金屬材料基礎(chǔ)培訓(xùn)

1、金屬材料基礎(chǔ)知識培訓(xùn)一、引言材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)l材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進化史上的里程碑l材料、能源、信息并列稱為現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料是基礎(chǔ)l任何物質(zhì)只要能為人類經(jīng)濟地使用，就成為材料l所謂金屬，就是一種具有光澤(即對可見光強烈反射)、延展性好、容易導(dǎo)電和導(dǎo)熱的物質(zhì)l在自然界中，絕大多數(shù)金屬以化合物的形式存在，少數(shù)金屬(如金、鉑、銀)以單質(zhì)的形式存在。l元素周期表里的100多種元素中，金屬元素占了3/4。金屬材料的分類方法1、科學(xué)上的分類 科學(xué)上的分類是依據(jù)元素周期表，將金屬按一定的規(guī)律分為堿金屬、堿土金屬、鑭系元素、錒系元素

2、等。2、工業(yè)上的分類分類依據(jù)分類依據(jù)類別類別是否有鐵鋼鐵材料、非鐵金屬材料顏色黑色金屬、有色金屬密度重金屬、輕金屬市場價值貴金屬、賤金屬儲量稀有金屬、富有金屬 鋼鐵材料也稱為黑色金屬材料，包括生鐵、鐵合金、鑄鐵、鑄鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼等。非鐵金屬材料也稱為有色金屬材料，包括鋁、鎂、銅、鋅、鈦、鎳、稀土金屬、稀有金屬、貴金屬、半金屬等。一般工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料的分類如下表所示。二、鋼鐵材料的分類1、生鐵的分類 生鐵是含碳量大于2.11(質(zhì)量分數(shù))的鐵碳合金，工業(yè)生鐵含碳量一般為2.5%4%(質(zhì)量分數(shù))，并含硅、錳、硫、磷等元素，是用鐵礦石經(jīng)高爐冶煉的產(chǎn)品。生鐵按用途不同分為煉鋼生鐵和

3、鑄造生鐵。(1)煉鋼生鐵是煉鋼的主要原料，在生鐵產(chǎn)量中占8090，硬而脆，斷口呈白色，也叫白口鐵。一般含硅量較低，含硫量較高。(2)鑄造生鐵是指用于鑄造各種鑄件的生鐵，俗稱翻鐵砂，在生鐵產(chǎn)量中占1020，是煉鋼廠的主要商品鐵，斷口呈灰色，所以也叫灰口鐵。一般含硅量較高，含硫量稍低。1、生鐵的分類2、鐵合金 鐵合金是鐵與一種或幾種元素組成的合金，主要用于鋼鐵冶煉。在鋼鐵工業(yè)中一般還把所有煉鋼用的合金，不論含鐵與否(如硅鈣合金)，都稱為“鐵合金”。 作為煉鋼過程中的脫氧劑、合金劑的鐵合金是煉鋼和鑄鋼的重要原料，可以改善鋼的理化性能和鑄件的力學(xué)性能。2、鐵合金(1)脫氧劑 煉鋼時所添加的一些與氧結(jié)合

4、力比較強，且其氧化物又能順利從鋼液中排除，用以降低鋼液中的氧含量的金屬稱為脫氧劑。常用的脫氧劑有硅鐵、錳鐵、鋁鐵、硅鈣鐵、硅錳鐵、硅鋇鐵、硅鋁鐵等。(2)合金劑 在鋼中加入各種鐵合金可以調(diào)整其化學(xué)成分，生產(chǎn)出各種新金屬材料。常用的合金劑主要有鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、鈦鐵、鈮鐵、釩鐵、鎳鐵等。3、鑄鐵的分類 鑄鐵與生鐵的區(qū)別是進行了二次加工，即將鑄造生鐵在爐中重新熔化，并加入鐵合金、廢鋼進行成分調(diào)整而得到。鑄鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11。鑄鐵具有許多優(yōu)良的力學(xué)性能且生產(chǎn)簡便，成本低廉，是應(yīng)用最廣泛的材料之一。3、鑄鐵的分類(1)按斷口顏色分類按斷口顏色分類鑄鐵按斷口顏色不同分為灰鑄鐵、白口鑄鐵和麻口鑄

5、鐵。1)灰鑄鐵 灰鑄鐵的大多數(shù)力學(xué)性能指標遠低于鋼，但抗壓強度與鋼相當，具有良好的鑄造性能、減振性、耐磨性、切削加工性能及低的缺口敏感性，常用來生產(chǎn)一些強度要求不高、主要承受壓力的箱體或底座等?；诣T鐵是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用最普遍的一種鑄鐵。2)白口鑄鐵 白口鑄鐵(不是白口鐵，白口鐵是一種生鐵)是不含石墨的鑄鐵，幾乎全部的碳都與鐵形成碳化三鐵。它具有很高的硬度和脆性，不能承受冷加工，也不能承受熱加工，只能直接用于鑄造狀態(tài)。它是一種良好的抗磨材料，可在磨損條件下工作。白口鑄鐵包括普通白口鑄鐵、低合金白口鑄鐵、中合金白口鑄鐵和高合金自口鑄鐵。3)麻口鑄鐵 麻口鑄鐵又稱麻口鐵、斑鑄鐵，是介于白口鑄鐵和灰鑄鐵

