金屬材料的基本知識及性能

材料與工藝第二章金屬材料PAGEPAGE20金屬材料2.1、金屬材料的基本知識金屬材料的主要性能材料的性能直接影響到（材料加工成）產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和加工成本，它是產(chǎn)品設(shè)計時選材與擬定加工工藝方案的重要依據(jù)。金屬的性能分：使用性能（機(jī)械性能、物理和化學(xué)性能等）、加工工藝性能（鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能等）。金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能時指：金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的變形和抗變形特性，是材料抵抗外力作用的性能。故又稱力學(xué)性能。它是金屬材料的主要性能指標(biāo)，是評價材料質(zhì)量的重要參數(shù)，也是選用材料的主要依據(jù)。1）、靜載荷下金屬材料的機(jī)械性能：在緩慢加載條件下測得的金屬材料抗變形和抗斷裂的能力，稱為金屬材料的靜力強(qiáng)度。有：拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度。通常以拉伸強(qiáng)度為最基本的強(qiáng)度值。退火低碳鋼的拉伸圖彈性：拉伸曲線上OE段是一條直線，表明變形與拉力成正比，試樣受力產(chǎn)生變形，在外力去除后迅速恢復(fù)原來的形狀和尺寸。退火低碳鋼的拉伸圖為材料的彈性極限，單位為Mpa；為材料的彈性極限載荷，單位為N；Fo為試樣的原始橫截面面積，單位為mm2。剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。E為彈性模量，相當(dāng)于直線OE的斜率，單位為Mpa，為應(yīng)力，為單位長度的變形量。E越大，表示材料的剛度越好，材料抵抗變形的能力越大，在一定的范圍內(nèi)材料的彈性變形就越小。塑性：金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。塑性變形是指材料在受力超過彈性極限直到斷裂前所產(chǎn)生的變形，是不能完全恢復(fù)到原始尺寸的變形。分析拉伸圖的ES段曲線，屈服現(xiàn)象。強(qiáng)度：在外力作用下，金屬材料抵抗變形和斷裂的能力。工程上最常用的是：屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度：為屈服極限，單位為Mpa，Ps為屈服載荷，F(xiàn)o為原始斷面面積。抗拉強(qiáng)度：為抗拉強(qiáng)度，單位為Mpa，Pb為最大載荷，F(xiàn)o為原始斷面面積。硬度：是金屬材料抵抗外物壓入的能力，也是材料抵抗局部變形的能力，是衡量材料軟硬的性能指標(biāo)。有三種測量方法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度（略）。2）、動載荷下金屬材料的機(jī)械性能：一般來說，隨著載荷速度的增加，材料的塑性下降，脆性增大，因此，通常不能簡單地用靜態(tài)載荷的機(jī)械性能指標(biāo)來衡量材料。在工程上，沖擊載荷是一類重要的動載荷形式，常用沖擊韌性或沖擊強(qiáng)度作為評價材料抵抗沖擊載荷能力的指標(biāo)。3）、交變載荷下金屬材料的機(jī)械性能：常用疲勞強(qiáng)度來表示材料在交變載荷下的性能指標(biāo)。疲勞強(qiáng)度：材料或構(gòu)件在無數(shù)次重復(fù)交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力。國家規(guī)定：鋼材經(jīng)受106~107次，有色金屬經(jīng)受107~108次循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，即為該材料的疲勞強(qiáng)度。2、金屬材料的物理和化學(xué)性能1）、物理性能：比重、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性（鐵磁性材料、順磁性材料、抗磁性材料）等。2）、化學(xué)性能：抵抗腐蝕和抗氧化性。