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1、项目一项目一 常用金属材料常用金属材料课题一课题一 碳钢碳钢钢铁材料是钢和铸铁的统称。钢是以铁为主要元素,含碳量一般在2.11%以下,并含有其他元素的材料。铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。根据化学成分,钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。一、碳钢的分类二、碳素结构钢牌号表示方法:由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有:A、B、C、D脱氧方法有:F(沸腾钢)、b(半镇静钢)、Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢)。通常Z和TZ可省略。例如:Q235AF1.普通碳素结构钢碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表2.优
2、质碳素结构钢2.优质碳素结构钢牌号表示法:用两位数字表示钢平均含碳量的万分数,如40钢。含锰量较高(WMn=0.71.2)的钢,在两位数字后面写“Mn”,如 60Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢,在牌号后面加“A”;特级优质钢,在牌号后面加“E”。2.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢牌号、性能特点及用途见表(每种牌号的具体数值可查资料,这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍)3、碳素工具钢牌号表示法:用“碳”的汉语拼音字首“T加数字(表示钢的平均Wc的千分数)表示,例如,T8A。这类钢Wc0.651.35,一般均需热处理后使用,主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低
3、精度量具等。 碳素工具钢牌号、性能特点及用途见表二、碳钢的性能材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中,在各种加工条件下表现出来的性能;使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。1.物理性能(1) 密度 金属的密度即是单位体积金属的质量,其单位为3。 根据密度的大小,金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.53 的金属叫做轻金属, 如铝,钛等。(2)熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点
4、。熔点一般用摄氏温度()表示。各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ,钢的熔点为。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合 金等都很重要。 熔点低于 的金属称为低熔点金属,熔点在的金属称为中熔点金属,熔点 高于的金属称为高熔点金属。 (3)导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率(导热系数)表示金属材料导热性能的优劣。 热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下,金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性 以银为最好,铜、铝次之。导热性好的金属散热也好,可用来制造散热器零件,如冰箱、空调的散热片。 (4)热膨胀性 金属材料在受热时体积会增大,冷却时则收缩,这种现象称为热膨胀性。各
5、种金属的热膨胀性能不同。 在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如,一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造;铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。(5)导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同,其中以银为最好,铜、铝次之,工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料,如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件,如电炉丝。(6)磁性 金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料,锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说,磁性也不是固定不变的,如
6、铁在以上就表现为没有磁性或顺磁性。 铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等;无(顺)磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。2.化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。1耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力,称为耐腐蚀 性。常见的钢铁生锈,就是腐蚀现象。2抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力,称为抗氧化性。金属材料在加热时,氧化作用加速,如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时,会 发生氧化和脱碳,造成材料的损耗和各种缺陷。因此,在加热坯件或材料时,常在其 周围形成一种还原气体或保护气体,以避免金属材料的氧化。3化学稳定性化学稳定性是
7、金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学 稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料,要有良好的热稳定性。 3.力学性能力学性能又称为机械性能,是指材料在力作用下所显示的性能,主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。(1)强度强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂的能力。常用的强度判据是屈服点(旧称屈服强度、屈服极限)和抗拉强度。测定强度判据的方法是拉伸试验。拉伸曲线:拉伸力(F)和伸长量(l-lo)的关系曲线。材料受外力作用后,导致材料内部之间产生的相互作用力称为内力,其大小和外力相等、方向相反。单位面积上的内力称为应力,用符号表示。1)弹性极限试样产生
8、完全弹性变形时所能承受的最大应力。式中Fe 试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉伸力,单位N。 Ao试样原始横截面积,单位mm2MPa2)屈服点定义:是指试样在试验过程中力不增加还能继续伸长时的应力。式中 Fs 试样产生屈服现象时的拉伸力,单位N。Ao试样原始横截面积,单位mm2条件屈服强度MPaMPa3)抗拉强度定义:是指试样拉断前所能承受的最大拉应力。式中 Fb 试样拉断前所能承受的最大拉伸力,单位N。Ao试样原始横截面积,单位mm2屈强比(s/b)工程上用的材料,除要求有较高的抗拉强度,还希望有一定的屈强比(s/b) 。屈强比越小,零件可靠性越高,使用中超载不会立即断裂。但屈强比太小,
9、则材料强度的有效利用率降低。MPa2、塑性指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。1)断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。2、塑性指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。2)断后收缩率断后收缩率是指试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。3、 硬度硬度是材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力它衡量材料软硬的判据。 目前最常用的硬度试验法是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。1)布氏硬度kgf/mm2式中A压压痕球形表面积,mm2 压头直径,mm2 压痕平均直径,
10、mm。kgf/mm2 (试验力F单位用kgf)(可从资源中心下载拉伸试验视频资料演示)1)布氏硬度布氏硬度的表示方法: 140HBS101000030 500HBW57500一般在零件图或工艺文件上标柱材料要求的布氏硬度值时,不规定试验条件,只标出要求的硬度范围和硬度符号,例如200230HBS。HBS用于测试硬度值小于450的材料;HBW用于测量硬度值在450650范围的材料。布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理的钢材的硬度,如半成品和原材料。2)洛氏硬度式中,C为常数,压头是金刚石圆锥时,C100;压头为淬火钢球时,C130。2)洛氏硬度以淬火、低温回火以淬火、低温
11、回火GCr15钢为例,测量钢为例,测量HRC值(从资源中心下载)值(从资源中心下载)2)洛氏硬度洛氏硬度无单位,需标明硬度标尺符号,在符号前面写出硬度值,如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各标尺之间没有对应关系,不能直接比较硬度值的高低。洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小,主要用于测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件,对于组织和硬度不均匀的材料,硬度值波动较大,准确性不如布氏硬度值。3)维氏硬度Kgf/mm2式中 F试验力,N Ao压痕面积,mm2 d压痕对角线的算术平均值,mm。以淬火、低温回火以淬火、低温回火T8A钢为例,测量钢为例,测量HV值值(从资源中心下载相关视频资
12、料)(从资源中心下载相关视频资料)3)维氏硬度维氏硬度值一般不标单位,在符号HV前写出硬度值。维氏硬度试验因试验力小(常用49.03N),压痕浅,轮廓清晰,数值准确,试验力选择范围大(49.03980.7N),所以可测量从很软到很硬材料的硬度,维氏硬度值之间能直接进行比较。维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度,但试验麻烦,不宜用于成批生产的常规检验。特别说明:各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较,必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后,方能比较硬度高低。4.韧性与疲劳强度1)韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。韧性的判据通过
13、冲击试验来测定。(注:可从资源中心下载相关视频资料)40Cr钢冲击吸收功测定试验钢冲击吸收功测定试验5.疲劳强度循环应力:应力的大小和方向随时间作周期性的变化。零件在循环应力作用下,常在远小于该材料的b,甚至小于S强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳,金属疲劳的判据是疲劳强度。 试验证明,当低于某一数值时,材料可经过无数次循环应力作用而不断裂,这一应力称为疲劳强度。在工程上,疲劳强度是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。一般规定,钢铁材料的应力循环次数取108,有色金属取107。合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等,可以提高工件的疲劳强度。