6、之間的一種鑄鐵，其斷口呈灰白相間的麻點狀。由于麻口鑄鐵的綜合性能不好，故應(yīng)用較少。3、鑄鐵的分類(2)按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 鑄鐵按化學(xué)成分不同可分為普通鑄鐵與合金鑄鐵兩類。1)普通鑄鐵 普通鑄鐵是指不含合金元素的鑄鐵，一般常用的灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵等都屬于這一類鑄鐵。2)合金鑄鐵 合金鑄鐵是指在普通鑄鐵內(nèi)有意識地加入一些合金元素，以提高鑄鐵某些特殊性能而配制成的一種高級鑄鐵，如具有各種耐蝕、耐熱、耐磨特殊性能的鑄鐵。3、鑄鐵的分類(3)按生產(chǎn)方法和組織性能分類按生產(chǎn)方法和組織性能分類 鑄鐵按生產(chǎn)方法和組織性能不同可分為普通灰鑄鐵、孕育鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵。1)普

7、通灰鑄鐵 普通灰鑄鐵具有一定的強度、硬度、良好的減振性和耐磨性；具有高導(dǎo)熱性，好的抗熱疲勞能力；同時還具有良好的鑄造工藝性能，以及優(yōu)異的切削加工性能。普通灰鑄鐵生產(chǎn)簡便，成本低，在工業(yè)和民用生活中得到了廣泛的應(yīng)用。2)孕育鑄鐵 孕育鑄鐵也叫變質(zhì)鑄鐵，是在灰鑄鐵的基礎(chǔ)上，采用變質(zhì)處理(即在鐵液中加入少量的變質(zhì)劑)得到的一種高級鑄鐵。這種鑄鐵的強度、塑性和韌性均比普通灰鑄鐵好得多，主要用來制造力學(xué)性能要求較高且截面尺寸變化較大的大型鑄鐵件。3、鑄鐵的分類3)可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵也叫韌性鑄鐵，它的名字很奇怪，雖然名曰“可鍛”，但這種鑄鐵卻不可鍛造，只是比灰鑄鐵具有更高的韌性，一般是由白口鑄鐵經(jīng)退火而成

8、。這種鑄鐵可用于制造形狀復(fù)雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車與拖拉機的前后輪殼、低壓閥門、管接頭等。4)球墨鑄鐵 球墨鑄鐵和鋼相比，除塑性、韌性稍低外，其他性能均接近，是兼有鋼和鑄鐵優(yōu)點的優(yōu)良材料。5)特殊性能鑄鐵 特殊性能鑄鐵是一些具有某些特性的鑄鐵，根據(jù)用途的不同，可分為耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵等。3、鑄鐵的分類(4)按碳在鑄鐵中存在的狀態(tài)分類按碳在鑄鐵中存在的狀態(tài)分類 按碳在鑄鐵中存在的狀態(tài)的不同，可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。1)白口鑄鐵中的碳，不以石墨形式存在，斷口呈亮白色，硬而脆。2)碳以石墨形式存在的有灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵?；诣T

9、鐵中石墨以片狀形式存在；可鍛鑄鐵中石墨以團絮狀形式存在；球墨鑄鐵中石墨以圓球狀形式存在；蠕墨鑄鐵中石墨以蠕蟲狀形式存在。4、鋼的分類 鋼是碳的質(zhì)量分數(shù)為0.04一2.11的鐵碳合金。鋼的分類方法很多，一般可按品質(zhì)、用途、化學(xué)成分、制造加工形式和冶煉方法分類。(1)按品質(zhì)分類按品質(zhì)分類 鋼按品質(zhì)不同可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。1)普通鋼 S、P等雜質(zhì)及殘存元素含量的控制要求一般的鋼。普通非合金鋼中S不大于0.055%，P不大于0.045%；普通低合金鋼中S、P含量按A、B、C、D、E質(zhì)量等級分別為不大于0.045%、0.040%、0.035%、0.030%、0.025%；對其它雜質(zhì)元素的含

10、量也有明確的控制要求，主要用于制作建筑結(jié)構(gòu)件和要求不太高的機械零件。4、鋼的分類2)優(yōu)質(zhì)鋼 S、P等雜質(zhì)及殘存元素含量的控制要求較高的鋼。優(yōu)質(zhì)非合金結(jié)構(gòu)鋼中S、P均不大于0.040%，優(yōu)質(zhì)非合金工具鋼中S、P分別不大于0.030%、0.035% ，主要用于制作機械結(jié)構(gòu)零件和工具，如軸承、彈簧等。3)高級優(yōu)質(zhì)鋼 高級優(yōu)質(zhì)鋼含雜質(zhì)元素極少，其中硫和磷的質(zhì)量分數(shù)均少于0.03，主要用于重要機械結(jié)構(gòu)零件和工具。為了區(qū)別于一般優(yōu)質(zhì)鋼，這類鋼的鋼號后面，通常加符號“A”以便識別，如Q235A等。4、鋼的分類(2)按用途分類按用途分類鋼按用途不同分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼和專業(yè)用鋼。1)結(jié)構(gòu)鋼又分為建筑及工