3、金屬材料的工藝性能工藝性能：材料適應(yīng)各種加工和工藝處理要求的能力。加工工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能。如鑄造性能包含：液體的流動性、冷卻時的收縮、結(jié)晶時的偏析等。金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬材料是金屬及其合金的總稱。各種金屬材料的性能于其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的特征有著直接的內(nèi)在聯(lián)系。金屬的結(jié)構(gòu)和合金1）、金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：（鉻、鉬、鎢、釩等）面心立方晶格：（鋁、銅、鎳、鉛）質(zhì)地軟、延展性好、塑性好密排六方晶格：（鈹、鎂、鋅、鎘）2）、結(jié)晶的過程結(jié)晶：金屬及其合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)并形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)的過程。結(jié)晶的過程：晶核長大晶粒的粗細(xì)影響到金屬材料的各種性能，晶粒越細(xì)，則金屬的強(qiáng)度越高，綜合性能越好。3）、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：因溫度的變化出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。（體心、面心、密排）合金的結(jié)構(gòu)合金的概念：以一種金屬為基礎(chǔ)，加入一種或多種金屬或非金屬元素，經(jīng)過熔合而組成的具有金屬特性的材料。合金的結(jié)構(gòu)：固溶體：合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時，由于各組元之間相互溶解而形成的一種成分和性質(zhì)均勻的新晶體。金屬化合物：固液合金中，由于各組元之間相互作用而形成的一種具有特殊晶格和明顯金屬特征的物質(zhì)。機(jī)械混合物：由純金屬、固溶體、金屬化合物混合而成。鐵碳合金的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)圖以鐵為基礎(chǔ)，由鐵和碳兩個組元組成的合金為鐵碳合金。1）、鐵碳合金的基本組織鐵素體：碳在α-Fe中的固溶體稱為鐵素體，又稱α固溶體，體心立方晶格，于工業(yè)純鐵接近，因此很少單獨作為工程材料使用，而是鋼的基本相。奧氏體：碳在γ-Fe中的固溶體稱為奧氏體，又稱γ固溶體，面心立方晶格，穩(wěn)定的奧氏體只存在于723度以上的高溫合金中。含碳量高，具有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好，適合壓力加工成型。滲碳體：是由鐵和6.67%的碳形成的金屬化合物，分子式為Fe3C。晶格復(fù)雜，硬而脆，是鐵碳合金的重要強(qiáng)化相，是一個亞穩(wěn)定化合物，在一定條件下可分解為鐵素體和石墨。珠光體：鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。珠光體組織致密，具有較高的強(qiáng)度、硬度和一定的塑性和韌性，是鐵碳合金的重要組織。萊氏體：奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物。2）、鐵碳合金狀態(tài)圖合金狀態(tài)圖又稱為合金相圖，是表示平衡狀態(tài)下，合金相或組織的組成與溫度、成分之間關(guān)系的圖形。（分析和解釋鐵碳合金相圖）鋼的熱處理鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下通過適當(dāng)?shù)募訜帷⒈睾屠鋮s，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要性能的一種加工工藝方法。熱處理工藝的主要過程就是：加熱、保溫和冷卻，其中溫度、保溫時間、冷卻速度是影響熱處理效果的最主要因素。