金屬材料基本知識(shí)

金屬材料基本知識(shí)一、基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)：1.1、黑色金屬：鐵和鐵的合金均稱為黑色金屬。如鋼、鑄鐵等。純

鐵：純度很高的鐵，化學(xué)純鐵含碳量幾乎為零，工業(yè)純鐵含碳量<0.05%。純鐵是很軟的，一般不應(yīng)用到實(shí)際中。鑄鐵：含碳量2％～4.3％（也有資料稱3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的鐵碳合金稱為生鐵生鐵質(zhì)硬而脆，缺乏韌性，幾乎沒(méi)有塑性變形能力，因此不能通過(guò)鍛造、軋制、拉拔等方法加工成形，主要用來(lái)煉鋼和制造鑄件，如白口鐵、灰口鐵和球墨鑄鐵。鋼：以鐵為基礎(chǔ)，以碳和其他元素為添加元素的合金。如碳鋼、低合金鋼、合金鋼、不銹鋼等。有色金屬：又稱非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、鋁、錫、鉛、鋅等。二、金屬材料機(jī)械性能基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)2.1屈服點(diǎn)（σs）：試樣在拉伸時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限，此時(shí)應(yīng)力不增加或開始有所下降，而鋼材或試樣仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，稱此現(xiàn)象為屈服，而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力值即為屈服點(diǎn)。2.2屈服強(qiáng)度（σ0.2）

有的金屬材料的屈服點(diǎn)極不明顯，在測(cè)量上有困難，因此為了衡量材料的屈服特性，規(guī)定產(chǎn)生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長(zhǎng)度的0.2%）時(shí)的應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度σ0.2。2.3抗拉強(qiáng)度（σb）

材料在拉伸過(guò)程中，從開始到發(fā)生斷裂時(shí)所達(dá)到的最大應(yīng)力值。它表示鋼材抵抗斷裂的能力大小。與抗拉強(qiáng)度相應(yīng)的還有抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。2.4抗壓強(qiáng)度（σlc）材料試樣受壓力時(shí)，在壓壞前所承受的最大應(yīng)力。2.5抗彎強(qiáng)度（σcb）材料試樣受彎曲力時(shí)，在破壞前所承受的最大應(yīng)力。2.6伸長(zhǎng)率（δs）材料在拉斷后，其塑性伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原試樣長(zhǎng)度的百分比叫伸長(zhǎng)率或延伸率。2.7屈強(qiáng)比（σs/σb）鋼材的屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）與抗拉強(qiáng)度的比值，稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越大，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高，一般碳素鋼屈強(qiáng)比為0.6-0.65，低合金結(jié)構(gòu)鋼為0.65-0.75，合金結(jié)構(gòu)鋼為0.84-0.86。2.8硬度硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。2.9沖擊韌性是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量大小的特性。沖擊韌性通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的，擺錘沖斷帶有缺口的試樣所消耗的功稱為沖擊吸收功（通常以KJ表示），沖擊韌性=沖擊吸收功/試樣斷口截面積。在低溫條件下做的試驗(yàn)稱為低溫沖擊韌性。對(duì)于壓力管道、壓力容器、低溫產(chǎn)品的制造安裝來(lái)講，（低溫）沖擊韌性值是衡量材料是否符合要求的非常重要質(zhì)量指標(biāo)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都有明確的要求。一般而言，沖擊韌性值越高越好。三、鋼材的基礎(chǔ)知識(shí)3.1鋼的分類3.1.1按品質(zhì)進(jìn)行分類①普通鋼：P≤0.045%

S≤0.050%（如普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q195、Q235等）②優(yōu)質(zhì)鋼：P≤0.035%

S≤0.035%（如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20號(hào)、45號(hào)鋼等）③高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：P≤0.035%