11、程用結(jié)構(gòu)鋼和機械制造用結(jié)構(gòu)鋼。l 建筑及工程用結(jié)構(gòu)鋼是用于建筑、橋梁、鍋爐或其他工程上制造金屬結(jié)構(gòu)件的鋼，多為低碳鋼。由于大多要經(jīng)過焊接施工，故其含碳量不宜過高。機械制造結(jié)構(gòu)鋼用于制造機械設(shè)備上的結(jié)構(gòu)零件，基本上都是優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。4、鋼的分類2)工具鋼 工具鋼是用于制造工具的鋼，可制造刀具、模具、量具、手工工具等。3)特殊鋼 特殊鋼指用特殊方法生產(chǎn)，具有特殊物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能的鋼，主要包括不銹鋼、耐熱鋼、高電阻合金鋼、耐磨鋼、磁鋼等。4)專業(yè)用鋼 專業(yè)用鋼指各工業(yè)部門專業(yè)用途的鋼，如農(nóng)機用鋼、機床用鋼、汽車用鋼、航空用鋼、鍋爐用鋼、電工用鋼、焊條用鋼等。4、鋼的分類(3)按化學(xué)

12、成分分類按化學(xué)成分分類 鋼按化學(xué)成分不同分為碳素鋼和合金鋼。1)碳素鋼 碳素鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)不大于2，并含有少量錳、硅、硫、磷和氧等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。按含碳量的不同又分為四類：工業(yè)純鐵，是指碳的質(zhì)量分數(shù)不大于0.04的鐵碳合金；低碳鋼，是指碳的質(zhì)量分數(shù)在0.040.25范圍內(nèi)的鐵碳合金；中碳鋼，是指碳的質(zhì)量分數(shù)在0.250.60范圍內(nèi)的鐵碳合金；高碳鋼，是指碳的質(zhì)量分數(shù)在0.62.0范圍內(nèi)的鐵碳合金。4、鋼的分類2)合金鋼 合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為改善鋼的性能，在冶煉時加入一些合金元素(如鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦等)而煉成的鋼。按合金元素的總含量不同可分為三類：低合金鋼，是指合金元素的總

13、質(zhì)量分數(shù)不大于5的鋼；中合金鋼，是指合金元素的總質(zhì)量分數(shù)在510范圍內(nèi)的鋼；高合金鋼，是指合金元素的總質(zhì)量分數(shù)大于10的鋼。4、鋼的分類(4) 按制造加工形式分類按制造加工形式分類鋼按制造加工形式的不同分為鑄鋼、鍛鋼、熱軋鋼、冷軋鋼、冷拔鋼等。1)鑄鋼 鑄鋼是指用鑄造方法生產(chǎn)出來的一種鋼，碳的質(zhì)量分數(shù)為0.150.6。隨著含碳量的增加，鑄造碳鋼的強度增大，硬度提高。鑄造碳鋼具有較高的強度、塑性和韌性，成本較低，在重型機械中用于制造承受大載荷的零件，如軋鋼機機架、水壓機底座等；在鐵路車輛上用于制造受力大又承受沖擊的零件，如搖枕、側(cè)架、車輪等。2)鍛鋼 鍛鋼指用鍛造方法生產(chǎn)出來的各種鋼。鍛鋼制造出

14、的零件質(zhì)量比鑄鋼件高，能承受較大的沖擊力，用于制造一些重要的機器零件，如大型閥門、法蘭等。4、鋼的分類3)熱軋鋼 熱軋鋼是指用熱軋方法生產(chǎn)出的各種鋼材。常用于生產(chǎn)型鋼、鋼管、鋼板等。4)冷軋鋼 冷軋鋼是指用冷軋方法生產(chǎn)出的各種鋼材。與熱軋鋼相比，它的特點是表面光潔，尺寸精確，力學(xué)性能好。常用來軋制薄板、精密鋼帶和精密鋼管。5)冷拔鋼 冷拔鋼是指用冷拔方法生產(chǎn)出的各種鋼材。特點是精度高，表面質(zhì)量好。主要用于生產(chǎn)鋼絲。4、鋼的分類(5)按冶煉方法分類按冶煉方法分類 鋼按冶煉方法不同分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及特殊鎮(zhèn)靜鋼。1)沸騰鋼 沸騰鋼是指脫氧不完全的鋼。鋼在冶煉后期不加脫氧劑，導(dǎo)致鋼液中含氧

