金屬材料講座.

1、金屬材料講座金屬材料講座MetalsMetals 第一講第一講基本知識(shí)與鋼基本知識(shí)與鋼產(chǎn)品產(chǎn)品-材料材料-工藝工藝 從材料學(xué)的角度看，材料的性從材料學(xué)的角度看，材料的性能取決于能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而材料的內(nèi)部，而材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又取決于結(jié)構(gòu)又取決于成分成分和和加工工藝加工工藝。所。所以，正確地選擇材料，確定合理的以，正確地選擇材料，確定合理的加工工藝，得到理想的組織，獲得加工工藝，得到理想的組織，獲得優(yōu)良的使用性能，是決定機(jī)械制造優(yōu)良的使用性能，是決定機(jī)械制造中產(chǎn)品性能的重要環(huán)節(jié)。中產(chǎn)品性能的重要環(huán)節(jié)。 石器時(shí)代石器時(shí)代 青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 xxxx時(shí)代時(shí)代 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單

2、復(fù)雜復(fù)雜 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 例如：例如： 碳鋼碳鋼 合金鋼合金鋼 碳鋼（超細(xì)晶粒）碳鋼（超細(xì)晶粒） 鑄態(tài)鑄態(tài) 正火態(tài)正火態(tài) 新鑄態(tài)新鑄態(tài) 球鐵球鐵 球鐵球鐵 球鐵球鐵 出于節(jié)能、降本和環(huán)保的考慮出于節(jié)能、降本和環(huán)保的考慮金屬材料的發(fā)展歷程金屬材料的發(fā)展歷程金屬材料的特點(diǎn)金屬材料的特點(diǎn)（CharacteristicCharacteristic）優(yōu)良的使用性能（如機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)優(yōu)良的使用性能（如機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等）性能等）優(yōu)良的加工工藝性能（如鑄造性能、鍛造性能、優(yōu)良的加工工藝性能（如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、機(jī)械加工性能、冷成形焊接性能、熱處理性能、機(jī)械加工性能、冷

3、成形性能等）性能等） 可通過不同成分配制，不同工藝方法來(lái)改變其內(nèi)可通過不同成分配制，不同工藝方法來(lái)改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善性能部組織結(jié)構(gòu)，從而改善性能可回收再利用可回收再利用可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展有些金屬，特別是黑色金屬，抗腐蝕性能差有些金屬，特別是黑色金屬，抗腐蝕性能差比強(qiáng)度較低比強(qiáng)度較低密度較大，不易輕量化密度較大，不易輕量化金屬材料的分類金屬材料的分類n黑色金屬（黑色金屬（Ferrous MetalsFerrous Metals）-鋼（碳素鋼、合金鋼、微合金鋼鋼（碳素鋼、合金鋼、微合金鋼）-鐵（灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵鐵（灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）n有色金屬（有色金屬（Nonfer

4、rous MetalsNonferrous Metals）-鋁合金鋁合金-銅合金銅合金-鋅合金鋅合金-鎂合金鎂合金 金屬材料的分類金屬材料的分類 金屬材料還可以其他方式分類，例如以金屬材料還可以其他方式分類，例如以化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、用途、金相組織化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、用途、金相組織分類，還可以形狀分類：分類，還可以形狀分類：-棒（棒（Bar)Bar)-板（帶）板（帶）( (PlatePlate，Strip)Strip)-管管( (Tube,Pipe)Tube,Pipe)-絲絲( (Wire)Wire) 金屬材料在轎車用材料中所占的比例金屬材料在轎車用材料中所占的比例鋼板52.7%其它鋼材17.

5、6%生鐵2.1%有色金屬8.0%非金屬19.7%MG車用金屬材料的種類車用金屬材料的種類372251112362229 30 309112931020406080100120140碳素鋼碳素鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼表面硬化鋼表面硬化鋼易切鋼易切鋼鋼板（帶）鋼板（帶）軸承鋼軸承鋼不銹鋼與耐熱鋼不銹鋼與耐熱鋼鋼絲鋼絲鋼管鋼管鋁合金鋁合金鑄鐵和鑄鋼鑄鐵和鑄鋼粉末冶金粉末冶金冷鐓鋼冷鐓鋼銅、鋅等有色金屬銅、鋅等有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)材料標(biāo)準(zhǔn)( (Material Standard)Material Standard)n材料標(biāo)準(zhǔn)又稱材料標(biāo)準(zhǔn)又稱“技術(shù)條件技術(shù)條件”( (SPECIFICATION)SPECIFI

