常用金属材料基础知识教材.pdf
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1、 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 100kg 载荷和直径 1.58mm 淬硬的钢球,求得的硬度,用于
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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形成低熔点(985)化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上,所
7、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。
8、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
9、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、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
10、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,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
11、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
12、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 钼对铁素体有固溶强化作用。提高钢热强性 抗氢侵蚀的作用。提高
13、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、氧都有极强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的
14、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 高温时,仍具有相当好的抗氧化性。由
15、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:低的屈服强度 高的延伸率 高的均匀伸长率
16、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
17、 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。为了达到改善钢的切削性的目的,这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件:在切削运动平面上,夹杂物必须作为应力集中源,从而引起裂纹和脆化切屑的作用。夹杂物必须具有一定的塑性,而不致切断金属的塑性流变,从而损害刃具的表面。夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。夹杂物必须具有光滑的表面,而不能在刃具的侧面作为磨料。钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂,例如 S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒)、Te(碲)等。硫是了解最清楚和广泛应用的易
18、削添加剂。当钢中含足够量的 Mn 时,S 的加入将形成 MnS 夹杂物。加 S 的碳钢可以提高切削速度25或更高,它取决于钢的成分和 S 的加入量。约 1体积份额的 MnS,可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS 夹杂物在切削剪切区作为应力集中源,可以起裂纹源的作用,并随后引起切屑断裂。因此,随着 MnS 体积份额的增加,切屑破断能力得到改善。MnS 夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为 MnS 薄层,这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦,导致切削温度和切屑力的降低,并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍,从而延长刃具的使用寿命。Pb 是仅次于 S 的常用易削添加剂。Pb 对切削加工性的有益效应,不
19、取决于 MnS 的存在,因而可以加到低 S 钢和加 S 钢中。在不添加 S 的钢中,Pb 以分散的质点形式分布于钢中。在加 S 钢中,Pb 首先与 MnS 结合。与 S 相似,Pb 可以作为内部润滑剂降低摩擦力,并转过来降低剪切抗力,并减小切屑与刃具的接触面积,从而降低刃具的磨损。近年来许多注意力已经转到通过 Ca 脱氧生产易削结构钢上。通过用 Ca-Si 和 Si-Fe 合金控制脱氧,可以形成特定的 CaO-MnO-SiO2-Al2O3 四元非金属夹杂物,它在机加工时,将在刃具磨损表面沉积为一个薄层(约 20m)。这种薄层是磨 损的障碍,因而可延长碳化物刃具的使用寿命。223 合金元素对钢的
20、焊接性的影响 钢的焊接性是一个很复杂的工艺性能,因为它既与焊接裂纹的敏感性有关,又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。一般认为,高强度低合金钢的焊接性是良好的,并且随含碳量的降低,焊接性得到改善。为此,国际焊接协会根据统计数据,采用碳当量为比较的基础,由加入的各元素来计算和评定钢材的焊接性能。其近似公式如下:碳当量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 式中:元素符号代表该元素重量百分比。碳当量越低,焊接性能越好。碳当量0.35%,焊接性能良好;碳当量0.4-0.5%,焊接就较困难。第 5 章:常用金属材料牌号表示方法 1生铁:11 炼钢生铁(即白口铁):炼钢生
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