15、量較高(質(zhì)量分數(shù)為0.020.04)、在錠模中發(fā)生強烈反應(yīng)生成一氧化碳氣泡，澆注時鋼液在鋼錠模內(nèi)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，氣體逸出。鋼錠凝固后，蜂窩氣泡分布在鋼錠中，在軋制過程中這種氣泡空腔會被粘合起來。優(yōu)點是鋼的收縮率高，生產(chǎn)成本低，表面質(zhì)量和深沖性能好，廣泛應(yīng)用于一般建筑工程。缺點是鋼的雜質(zhì)較多，成分不均勻。4、鋼的分類2)鎮(zhèn)靜鋼 鎮(zhèn)靜鋼是指煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧進行較完全的鋼。澆注時鋼液很平靜，沒有沸騰現(xiàn)象。鎮(zhèn)靜鋼的生產(chǎn)成本雖然較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要的結(jié)構(gòu)工程。3)半鎮(zhèn)靜鋼 半鎮(zhèn)靜鋼是指脫氧介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼。澆注時沸騰現(xiàn)象較沸騰

16、鋼弱，生產(chǎn)很難控制，在鋼產(chǎn)量中所占比例很小。4)特殊鎮(zhèn)靜鋼 特殊鎮(zhèn)靜鋼是指比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼。這類鋼質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。鋼鐵材料的特點l資源豐富地殼中5%的豐度l成本低廉大部分鋼材的售價較低l便于回收90%的鋼鐵材料可回收l性能優(yōu)良且多樣強度和韌度耐腐蝕性能耐磨性能低溫性能特殊功能l固態(tài)多形性相變使得性能可大幅改變鋼鐵材料與技術(shù)的發(fā)展方向l提高產(chǎn)量滿足經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展需求l高性能高強度、高韌性、長壽命l高內(nèi)部質(zhì)量高潔凈度、高均勻性、超細晶粒l高表面質(zhì)量高尺寸精度和光潔度l微合金化改善組織和性能l多品種鋼種和材型l低成本降低合金含量和工藝操作成本l綠色化易于回收和利用、

17、可持續(xù)發(fā)展鋼鐵材料研究的挑戰(zhàn)與機遇l上千年的發(fā)展使其進一步創(chuàng)新難度增大l工業(yè)化試驗費用很高l企業(yè)創(chuàng)新觀念需加強l經(jīng)濟效益顯著，對國民經(jīng)濟影響較大l上千年的發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗和奠定了良好的基礎(chǔ)l中國正逐步成為世界鋼鐵研究的中心三、金屬材料的力學(xué)性能 金屬材料在不同環(huán)境(溫度、介質(zhì)、濕度)下，承受各種外加載荷(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等)時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征，稱為金屬材料的力學(xué)性能，主要包括強度、硬度、塑性和沖擊韌性等。 檢驗金屬材料力學(xué)性能的試驗很多，通過試驗測定相關(guān)數(shù)值后，即可作為設(shè)計的依據(jù)。 咱們公司涉及到相關(guān)的力學(xué)性能的產(chǎn)品就是硬度計、拉伸、沖擊試驗機等等。1、硬度l 硬度

18、是指材料對壓入塑性變形、劃痕、磨損或切削等的抗力，是材料在一定條件下抵抗本身不發(fā)生殘余變形物壓入的能力。l 機械加工車間里的車、銑、刨、磨、鉆工藝，都是通過金屬工具進行的，可見不同金屬的軟硬度是不同的。l 不同硬度試驗方法適用范圍如下表所示。常用硬度相關(guān)術(shù)語l (1)布氏硬度(HBW) 材料抵抗采用硬質(zhì)合金球壓頭施加試驗力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。l (2)洛氏硬度(HR) 材料抵抗采用硬質(zhì)合金，或?qū)?yīng)某一標尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。l (3)維氏硬度(HV) 材料抵抗采用金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。l (4)努氏硬度(HK

19、) 材料抵抗采用金剛石菱形錐體壓頭施加試驗力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。l (5)肖氏硬度(HS) 應(yīng)用彈性回跳法將撞銷(具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛石)從一定高度落到所測試材料的表面上而發(fā)生回跳，用測得的撞銷回跳的高度來表示的硬度。l (6)里氏硬度(HL) 用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面，沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算的硬度值。2、拉伸性能l 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形，外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。l 材料的種類很多，常用材料可分為塑性材料和脆性材料兩大類。在試驗時，

