材料知识

常用金属材料的一般知识

常用金属材料的力学性能

所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

表示金属材料各项力学性能的具体数据是通过在专门试验机上试验和测定而获得的。

1、强度： 是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破裂的能力。抵抗能力越大，金属材料的强度越高。强度的大小通常用应力来表示，根据载荷性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。在机械制造中常用抗拉强度作为金属材料性能的主要指标。

（1）屈服强度 钢材在拉伸过程中当载荷不再增加甚至有所下降时，仍继续发生明显的塑性变形现象，称为屈服现象。材料产生屈服现象时的应力，称为屈服强度。

有些金属材料（如高碳钢、铸钢等）没有明显的屈服现象，测定很困难。在此情况下，规定以试样长度方向产生0.2%塑性变形时的应力作为材料的“条件屈服强度”，或称屈服极限。用σ0.2表示。

屈服强度标志着金属材料对微量变形的抗力。材料的屈服强度越高，表示材料抵抗微量塑性变形的能力越大，允许的工作应力也越高。

（2）抗拉强度 钢材在拉伸时，材料在拉断前所承受的最大应力，称为抗拉强度。用符号σb表示。其计算方法如下：

σb=Fb/S0

式中Fb——试样破坏前所承受的最大拉力，N；S0——试样原始横截面积，mm²。

抗拉强度是材料在破坏前所能承受的最大应力。σb的值越大，表示材料抵抗拉断的能力越大。它也是衡量金属材料强度的重要指标之一。其实用意义是：金属结构件所承受的工作应力不能超过材料的抗拉强度，否则会产生断裂，甚至造成严重事故。

2、塑性: 断裂前金属材料产生永久变形的能力，称塑性。一般用拉伸试棒的延伸率和断面收缩率来衡量。

(1)延伸率 试样拉断后的标距长度伸长量与试样原始标距长度的比值的百分率，称为延伸率，用符号δ来表示。其计算方法如下：

δ=(L1-L0)/ L0×100％

式中L1——试样拉断后的标距长度，mm；L0——试样原始标距长度，mm。

（2）断面收缩率 试样拉断后截面积的减小量与原截面积之比值的百分率，用符号Ψ表示。其计算方法如下： ψ=(S0-S1)/ S0×100％

式中S0——试样原始截面积，mm²；S1——试样拉断后断口处的截面积，mm²。

δ和Ψ的值越大，表示金属材料的塑性越好。这样的金属可以发生大量塑性变形而不破坏。

（3）冷弯试验 在船舶、锅炉、压力容器等工业部门，由于有大量的弯曲和冲压等冷变形加工，因此常用冷弯试验来衡量材料在室温时的塑性。将试样在室温下按规定的弯曲半径进行弯曲，在发生断裂前的角度，叫做冷弯角度，用α表示，其单位为度。

冷弯角度越大，则钢材的塑性越好。

3、硬度 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度是衡量钢材软硬的一个指标，根据测量方法不同，其指标可分为布氏硬度（HBS）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）。依据硬度值可近似地确定抗拉强度值。

4、韧性 金属材料抗冲击载荷不致被破坏的性能，称为韧性。它的衡量指标是冲击韧性值。冲击韧性值指试样冲断后缺口处单位面积所消耗的功，用符号αk表示。αk值越大，材料的韧性越好；反之，脆性越大。材料的冲击韧性值与温度有关，温度越低，冲击韧性值越小。

5、疲劳强度 金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不致破坏的最大应力，称为疲劳强度。实际上并不可能作无数次交变载荷试验，所以一般试验时规定，钢在经受106～107次，有色金属经受107～108次交变载荷作用时不产生破裂的最大应力，称为疲劳强度，符号是σ-1。

6、蠕变 在长期固定载荷作用下，即使载荷小于屈服强度，金属材料也会逐渐产生塑性变形的现象称蠕变。蠕变极限值越大，材料的使用越可靠。温度越高或蠕变速度越大，蠕变极限就越小。

常用金属材料的牌号、性能和用途

一、碳素结构钢的牌号、性能和用途

碳素钢简称碳钢，是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢中除含有铁、碳元素外，还有少量硅、锰、硫、磷等杂质。碳素钢比合金钢价格低廉，产量大，具有必要的力学性能和优良的金属加工性能等，在机械工业中应用很广。

1、分类 常用的分类方法有以下几种：

（1）按钢的含碳量分类

①低碳钢 含碳量<0.25%；

②中碳钢 含碳量0.25%～0.60%；

③高碳钢 含碳量＞0.60%。 （2）按钢的质量分类 根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为：

①普通质量钢 S≤0.05%，P≤0.045%；

②优质钢S≤0.035%，P≤0.035%；

③高级优质钢S≤0.025%，P≤0.025%。

④特级质量钢S<0.015%，P<0.025%。

（3）按钢的用途分类

①结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其含碳量一般都小于0.70%。

②工具钢 主要用于制造各种刀具、模具和量具，其含碳量一般都大于0.70%。

2、普通碳素结构钢 因价格便宜，产量较大，大量用于金属结构和一般机械零件。

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。

3、优质碳素结构钢 一般用来制造重要的机械零件。使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢平均含碳量的万分之几，例如45表示平均含碳为0.45%的优质碳素结构钢。

优质碳素结构钢根据钢中含锰量不同，分为普通含锰钢（Mn<0.80%）和较高含锰量钢（Mn=0.70%～1.20%）两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”或汉字“锰”。若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的某些专用钢，则在牌号后面标出规定的符号。

