金属材料的基本知识及性能.doc

第二章金展材料2.1、金属材料的基木知识一、金属材料的主要性能材料的性能直接影响到（材料加工成）产品的质量、寿命和加工成本，它是产品设计 时选材与拟定加工工艺方案的重耍依据金属的性能分：使用性能（机械性能、物理和化学性能等）、加工工艺性能（铸造性 能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等）1、金属材料的机械性能金展材料的机械性能时指：金属材料在外力作用下表现出来的变形和抗变形特性，是 材料抵抗外力作用的性能故又称力学性能它是金属材料的主要性能指标，是评价材 料质量的重要参数，也是选用材料的主要依据1）、静载荷下金属材料的机械性能：在缓慢加载条件下测得的金属材料抗变形和抗断 裂的能力，称为金属材料的静力强 度有：拉伸强度、压缩强度、弯曲 强度、剪切强度、扭曲强度通常以 拉伸强度为最基本的强度值• 弹性：拉伸曲线上OE段是一条直线，表明变形与拉力成正比，试样受力产生变形，在外力去除后迅速恢复原来的形状和尺寸为材料的弹性极限，单位为Mpa； 为材料的弹性极限载荷，单位为N； Fo为试样的原始横截而而积，单位为mn?•刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度E为弹性模量，相当于直线OE的斜率，单位为Mpa, 为应力， 为单位长度的变形 量。

E越大，表示材料的刚度越好，材料抵抗变形的能力越大，在一定的范围内材料的 弹性变形就越小•塑性：金属材料产生塑性变形而不断裂的能力塑性变形是指材料在受力超过弹性极限直到断裂前所产生的变形，是不能完全恢复到原始尺寸的变形分析拉伸图的ES段曲线，屈服现象• 强度：在外力作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力工程上最常用的是：屈服 强度和抗拉强度屈服强度：为屈服极限，单位为Mpa, Ps为屈服载荷，Fo为原始断面面积抗拉强度：为抗拉强度，单位为Mpa, Pb为最大载荷，Fo为原始断面面积•硬度：是金属材料抵抗外物床入的能力，也是材料抵抗局部变形的能力，是衡量材料软硬的性能指标有三种测量方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度（略）2） 、动载荷下金属材料的机械性能：一般来说，随着载荷速度的增加，材料的塑性下降，脆性增大，因此，通常不能简 单地用静态载荷的机械性能指标来衡量材料在工程上，冲击载荷是一•类重要的动载荷 形式，常用冲击韧性或冲击强度作为评价材料抵抗冲击载荷能力的指标3） 、交变载荷下金属材料的机械性能：常用疲劳强度来表示材料在交变载荷下的性能指标疲劳强度：材料或构件在无数 次重复交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。

国家规定：钢材经受106-107次，有色金属经受107-108次循环血不发生疲劳断裂的 最人应力，即为该材料的疲劳强度2、金属材料的物理和化学性能1） 、物理性能：比重、导热性、导电性、热膨胀性和磁性（铁磁性材料、顺磁性材料、 抗磁性材料）等2） 、化学性能：抵抗腐蚀和抗氧化性3、金属材料的工艺性能工艺性能：材料适应各种加工和工艺处理要求的能力加工工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能如铸造性能包含：液体的流动性、冷却吋的收缩、结晶吋的偏析等二、金属及合金的结构与结晶金属材料是金属及其合金的总称各种金属材料的性能于其内部组织结构的特征有 着直接的内在联系1、金属的结构和合金1）、金属的晶体结构体心立方晶格:（锯、钳、餌、帆等）面心立方晶格：（铝、铜、银、铅）质地软、延展性好、塑性好密排六方晶格：（皱、镁、锌、镉）体心立方晶胞示at图面心立方■胞却图密排六方晶格示意图2） 、结晶的过程结晶：金属及其合金从液态转变为尚体状态并形成结晶结构的过程结晶的过程：晶核长大晶粒的粗细影响到金属材料的各种性能，晶粒越细，则金属 的强度越高，综合性能越好3） 、金属的同素异构转变：因温度的变化出现晶体结构的转变。