20、通常用低碳鋼代表塑性材料，用灰鑄鐵代表脆性材料。l 拉伸性能是人們解決強度問題和選擇材料的依據(jù)。2、拉伸性能 任何工程材料受力后都將會產(chǎn)生變形。這個過程大體上可以分為彈性變形、塑性變形和最后斷裂三個基本階段。 1)彈性是指固體材料在外力作用下改變其形狀與大小，但當力撤去后即恢復(fù)原來狀態(tài)的性質(zhì)， 2)塑性是指固體材料受到超過特定值的外力作用時，其形狀與大小會發(fā)生永久性變化的特性， 3)斷裂是指固體材料受外力作用變形的最終結(jié)果。固體材料受力變形產(chǎn)生裂紋和裂紋擴展到一定的臨界值后即產(chǎn)生斷裂。拉伸實驗l 拉伸試驗是一種較簡單的力學(xué)性能試驗，它能夠清楚地反映出材料受力后所發(fā)生的彈性、塑性和斷裂三個變形階

21、段的基本特性。l 由拉伸試驗得出的力學(xué)性能指標包括諸如規(guī)定非比例延伸強度、屈服強度、抗拉強度等強度指標，斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標，彈性模量、泊松比等力學(xué)常數(shù)，以及表征材料形變硬化規(guī)律的參數(shù)等。拉伸實驗 拉伸試驗在拉伸試驗機上進行，試驗機有機械式、液壓式、電液或電子伺服式等類型。試樣形式可以是材料全截面的，也可以加工成圓形或矩形的標準試樣。鋼筋、線材等一些實物樣品一般不需要加工而保持其全截面進行試驗。試樣制備時應(yīng)避免材料組織受冷、熱加工的影響，并保證一定的表面粗糙度。2.2材料的屈服 當材料所受到的力達到一定值(超過彈性極限)的時候，雖然力不再增加而形變卻依然在繼續(xù)，此時除了產(chǎn)生彈性變形

22、外，還產(chǎn)生部分塑性變形。也就是說，此時外力不再增加但材料的破壞卻還在繼續(xù)，材料已經(jīng)失去了對變形的抵抗能力。當應(yīng)力達到某值后，塑性應(yīng)變急劇增加，應(yīng)力出現(xiàn)微小波動，這種現(xiàn)象稱為屈服。這一階段的最大、最小應(yīng)力分別稱為上屈服點和下屈服點。將此時材料所受到的應(yīng)力作為該種材料的屈服極限，或叫做屈服強度。在使用材料的時候，一般要保證材料受到的應(yīng)力小于該材料的屈服極限，這樣才能安全。2.3抗拉強度 當鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，此時變形雖然發(fā)展很快，但卻只能隨著應(yīng)力的提高而增大，直至應(yīng)力達到最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發(fā)生較大的塑性變形，此處

23、試件截面迅速縮小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應(yīng)力值稱為抗拉強度或強度極限，用符號Rm表示，單位為N/mm2或MPa。3、沖擊性能 材料抵抗沖擊載荷的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷。當零件在承受沖擊載荷時，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時要大得多，因此在制造這類零件時，就必須考慮到材料的沖擊性能。 沖擊試驗是利用能量守恒原理，將具有一定形狀和尺寸的帶有v型或u型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下沖斷，以測定其沖擊吸收功的一種試驗方法。沖擊試驗是試樣在沖擊試驗力的作用下的一種動態(tài)力學(xué)性能試驗。沖擊試驗對材料的缺陷很敏感，它能靈敏地反映出材料的

24、宏觀缺陷、顯微組織的微小變化和材料品質(zhì)，因此沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理工藝質(zhì)量的有效方法。沖擊實驗l 夏比沖擊試驗是用規(guī)定高度的擺錘對處于簡支梁狀態(tài)的缺口試樣進行一次性沖擊，并測量試樣折斷時的吸收能量KU或KV的試驗。夏比沖擊試樣有U型缺口試樣和V型缺口試樣兩種。l 沖擊吸收能量K是通過一次擺錘沖擊試驗獲得的。沖擊實驗 試驗時，先將標準沖擊試樣放置在擺錘沖擊試驗機的支座上，把具有重量G(單位為N)的擺錘提高到距試樣高度為h(單位為m)的位置，擺錘勢能為Gh，然后使其下落，將試樣沖斷，沖斷試件后擺錘又上升到距原試件的高度為h之處，此時擺錘剩余勢能為Gh，那么沖斷試樣所消耗掉的能

25、量為Gh-Gh，稱為沖擊吸收能量K(單位為J)。即 K=G(h-h) 沖擊吸收能量K值越高，表示材料的沖擊韌性越好。一般把沖擊吸收能量K值高的材料稱作韌性材料，K值低的材料稱為脆性材料。4、扭轉(zhuǎn)性能l 材料抵抗扭矩作用的能力叫做扭轉(zhuǎn)性能。扭轉(zhuǎn)試驗是測試材料在切應(yīng)力作用下的力學(xué)性能的試驗技術(shù)，可以測定脆性材料和塑熔性材料的強度和塑性，對于制造承受扭矩的零件(如軸、彈簧等)镕材料常需進行扭轉(zhuǎn)試驗。扭轉(zhuǎn)試驗在扭轉(zhuǎn)試驗機上進行，試驗時在圓柱形試樣的標距兩端施加扭矩，測量扭矩及其相應(yīng)的扭角，一般扭至斷裂，便可測出金屬材料的各項扭轉(zhuǎn)性能指標，這對于承受剪切扭轉(zhuǎn)的機械零件具有重要的實際意義。5、壓縮性能l

