金属材料的基本知识及性能

材料与工艺第二章金属材料PAGEPAGE20金属材料2.1、金属材料的基本知识金属材料的主要性能材料的性能直接影响到（材料加工成）产品的质量、寿命和加工成本，它是产品设计时选材与拟定加工工艺方案的重要依据。金属的性能分：使用性能（机械性能、物理和化学性能等）、加工工艺性能（铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等）。金属材料的机械性能金属材料的机械性能时指：金属材料在外力作用下表现出来的变形和抗变形特性，是材料抵抗外力作用的性能。故又称力学性能。它是金属材料的主要性能指标，是评价材料质量的重要参数，也是选用材料的主要依据。1）、静载荷下金属材料的机械性能：在缓慢加载条件下测得的金属材料抗变形和抗断裂的能力，称为金属材料的静力强度。有：拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、扭曲强度。通常以拉伸强度为最基本的强度值。退火低碳钢的拉伸图弹性：拉伸曲线上OE段是一条直线，表明变形与拉力成正比，试样受力产生变形，在外力去除后迅速恢复原来的形状和尺寸。退火低碳钢的拉伸图为材料的弹性极限，单位为Mpa；为材料的弹性极限载荷，单位为N；Fo为试样的原始横截面面积，单位为mm2。刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。E为弹性模量，相当于直线OE的斜率，单位为Mpa，为应力，为单位长度的变形量。E越大，表示材料的刚度越好，材料抵抗变形的能力越大，在一定的范围内材料的弹性变形就越小。塑性：金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。塑性变形是指材料在受力超过弹性极限直到断裂前所产生的变形，是不能完全恢复到原始尺寸的变形。分析拉伸图的ES段曲线，屈服现象。强度：在外力作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力。工程上最常用的是：屈服强度和抗拉强度。屈服强度：为屈服极限，单位为Mpa，Ps为屈服载荷，Fo为原始断面面积。抗拉强度：为抗拉强度，单位为Mpa，Pb为最大载荷，Fo为原始断面面积。硬度：是金属材料抵抗外物压入的能力，也是材料抵抗局部变形的能力，是衡量材料软硬的性能指标。有三种测量方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度（略）。2）、动载荷下金属材料的机械性能：一般来说，随着载荷速度的增加，材料的塑性下降，脆性增大，因此，通常不能简单地用静态载荷的机械性能指标来衡量材料。在工程上，冲击载荷是一类重要的动载荷形式，常用冲击韧性或冲击强度作为评价材料抵抗冲击载荷能力的指标。3）、交变载荷下金属材料的机械性能：常用疲劳强度来表示材料在交变载荷下的性能指标。疲劳强度：材料或构件在无数次重复交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。国家规定：钢材经受106~107次，有色金属经受107~108次循环而不发生疲劳断裂的最大应力，即为该材料的疲劳强度。2、金属材料的物理和化学性能1）、物理性能：比重、导热性、导电性、热膨胀性和磁性（铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料）等。2）、化学性能：抵抗腐蚀和抗氧化性。3、金属材料的工艺性能工艺性能：材料适应各种加工和工艺处理要求的能力。加工工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能。如铸造性能包含：液体的流动性、冷却时的收缩、结晶时的偏析等。金属及合金的结构与结晶金属材料是金属及其合金的总称。各种金属材料的性能于其内部组织结构的特征有着直接的内在联系。金属的结构和合金1）、金属的晶体结构体心立方晶格：（铬、钼、钨、钒等）面心立方晶格：（铝、铜、镍、铅）质地软、延展性好、塑性好密排六方晶格：（铍、镁、锌、镉）2）、结晶的过程结晶：金属及其合金从液态转变为固体状态并形成结晶结构的过程。结晶的过程：晶核长大晶粒的粗细影响到金属材料的各种性能，晶粒越细，则金属的强度越高，综合性能越好。3）、金属的同素异构转变：因温度的变化出现晶体结构的转变。（体心、面心、密排）合金的结构合金的概念：以一种金属为基础，加入一种或多种金属或非金属元素，经过熔合而组成的具有金属特性的材料。