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1、金属材料基础知识金属材料的基础知识一、 金属材料的分类方法：金属材料分为两大类：即黑色金属与有色金属1、 黑色金属元素：铁、锰、铬2、 有色金属元素：除上述三种元素外，其余称为有色金属元素。通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，以铁为基的合金称为钢，以其余金属元素为基的合金称为有色金属。 按冶炼方法分类： 工业用钢可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，每一类还可以根据炉衬材料不同分为碱性和酸性两类；电炉钢还可以分为电弧炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢和电渣炉钢。 按用途分类：按钢用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢可分为两类，一类是建筑及工程用钢或构件用钢，另一类是机器制造用钢。前者主要和做
2、钢架、桥梁、钢轨、车辆、船舶、容器等，属于这类钢的有普通碳素钢和部分普通低合金钢，这类钢很大一部分做成钢板和型 钢；后者主要用做各种机器零件，包括轴承、弹簧等。工具钢分为量具刃具钢、冷模具钢、热模具钢、耐冲击工具用钢等。特殊性能钢分为耐热钢（包括抗氧化和热强钢），不锈耐酸钢、电工用钢等。 按金相组织分类：A按平衡状态或退火状态的组织分类，可分为亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢。B按正火组织为类，可分为珠光体、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。但由于正火控冷的冷却速度随钢材尺寸不同而不同，所以这类分类方法不是绝对的。C按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分类：可分为：铁素体钢：加热和冷却时，始
3、终保持铁素体组织。 奥氏体钢：加热冷却时，始终保持奥氏体组织。 马氏体钢：钢加热奥氏体化后快速冷却中，在低温（奥氏体向马氏体转变开始温度Ms线之下）连续冷却时，过冷奥氏体组织转变为马氏体组织，室温时仍保持马氏体组织。双相钢：室温时在固溶组织中铁素体和奥氏体相约各占一半或较少相的含量在30%以上，兼有铁素体组织和奥氏体组织。二、 金属材料的表示方法。 钢的编号方法：根据国标GB/T221-2000钢铁产品牌号表示方法的规定，一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。世界各国的钢号表示方法不一致，主要由于习惯上各自采用本国的国家标准，某部门标准或协会团体标准中的钢号表示方法，
4、这给技术交流等带来很大的不便。 有色金属的编号方法：有色金属及其合金编号方法与钢的编号方法大致相同，都是采用汉语拼音字母，化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。由于铝合金与钛合金分类方法相对简单，放在铝合金和钛合金的材料牌号中一般不出现化学元素符号。三、 合金元素在钢中的作用1、 铝（Al）熔点为660，主要用于脱氧和细化晶粒，在渗氮钢中促使形成坚硬耐蚀的渗氮层，含量高时，提高钢高及抗氧化能力，固溶强化作用大。2、 砷（As）时封闭区的元素，作用与磷相似，占钢中偏析严重。3、 硼（B）熔点为2040，有很强的亲和力，微量的硼（0.001%）就可以使结构钢成倍的增加淬透性。在珠光体耐热钢中，
5、微量硼可提高其高温强度，在奥氏体钢中可提高其蠕变强度，由于硼吸收中子的能力强，在原子能反应堆中常用高硼低碳钢。4、 碳（C）是钢中的基本化元素之一，钢中随着碳含量的增加，其强度和硬度也随之增加，但其塑性和韧性则随之降低。碳含量每增加0.1%，钢材抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高4050 MPa, 碳同时也能提高钢材的高温强度，在焊接碳含量较高的钢材时， 焊接热影响区易出现淬硬现象，易产生冷裂纹的倾向。因此，一般用于焊接结构压力容器，主要受压主件的碳素钢和低合金钢，其含碳量不应大于0.25%。5、 铬（Cr）熔点为1920，增加钢的淬透性并有二次硬化作用，在轴承钢和工具钢中，铬提高碳