（簡述熱處理原理）常用熱處理方法有：普通熱處理加熱、冷卻過程示意圖退火：是把鋼加熱到高于或低于臨界溫度，經(jīng)保溫、緩冷；從而得到接近于平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。作用：軟化組織；降低硬度；消除冷熱加工的殘余應(yīng)力；均勻組織；改善加工性能。完全退火：把鋼加熱到臨界溫度以上20~60度，經(jīng)保溫后隨爐冷卻至600度以下，再空冷。球化退火：把含碳量在0.77~2.11%的過共析鋼加熱到Ac1以上20~40度，經(jīng)長時間保溫，然后隨爐緩慢冷卻或快速冷卻至Ar1以下20度左右，進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，使網(wǎng)狀和片狀滲碳體轉(zhuǎn)變成球狀。去應(yīng)力退火：以緩慢速度將鋼加熱到A1以下，并保持一定時間，然后再緩慢冷卻至室溫。正火：也稱?；蛘；Ｊ前唁摷訜岬紸c3以上50~100度，并適當(dāng)保溫后在空氣中進(jìn)行冷卻的熱處理工藝。淬火：將鋼加熱到Ac1或Ac3以上30~50度，保溫后，根據(jù)鋼的化學(xué)成分，選用油、水或鹽水等介質(zhì)，進(jìn)行加速冷卻，從而得到馬氏體（碳在鐵素體中的過飽和固溶體）組織的一種熱處理工藝?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮匿撝匦录訜岬降陀贏1的溫度，保溫后再冷卻下來的一種熱處理工藝。表面熱處理：表面淬火：將工件表面有限深度范圍加熱到相變臨界點以上，然后迅速冷卻，使工件表面形成一定厚度淬硬層的一種熱處理工藝。有：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火表面化學(xué)熱處理：將工件放入一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)分解出的某些元素的活性原子滲入到工件表層，從而改變表面層的化學(xué)成分和組織性能的熱處理方法。有：滲碳、滲氮、碳氮共滲鋼鐵材料鋼鐵材料的生產(chǎn)1、鋼鐵的生產(chǎn)生鐵的冶煉煉綱（轉(zhuǎn)爐煉綱、平爐煉綱、電爐煉綱）軋鋼冷扎：適用塑性好、尺寸小的線材、薄板熱扎：適用扎制較大斷面尺寸、塑性差或要求變形量大的材料2、鋼材的品種和用途主要有：型材、板材、管材、線材四大類。型材：圓鋼（圓釘、螺絲、鋼絲、焊條等）、方鋼、扁鋼、角鋼（等邊和不等邊）、六角和八角鋼、工字鋼、槽鋼等。板材：厚鋼板：厚度在4.5~60mm，寬度在600~3000mm，長度在1200~12000mm薄鋼板：厚度在0.2~4mm，寬度在500~1500mm，長度在500~4000mm，通常有普通碳素鋼薄板（也稱黑鐵皮）、普通低合金鋼薄板、屋面薄板、鍍鋅薄板（也稱白鐵皮）、電工用純鐵薄板、深沖壓用冷扎薄板、鍍鉛薄板、鍍錫薄板（馬口鐵）、搪瓷用熱扎薄板、不銹鋼耐酸薄板等鋼帶：熱扎厚度在2~6mm，寬度在20~300mm，長度不小于4~6mm；冷扎厚度在0.05~3.00mm，寬度在5~200mm。鋼管：無逢鋼管：常為圓形，也有方形、矩形、半圓形、六角形、橢圓形等異形。焊逢鋼管：有直逢和螺旋焊逢，是主要的鋼管生產(chǎn)方式，成本低。鋼絲：普通鋼絲、電工用鋼絲、紡織用鋼絲、彈簧鋼絲、鋼繩鋼絲等。碳鋼含碳量在2.11%以下的鐵碳合金，又稱碳素鋼。主要成分：鐵、碳，含有少量的硫、磷、硅、錳。加工容易、價格低廉，用途廣泛。常分為：低碳鋼：碳含量在0.08~0.25%，塑性好，多用于焊接、沖壓等。中碳鋼：碳含量在0.25~0.60%，具有一定的強(qiáng)度和韌性，常用作結(jié)構(gòu)零件。高碳鋼：碳含量在0.60~1.40%，硬度高，多用作量具、工具和模具等。合金鋼為了更好地改善鋼的結(jié)構(gòu)性能，在鋼的冶煉過程中，加入某些合金元素，這類鋼為合金鋼。生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高，具有特殊的使用用途。常有：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊用途鋼等。鑄鐵是指含碳量在2.5~4.0%之間的一種鐵碳合金。鑄鐵的分類：灰口鑄鐵：石墨呈片狀，強(qiáng)度低塑性差。HT15-33、HT20-40（抗拉、抗彎強(qiáng)度）球墨鑄鐵：石墨呈球狀，有較高的強(qiáng)度和塑性。