合金的结构：固溶体：合金由液态结晶为固态时，由于各组元之间相互溶解而形成的一种成分和性质均匀的新晶体。金属化合物：固液合金中，由于各组元之间相互作用而形成的一种具有特殊晶格和明显金属特征的物质。机械混合物：由纯金属、固溶体、金属化合物混合而成。铁碳合金的结构和状态图以铁为基础，由铁和碳两个组元组成的合金为铁碳合金。1）、铁碳合金的基本组织铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称为铁素体，又称α固溶体，体心立方晶格，于工业纯铁接近，因此很少单独作为工程材料使用，而是钢的基本相。奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体称为奥氏体，又称γ固溶体，面心立方晶格，稳定的奥氏体只存在于723度以上的高温合金中。含碳量高，具有一定的强度和硬度，塑性也很好，适合压力加工成型。渗碳体：是由铁和6.67%的碳形成的金属化合物，分子式为Fe3C。晶格复杂，硬而脆，是铁碳合金的重要强化相，是一个亚稳定化合物，在一定条件下可分解为铁素体和石墨。珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体组织致密，具有较高的强度、硬度和一定的塑性和韧性，是铁碳合金的重要组织。莱氏体：奥氏体和渗碳体的机械混合物。2）、铁碳合金状态图合金状态图又称为合金相图，是表示平衡状态下，合金相或组织的组成与温度、成分之间关系的图形。（分析和解释铁碳合金相图）钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下通过适当的加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需要性能的一种加工工艺方法。热处理工艺的主要过程就是：加热、保温和冷却，其中温度、保温时间、冷却速度是影响热处理效果的最主要因素。（简述热处理原理）常用热处理方法有：普通热处理加热、冷却过程示意图退火：是把钢加热到高于或低于临界温度，经保温、缓冷；从而得到接近于平衡状态组织的一种热处理工艺。作用：软化组织；降低硬度；消除冷热加工的残余应力；均匀组织；改善加工性能。完全退火：把钢加热到临界温度以上20~60度，经保温后随炉冷却至600度以下，再空冷。球化退火：把含碳量在0.77~2.11%的过共析钢加热到Ac1以上20~40度，经长时间保温，然后随炉缓慢冷却或快速冷却至Ar1以下20度左右，进行等温转变，使网状和片状渗碳体转变成球状。去应力退火：以缓慢速度将钢加热到A1以下，并保持一定时间，然后再缓慢冷却至室温。正火：也称常化或正常化。是把钢加热到Ac3以上50~100度，并适当保温后在空气中进行冷却的热处理工艺。淬火：将钢加热到Ac1或Ac3以上30~50度，保温后，根据钢的化学成分，选用油、水或盐水等介质，进行加速冷却，从而得到马氏体（碳在铁素体中的过饱和固溶体）组织的一种热处理工艺。回火：将淬火后的钢重新加热到低于A1的温度，保温后再冷却下来的一种热处理工艺。表面热处理：表面淬火：将工件表面有限深度范围加热到相变临界点以上，然后迅速冷却，使工件表面形成一定厚度淬硬层的一种热处理工艺。有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火表面化学热处理：将工件放入一定的介质中加热和保温，使介质分解出的某些元素的活性原子渗入到工件表层，从而改变表面层的化学成分和组织性能的热处理方法。有：渗碳、渗氮、碳氮共渗钢铁材料钢铁材料的生产1、钢铁的生产生铁的冶炼炼纲（转炉炼纲、平炉炼纲、电炉炼纲）轧钢冷扎：适用塑性好、尺寸小的线材、薄板热扎：适用扎制较大断面尺寸、塑性差或要求变形量大的材料2、钢材的品种和用途主要有：型材、板材、管材、线材四大类。型材：圆钢（圆钉、螺丝、钢丝、焊条等）、方钢、扁钢、角钢（等边和不等边）、六角和八角钢、工字钢、槽钢等。板材：厚钢板：厚度在4.5~60mm，宽度在600~3000mm，长度在1200~12000mm薄钢板：厚度在0.2~4mm，宽度在500~1500mm，长度在500~4000mm，通常有普通碳素钢薄板（也称黑铁皮）、普通低合金钢薄板、屋面薄板、镀锌薄板（也称白铁皮）、电工用纯铁薄板、深冲压用冷扎薄板、镀铅薄板、镀锡薄板（马口铁）、搪瓷用热扎薄板、不锈钢耐酸薄板等钢带：热扎厚度在2~6mm，宽度在20~300mm，长度不小于4~6mm；冷扎厚度在0.05~3.00mm，宽度在5~200mm。钢管：无逢钢管：常为圆形，也有方形、矩形、半圆形、六角形、椭圆形等异形。