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1、模块四 金属材料基础知识 基本概念 工程材料分为 金属材料 黑色金属 铁 碳钢 合金钢 和有色金属材料 轻有色金属 重有色金属 稀土金属 非金属材料 有机非金属材料 合成塑料 合成橡胶 合成纤维 无机非金属材料 陶瓷材料 玻璃材料 石墨及碳 木材 水泥 混凝土等 复合材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 非金属基复合材料 基本概念 金属 具有不透明 金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小 富有延性和展性等特性的物质 金属内部原子具有规律性排列的固体 即晶体 合金 由两种或两种以上金属或金属与非金属组成 具有金属特性的物质 相 合金中成份 结构 性能相同的组成部分 基本概念
2、固溶体 是一个 或几个 组元的原子 化合物 溶入另一个组元的晶格中 而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体 固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种 固溶强化 由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点 使晶格发生畸变 使固溶体硬度和强度升高 这种现象叫固溶强化现象 化合物 合金组元间发生化合作用 生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构 机械混合物 由两种晶体结构组成的合金组成物 虽然是两种晶体 却是一种组成成分 具有独立的机械性能 金属材料性能 黑色金属 如生铁 铁合金 铸铁 钢 合金钢等 钢和生铁都是以铁为基础 以碳为主要添加元素的合金 统称为铁碳合金 习惯上把碳含量 2 11 的归类于铁 碳含量
3、2 11 的归类于钢 当铁中含C在0 03 1 2 范围时则为钢 含C1 2 2 5 的铁缺乏实用性 一般不进行工业生产 材料的使用性能包括物理性能 如比重 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 磁性等 化学性能 耐用腐蚀性 抗氧化性 力学性能 机械性能 材料的工艺性能指材料适应冷 热加工方法的能力 金属材料性能 1 机械性能 力学性能 机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性 力学性能指标有 强度 材料在外力 载荷 作用下 抵抗变形和断裂的能力 材料单位面积受载荷称应力 屈服点 s 称屈服强度 指材料在拉抻过程中 材料所受应力达到某一临界值时 载荷不再增加变形却继续增加或产生0 2 L时应
4、力值 单位用牛顿 毫米 N mm 表示 金属材料性能 抗拉强度 b 也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值 单位用牛顿 毫米 N mm 表示 塑性延伸率 材料在拉伸断裂后 总伸长与原始标距长度的百分比 断面收缩率 材料在拉伸断裂后 断面最大缩小面积与原断面积百分比 硬度 指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力 常用硬度按其范围测定分布氏硬度 HBS HBW 和洛氏硬度 HRA HRB HRC 冲击韧性 Ak 材料抵抗冲击载荷的能力 单位为焦耳 厘米 J cm 疲劳强度 金属材料性能 2 工艺性能 指材料承受各种加工 处理的能力的那些性能 铸造性能 指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能 主要包
5、括流性能 充满铸模能力 收缩性 铸件凝固时体积收缩的能力 偏析指化学成分不均性 焊接性能 指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法 把两个或两个以上金属材料焊接到一起 接口处能满足使用目的的特性 锻造性能 金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力 顶锻性能 指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能 金属材料性能 冷弯性能 指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能 弯曲程度一般用弯曲角度 外角 或弯心直径d对材料厚度a的比值表示 a愈大或d a愈小 则材料的冷弯性愈好 冲压性能 金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力 在常温进行冲压叫冷冲压 检验方法用杯突试验进行检验 切削加工性能 热处理性能
