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1、常用金属材料基础常用金属材料基础常 用 金 属 材 料 基 础 知 识第 1 章：金属材料名称常用基础术语1基础术语：黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。纯 铁：纯度很高的铁，化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量450 或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角 120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm 的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用 60kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等） 。HRB：是采用
2、100kg 载荷和直径 1.58mm 淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等） 。HRC：是采用 150kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等） 。维氏硬度（HV）以 120kg 以内的载荷和顶角为 136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）12 力学性能与可成形性及使用性能的关系要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、深冲、张拉或这些成型方法的组合。（1）薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点值过高，常常有可能发生过大
3、的回弹、成形时容易破断，磨具磨损快以及由于塑性不良而出现缺陷。然而材料的屈服点小于 140Mpa 时，又可能经受不住成形过程中施加的应力，对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，通常要求具有比较低的屈服强度值，而且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。（2）中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产生永久变形所需的应力愈小；伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致断裂。（3）对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用途的钢材都要求规定抗拉强
4、度、屈服强度的最小值或范围值。（4）对用于承受冲击负荷变形，例如船舶、桥梁、石油、天然气管线用钢板，为防止其使用中发生脆性断裂，又要求其具有一定足够高的冲击韧性-冲击功值。第 4 章：常用金属材料中各种化学成分对性能的影响1生铁：生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨） ，主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁） ，主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸
5、造性能。硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达 1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁
6、产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过 0.06%（车轮生铁除外） 。2钢：21 元素在钢中的作用211 常存杂质元素对钢材性能的影响钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O） 、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。1）硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS 和 Fe 形成低
7、熔点(985)化合物。而钢材的热加工温度一般在 11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS 化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆” 。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；普通钢：S0.055%0.7%以下。2）磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆“。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢： P0.025%；优质
8、钢： P0.04%；普通钢： P0.085%。3）锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的 FeO 成为 MnO 进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在 0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是 0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%1.2%。4）硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的 FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除
9、去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在 0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。由于钢中硅含量一般不超过 0.5%，对钢性能影响不大。5）氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以 FeO、MnO、SiO2、Al2O3 等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。6）氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在 200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度
10、、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti 或 V 进行固氮处理，使氮固定在 AlN、TiN 或 VN 中，可消除时效倾向。7）氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力
11、，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。212 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。1）硅提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低；硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；耐腐蚀性。硅的质量分数为 15一 20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2 薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。2）锰锰能提高钢的淬透性。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点：含锰较高时，有较明显的回
12、火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感 t 在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过 1时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低。3）铬在钢中的作用铬可提高钢的强度和硬度。铬可提高钢的高温机械性能。使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性阻止石墨化提高淬透性。缺点：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。4）镍在钢中的作用可提高钢的强度而不显著降低其韧性；镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；改善钢的加工性和可焊性；镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5）钼在钢中的作用钼对铁素
13、体有固溶强化作用。提高钢热强性抗氢侵蚀的作用。提高钢的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。6）钨在钢中的作用提高强度提高钢的高温强度。提高钢的抗氢性能。是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。7）钒在钢中的作用热强性。钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。8）钛在钢中的作用钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达 600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9）铌在钢中的作用铌和碳、氮、氧都有
14、极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。有极好的抗氢性能。铌能提高钢的热强性10）硼在钢中的作用 ；提高钢的淬透性。提高钢的高温强度。强化晶界的作用。11）铝在钢中的作用用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4AI 即可改变氧化皮的结构，加入 6A1 可使钢在 980C 以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁 50一 55、铬 30一 35、铝 10一 15的合金，在 1 400C
15、 高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。此外，铝还能提高对硫化氢和 V2O5，的抗腐蚀性。缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低。22 合金元素对钢的主要工艺性能的影响：钢的主要工艺性能有：冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等221 合金元素对钢的冷态成型性的影响冷态成型性：冷态成型包括许多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量（模具形状、变形量、变形速度、润滑条件等） 。与冷态成型性有关的材料性能参量有：低的屈服
16、强度高的延伸率高的均匀伸长率高的加工硬化率（n 值） ，高的深冲性参量（r 值）适当而均匀的晶粒度；控制夹杂物的形状和分布；游离渗碳体的数量和分布。1）冷轧薄钢板：碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。锰：锰的影响和碳相似，但适当的含量可以减轻硫的不良作用。磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。2）热轧钢板选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压性能。碳：碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的办法来提高强度，应采用添加合金元素来提高钢的强度。硫：硫在钢中形成硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。222 合金元素对钢的切削加工性的影响非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。 为了达到改善