S≤0.030%（比優(yōu)質(zhì)鋼更優(yōu)質(zhì)，一般在鋼號(hào)后加A以示區(qū)別，較多應(yīng)用于焊材方面，如H08A等）3.1.2按化學(xué)成份進(jìn)行分類1）碳素鋼：①低碳鋼：C≤0.25%②中碳鋼：C≤0.25~0.60%③高碳鋼：C≥0.60%2）合金鋼：①低合金鋼（合金元素總含量≤5%）；如Q345、16MnR②中合金鋼（合金元素總含量＞5~10%）；③高合金鋼（合金元素總含量＞10%）。如12GrMoV3）不銹鋼根據(jù)不銹鋼中化學(xué)成分和金相組織的不同，可分為：鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼以及奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。一般工業(yè)生產(chǎn)中最常用的是奧氏體不銹鋼。3.2鋼材產(chǎn)品牌號(hào)的表示辦法3.2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼：表示方法：Q+數(shù)字+（質(zhì)量等級(jí)符號(hào)）+（脫氧方法符號(hào)）+（專門用途的符號(hào)）①鋼號(hào)冠以“Q”，代表鋼材的屈服點(diǎn)；②“Q”后面的數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值，單位是MPa。例如Q235表示屈服點(diǎn)（σs）為235MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼；③必要時(shí)鋼號(hào)后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法的符號(hào)。質(zhì)量等級(jí)符號(hào)分別為A、B、C、D。脫氧方法符號(hào)：F表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼：Z表示鎮(zhèn)靜鋼；TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，鎮(zhèn)靜鋼可不標(biāo)符號(hào)，即Z和TZ都可不標(biāo)。例如Q235-AF表示A級(jí)沸騰鋼。專門用途的碳素鋼：例如橋梁鋼、船用鋼等，基本上采用碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法，但在鋼號(hào)最后附加表示用途的字母。3.2.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼表示方法：數(shù)字+（元素符號(hào)）+（脫氧方法符號(hào)）+（專門用途的符號(hào)）①鋼號(hào)開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬(wàn)分之幾表示，例如平均碳含量為0.20%的鋼，鋼號(hào)為“20”，它不是順序號(hào)，所以不能讀成20號(hào)鋼。②錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出，例如50Mn。③沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在鋼號(hào)最后特別標(biāo)出，例如平均碳含量為0.1%的半鎮(zhèn)靜鋼，其鋼號(hào)為10b。3.2.3合金鋼表示方法：（專門用途符號(hào)）+數(shù)字+主要合金元素符號(hào)和數(shù)字+微量合金元素符號(hào)+（質(zhì)量等級(jí)符號(hào)）+（專門用途符號(hào)）①鋼號(hào)開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬(wàn)分之幾表示，如40Cr。②鋼中主要合金元素，除個(gè)別微合金元素外，一般以百分之幾表示。當(dāng)平均合金含量＜1.5%時(shí)，鋼號(hào)中一般只標(biāo)出元素符號(hào)，而不標(biāo)明含量，但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號(hào)后亦可標(biāo)以數(shù)字“1”，例如鋼號(hào)“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者鉻含量為0.4-0.6%，后者為0.9-1.2%，其余成分全部相同。當(dāng)合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……時(shí)，在元素符號(hào)后面應(yīng)標(biāo)明含量，可相應(yīng)表示為2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。③鋼中的釩V、鈦Ti、鋁AL、硼B(yǎng)、稀土RE等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應(yīng)在鋼號(hào)中標(biāo)出。例如20MnVB鋼中：釩為0.07-0.12%，硼為0.001-0.005%。④高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼應(yīng)在鋼號(hào)最后加“A”，以區(qū)別于一般優(yōu)質(zhì)鋼。3.2.4低合金高強(qiáng)度鋼表示方法：（專門用途符號(hào)）+數(shù)字+主要合金元素符號(hào)和數(shù)字+微量合金元素符號(hào)+（質(zhì)量等級(jí)符號(hào)）+（專門用途符號(hào)）①鋼號(hào)的表示方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。②對(duì)專業(yè)用低合金高強(qiáng)度鋼，應(yīng)在鋼號(hào)最后標(biāo)明。例如16Mn鋼，用于橋梁的專用鋼種為“16MnQ”，鍋爐專用鋼種為“16Mng”，壓力容器的專用鋼種為“16MnR”。3.2.5不銹鋼①鋼號(hào)中碳含量以千分之幾表示。例如“1Cr18Ni9Ti”鋼的平均碳含量為0.12%，若鋼中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,鋼號(hào)前分別冠以“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。②對(duì)鋼中主要合金元素以百分之幾表示，而鈦、鈮、鋯、氮……等則按上述合金結(jié)構(gòu)鋼對(duì)微合金元素的表示方法標(biāo)出。3.2.6焊條鋼它的鋼號(hào)前冠以字母“H”，以區(qū)別于其他鋼類。例如不銹鋼焊絲為“H0Cr21Ni10”，可以區(qū)別于不銹鋼“0Cr21Ni10”。3.3各種化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響3.3.1常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼材性能的影響鋼除含碳以外，還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氫（H）等元素。這些元素并非為改善鋼材質(zhì)量有意加入的，而是由礦石及冶煉過(guò)程中帶入的，故稱為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對(duì)鋼性能是有一定影響，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類鋼的化學(xué)成分都作了嚴(yán)格的規(guī)定。