体心、面心、密排）2、合金的结构•合金的概念：以一种金属为基础，加入一种或多种金属或非金属兀素，经过熔合而 组成的具有金属特性的材料•合金的结构：•固溶体：合金由液态结晶为固态时，由于各组元之间札I互溶解而形成的一种成分和性质均匀的新晶体•金属化合物：固液合金中，由于各组元之间相互作用而形成的一种具有特殊晶格 和明显金属特征的物质•机械混合物：由纯金属、固溶体、金属化合物混合而成3、铁碳合金的结构和状态图以铁为基础，由铁和碳两个组元组成的合金为铁碳合金1）、铁碳合金的基本组织• 铁索体：碳在ci-Fe中的固溶体称为铁索体，又称ci固溶体，体心立方晶格，于 工业纯铁接近，因此很少单独作为工程材料使用，而是钢的基木相•奥氏体：碳在Y-Fe |＞的固溶体称为奥氏体，乂称y固溶体，面心立方晶格，稳 定的奥氏体只存在于723度以上的高温合金中含碳量高，具有一定的强度和硬 度，塑性也很好，适合压力加工成型• 渗碳体：是由铁和6. 67%的碳形成的金属化合物，分子式为Fe晶格复杂，硬 而脆，是铁碳合金的重要强化相，是一个亚稳定化合物，在一定条件下可分解为 铁素体和石墨1400•珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。

珠光体组织致密，具有较高的强度、硬 度和一•定的塑性和韧性，是铁碳合金的重要组织•莱氏体：奥氏体和渗碳体的机械混合物2）、铁碳合金状态图合金状态图又称为合 金相图，是表示平衡状态 下，合金相或组织的组成 与温度、成分之间关系的 图形分析和解释铁碳合金相图）723C( %)三、钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下通过适当的加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构,从而获得所需要性能的一种加工工艺方法热处理工艺的主要过程就是：加热、保温和冷却，其中温度、保温时间、冷却速度是影响热处理效果的最主要因素简述热处理原理）常用热处理方法有:厂退火—正火热处理表面热处理一普通热处理一—淬火丄回火—表面淬火「化学热处理 形变热处理普通热处理加热、冷却过程示意图1、退火：是把钢加热到高于或低于临界温度，经保温、缓冷；从而得到接近于平衡 状态组织的一种热处理工艺作用：软化组织；降低破度；消除冷热加工的残余应力；均匀组织；改善加工 性能• 完全退火：把钢加热到临界温度以上20〜60度，经保温后随炉冷却至600度以下, 再空冷• 球化退火：把含碳量在0.77-2.11%的过共析钢加热到A以上20〜40度，经长吋间保温，然后随炉缓慢冷却或快速冷却 至An以下20度左右，进行等温转变， 使网状和片状渗碳体转变成球状。

去应力退火：以缓慢速度将钢加热到A】 以下，并保持一定吋间，然后再缓慢冷 却至室温2、 正火：也称常化或正常化是把钢加热到Acs以丄50〜100度，并适当保温后在 空气中进行冷却的热处理工艺3、 淬火：将钢加热到Ac】或Ac?以上30〜50度，保温后，根据钢的化学成分，选用 油、水或盐水等介质，进行加速冷却，从而得到马氏体（碳在铁素休中的过饱和 固溶体）组织的一种热处理工艺4、 回火：将淬火后的钢重新加热到低于A】的温度，保温后再冷却下来的-•种热处 理工艺表面热处理：1、 表面淬火：将工件表面有限深度范围加热到相变临界点以上，然后迅速冷却，使工件 表面形成一定厚度淬破层的一种热处理工艺有：感应加热表而淬火、火焰加热表而淬火2、 表面化学热处理：将工件放入一定的介质中加热和保温，使介质分解出的某些元素的 活性原子渗入到工件表层，从而改变表面层的化学成分和组织性能的热处理方法 有：渗碳、渗氮、碳氮共渗2.2钢铁材料一、 钢铁材料的生产1、 钢铁的生产•生铁的冶炼•炼纲（转炉炼纲、平炉炼纲、电炉炼纲）•轧钢冷扎：适用塑性好、尺寸小的线材、薄板热扎：适用扎制较大断面尺寸、報性差或要求变形量大的材料2、 钢材的品种和用途主要有：型材、板材、管材、线材四大类。