6、钢的耐磨性，在不锈耐热钢中，当超过铬含量12%时，使其具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性，介质腐蚀性能，并增加钢的热强性，但含量高时或处理不当，易产生相和475脆相，钢的可焊性随铬含量增加而降低，主要是焊接过程中易产生冷裂纹。6、 铜（Cu）熔点为1083，铜的固溶强化作用仅次于磷。铜不和碳形成碳化物，某些作用与镍相似，但较弱。在低碳合金钢中，特别是与磷共同存在时，铜可提高其耐大气腐蚀性能。钢中铜含量较高时对热变形加工不利，含量高于0.75%时，也给焊接作业带来困难。7、 锰（Mn）熔点1244，对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用，提高硬度和强度。锰是弱碳化物形成元素，可形成合金渗碳体，并是
7、良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，提高焊缝金属抗热裂纹能力。锰降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，改善其力学性能。锰为低合金钢的重要合金元素，并为无镍或少镍奥氏体不锈钢的主要合金化元素。在高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢中，锰也是主要合金元素之一，锰还强烈增加钢的粹透性，并有增加晶粒细化和回火脆性的不利影响。8、 钼（Mo）熔点为2610，属于强碳化物形成元素，当含量较低时形成复合渗碳体，含量较高时，则形成特殊碳化物，在较高回火温度下，由于弥散分布有二次硬化作用，钼常与其他元素加锰，铬等配合使用。可显著提高钢的淬透性，同时也提高钢材对焊接冷
8、裂纹的敏感性。钼含量约0.5%时，能抵制或降低其他合金元素导致的回火脆性。钼还提高耐热钢和热强钢的热强性及蠕变强度，含量在2%-3%时能增强不锈钢抗有机酸与还原性介质腐蚀的能力，在永磁钢中，提高矫顽力和剩余磁感。9、 铌（Nb）熔点为1950，常与钽共生，和碳、氮、氧都有极强的亲和力，是强碳化物和氮化物形成元素，其含量大于碳含量的8倍时，几乎可以固定钢中所有的碳，使钢具有很好的抗氢性能。铌可以增加回火稳定性，有二次硬化作用。由于固定碳和沉淀硬化作用，可以提高钢的蠕变性能，铌具有细化晶粒作用，提高钢的冲击韧性，并降低其脆性转变温度。在奥氏体钢中，铌还可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。10、氧（O）
9、熔点为-218.7，固溶中钢中氧超过溶解度部分的氧，以各种夹杂物的形式存在，则其对钢的塑性、韧性及疲劳性能不利，尤其使钢的冲击韧性下降并提高钢的脆性转变温度。所以通常把钢中的氧作为有害的但又不可避免的元素。在铁氧磁性材料中，氧增加矫顽力和电阻系数，降低导磁率，是有益的重要元素。11、磷（P）熔点44，磷是钢中有害的伴生杂质元素，它以铁的磷化物形式存在于钢中，Fe3P与铁形成低熔点共晶，分布于晶界面而增加产生热裂纹的倾向，但磷也有其有利的一面，如磷对提高钢的强度及冷作硬化的作用很强，但这增加了钢的脆性，尤其是低温脆性。磷与铜配合使用，可提高低合金钢耐大气腐蚀的性能，磷与硫、锰配合使用，可提高钢的
10、被切削性。12、硫（S）熔点为118，在铁中的溶解度很低，主要以硫化物的形式存在。硫是残存在钢中的有害元素之一，硫化铁（FeS）与铁以及氧化铁（FeO）与硫都能形成一种低熔点共晶体，其熔点仅为988。国此，钢中的硫含量高会降低钢材的高温塑性，加大钢材焊接时产生的热裂纹的敏感性。13、硅（Si）熔点为1410，硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂，硅在钢中不形成碳化物，提高钢中固溶体的强度，冷加工变形硬化率的作用极强。但同时也相应地降低钢的韧性和塑性。硅还提高钢的淬透性和抗回火性，对钢综合的力学性能特别是对弹性极限，屈强比的提高较显著，并可增强钢在大气中的耐蚀性。硅提高和改善钢的电阻率和磁
11、导率，降低磁滞损耗，为硅钢片的主要合金元素。硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素。在高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。实践证明：钢中含硅量达1-2%时，就有明显的高温抗氧化效果，但硅含量过高会导致钢的塑性下降，因此耐热钢中硅的含量一般在3%以下。14、钛（Ti）熔点为1668，钛是最强的碳化物形成元素，与氮、碳的亲和力也极强，是良好的脱氧剂和固定氮、碳的有效元素。在低碳钢中加入足够的钛，可消除应变时效现象。钛显著提高钢的淬透性，在不锈钢中钛固定碳从而防止和减轻钢的晶间腐蚀和应力腐蚀的倾向。钛还可提高耐热钢的抗氧化性和热强性。15、钒（V）熔点为1730，钒和碳、氧、氮