26、壓縮性能是指材料在壓應(yīng)力作用下抵抗變形的能力。l 壓縮試驗在萬能試驗機或壓力試驗機上進行，對試樣施加軸向壓力，在其變形和斷裂過程中測定材料的強度和塑性。實際上，壓縮與拉伸僅僅是受力方向相反。但兩者之間也存在差別，與拉伸試驗相比，壓縮試驗有如下特點： 1)塑性較好的金屬材料(如退火鋼、黃銅等)只能被壓扁，一般不會被破壞5、壓縮性能 2)脆性材料壓縮破壞的形式有剪壞和拉壞兩種。剪壞的斷裂面與底面約呈45角，拉壞是由于試樣的纖維組織與壓應(yīng)力方向一致，壓縮試驗時試樣橫截面面積增加，而橫向纖維伸長超過一定限度而破斷。3)壓縮試驗時，試樣端面存在很大的摩擦力，這將阻礙試樣端面的橫向變形(使試樣呈腰鼓狀)，

27、影響試驗結(jié)果的準確性。試樣高度與直徑之比(L/d0)越小，其端面摩擦力對試驗結(jié)果的影響越大。為了減小試樣端面摩擦力的影響，可增大L/d0，的比值，但也不宜過大，以免引起縱向失穩(wěn)。6、彎曲性能l 彎曲性能指材料承受彎曲載荷時的力學(xué)性能。l 用脆性材料制造的刀具和機器零件，在使用過程中都受到不同程度的彎曲載荷，對它們來說，彎曲試驗具有特別重要的意義。彎曲試驗主要用于測定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強度和能反映塑性指標的撓度，還可用來檢查材料的表面質(zhì)量。彎曲試驗在萬能材料試驗機上進行，有三點彎曲和四點彎曲兩種加載方式。l 彎曲試驗不受試樣偏斜的影響，可以較好地測定脆性材料和低塑

28、性材料的抗彎強度。試驗時，試樣表面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，對表面缺陷較敏感，所以常用來比較和鑒定滲碳熱處理及高頻感應(yīng)淬火等表面處理后工件的表面質(zhì)量和缺陷。 三點彎曲試驗和四點彎曲試驗如圖所示。7、剪切性能l 金屬材料承受大小相等、方向相反、作用線相近的外力作用時，抵抗沿外力作用線平行的受剪面產(chǎn)生錯動的能力，叫做材料的剪切性能。l 工程結(jié)構(gòu)中的一些零件除承受拉伸、壓縮和彎曲等載荷作用外，還有一些零件如橋梁結(jié)構(gòu)中的鉚釘、銷子等主要承受剪切的作用，對這些零件所使用的材料要進行剪切試驗，提供材料的抗剪強度作為材料的設(shè)計依據(jù)。1雙剪切試驗雙剪切試驗 雙剪切試驗，是以剪斷圓柱狀試樣的中間段方式來

29、實現(xiàn)的。2單剪切試驗單剪切試驗 單剪切試驗夾具使用兩個剪切刀片，刀片中間帶孔，當一個刀片固定不動，另一個刀片在圖示平行面內(nèi)移動時產(chǎn)生單剪切作用，剪斷試樣。3沖壓剪切試驗沖壓剪切試驗 剪切試驗中更簡單的方法是利用沖頭-模具法直接從板材或帶材中沖出一小圓片的方法。8、疲勞性能l 雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強度，但在長時間運轉(zhuǎn)后因累積損傷而引起斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計，機械零件斷裂中有80是由于疲勞引起。l 循環(huán)周次(定義為疲勞壽命)越少，這種交變應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。一般鋼鐵材料的疲勞強度為107次，非鐵合金為108次。四、鋼鐵材料牌號表示方法1、生鐵生鐵牌號

30、通常由字母和數(shù)字兩部分組成。(1)第一部分是一位或兩位大寫漢語拼音字母，如下表所示。(2)第二部分是兩位阿拉伯數(shù)字，表示主要元素平均含量（質(zhì)量分數(shù)，以千分之幾計），煉鋼用生鐵、鑄造用生鐵、球墨鑄鐵用生鐵、耐磨生鐵為硅元素平均含量，脫碳低磷粒鐵為碳元素平均含量，含釩生鐵為釩元素平均含量。例如：Z30表示硅的平均質(zhì)量分數(shù)在3.0%左右的鑄造用生鐵；TL14表示碳的平均質(zhì)量分數(shù)在1.4%左右的脫低磷粒鐵；F04表示釩的平均質(zhì)量分數(shù)在0.4%左右的含釩生鐵。2、鐵合金 鐵合金的牌號有四種類型。(1)材料牌號開頭是鐵元素符號“Fe”，例如FeNb60-B(鈮鐵)、FeW78-4(鎢鐵)。(2)以“J”、

