常用金属材料的知识

第三节 常用金属材料的知识,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,1、弹性和刚度2、强度与塑性3、冲击韧性4、疲劳5、硬度6、断裂韧性,一、 金属材料的力学性能,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。,五万吨水压机,1、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。,2、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：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：,断面收缩率 ：,拉伸试样的颈缩现象,伸长率 ：,3、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)。,4、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.,5、硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。1、布氏硬度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,表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度压痕,2、洛氏硬度,洛氏硬度计,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002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。,洛氏硬度测试示意图,3、维氏硬度,二、金属材料的工艺性能,1、切削加工性能 HB180-200切削性好2、铸造性能 流动性、收缩性、偏析,3、 金属的可焊性,是指被焊金属材料在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。,金属的可焊性主要与下列因素有关: 1、材料本身的成分组织； 2、焊接方法； 3、焊接工艺条件； 碳当量CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+ V) /5+ (Ni+Cu)/15,碳当量CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+ V) /5+ (Ni+Cu)/15,用于对碳钢和低合金钢淬硬及冷裂倾向的估算根据经验：碳当量CE 0.6时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接性不好。,三、 钢的分类及编号,（一）、钢的分类1、按化学成分分,2、按质量分钢的质量是以磷、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,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,（二）、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 (表示平均含碳量的万分之几) 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,* 说明: 通常情况下, 屈服强度值小于300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0.45%) 的优质碳素结构钢。,3、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片, 当1.0%>平均含碳量0.1%时, 用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.1%>含碳量上限> 0.03%时, 以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限>0.01%时（超低碳）, 以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）, 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。,汽轮机叶片,四、不同材料的焊接特点,(一)低碳钢的焊接性,焊接时有以下特点：1、可装配成各种不同的接头，适应各种不同位置的施焊，且焊接工艺和技术较简单，容易掌握。2、焊前一般不需预热。3、塑性较好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制造各类大型结构件和受压容器。4、不需要使用特殊和复杂的设备，对焊接电源没有特殊要求，交直流弧焊机都可以焊接。对焊接材料也无特殊要求，酸性碱性都可。5、低碳钢焊接时，如果焊条直径或工艺参数选择不当，也可能出现热影响区晶粒长大或时效硬化倾向。焊接温度越高，热影响区在高温停留时间越长，晶粒长大越严重。,低碳钢焊接工艺要点,（1）、焊前清理 （2）、深而窄坡口形式 （3）、刚性增大，宜选用低氢型焊条和严格工艺措施 （4）、严寒时，低氢型焊条和严格工艺措施,（二）中碳钢的焊接性,中碳钢的含碳量为0.25%0.6%，与低碳钢相比，含碳量较高。随着钢中质量分数的增加钢材的强度和硬度增加，塑性和韧性下降，焊接性变差。主要焊接缺陷是： 热裂纹、冷裂纹、气孔和接头脆性，有时热影响区的强度还会下降。,3、中碳钢焊接工艺要点,1）坡口制备 为减少熔合比，一般采用U形或V形坡口，并将坡口两侧的油污和铁锈等清除干净。（2）预热 预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法。通常35、45钢预热150250。刚性很大时，提高到250400。（3）焊接电源 一般选用直流弧焊电源的反极性，降低裂纹倾向和气孔。（4）焊后热处理 600800消除应力热处理。采取保温、缓冷措施，以减少裂纹的产生。（5）采用低氢焊接工艺应当尽量选用低氢型焊材；焊前严格清理；烘干焊条；采用窄焊道、短弧操作方法。（6）多层多道焊，前几层采用小电流、慢速焊，中间层采用较大线能量。,（三）高碳钢的焊接性,化学成分及种类：高碳钢的含碳量大于0。6%，包括碳素结构钢、碳素钢铸件及碳素工具钢等。焊接性：焊接性很差，焊后很易产生硬脆的高碳马氏体，淬硬倾向和裂纹敏感倾向大。焊接应用：用于高硬度或耐磨部件或零件，大多是焊补修理。焊接操作：焊前退火：减少裂纹焊后再回火：达到高硬度和耐磨要求。,（四）热轧及正火钢的焊接性,属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低，总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也会变差，使热影响区母材性能下降，产生焊接缺陷,热轧及正火钢的焊接焊接缺陷,1、粗晶区脆化 热影响区中被加热到1100以上的粗晶区是焊接接头的薄弱区。热轧及正火钢焊接时，如热输入过大或过小都可能使粗晶区脆化。2、冷裂纹 热轧钢虽然含少量的合金元素，但其碳当量比较低，一般情况下其冷裂倾向不大。3、热裂纹 一般情况下，热轧正火钢的热裂倾向小，但有时也会在焊缝中出现热裂纹。4、层状撕裂 大型厚板焊接结构如在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。,（五）奥氏体不锈钢的焊接,1、奥氏体不锈钢的焊接性不锈钢中以奥氏体不锈钢最为常见，奥氏体不锈钢的塑性和韧性很好，具有良好的焊接性，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施。如果焊接材料选用不当或焊接工艺不合理时，会使焊接接头产生如下问题：,（六）铸铁的焊接性,灰口铸铁焊接性很差，一是焊接接头易出现白口及淬硬组织；二是焊接接头易出现裂纹。,（七）铝及铝合金的焊接性,铝及铝合金有易氧化、导热性高、热容量和线膨胀系数大、熔点低以及高温强度小等特点，因而给焊接工艺带来了一定困难。铝及铝合金的焊接存在的主要问题是 1.氧化 2.气孔 3.热裂纹4.塌陷5.接头不等强,（八）铜及铜合金的焊接性,1、焊缝成形能力差 熔化焊焊接铜及大多数铜合金时容易出现坡口焊不透和表面成形差的外观缺陷。原因：铜和大多数铜合金的导热系数比普通碳钢大711倍，铜在熔化温度时表面张力比铁小1/3，流动性比钢大11.5倍，表面成形能力较差。2、焊缝及热影响区热裂倾向大产生裂纹的主要原因是Cu2O生成低熔共晶。其次粗晶倾向严重。再次铜及铜合金的膨胀系数和收缩率较大，增加了焊接接头的应力，更增大了接头的热裂倾向。3、气孔倾向严重铜导热性好，焊接熔池凝固速度快，液态熔池中气体上浮的时间短来不及逸出，形成气孔。铜合金的气孔分两种类型：氢造成的扩散气孔、水蒸气造成的反应气孔。4、接头性能下降铜及铜合金在熔焊过程中，由于晶粒严重长大，杂质和合金元素的掺入，使合金元素氧化、蒸发，接头性能发生了很大的变化。如：塑性严重变坏，导电性下降，耐蚀性能下降。,