焊逢钢管：有直逢和螺旋焊逢，是主要的钢管生产方式，成本低。钢丝：普通钢丝、电工用钢丝、纺织用钢丝、弹簧钢丝、钢绳钢丝等。碳钢含碳量在2.11%以下的铁碳合金，又称碳素钢。主要成分：铁、碳，含有少量的硫、磷、硅、锰。加工容易、价格低廉，用途广泛。常分为：低碳钢：碳含量在0.08~0.25%，塑性好，多用于焊接、冲压等。中碳钢：碳含量在0.25~0.60%，具有一定的强度和韧性，常用作结构零件。高碳钢：碳含量在0.60~1.40%，硬度高，多用作量具、工具和模具等。合金钢为了更好地改善钢的结构性能，在钢的冶炼过程中，加入某些合金元素，这类钢为合金钢。生产工艺复杂、成本高，具有特殊的使用用途。常有：合金结构钢、合金工具钢、特殊用途钢等。铸铁是指含碳量在2.5~4.0%之间的一种铁碳合金。铸铁的分类：灰口铸铁：石墨呈片状，强度低塑性差。HT15-33、HT20-40（抗拉、抗弯强度）球墨铸铁：石墨呈球状，有较高的强度和塑性。QT可锻铸铁：石墨呈团絮状，有一定的强韧性，实际上不可锻造，KT蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状，处于研究阶段。其它合金（加入合金元素）铸铁：耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。铝及铝合金铝及铝合金是工业中用量最大的有色金属材料，在自然界中分布极广，是地壳中储量最丰富的元素之一。一、纯铝纯铝是一种银白色的轻金属，比重小，导电性好，耐蚀性强；它为面心立方结构，因而塑性好，易冷热成型，便于切削加工，可以制成各种形状的型材。纯铝的铸造性能很差，收缩率大，易出现气孔、缩松、夹渣、裂缝等缺陷。纯铝按纯度分为高纯铝和工业纯铝，高纯铝的牌号为：L01~L04四种，编号越大纯度越高；工业纯铝分为：L1~L5五种，编号越大纯度越低。二、铝合金工业纯铝的硬度和强度都很低，通常使用的大都是铝合金，铝合金按其工艺特点分为：铸造铝合金和变形铝合金铸造铝合金铸造铝合金又称为生铝合金，目前常用的有：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn四个系列，其中以Al-Si合金为最常见。铸造铝合金的牌号用“ZL”来表示，例如：ZL101，第一位数字表示铝合金的类别，“1”表示Al-Si、“2”表示Al-Cu、“3”表示Al-Mg、“4”表示Al-Zn。铝硅合金：俗称硅铝明，低熔点，铸造性能好（流动性好、致密性较高、线收缩小、不宜产生铸造裂纹）、较低的比重、较高的耐蚀性，适宜铸造较大型的铸件，如：内燃机活塞、汽缸体、风扇叶、电机、仪表的外客等。铝铜合金：可通过热处理来提高其强度、铸造性能好，加入Ni、Mn等元素可提高其耐热性，具有很好的塑性。铝镁合金：具有良好的耐蚀性。（可用来制造在腐蚀介质中工作的铸造）铝锌合金：强度高，价格较低，常用来制造医疗器械、仪表零件、日常用品等。变形铝合金经热加工变形后，以锻坯、型材、板材等形式供应的铝合金。主要有：LF——防锈铝合金，又称防锈铝；LY——硬铝合金，简称硬铝；LC——超硬铝合金，简称超硬铝；LD——锻铝合金，简称锻铝。防锈铝合金：有铝锰和铝镁两类，常用牌号LF21、LF2、LF3、LF5、LF6、LF11等，其中LF21为铝锰合金，其余为铝镁合金。防锈铝合金具有：耐腐蚀性好，强度、硬度较高，良好的塑性和可焊性，能承受弯曲、冲压等变形工艺。可制作在腐蚀介质环境中工作的容器、壳体及管道等。硬铝合金：又称为杜拉铝，以铜、镁、锰为合金元素，既能承受加工变形，又能通过热处理得到强化，耐腐蚀性较差。超硬铝合金：耐热性和耐腐蚀性较差，常用包铝法来防护，是航空工业的重要结构材料。锻铝合金：具有良好的压力加工的性能，在常温下具有较高的强度。三、铝材铝及铝合金经过压力加工具有一定的形状及尺寸后，可供直接使用或再加工使用的半成品，称之为铝材。板材：分热扎板和冷扎板。管材：其规格用“外径*壁厚”表示；分薄壁管（拉制）和厚壁管（挤制）两类；薄壁管的外径为6~120mm，壁厚不大于5mm；厚壁管的外径为25~185mm，壁厚大于5mm。棒材：挤压制品，其规格用直径表示。型材：挤压制品，种类繁多，常以截面形状区分。线材：分为导线、焊条线和铆钉线三种。2.4其它金属材料铜及铜合金铜及铜合金是人类应用最早的一种有色金属，具有良好的导电性、导热性和抗大气腐蚀能力，又一定的机械性能和良好的加工工艺性能，色泽美观，又很好的装饰效果。纯铜：为玫瑰红色金属，表面氧化后呈姿紫色，所以常称紫铜。导电性极好，抗磁性好，导热性能良好，因此是电气工业和散热设备的主要材料。不