1）硫硫來(lái)源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(diǎn)(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時(shí)，由于FeS化合物的過(guò)早熔化而導(dǎo)致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故必須對(duì)鋼中含硫量進(jìn)行控制。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%～0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。2）磷磷是由礦石帶入鋼中的，磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。3）硅硅也是煉鋼時(shí)作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去，因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%～0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過(guò)0.5%，對(duì)鋼性能影響不大。4）氧氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過(guò)程中自然進(jìn)入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。5）氮鐵素體溶解氮的能力很低。當(dāng)鋼中溶有過(guò)飽和的氮，在放置較長(zhǎng)一段時(shí)間后或隨后在200～300℃加熱就會(huì)發(fā)生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降，發(fā)生時(shí)效。鋼液中加入Al、Ti或V進(jìn)行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時(shí)效傾向。6）氫鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。白點(diǎn)常在軋制的厚板、大鍛件中發(fā)現(xiàn)，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點(diǎn)；在橫斷面上則是細(xì)長(zhǎng)的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成不測(cè)事故。因此，壓力容器用鋼，不允許有白點(diǎn)存在。氫產(chǎn)生白點(diǎn)冷裂的主要原因是因?yàn)楦邷貖W氏體冷至較低溫時(shí)，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當(dāng)冷卻較快時(shí)，氫原子來(lái)不及擴(kuò)散到鋼的表面而逸出，就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴(kuò)散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力，這壓力超過(guò)了鋼的強(qiáng)度極限而在該處形成裂紋，即白點(diǎn)。3.3.2為了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩，鈦，鈮、硼、鋁等?，F(xiàn)分別說(shuō)明它們?cè)阡撝械淖饔谩?）硅①提高鋼中固溶體的強(qiáng)度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低；②硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強(qiáng)比；③耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％一20％的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。缺點(diǎn)：使鋼的焊接性能惡化。2）錳①錳能提高鋼的淬透性。②錳對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。③錳對(duì)鋼的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度有所提高。缺點(diǎn)：①含錳較高時(shí)，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；②錳有促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的作用，因此錳鋼對(duì)過(guò)熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點(diǎn)可用加入細(xì)化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來(lái)克服：③當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1％時(shí)，會(huì)使鋼的焊接性能變壞，④錳會(huì)使鋼的耐銹蝕性能降低。3）鉻在鋼中的作用①鉻可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。②鉻可提高鋼的高溫機(jī)械性能。③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性④阻止石墨化⑤提高淬透性。缺點(diǎn)：①鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度②鉻能促進(jìn)鋼的回火脆性。4）鎳在鋼中的作用①可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性；②鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性；③改善鋼的加工性和可焊性；④鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。5）鉬在鋼中的作用①鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用。②提高鋼熱強(qiáng)性③抗氫侵蝕的作用。④提高鋼的淬透性。