31、“JC”、“ZK”、“DJ”、“FZ”、“Y”等字母開頭的材料牌號，其含義如下表所示。(3)材料牌號開頭是釩元素符號“V”，例如VN12(釩氮合金)、V2O598(五氧化二釩)。(4)材料牌號開頭是鈣元素符號“Ca”，例如Ca31Si60(硅鈣合金)。3、鑄鐵l 鑄鐵牌號一般用力學(xué)性能、化學(xué)成分或二者共用表示。無論哪一種方法，在牌號的開頭均用代表該類鑄鐵的字母表示，如下表所示。l 常見的鑄鐵牌號有HT150（最小抗拉強度為150MPa的灰鑄鐵件）、HT250、QT400（抗拉強度為400MPa的球墨鑄鐵）、QT600。l 用化學(xué)成分表示的如4、鑄鋼鑄鋼牌號一般用力學(xué)性能或化學(xué)成分表示。無論哪一

32、種方法，在牌號的開頭均用代表鑄鋼的字母“ZG”表示。1)以力學(xué)性能表示鑄鋼牌號舉例如下：5、碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼牌號由前綴符號、強度值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號、后綴符號按順序組成，如下所示：(1)產(chǎn)品名稱對應(yīng)的前綴符號如下表所示。(2)質(zhì)量等級分為A、B、C、D四個等級。(3)脫氧方法有F(沸騰鋼)、Z(鎮(zhèn)靜鋼)、特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)和半鎮(zhèn)靜鋼(bZ)四種，其中z和TZ一般情況下省略。(4)產(chǎn)品名稱對應(yīng)的后綴符號如下表所示。l 示例1：Q235AF表示最小屈服強度為235MPa的A級碳素結(jié)構(gòu)鋼(沸騰鋼)。l 示例2：HP345表示最小屈服強度為345MPa的焊接

33、氣瓶用鋼(鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼)。l 示例3：Q235R表示最小屈服強度為345MPa的鍋爐和壓力容器用鋼(鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼)。6、合金結(jié)構(gòu)鋼l 前兩位數(shù)字表示碳含量，單位為0.01%質(zhì)量分數(shù)，若大于1%則不出現(xiàn)數(shù)字標注；然后標注合金元素及其含量，單位為1%質(zhì)量分數(shù)(四舍五入)，若含量為1%或小于1%，則省略數(shù)字（硅、錳含量分別小于0.5%或0.6%不予標注，一旦標注符號而無數(shù)字則表示其含量為1%）；最后加注質(zhì)量（特殊質(zhì)量加注A）l 軸承鋼前面加G表示滾珠軸承鋼，其中鉻是非常重要的對性能影響顯著的合金元素，故含量單位為0.1%質(zhì)量分數(shù)l 45：非合金鋼，碳含量0.45%l 20CrMnTi：碳

34、含量0.20%，Cr、Ti元素含量均小于或等于1.45%，Mn含量1%l 38CrMoAlA：碳含量0.38%，含Cr、Mo、Al元素，含量均小于或等于1.45%；特殊質(zhì)量l 60Si2Mn：碳含量0.60%，含2%Si、1%Mnl GCr15：軸承鋼，碳含量大于1%，含1.5%Crl G20CrNiMoA表示碳的質(zhì)量分數(shù)為0.20、鉻的質(zhì)量分數(shù)小于1.5、鎳的質(zhì)量分數(shù)小于1.5、鉬的質(zhì)量分數(shù)小于1.5的高級優(yōu)質(zhì)滲碳軸承鋼。7、工具鋼l 碳素工具鋼用字母T表示工具鋼，后加12位數(shù)字表示碳含量，單位為0.1%l 合金工具鋼首先用1位數(shù)字表示碳含量，單位為0.1%，若碳含量大于或等于1%，則不予標

35、注（即不會出現(xiàn)2位數(shù)字）；然后標注合金元素及其含量，單位為1%質(zhì)量分數(shù)(四舍五入)，若含量為1%或小于1%，則省略數(shù)字(硅、錳省略數(shù)字時其含量為1%)；最后加注質(zhì)量（特殊質(zhì)量加注A）l 個別情況下為確切表示某合金元素的含量是1%而非小于1%，以與其他鋼號相區(qū)別，可以在合金元素后加數(shù)字1表示含量l 中高合金工具鋼大多采用國外鋼號l 部分合金結(jié)構(gòu)鋼可作為工具鋼使用，仍保持其原鋼號（即碳含量仍然采用2位數(shù)字標注）l T8：碳素工具鋼，碳含量0.8%l T12A：碳素工具鋼，碳含量1.2%，特殊質(zhì)量l 9CrSi：低合金刃具鋼或冷作模具鋼，碳含量0.9%，鉻含量小于或等于1% ，硅含量1%l CrWM

