金属材料基础知识
金属材料基础知识
1、金属材料的机械性能的含义是什么？金属及合金的机械性能是指材料的力学性能，即受外力作用时所反映出来的性能。
它是衡量金属材料的重要指标。
2、金属材料的主要机械性能指标有哪些？金属材料的主要机械性能有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。
3、什么是弹性和韧性？金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后恢复原来的形状的性能，叫弹性；这种随着外力而消失得变形叫弹性变形，其大小与外力成正比。
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能，叫塑性。
外力消失时留下的这部分不可恢复得变形叫塑性变形，其大小与外力不成正比。
4、什么叫应力？什么叫应变？材料受到拉伸时单位截面上的拉力叫应力，用σ表示。
材料受到拉伸时单位长度上的伸长量叫应变，用ε表示。
5、什么叫弹性极限？材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力叫做弹性极限，用σb表示。
6、什么叫屈服极限？金属材料开始出现明显的塑性变形的应力叫做屈服极限，用示。
有些材料屈服极限很难测定，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限，用σ0.2表示。
7、什么叫刚度？刚度用什么来衡量？金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫刚度。
在弹性范围内，应力与应变的比值叫做弹性模数，弹性模数越大，刚度越大。
8、什么叫强度？强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
9、表示材料强度的指标有哪些？表示材料强度的指标有：1)、屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。
σs=P s/F0 (Pa)P s—试样产生屈服现象时所承受的最大外力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
2）、抗拉强度：金属材料在拉断前所承受的最大应力。
以σb表示。
σb=P b/F0 (Pa) P b—试样在断裂前的最大拉力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
10、什么叫硬度？金属材料抵抗更硬的物体压入其内部的能力叫做硬度。
11、衡量材料的硬度的指标有哪些？衡量硬度的指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度(HV)。
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金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料）1.意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
2.种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
3.性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为机械性能）。
金属材料基础知识
金属材料基础知识1. 引言金属材料是人类使用最广泛的材料之一，应用于各种领域，如建筑、航空、汽车、电子等。
本文将介绍金属材料的基础知识，包括金属的特性、组织结构、合金等方面。
2. 金属的特性金属具有许多独特的特性，如良好的导热性、导电性、延展性和塑性。
这些特性使得金属成为制造各种器件和构件的理想选择。
此外，金属还具有良好的强度和硬度，能够承受较大的载荷。
3. 金属的组织结构金属的组织结构是由金属原子的排列方式和晶体结构决定的。
常见的金属组织结构包括等轴晶粒、柱状晶粒和层状晶粒。
这些结构对金属的性能有着重要影响，不同的结构具有不同的力学性能和导电性能。
4. 金属的力学性能金属的力学性能包括强度、硬度、韧性和延展性等。
强度是指金属抵抗外力破坏的能力，硬度是指金属表面抵抗变形和划伤的能力，韧性是指金属在断裂前能吸收外部能量的能力，而延展性是指金属的拉伸或扭曲变形能力。
5. 金属的热处理金属的热处理是通过控制金属的加热和冷却过程来改变金属的性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火和回火。
退火可以提高金属的韧性和延展性，淬火可以提高金属的硬度和强度，回火可以降低金属的脆性。
6. 金属的腐蚀与保护金属容易遭受腐蚀，导致金属的性能下降甚至损坏。
为了保护金属材料，可以采取物理防护和化学防护措施。
物理防护包括涂层和电镀等，化学防护包括阳极保护和缓蚀剂等。
7. 合金的应用合金是由两种或更多种金属元素混合而成的材料。
通过改变合金的成分和比例，可以获得不同的性能。
合金常用于耐高温、耐磨损等特殊环境的应用，如航空发动机、汽车发动机等。
8. 小结金属材料是具有特殊特性和广泛应用的材料。
了解金属材料的基础知识对于正确选择和使用金属材料至关重要。
本文介绍了金属的特性、组织结构、力学性能、热处理、腐蚀与保护以及合金的应用等方面的知识，希望对读者有所帮助。
通过深入学习和研究金属材料，我们可以更好地利用金属的优势，推动技术和社会的发展。
金属材料学基础理论知识
晶格常数
金属在组成晶胞 后，晶胞的大小和形状 是不一样的，大小可用 棱边长度来表示，形状 可用棱边之间的夹角来 表示，它们统称为晶格 常数。
晶面与晶向
金属晶体中通过三个以上原子中心的 平面叫 作晶面，通过两个以上原子中心的直线叫晶向。
二 金属的晶格类型
体心立方晶格 属于这种晶体结构的 金属有α-Fe Cr V Nb W Mo等。
面心立方晶格 属 于这种晶体结构的金属 有α-Fe Ni Cu Al Ag 等。
密排六方晶格 属于这种晶体结构的 金属有Be Mg Zn αTi等。
原子个数计算
三 金属晶体缺陷
金属材料在冶炼后的凝固过程中受到 各种因素的影响，使本来该有规律的原子 堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中 出现了不规则现象，称为晶体缺陷。
在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形 突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大 的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集 结沟通将形成宏观裂纹。
因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是 有实际意义的。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展， 构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会 突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象， 称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当 承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明 显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地 分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙 的断裂区。