缺點(diǎn)：鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。6）鎢在鋼中的作用①提高強(qiáng)度②提高鋼的高溫強(qiáng)度。③提高鋼的抗氫性能。④是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。7）釩在鋼中的作用①熱強(qiáng)性。②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。8）鈦在鋼中的作用①鈦能改善鋼的熱強(qiáng)性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強(qiáng)度；②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對(duì)氫的穩(wěn)定性高達(dá)600℃以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強(qiáng)鋼中的重要合金元素之一。9）鈮在鋼中的作用①鈮和碳、氮、氧都有極強(qiáng)的結(jié)合力，并與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而能細(xì)化晶粒，降低鋼的過(guò)熱敏感性和回火脆性。②有極好的抗氫性能。③鈮能提高鋼的熱強(qiáng)性10）硼在鋼中的作用；①提高鋼的淬透性。②提高鋼的高溫強(qiáng)度。強(qiáng)化晶界的作用。11）鋁在鋼中的作用①用作煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)?，?xì)化晶粒，抑制低碳鋼的時(shí)效，改善鋼在低溫時(shí)的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；②提高鋼的抗氧化性能。曾對(duì)鐵鋁合金的抗氧化性進(jìn)行了較多的研究；4％AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6％A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)鋁和鉻配合并用時(shí)，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50％一55％、鉻30％一35％、鋁10％一15％的合金，在1400C高溫時(shí)，仍具有相當(dāng)好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來(lái)，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。③此外，鋁還能提高對(duì)硫化氫和V2O5，的抗腐蝕性。缺點(diǎn)：①脫氧時(shí)如用鋁量過(guò)多，將促進(jìn)鋼的石墨化傾向。②當(dāng)含鋁較高時(shí)．其高溫強(qiáng)度和韌性較低。4.有色金屬實(shí)用知識(shí)簡(jiǎn)介4.1有色金屬分類及產(chǎn)品牌號(hào)表示方法4.1.1有色金屬的分類1）有色純金屬分為重金屬、輕金屬、貴金屬、半金屬和稀有金屬五類2）有色合金按合金系統(tǒng)分：重有色金屬合金、輕有色金屬合金、貴金屬合金、稀有金屬合金等；按合金用途則可分：變形（壓力加工用合金）、鑄造合金、軸承合金、印刷合金、硬質(zhì)合金、焊料、中間合金、金屬粉未等。3）有色材按化學(xué)成份分類：銅和銅合金材、鋁和鋁合金材、鉛和鉛合金材、鎳和鎳合金材、鈦和鈦合金材。4.1.2產(chǎn)品牌號(hào)的表示辦法命名原則：有色金屬及合金產(chǎn)品牌號(hào)的命名，規(guī)定以漢語(yǔ)拼音字母或國(guó)際元素符號(hào)作為主題詞代號(hào)，表示其所屬大類，如用L或AL表示鋁，T或Cu表示銅。主題詞以后，用成份數(shù)字順序結(jié)合產(chǎn)品類別來(lái)表示。即主題詞之后的代號(hào)可以表示產(chǎn)品的狀態(tài)、特征或主要成份，如LF為防（F）銹的鋁（L）合金；LD為鍛（D）造用的鋁（L）合金；LY為硬（Y）的鋁（L）合金，這三種合金的主題詞是鋁合金（L）。又如QSn為青（Q）銅中主要的添加元素為錫（Sn）的一類；QAL9-4為青（Q）銅中含有鋁（AL），成分中添加元素鋁為9%，其他添加元素為4%，這兩種合金的主題詞是青銅（Q）。因此，產(chǎn)品代號(hào)是由標(biāo)準(zhǔn)（GB340-78）規(guī)定的主題詞漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法來(lái)表示。4.2銅及銅合金4.2.1純銅純銅是玫瑰紅色金屬，表面形成氧化銅膜后呈紫色，故工業(yè)純銅常稱紫銅或電解銅。密度為8-9g/cm3，熔點(diǎn)1083°C。純銅導(dǎo)電性很好，大量用于制造電線、電纜、電刷等；導(dǎo)熱性好，常用來(lái)制造熱交換設(shè)備，如冰箱的散熱器、工業(yè)上的散熱盤管等；塑性極好，易于熱壓和冷壓力加工，可制成管、棒、線、條、帶、板、箔等銅材。4.2.2銅合金1）黃銅黃銅是銅與鋅的合金。最簡(jiǎn)單的黃銅是銅——鋅二元合金，稱為簡(jiǎn)單黃銅或普通黃銅。改變黃銅中鋅的含量可以得到不同機(jī)械性能的黃銅。黃銅中鋅的含量越高，其強(qiáng)度也較高，塑性稍低。工業(yè)中采用的黃銅含鋅量不超過(guò)4