6、CATION)- -范圍范圍 - -技術(shù)要求技術(shù)要求- -引用標(biāo)準(zhǔn)引用標(biāo)準(zhǔn) - -試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法- -訂貨內(nèi)容訂貨內(nèi)容 - -檢驗(yàn)規(guī)則檢驗(yàn)規(guī)則- -分類與代號(hào)分類與代號(hào)- -尺寸、外形、重量及允許偏差尺寸、外形、重量及允許偏差- -包裝、標(biāo)志和質(zhì)量證明書包裝、標(biāo)志和質(zhì)量證明書材料標(biāo)準(zhǔn)中材料標(biāo)準(zhǔn)中“檢驗(yàn)規(guī)則檢驗(yàn)規(guī)則”舉例舉例“冷鐓和冷擠壓用鋼冷鐓和冷擠壓用鋼” GB/T 6478-2001序號(hào)序號(hào)檢驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn)項(xiàng)目取樣數(shù)量取樣數(shù)量取樣方法取樣方法試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法1 1化學(xué)成分化學(xué)成分1 1按按GB/T 222GB/T 2232 2低倍組織低倍組織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冷頂鍛冷頂鍛3 3不同根鋼材不同根鋼材GB/T 2335 5脫碳層脫碳層2 2不同根鋼材不同根鋼材GB/T 2246 6末端淬透性末端淬透性1 1鋼材或鋼坯鋼材或鋼坯GB/T 2257 7非金屬夾雜非金屬夾雜2 2不同根鋼材不同根鋼材GB/T 105618 8洛氏硬度洛氏硬度3 3不同根鋼材不同根鋼材GB/T 2309 9表面質(zhì)量表面質(zhì)量逐根（盤）逐根（盤）目視檢查，必要時(shí)也可取樣目視檢查，必要時(shí)也可取樣去除氧化鐵皮檢查去除氧化鐵皮檢查1010尺寸尺寸逐根（盤）逐根（盤）用具有足夠精度的量具測(cè)量用具有足夠精度的量具測(cè)量

8、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) ( (Test Standard)Test Standard)n檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)又稱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)又稱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)- -范圍范圍 - -試樣試樣- -引用標(biāo)準(zhǔn)引用標(biāo)準(zhǔn) - -試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)確度試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)確度- -原理原理 - -試驗(yàn)要求試驗(yàn)要求- -定義定義 - -XXXX的測(cè)定的測(cè)定- -符號(hào)和說明符號(hào)和說明 - -試驗(yàn)結(jié)果處理試驗(yàn)結(jié)果處理- -試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告金屬材料的牌號(hào)金屬材料的牌號(hào)（DenominationDenomination） 金屬材料的牌號(hào)具有唯一性、嚴(yán)謹(jǐn)金屬材料的牌號(hào)具有唯一性、嚴(yán)謹(jǐn)性和明確性等特征。它由專門的標(biāo)準(zhǔn)制性和明確性等特征。它由專門的標(biāo)準(zhǔn)制定。各國(guó)有各自的

9、金屬材料牌號(hào)，各企定。各國(guó)有各自的金屬材料牌號(hào)，各企業(yè)亦有各自的金屬材料牌號(hào)。因此弄清業(yè)亦有各自的金屬材料牌號(hào)。因此弄清世界上各種金屬材料的牌號(hào)是一件頗為世界上各種金屬材料的牌號(hào)是一件頗為費(fèi)勁的事。中國(guó)金屬材料牌號(hào)最初吸取費(fèi)勁的事。中國(guó)金屬材料牌號(hào)最初吸取前蘇聯(lián)的牌號(hào)命名，后逐漸形成自己的前蘇聯(lián)的牌號(hào)命名，后逐漸形成自己的材料系統(tǒng)。材料系統(tǒng)。金屬材料主要力學(xué)性能指標(biāo)金屬材料主要力學(xué)性能指標(biāo)(Mechanical Properties)(Mechanical Properties) 維氏硬度HV抗拉強(qiáng)度Rm塑性斷后伸長(zhǎng)率A斷面收縮率Z彈性和剛度強(qiáng)度屈服強(qiáng)度Re材料力學(xué)性能指標(biāo)材料力學(xué)性能指標(biāo)韌性