6、 金属材料性能 3 化学性能 指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能 耐腐蚀性 指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力 抗氧化性 指金属材料在高温下 抵抗产生氧化皮能力 铸铁 铸铁是含碳大于2 11 的铁碳合金 它是将铸造生铁 部分炼钢生铁 在炉中重新熔化 并加进铁合金 废钢 回炉铁调整成分而得到 根据碳在铸铁中存在的形态不同 通常可将铸铁分为白口铸铁 灰口铸铁及麻口铸铁 灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁 这种铸铁具有一定的机械性能 良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能 因而在机械制造中业获得最广泛的应用 灰铸铁 HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 H
7、T350 灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁 蠕虫状石墨铸铁 球墨铸铁以及可锻铸铁 铸铁 铸铁牌号 灰口铸铁常见牌号有HT100 260 HT150 330 HT200 400 HT250 470 HT300 540 HT350 610 HT400 680等可锻铸铁牌号有KTH300 06 KTH330 08 KTH350 10 KTH370 12 KTZ450 06 KTZ550 04 KTZ650 02 KTZ700 02等 白心可锻铸铁牌号有KTB350 04 KTB380 12 KTB400 05 KTB450 07 黑心可锻铸铁主要用于制造汽车 拖拉机零件及机床附件 如轮
8、壳 弹簧支座 阀门等 铸铁 球墨铸铁牌号有QT400 18 QT400 15 QT450 10 QT500 7 QT600 3 QT700 2 QT800 2 QT900 2 球墨铸铁因抗拉强度高 塑性 冲击韧性较好 并具有耐磨 减震 工艺性能好 成本低等优点 现已广泛替代部分铸钢 锻钢件 如曲轴 连杆 轧辊 汽车后桥等 蠕墨铸铁RuT 如RuT400 耐磨铸铁MT如MTCu1PTi 150 牌号中代号后面的一组数字 表示抗拉强度值 有两组数字时 第一组表示抗拉强度值 第二组表示延伸率值 钢的分类 钢是含碳量在0 04 2 11 之间的铁碳合金 为了保证其韧性和塑性 含碳量一般不超过1 7 钢
9、的主要元素除铁 碳外 还有硅 锰 硫 磷等 钢的分类方法多种多样 主要有如下几种 1 按品质分类按照钢中硫 S 和磷 P 的含量可分为普通钢 优质钢和高级优质钢 1 普通钢 P 0 045 S 0 055 2 优质钢 P S均 0 035 3 高级优质钢 P 0 035 S 0 030 钢的分类 2 按化学成份分类 1 碳素钢 a 低碳钢 C 0 25 b 中碳 C 0 25 0 60 c 高碳钢 C 0 60 2 合金钢 a 低合金钢 Me 5 b 中合金钢 Me 5 10 c 高合金钢 Me 10 3 按成形方法分类 1 锻钢 2 铸钢 3 热轧钢 4 冷拉钢 钢的分类 4 按用途分类 1
10、 建筑及工程用钢a 普通碳素结构钢 b 低合金结构钢 c 钢筋钢 2 结构钢a 机械制造用钢 a 调质结构钢 b 表面硬化结构钢 包括渗碳钢 渗氮钢 表面淬火用钢 c 易切结构钢 d 冷塑性成形用钢 包括冷冲压用钢 冷镦用钢 b 弹簧钢 c 轴承钢 钢的分类 3 工具钢a 碳素工具钢 b 合金工具钢 c 高速工具钢 4 特殊性能钢a 不锈耐酸钢 b 耐热钢包括抗氧化钢 热强钢 气阀钢 c 电热合金钢 d 耐磨钢 e 低温用钢 f 电工用钢 5 专业用钢如桥梁用钢 船舶用钢 锅炉用钢 压力容器用钢 农机用钢等 钢的分类 1 压力容器用钢板用大写R在牌号尾表示 其牌号可用屈服点也可用含碳量或含合金