36、n：低合金刃具鋼或冷作模具鋼，碳含量大于或等于1%，鉻含量小于或等于1% ，鎢含量小于或等于1%，錳含量1% l 5CrMnMo：低合金熱作模具鋼，碳含量0.5%，鉻含量小于或等于1% ，錳含量1%，鉬含量小于或等于1% l 3Cr2W8V：高合金熱作模具鋼，碳含量0.3%，鉻含量2%，鎢含量8%，釩含量小于或等于1%l 4Cr5MoSiV1：中合金熱作模具鋼，碳含量0.4%，鉻含量5%，鉬含量小于或等于1%，硅含量1%，釩含量1% ，美國鋼號為H13l Cr12MoV：高合金熱作模具鋼，碳含量大于或等于1%，鉻含量12%，鉬含量小于或等于1%，釩含量小于或等于1% l Cr12Mo1V1：高

37、合金熱作模具鋼，碳含量大于或等于1%，鉻含量12%，鉬含量1%，釩含量1%，美國鋼號為D2l W5Mo5Cr4V2：高速工具鋼，碳含量大于或等于1%，鎢含量5%，鉬含量5%，鉻含量4%，釩含量2%，美國鋼號為M2l 6Cr4W3Mo2VNb：基體鋼，碳含量0.6%，鉻含量4%，鎢含量3%，鉬含量2%，釩含量小于或等于1%，鈮含量小于或等于1%，代號65Nb8、不銹鋼和耐熱鋼l 首先用1位數(shù)字表示碳含量，單位為0.1%，若碳含量大于或等于1%，則不予標注（不會出現(xiàn)2位數(shù)字）；然后標注合金元素及其含量，單位為1%質(zhì)量分數(shù)(四舍五入)，若含量為1%或小于1%，則省略數(shù)字(硅、錳省略數(shù)字時其含量為1%

38、)；最后加注質(zhì)量（特殊質(zhì)量加注A）l 超低碳鋼，當碳含量小于0.08%時，用0表示；碳含量小于0.03%時，用00表示l 個別情況下為確切表示某合金元素的含量是1%而非小于1%，以與其他鋼號相區(qū)別，可以在合金元素后加數(shù)字1表示含量l 0Cr18Ni9Ti：碳含量小于0.08%，鉻含量18%，鎳含量9%，鈦含量小于或等于1%l 2520：鉻含量25%，鎳含量20%l 2Cr13：碳含量0.2%，鉻含量13%l 00 Cr17Ni14Mo2：碳含量小于0.03%，鉻含量17%，鎳含量14%，鉬含量2%常見的鋼號l 常見的中低合金鋼鋼號有：Q195、Q235、Q345、25、45、20Mn、40Mn

39、、30CrMoA、20MnVB、65Mnl 常見的軸承鋼鋼號有GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr15Mol 常見的不銹鋼鋼號有：國外牌國外牌號號201202304304L316316L2520405403對應(yīng)國對應(yīng)國內(nèi)牌號內(nèi)牌號12Cr17Mn6Ni5N12Cr18Mn9Ni5N0Cr18Ni900Cr19Ni100Cr17Ni12Mo200Cr17Ni14Mo20Cr25Ni200Cr13Al1Cr12五、金屬材料常用的熱處理方法l 金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度在不同介質(zhì)中冷卻，通過改變金屬材料表面或

40、內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來控制其性能的一種工藝。熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分。l 熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一，它可以保證和提高工件的各種性能，如耐磨性、耐蝕性等，還可以改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于進行各種冷、熱加工。 熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，如圖所示，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。熱處理的過程1加熱加熱 加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，現(xiàn)在一般用電加熱，使得溫度更容易控制，且無環(huán)境污染。金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)這對于熱處理后零件的表面性能有不

41、利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。2保溫保溫當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還應(yīng)在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學(xué)熱處理的保溫時間往往較長。3冷卻冷卻冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而變化，主要是控制冷卻速度。常用的熱處理方法 常用的熱處理方法有整體熱處理、表面熱處理和形變熱處理。整體熱處理就是工廠里常聽到人們講的“四把火”，指的就是最常用的四種熱處理方法：退火、正火、淬火和回火

42、，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可?！八陌鸦稹彪S著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝，包括調(diào)質(zhì)、時效處理和形變熱處理。1、退火 將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它隨爐緩慢冷卻的熱處理方法，稱為退火。得到的組織通常是珠光體和鐵素體。退火的目的是為了消除組織缺陷，改善組織，使成分均勻化以及細化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘留應(yīng)力。同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善可加工性。所以退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，又為后續(xù)工序作好準備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預(yù)備熱處理。2、正火 正火是將鋼加熱到某溫度以上，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對亞共析鋼正火可細化晶粒，提高綜合力學(xué)性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經(jīng)濟的。 正火與退火的不同點是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細小一些，其力學(xué)性能也有所提高。另外，正火采用爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來代替退火。3、淬火 淬火是將鋼加熱到某溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火冷卻介質(zhì)中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，但減小其