金属材料知识,聚氨酯有限公司设备部,课程目标及要求,目标：通过本课程的学习，使员工掌握金属材料的基础知识，对装置设备的金属材质有一定的认识能力； 要求：员工在学习本课程后，须课后做复习,目录,1.金属材料的分类 2.金属材料的性能 3.热处理 4.常用金属材料-铸铁与钢,金属材料的分类,按成分分类：纯金属（简单金属）、合金（复杂金属）,纯金属（简单金属）：指由一种金属元素组 成的物质。目前已知纯金属约有八十多种，但工业上采用的甚少。,合金（复杂金属）：由一种金属元素（为主的）与另外一种 （或几种）金属元素（或非金属元素）组成的物质。它的种类甚多，如工业上常用的生铁和钢 就是铁碳合金，黄铜就是钢锌合金。由于合金的各项性能一般较优于纯金属， 因此在工业上合金的应用比纯金属广泛。,2）按使用分类 分为：黑色金属和有色金属。 黑色金属：指和铁的合金，加生铁、铁合 金、铸铁和钢。 有色金属：又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、铝、锌、 锡、 镍、铅、钛、镁以及铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、 镁合金和轴承合金等。,另外，在工业上还采用铬、锰、钼、钨、 钒、钴等，作为改善金属性能用的合金元 素，其中钨、钴多用于生产刀具用的硬质合 金。 所有上述有色金属，都称为工 业用金属，以 区别于贵金属（铂、金、银等）与稀有金属 （包括放射性的铀、镭 等）。,金属材料性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,a.力学性能（机械性能） 力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。,-外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 -外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,一、弹性和刚度,弹性：即材料承受最大弹性变形时的应力。指标为弹性极限e。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,二、强度与塑性,强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。,条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：伸长率 ，断面收缩率 。,三、冲击韧性,冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,四、疲劳,材料在低于s重复交变应力作用下发生断裂的现象. 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,疲劳断口,通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,轴的疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片）,五、硬度,硬度：材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。,布氏硬度：表示符号HB 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间, 如120HBS10/1000/30,洛氏硬度用符号HR表示。 根据压头类型和主载荷不同, 分为九个标尺, 常用的标尺为A、B、C。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法 维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,六、断裂韧性,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关 。,裂纹扩展的基本形式,断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。,b.工艺性能,工艺性能指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 工艺性能：铸造性能、焊接性能、顶气段性能、冷弯性能、冲压性能、锻造性能,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。,顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。,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。,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。,c.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。,1、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。,1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的一种工艺。,热处理,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。,-在机床制造中约6070%的零件要经过热处理。 -在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达7080 %。 -模具、滚动轴承100%需经过热处理。 -总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。,热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,2、热处理特点:,3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,4、热处理分类,依加热、冷却方式等不同，将热处理工艺分类如下：,热处理,普通热处理,表面热处理,其他热处理,退火 正火 淬火 回火,表面淬火感应加热、火焰加热 、电接,化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗、,渗其他元素等。,触加热等。,控制气氛热处理,真空热处理 形变热处理 激光热处理,退火,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。,1、退火目的：,调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,正火,正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到 Accm+30 50保温后空冷的工艺。,正火比退火冷却速度大。,正火的目的：, 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同. 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 普通件最终热处理.,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。,淬火,淬火是应用最广的热处理工艺之一。,淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.,真空淬火炉,回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。,回火的目的：,1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂. 2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、稳定尺寸。淬火M 和 A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。 4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。,表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,表面淬火目的：, 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。,火焰加热,感应加热,化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。,其他热处理,火焰加热: 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。,激光热处理: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,火焰加热,火焰加热示意图,激光表面热处理,常用的金属材料钢与铸铁,钢：,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。,合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,钢的分类：,1、按化学成分分类：,中碳钢 0.250.6%C 高碳钢 0.6%C,低合金钢 合金元素总量 5% 中合金钢 合金元素总量 510% 高合金钢 合金元素总量 10%,碳素钢,合金钢,低碳钢 0.25%C,2、按质量分类：,钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分类：,平炉钢转炉钢电炉钢,按 炉 别 分,沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应,镇静钢:脱氧充分，组织致密，成材率低.,半镇静钢：介于前两者之间。,发生沸腾。这种钢成材率高，但不致密.,按脱氧程度分,特殊镇静钢,平炉炼钢,转炉炼钢,4、按金相组织分,珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢,按正火组织分,亚共析钢共 析 钢过共析钢,按退火组织分,5、按用途分,工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆,渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢耐 磨 钢,机器用钢,结 构 钢,刃具钢模具钢量具钢,工 具 钢,不锈钢耐热钢,特 殊 性能 钢,铸铁,铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。,铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。,铸铁分为:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。,石墨以片状形态存在的铸铁称为灰铸铁。由于片状石墨存在，其石墨尖端的应力集中现象，使灰铸铁的抗拉强度及塑性低。灰铸铁的牌号为HT后加三位数字。三位数字表示最低的抗拉强度（MPa）。例如HT200、HT250和HT300等共六种。,（1）灰铸铁,灰铸铁齿轮箱,石墨以团絮状的形态存在的铸铁称为可锻铸铁。由于团絮状石墨对应力集中影响较小，故可锻铸铁的力学性能较灰铸铁高。可锻铸铁的牌号为三个拼音字和二组数字：如KTH300-06、KTZ550-04。KT表示“可锻”，“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的拼音字首；前一组三位数表示最低的抗拉强度（MPa）；后一组数字表示最低伸长率（%）。,（2）可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,黑心可锻铸铁,石墨以球状形态存在的铸铁称为球墨铸铁。由于球状石墨的应力集中影响更小，故球黑铸铁的性能最好。球墨铸铁的牌号表示和可锻铸铁类似，就是把拼音字母改为“QT”。如QT450-10、QT600-3等。,（3）球墨铸铁,珠光体球墨铸铁,铁素体球墨铸铁,铁素体加珠光体球墨铸铁,