QT可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀，有一定的強(qiáng)韌性，實際上不可鍛造，KT蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀，處于研究階段。其它合金（加入合金元素）鑄鐵：耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵等。鋁及鋁合金鋁及鋁合金是工業(yè)中用量最大的有色金屬材料，在自然界中分布極廣，是地殼中儲量最豐富的元素之一。一、純鋁純鋁是一種銀白色的輕金屬，比重小，導(dǎo)電性好，耐蝕性強(qiáng)；它為面心立方結(jié)構(gòu)，因而塑性好，易冷熱成型，便于切削加工，可以制成各種形狀的型材。純鋁的鑄造性能很差，收縮率大，易出現(xiàn)氣孔、縮松、夾渣、裂縫等缺陷。純鋁按純度分為高純鋁和工業(yè)純鋁，高純鋁的牌號為：L01~L04四種，編號越大純度越高；工業(yè)純鋁分為：L1~L5五種，編號越大純度越低。二、鋁合金工業(yè)純鋁的硬度和強(qiáng)度都很低，通常使用的大都是鋁合金，鋁合金按其工藝特點分為：鑄造鋁合金和變形鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金又稱為生鋁合金，目前常用的有：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn四個系列，其中以Al-Si合金為最常見。鑄造鋁合金的牌號用“ZL”來表示，例如：ZL101，第一位數(shù)字表示鋁合金的類別，“1”表示Al-Si、“2”表示Al-Cu、“3”表示Al-Mg、“4”表示Al-Zn。鋁硅合金：俗稱硅鋁明，低熔點，鑄造性能好（流動性好、致密性較高、線收縮小、不宜產(chǎn)生鑄造裂紋）、較低的比重、較高的耐蝕性，適宜鑄造較大型的鑄件，如：內(nèi)燃機(jī)活塞、汽缸體、風(fēng)扇葉、電機(jī)、儀表的外客等。鋁銅合金：可通過熱處理來提高其強(qiáng)度、鑄造性能好，加入Ni、Mn等元素可提高其耐熱性，具有很好的塑性。鋁鎂合金：具有良好的耐蝕性。（可用來制造在腐蝕介質(zhì)中工作的鑄造）鋁鋅合金：強(qiáng)度高，價格較低，常用來制造醫(yī)療器械、儀表零件、日常用品等。變形鋁合金經(jīng)熱加工變形后，以鍛坯、型材、板材等形式供應(yīng)的鋁合金。主要有：LF——防銹鋁合金，又稱防銹鋁；LY——硬鋁合金，簡稱硬鋁；LC——超硬鋁合金，簡稱超硬鋁；LD——鍛鋁合金，簡稱鍛鋁。防銹鋁合金：有鋁錳和鋁鎂兩類，常用牌號LF21、LF2、LF3、LF5、LF6、LF11等，其中LF21為鋁錳合金，其余為鋁鎂合金。防銹鋁合金具有：耐腐蝕性好，強(qiáng)度、硬度較高，良好的塑性和可焊性，能承受彎曲、沖壓等變形工藝?？芍谱髟诟g介質(zhì)環(huán)境中工作的容器、殼體及管道等。硬鋁合金：又稱為杜拉鋁，以銅、鎂、錳為合金元素，既能承受加工變形，又能通過熱處理得到強(qiáng)化，耐腐蝕性較差。超硬鋁合金：耐熱性和耐腐蝕性較差，常用包鋁法來防護(hù)，是航空工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。鍛鋁合金：具有良好的壓力加工的性能，在常溫下具有較高的強(qiáng)度。三、鋁材鋁及鋁合金經(jīng)過壓力加工具有一定的形狀及尺寸后，可供直接使用或再加工使用的半成品，稱之為鋁材。板材：分熱扎板和冷扎板。管材：其規(guī)格用“外徑*壁厚”表示；分薄壁管（拉制）和厚壁管（擠制）兩類；薄壁管的外徑為6~120mm，壁厚不大于5mm；厚壁管的外徑為25~185mm，壁厚大于5mm。棒材：擠壓制品，其規(guī)格用直徑表示。型材：擠壓制品，種類繁多，常以截面形狀區(qū)分。線材：分為導(dǎo)線、焊條線和鉚釘線三種。2.4其它金屬材料銅及銅合金銅及銅合金是人類應(yīng)用最早的一種有色金屬，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗大氣腐蝕能力，又一定的機(jī)械性能和良好的加工工藝性能，色澤美觀，又很好的裝飾效果。純銅：為玫瑰紅色金屬，表面氧化后呈姿紫色，所以常稱紫銅。導(dǎo)電性極好，抗磁性好，導(dǎo)熱性能良好，因此是電氣工業(yè)和散熱設(shè)備的主要材料。不