08～25钢含碳量低，属低碳钢。这类钢的强度、硬度较低，塑性、韧性及焊接性良好，主要用于制作冲压件，焊接结构件及强度要求不高的机械零件及渗碳件。

30～55钢属于中碳钢。这类钢具有较高的强度和硬度，其塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低，切削性能良好。这类钢经调质后，能获得较好的综合性能。主要用来制造受力较大的机械零件。

60钢以上的牌号属高碳钢。这类钢具有较高的强度、硬度和弹性，但焊接性不好，切削性稍差，冷变形塑性低。主要用来制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件。

含锰量较高的优质碳素结构钢，其用途和上述相同牌号的钢基本相同，但淬透性稍好，可制作截面稍大或要求力学性能稍高的零件。

二、合金钢的牌号、性能和用途

合金钢是在碳钢的基础上，为了获得特定的性能，有目的地加入一种或多种合金元素的钢。加入的元素有硅、锰、铬、镍、钨、铝、钒、钛及稀土等元素。

1、分类及编号

（1）按用途分类 合金结构钢 用于制造机械零件和工程结构的钢；

合金工具钢 用于制造各种加工工具的钢；

特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

（2）按所含合金元素总含量分类

低合金钢 合金元素总含量＜5%；

中合金钢 合金元素总含量5%～10%；

高合金钢 合金元素总含量＞10%。

2、合金钢的性能特点

（1）普通低合金结构钢 普通低合金结构钢虽然是一种低碳(C>0.02%)，低合金（一般合金元素总量<3%）的钢，由于合金元素的强化作用，这类钢比相同含碳量的碳素结构钢的强度（特别是屈服点）要高得多，并且有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性。广泛用来制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、输油（气）管道和大型钢结构。

（2）不锈钢 不锈钢是具有抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的不锈耐酸钢的统称。通常是在大气中能抵抗腐蚀作用的钢，称不锈钢。在较强腐蚀介质中能抵抗腐蚀作用的钢，称耐酸钢。要达到不锈耐蚀的目的，必须使钢的含Cr≥13%。

2、铜及铜合金

（1）纯铜 纯铜是紫红色，故又称紫铜。具有以下的特点：①密度为8.9×103kg／m3，熔点 1083℃；②具有很高的导电性、导热性和良好的耐蚀性；③强度低（σb=200N／mm²～250N／mm²），硬度不高（35HBS），但具有良好的塑性，易于热压或冷加工。工业纯铜广泛用来制造电线、电缆、电刷铜管及电气设备零件等。

（2）铜合金 工业上广泛应用的是铜合金，其分类如下：

①黄铜 是以锌为主加元素的铜合金。它在工业中得到广泛的应用，具有良好的力学性能，便于加工成型。

②青铜 铜与除锌、镍以外的元素组成的合金统称为青铜。它具有较高的导电性、导热性、良好的加工性和耐腐蚀性能。

3、钛及钛合金 由于它的密度小而强度高，高温强度好，低温韧性优异，耐热性和耐蚀性好，加上资源丰富，近年来已成为航空、宇航、化工、造船及国防等工业部门广泛应用的结构材料。

纯钛具有两种同素异构结构，可通过热处理方式提高其强度。塑性也极好，适宜于进行压力加工。

钛合金是指以钛为基体加入铝、锡、铬、锰、钒、钼等元素所形成的合金。根据其退火状态的组织不同，可分为三类，即；α型钛合金，β型钛合金和α＋β型钛合金。目前，广泛应用的是α型和α+β型钛合金。

金属学及热处理的一般知识

金属晶体结构的一般知识

一、晶体结构

1、晶体与非晶体 在物质内部，凡是原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如普通玻璃、松香等，都属于非晶体。相反，凡是原子作有序、有规则排列的称为晶体。大多数金属和合金都属于晶体。凡晶体都具有固定的熔点，其性能呈各向异性，而非晶体则没有固定熔点，而且表现为各向同性。

2、晶格与晶胞 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连结起来，就构成有明显规律性的空间格子。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。（P34图）

3、常见的三种金属晶格类型

（1）体心立方晶格

（2）面心立方晶格

（3）密排六方晶格

4、金属的结晶及晶粒度对力学性能的影响 金属由液态转变为固态的过程叫结晶。这一过程是原子由不规则排列的液体逐步过渡到原子规则排列的晶体的过程。金属的结晶过程由晶核产生和长大这两个基本过程组成。

在金属的结晶过程中，每个晶核起初都自由地生长，并保持比较规则的外形。但当长大到互相接触时，接触处的生长就停止，只能向尚未凝固的液体部分伸展，直到液体全部凝固。这样，每一颗晶核就形成一颗外形不规则的晶体。这些外形不规则的晶体通常称为晶粒。晶粒的大小对金属的力学性能影响很大。晶粒越细，金属的力学性能越高。相反，若晶粒粗大，力学性能就差。晶粒大小通常分为八级，一级最粗，八级最细。晶粒大小与过冷度有关，过冷度越大，结晶后获得的晶粒就越细。“过冷度”是指理论结晶温度和实际结晶温度之差。

二、同素异构转变

l、同素异构转变 有些金属在固态下，存在着两种以上的晶格形式。这类金属在冷却或加热过程中，随着温度的变化，其晶格形式也要发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。