12、都有较强的亲和力，为强碳化物及氮化物形成元素，钒和钛一样，能显著提高钢的粹透性。钒细化钢的晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低了钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性。钒还能增加淬火钢的回火稳定性，并有强烈的二次硬化作用。在耐热钢中钒透过细小碳化物颗粒的弥散分布，提高钢的蠕变和持久性能。16、钨（W）熔点为3380，钨是强碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。对钢的影响与钼相似，但效果不如钼显著。四、金属材料组织1、奥氏体：不锈钢 奥氏体是碳溶于铁中的固溶体。在钢的各种组织中奥氏体的体积最小，线彭涨系数最大，除渗碳体外，在钢的各种组织中，奥氏体的导热性能最差。奥氏体的塑性高，屈服强度低，容易塑性变形加工
13、成形，所以钢的锻造加工常常要求在奥氏体稳定在高温区域进行。2、 铁素体铁素体具有体心立方点阵结构，碳在其中最大溶解度为0.0218%（727）室温是碳几乎不溶于铁素体中。压力容器用碳素结构钢及低中合金钢均为碳含量小于25%的亚共析钢，这类钢在冷却过程中自奥氏体中析出先共析铁素体。3、 珠光体珠光体由铁素体与渗碳体机械混合组成，其典型形态为片状或层状。钢中珠光体的力学性能主要取决于钢的化学成份和热处理后所获得的组织形态。珠光体团直径和层间距离越小，强度越高，塑性也越大。4、 贝氏体R102钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，它一般是由铁素体和碳化物所组成的片状组织。贝氏体大致可分为
14、以下几种上贝氏体下贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体和粒状贝氏体5、 马氏体：P91钢经过奥氏体化后快速冷却抵制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变称为马氏体转变。钢中马氏体是最主要的特性就是高硬度，高强度，其硬度随含碳量的增加而升高，引起马氏体高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、碳原子的固溶强化和时效强化等。 五、 金属材料的耐腐蚀性能1、 钢铁材料的耐蚀性（1） 碳素结构钢碳素结构钢的耐蚀性与含碳量，金相组织（与热处理有关）以及介质的性质这三个方面的因素有关。压力容器用碳素结构钢的基本成份是铁和不大于0.25%的碳，基本组织是体素体和渗碳体。其在腐蚀性介质中发生腐蚀时，总是
15、以渗碳体为微阴极（电位较正）从而使铁素体（电位较负）发生腐蚀。如果含碳量越高，则渗碳体微阴极数量也越多，因此在酸性介质中，退火状态的碳素结构钢其腐蚀速度随含碳量的增加而加快。热处理制度对碳素结构钢的耐蚀性有较大的影响，因为不同的热处理制度可以导致晶粒大小和金相组织不同。一般来讲晶粒越粗大，腐蚀速度越慢。在碳素结构钢的所有组织中，马氏体的腐蚀速度最低，因为它是碳的过饱和固容体。碳在其中不起阴极作用，腐蚀应因为应力、不同晶面等不均匀引起的。当腐蚀发生后残留在表面的碳才起到阴极的作用，马氏体随着回火温度的提高，碳化物从马氏体中不断析出，腐蚀速度不断增大，当回火达到400左右时，使腐蚀速度达到最大，回
16、火温度再高则腐蚀速度下降。（2） 低中合金结构钢 在钢中加入一种或几种适量的合金元素，可使钢的耐大气腐蚀，海水腐蚀和淡水腐蚀的能力得到提高；加入适当的铬、磷和镍等，提高酸、碱的耐蚀能力。同时提高抗腐蚀疲劳的性能。（3） 不锈钢 不锈钢是指在一般的腐蚀介质中具有良好抗蚀能力的钢，其中有些对强腐蚀性介质具有耐蚀能力，故又称不锈耐酸钢。不锈钢中合金元素主要有铬、镍、锰、钼、钛、铝、铜和氮等，其中最主要的是铬，而且只有铬含量超过一定数量时，才能构成不锈钢。铬的含量最少是11%，一般不锈钢中铬的含量都在13%以上，不锈钢的种类很多，大致可分为马氏体型不锈钢，铁素体型不锈钢，奥氏体型不锈钢，奥氏体铁素体型双相不锈