• 型材：圆钢（圆钉、螺丝、钢丝、焊条等）、方钢、扁钢、角钢（等边和不等边）、 六角和八角钢、工字钢、槽钢等•板材：• 厚钢板：厚度在4.5〜6（）mm,宽度在600〜3（）0（）mm,长度在1200〜12000mm• 薄钢板：厚度在0.2~4mm,宽度在500-1500mm,长度在500~4000mm,通常有 普通碳素钢薄板（也称黑铁皮）、普通低合金钢薄板、屋而薄板、镀锌薄板（也 称白铁皮）、电工用纯铁薄板、深冲压-用冷扎薄板、镀铅薄板、镀锡薄板（马口 铁）、搪瓷用热扎薄板、不锈钢耐酸薄板等钢带:热扎厚度在2〜6mm,宽度在20〜300mm,长度不小于4〜6mm；冷扎厚度在 0.05〜3.00mm,宽度在 5〜200mm•钢管：无逢钢管：常为圆形，也有方形、矩形、半圆形、六角形、椭圆形等异形焊逢钢管：有直逢和螺旋焊逢，是主要的钢管生产方式，成木低• 钢丝：普通钢丝、电工用钢丝、纺织用钢丝、弹簧钢丝、钢绳钢丝等二、 碳钢含碳量在2.11%以下的铁碳合金，又称碳素钢主要成分：铁、碳，含有少量的硫、磷、硅、猛加工容易、价格低廉，用途广泛常分为：低碳钢：碳含量在0.08-0.25%,塑性好，多用于焊接、冲压等。

中碳钢：碳含量在（）.25〜0.60%,具有一定的强度和韧性，常用作结构零件高碳钢：碳含量在0.60-1.40%,硬度高，多用作量具、工具和模具等三、 合金钢为了更好地改善钢的结构性能，在钢的冶炼过程中，加入某些合金元素，这类钢为合 金钢生产工艺复杂、成本高，具有特殊的使用用途常有：合金结构钢、合金工具钢、特殊用途钢等四、 铸铁是指含碳量在2.5〜4.0%之间的一种铁碳合金铸铁的分类：• 灰口铸铁：石墨呈片状，强度低塑性差HT15-33、HT20-40 （抗拉、抗弯强度）• 球墨铸铁：石墨呈球状，有较高的强度和塑性QT• 可锻铸铁：石墨呈团絮状，有一定的强韧性，实际上不可锻造，KT• 蠕墨铸铁：力墨呈蠕虫状，处于研究阶段其它合金（加入合金元索）铸铁：耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等2.3铝及铝合金铝及铝合金是工业中用量最大的有色金属材料，在自然界中分布极广，是地壳中储 量最丰富的元索之一一、 纯铝纯铝是一种银白色的轻金屈，比重小，导电性好，耐蚀性强；它为而心立方结构， 因而塑性好，易冷热成型，便于切削加工，可以制成各种形状的型材纯铝的铸造性能 很差，收缩率大，易出现气孔、缩松、夹渣、裂缝等缺陷。

纯铝按纯度分为高纯铝和工业纯铝，高纯铝的牌号为：L01〜L04四种，编号越大纯 度越高；工业纯铝分为：L1~L5五种，编号越大纯度越低二、 铝合金工业纯铝的硬度和强度都很低，通常使用的大都是铝合金，铝合金按其工艺特点分 为：铸造铝合金和变形铝合金1、 铸造铝合金铸造铝合金又称为生铝合金，H前常用的有：Al-Si. Al-Cu. Al-Mg. Al-Zn四个系 列，其中以Al・Si合金为最常见铸造铝合金的牌号用“ZL”來表示，例如：ZL101,第 一位数字表示铝合金的类别，“1”表示Al・Si、“2”表示Al・Cu、“3”表示Al-Mg. “4” 表示Al-Zn o铝硅合金：俗称硅铝明，低熔点，铸造性能好（流动性好、致密性较高、线收缩小、 不宜产生铸造裂纹）、较低的比重、较高的耐蚀性，适宜铸造较大型的铸件，如：内燃机 活塞、汽缸体、风扇叶、电机、仪表的外客等铝铜合金：可通过热处理来提高其强度、铸造性能好，加入Ni、Mn等元索可提高 其耐热性，具有很好的燃。