11、元素表示 如 Q345R Q345为屈服点 再如 20R 16MnR 15MnVR 15MnVNR 8MnMoNbR MnNiMoNbR 15CrMoR等均用含碳量或含合金元素来表示 2 焊接气瓶用钢板用大写HP在牌号尾表示 其牌号可以用屈服点表示 如 Q295HP Q345HP 也可用含合金元素来表示如 16MnREHP 钢的分类 3 锅炉用钢板用小写g在牌号尾表示 其牌号可用屈服点表示 如 Q390g 也可用含碳量或含合金元素来表示 如20g 22Mng 15CrMog 16Mng 19Mng 13MnNiCrMoNbg 12Cr1MoVg等 4 桥梁用钢板用小写q在牌号尾表示 如Q420
12、q 16Mnq 14MnNbq等 5 汽车大梁用钢板用大写L在牌号尾表示 如09MnREL 06TiL 08TiL 10TiL 09SiVL 16MnL 16MnREL等 钢的分类 6 按冶炼方法分类 1 按炉种分a 平炉钢 b 转炉钢 c 电炉钢 2 按脱氧程度和浇注方法分a 沸腾钢 b 半镇静钢 c 镇静钢 d 特殊镇静钢 钢的分类 7 按钢材外形分类钢材可分为型材 板材 管材 金属制品四大类 为便于采购 订货和管理 中国目前将钢材分为十六大品种 重轨 轻轨 大中小型钢 普通钢圆钢 方钢 扁钢 六角钢 工字钢 槽钢 等边和不等边角钢及螺纹钢等 线材 冷弯型钢 优质型钢 薄钢板 厚钢板 钢带
13、 电工硅钢薄板也叫硅钢片或矽钢片 无缝钢管 焊接钢管 金属制品等 钢号表示方法 普通碳素结构钢 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 由Q 数字 质量等级符号 脱氧方法符号组成 它的钢号冠以 Q 代表钢材的屈服点 后面的数字表示屈服点数值 必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 钢号表示方法 优质碳素结构钢 以平均碳含量的万分之几表示
14、例如平均碳含量为0 45 的钢 钢号为 45 锰含量较高的优质碳素结构钢 应将锰元素标出 例如50Mn 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常见优质钢牌号有08F 10F 15F 45 50 55 60 65 70 75 80 85 15Mn 20Mn 25Mn 30Mn 35Mn 40Mn 45Mn 50Mn 60Mn 65Mn 70Mn 钢号表示方法 碳素工具钢 钢号冠以 T 以免与其他钢类相混 钢号中的数字表示碳含量 以平均碳含量的千分之几表示 例如 T8 表示平均碳含量为0 8 锰含量较高者 在钢号最后标出
15、Mn 例如 T8Mn 高级优质碳素工具钢的磷 硫含量 比一般优质碳素工具钢低 在钢号最后加注字母 A 以示区别 例如 T8MnA 碳素工具钢牌号T7 T8 T8Mn T9 T10 T11A T12A T13 钢号表示方法 易切削钢 钢号冠以 Y 以区别于优质碳素结构钢 字母 Y 后的数字表示碳含量 以平均碳含量的万分之几表示 例如平均碳含量为0 3 的易切削钢 其钢号为 Y30 锰含量较高者 亦在钢号后标出 Mn 例如 Y40Mn 易切削钢牌号有Y12 Y12Pb Y15 Y15Pb Y20 Y30 Y35 Y40Mn Y45Ca 钢号表示方法 合金结构钢 以平均碳含量的万分之几表示 如40C
16、r 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 12CrMoV1 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 钢号表示方法 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 高级优质钢应在钢号最后加 A 以区别于一般优质钢 合金结构钢牌号20Mn2 30Mn2MoW 27SiMn 20SiMn2MoV 40B 40MnB 20MnVB 20MnTiB 40Cr 20CrMo 38CrSi 12CrMoV 38CrMoAl 30CrMnSi 40CrMnMo 20CrMnTi 20CrNi 12CrNi3 45CrNiMoVA 20Cr2Ni4VA 钢号表示方法 专门用途的合金结构钢 钢号冠以 或后缀 代表该钢种用途的符号 例如铆螺专用的30CrMnSi钢 钢号表示为ML3
