要求的非常重要质量指标，相关标准规范都有明确的要求。一般而言，冲击韧性值越高越好。三、钢材的基础知识3.1钢的分类3.1.1按品质进行分类①普通钢：P≤0.045%

S≤0.050%（如普通碳素结构钢Q195、Q235等）②优质钢：P≤0.035%

S≤0.035%（如优质碳素结构钢20号、45号钢等）③高级优质钢：P≤0.035%

S≤0.030%（比优质钢更优质，一般在钢号后加A以示区别，较多应用于焊材方面，如H08A等）3.1.2按化学成份进行分类1）碳素钢：①低碳钢：C≤0.25%②中碳钢：C≤0.25~0.60%③高碳钢：C≥0.60%2）合金钢：①低合金钢（合金元素总含量≤5%）；如Q345、16MnR②中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；③高合金钢（合金元素总含量＞10%）。如12GrMoV3）不锈钢根据不锈钢中化学成分和金相组织的不同，可分为：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢以及奥氏体-铁素体双相不锈钢。一般工业生产中最常用的是奥氏体不锈钢。3.2钢材产品牌号的表示办法3.2.1碳素结构钢：表示方法：Q+数字+（质量等级符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途的符号）①钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点；②“Q”后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa。例如Q235表示屈服点（σs）为235MPa的碳素结构钢；③必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。专门用途的碳素钢：例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。3.2.2优质碳素结构钢表示方法：数字+（元素符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途的符号）①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.20%的钢，钢号为“20”，它不是顺序号，所以不能读成20号钢。②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。3.2.3合金钢表示方法：（专门用途符号）+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+（质量等级符号）+（专门用途符号）①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中：钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。④高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。3.2.4低合金高强度钢表示方法：（专门用途符号）+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+（质量等级符号）+（专门用途符号）①钢号的表示方法，基本上和合金结构钢相同。②对专业用低合金高强度钢，应在钢号最后标明。例如16Mn钢，用于桥梁的专用钢种为“16MnQ”，锅炉专用钢种为“16Mng”，压力容器的专用钢种为“16MnR”。3.2.5不锈钢①钢号中碳含量以千分之几表示。例如“1Cr18Ni9Ti”钢的平均碳含量为0.12%，若钢中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。②对钢中主要合金元素以百分之几表示，而钛、铌、锆、氮……等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。3.2.6焊条钢它的钢号前冠以字母“H”，以区别于其他钢类。例如不锈钢焊丝为“H0Cr21Ni10”，可以区别于不锈钢“0Cr21Ni10”。3.3各种化学成分对钢材性能的影响3.3.1常存杂质元素对钢材性能的影响钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

1）硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。2）磷磷是由矿石带入钢中的，磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。3）硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。4）氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。5）氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。6）氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，压力容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。3.3.2为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。1）硅①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低；②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；③耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。2）锰①锰能提高钢的淬透性。②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点：①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：③当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。3）铬在钢中的作用①铬可提高钢的强度和硬度。②铬可提高钢的高温机械性能。③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性④阻止石墨化⑤提高淬透性。缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。4）镍在钢中的作用①可提高钢的强度而不显著降低其韧性；②镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；③改善钢的加工性和可焊性；④镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5）钼在钢中的作用①钼对铁素体有固溶强化作用。②提高钢热强性③抗氢侵蚀的作用。④提高钢的淬透性。

缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。6）钨在钢中的作用①提高强度②提高钢的高温强度。③提高钢的抗氢性能。④是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。7）钒在钢中的作用①热强性。②钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。8）钛在钢中的作用①钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9）铌在钢中的作用①铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。②有极好的抗氢性能。③铌能提高钢的热强性10）硼在钢中的作用；①提高钢的淬透性。②提高钢的高温强度。强化晶界的作用。11）铝在钢中的作用①用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；②提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。③此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。缺点：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。4.有色金属实用知识简介4.1有色金属分类及产品牌号表示方法4.1.1有色金属的分类1）有色纯金属分为重金属、轻金属、贵金属、半金属和稀有金属五类2）有色合金按合金系统分：重有色金属合金、轻有色金属合金、贵金属合金、稀有金属合金等；按合金用途则可分：变形（压力加工用合金）、铸造合金、轴承合金、印刷合金、硬质合金、焊料、中间合金、金属粉未等。3）有色材按化学成份分类：铜和铜合金材、铝和铝合金材、铅和铅合金材、镍和镍合金材、钛和钛合金材。4.1.2产品牌号的表示办法命名原则：有色金属及合金产品牌号的命名，规定以汉语拼音字母或国际元素符号作为主题词代号，表示其所属大类，如用L或AL表示铝，T或Cu表示铜。主题词以后，用成份数字顺序结合产品类别来表示。即主题词之后的代号可以表示产品的状态、特征或主要成份，如LF为防（F）锈的铝（L）合金；LD为锻（D）造用的铝（L）合金；LY为硬（Y）的铝（L）合金，这三种合金的主题词是铝合金（L）。又如QSn为青（Q）铜中主要的添加元素为锡（Sn）的一类；QAL9-4为青（Q）铜中含有铝（AL），成分中添加元素铝为9%，其他添加元素为4%，这两种合金的主题词是青铜（Q）。因此，产品代号是由标准（GB340-78）规定的主题词汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法来表示。4.2铜及铜合金4.2.1纯铜纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后呈紫色，故工业纯铜常称紫铜或电解铜。密度为8-9g/cm3，熔点1083°C。纯铜导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；导热性好，常用来制造热交换设备，如冰箱的散热器、工业上的散热盘管等；塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。4.2.2铜合金1）黄铜黄铜是铜与锌的合金。最简单的黄铜是铜——锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含锌量不超过4