10、沖擊韌性KCV斷裂韌性KIC疲勞強(qiáng)度硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR力學(xué)性能新舊符號(hào)對(duì)照力學(xué)性能新舊符號(hào)對(duì)照參數(shù)參數(shù)舊符號(hào)舊符號(hào)新符號(hào)新符號(hào)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b bR Rm m屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度S SR Re e斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率A A斷面收縮率斷面收縮率Z Z布氏硬度布氏硬度HBHBHBWHBW力與應(yīng)力單位對(duì)照力與應(yīng)力單位對(duì)照新公制新公制舊公制舊公制美制美制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)拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變圖應(yīng)變圖( (Stress-Strain)Stress-Strain)bbbs0.2(a)無(wú)塑性變形的材無(wú)塑性變形的材料（例如鑄鐵）料（例如鑄鐵）(b)有明顯屈服的延有明顯屈服的延性材料（例如軟鋼）性材料（例如軟鋼）(c)無(wú)明顯屈服的延性材無(wú)明顯屈服的延性材料（例如調(diào)質(zhì)鋼）料（例如調(diào)質(zhì)鋼）金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n彈性與剛性彈性與剛性-材料不產(chǎn)生永久殘

12、余變形的能力稱為彈材料不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性性-材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值其比值E=/E=/稱為彈性模量。稱為彈性模量。E E表示了表示了原子間結(jié)合力的程度，標(biāo)志著材料抵抗原子間結(jié)合力的程度，標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n切變模量：切變模量：G=/rG=/rn泊松比：泊松比：=/=/ : :縱向彈性變形，縱向彈性變形， ：橫向彈性變形：橫向彈性變形 E=2G(1+ )E=2G(1+ )n形變強(qiáng)化：形變強(qiáng)化：S STrueTrue=K=Kn

13、 n S Struetrue：真應(yīng)力真應(yīng)力 K K： 材料常數(shù)材料常數(shù) ： 真應(yīng)變真應(yīng)變 n n： 硬化指數(shù)硬化指數(shù)金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n強(qiáng)度強(qiáng)度 在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強(qiáng)度。能力稱為強(qiáng)度。-屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 外加載荷沒有增加，試樣的變形量自動(dòng)外加載荷沒有增加，試樣的變形量自動(dòng)增大。此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度。增大。此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度。-抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力值對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力值金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n塑性塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不發(fā)材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不發(fā)生斷裂的能力

14、，稱為塑性。生斷裂的能力，稱為塑性。金屬的塑性是金屬的塑性是相對(duì)的，隨溫度、應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化相對(duì)的，隨溫度、應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。n硬度硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕硬度是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃裂的能力。布氏硬度、洛氏硬度、維或劃裂的能力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度氏硬度金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n韌性韌性 材料斷裂時(shí)所需能量的度量。材料斷裂時(shí)所需能量的度量。- - 沖擊韌性：在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力沖擊韌性：在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力。的作用而不被破壞的能力。- - 斷裂韌性：材料抵抗裂紋擴(kuò)展和抗脆斷的能力斷裂韌性：

15、材料抵抗裂紋擴(kuò)展和抗脆斷的能力n疲勞性能：金屬材料在疲勞性能：金屬材料在交變載荷交變載荷作用下，經(jīng)一定作用下，經(jīng)一定周次周次運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)生失效或破壞，稱金屬的疲勞。金運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)生失效或破壞，稱金屬的疲勞。金屬在不同的應(yīng)力狀態(tài)（拉、彎、扭、應(yīng)力比）下屬在不同的應(yīng)力狀態(tài)（拉、彎、扭、應(yīng)力比）下呈現(xiàn)不同的疲勞行為呈現(xiàn)不同的疲勞行為金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能n斷裂韌性斷裂韌性 斷裂韌性的興起，源于大型軋輥的斷裂、高壓斷裂韌性的興起，源于大型軋輥的斷裂、高壓容器的爆炸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的開裂、橋梁和船艦容器的爆炸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的開裂、橋梁和船艦的斷裂等的斷裂等 K=CK=Ca a1/21/2（N/mmN/m

16、m3/23/2） K: K: 應(yīng)力水平因子應(yīng)力水平因子 C C：幾何形狀系數(shù)：幾何形狀系數(shù) ：外加應(yīng)力：外加應(yīng)力 a a：裂紋長(zhǎng)度：裂紋長(zhǎng)度 金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能n密度密度n熔點(diǎn)熔點(diǎn)n熱容量熱容量n熱膨脹性熱膨脹性n導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性n磁性磁性n導(dǎo)電性導(dǎo)電性n介電常數(shù)介電常數(shù)元素元素強(qiáng)度強(qiáng)度硬度硬度塑性塑性韌性韌性焊接性焊接性抗腐蝕性抗腐蝕性淬透性淬透性切削性切削性CSi彈性高溫MnPS CrNiMo高溫TiV高溫Nb略略CuBN低溫Xt合金元素對(duì)鋼性能的影響合金元素對(duì)鋼性能的影響金屬材料的化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能n耐腐蝕性耐腐蝕性n高溫抗氧化性高溫抗氧化性金屬材料的工藝性金屬材料

17、的工藝性工藝性決定了金屬材料的應(yīng)用前景與應(yīng)用范圍工藝性決定了金屬材料的應(yīng)用前景與應(yīng)用范圍n鑄造性鑄造性n可鍛性（含冷鐓、溫?cái)D等）可鍛性（含冷鐓、溫?cái)D等）n可焊性可焊性 碳當(dāng)量參考公式：碳當(dāng)量參考公式： 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熱處理工藝性能熱處理工藝性能鋼鋼-鐵鐵（Iron & Steel）- - 鋼與鐵的分界線鋼與鐵的分界線C C：2.06%

18、2.06%- - 鋼與鐵在顯微組織上的區(qū)別，石墨鋼與鐵在顯微組織上的區(qū)別，石墨游離的碳游離的碳- - 鋼與鐵在力學(xué)性能上的區(qū)別：塑性和韌鋼與鐵在力學(xué)性能上的區(qū)別：塑性和韌性性- - 鋼與鐵在工藝性方面的區(qū)別：可鍛性鋼與鐵在工藝性方面的區(qū)別：可鍛性碳素鋼碳素鋼 ( (Alloy Steels)Alloy Steels)n低碳鋼（低碳鋼（Mild Steel)Mild Steel) C0.25% C0.25%，例如：，例如：040040A10-BS 970A10-BS 970n中碳鋼中碳鋼 C=0.25%C=0.25%0.60%0.60%，例如，例如：C45-DIN 17200C45-DIN 17

19、200 高碳鋼高碳鋼 C C 0.60%0.60%，例如：，例如：CS70-BS 1449 CS70-BS 1449 滲碳鋼滲碳鋼( (CASE HARDENING STEEL)CASE HARDENING STEEL)n特點(diǎn)：低碳、含合金元素（特點(diǎn)：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，細(xì)化晶粒淬透性，細(xì)化晶粒 20CrMo-GB/T 5216-200420CrMo-GB/T 5216-2004 708X20-BS 970 708X20-BS 970調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼( (QUENCHING &a

20、mp; TEMPER STEEL)QUENCHING & TEMPER STEEL)n特點(diǎn)：中碳（特點(diǎn)：中碳（C=0.30-0.60%C=0.30-0.60%）鋼或中碳）鋼或中碳合金鋼，具有良好的強(qiáng)度和足夠的韌性，合金鋼，具有良好的強(qiáng)度和足夠的韌性， 即具有良好的綜合機(jī)械性能。有被非調(diào)即具有良好的綜合機(jī)械性能。有被非調(diào)質(zhì)鋼和低碳（合金質(zhì)鋼和低碳（合金) )鋼取代的趨勢(shì)。鋼取代的趨勢(shì)。 4545-GB/T 3078-1994-GB/T 3078-1994 41Cr4-BS EN 10084-1998 41Cr4-BS EN 10084-1998彈簧鋼彈簧鋼( (SPRING STEEL)

21、SPRING STEEL)n特點(diǎn)：中、高碳（合金）鋼。據(jù)有較高特點(diǎn)：中、高碳（合金）鋼。據(jù)有較高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限和疲勞強(qiáng)度。的抗拉強(qiáng)度、彈性極限和疲勞強(qiáng)度。 65Mn-GB/T 1222-198465Mn-GB/T 1222-1984 C75-UNI 7064 C75-UNI 7064- - 鋼絲：用于氣門彈簧、螺旋彈簧等鋼絲：用于氣門彈簧、螺旋彈簧等- - 鋼帶：用于彈簧墊片等鋼帶：用于彈簧墊片等不銹鋼不銹鋼( (STAINLESS STEEL)STAINLESS STEEL) 鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當(dāng)鉻是使不銹鋼獲得耐蝕性的基本元素，當(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到鋼中含鉻量達(dá)到1212左右時(shí)，鉻與腐蝕介質(zhì)中左右時(shí)，鉻與腐蝕介質(zhì)中的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜的氧作用，在鋼表面形成一層很薄的氧化膜（自鈍化膜），可阻止鋼的基體進(jìn)一步腐蝕。（自鈍化膜），可阻止鋼的基體進(jìn)一步腐蝕。 n奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 0 0Cr18Ni9-GB/T 1220-1992Cr18Ni9-GB/T 1220-1992、321S31-BS 970321S31-BS 970n鐵素體不銹鋼鐵