作用下试样的变形为ac，则弹性 变形和塑性变形分别为ab和 bc(如图1—2所示)。若卸载，弹 性变形ab将恢复，塑性变形6c被 保留，使试样的伸长只能部分地 恢复，而保留一部分残余变形 OD。当载荷达到ps时，在拉伸 曲线上出现锯齿或平台。即载荷 虽然保持不变或发生波动，而试 样继续伸长(变形量继续增加)， 这种现象称为屈服。由于在弹塑 性变形阶段有塑性变形的产生， 因此试样要继续变形，就必须不 断增加载荷。
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合金两类基本相：固溶体和金属化合物。
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固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化 合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持 另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶 体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
化合物：合金组元间发生化合作用，生成一 种具有金属性能的新的晶体固态结构。
硬度试验的方法很多，有压入硬度试 验法（如布氏硬度、洛氏硬度等）； 回跳硬度试验法(如肖氏硬度)等。
布氏硬度 HB
洛氏硬度HR 测量残余压入深度h 定义：每0.002mm相当于洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属、未淬火钢 ②HRC－－金刚石圆锥，大载荷，测较硬、淬硬钢制品 ③HRA－－金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件
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、树脂等， 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。绝大多数金属和合金 都属于金属晶体。
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2、晶体结构
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，就构成了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，叫做晶格。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。
b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速 工具钢。
c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合 金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。
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二、金属材料的性能 1、金属的物理性能 2、金属的化学性能 3、金属的力学性能 4、金属的工艺性能
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奥氏体的显微组织
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,它是渗碳体 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 它是渗碳体 和铁素体片层相间,交替排列形成的混合物 和铁素体片层相间 交替排列形成的混合物. 交替排列形成的混合物 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为 珠光体的含碳量为0.77%. 在缓慢冷却条件下 珠光体的含碳量为 由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的 混合物,所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 混合物 所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 性能.大体上是两者性能的平均值 大体上是两者性能的平均值,故珠光体的强度 性能 大体上是两者性能的平均值 故珠光体的强度 较高,硬度适中 具有一定的塑性.力学性能介于铁 硬度适中,具有一定的塑性 较高 硬度适中 具有一定的塑性 力学性能介于铁 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中， 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性 和韧性较好（ 和韧性较好（σb=770MPa、180HBS 、 、 δ=20%~35%、ak=24~32J）。 、 ）。
晶体结构的概念
晶体的内部原子是按一定几个规律排列的， 晶体的内部原子是按一定几个规律排列的，为 了便于理解，把原子看成是一个小球， 了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 为了形象的表示晶体中原子排列的规律， 为了形象的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接 将原子简化成一个点， 起来，构成有明显规律性的空间格架。 起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 晶格是由许多形状、大小、 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。 ，重复堆积而成的。能够完整的反映晶鸽特征的 最小几何单元称为晶胞。 最小几何单元称为晶胞。
金属材料基础知识
金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。
电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。
(三)焊接性能
• 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。
适用范围
HRC
120°金刚石圆 锥
150
HRB Φ1.588mm钢球
100
HRA
120°金刚石圆 锥
60
一般淬火钢等硬度较大材料
退火钢和有色金属等软材料
硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢
3．维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下：
1．拉伸试样
2．拉伸曲线
• 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。
拉伸曲线的形状与材料有关， 由图可见，在载荷小的oa阶 段，试样在载荷F的作用下 均匀伸长，伸长量与载荷的 增加成正比。如果此时卸除 载荷，试样立即回复原状， 即试样产生的变形为弹性变 形。当载荷超过b点以后， 试样会进一步产生变形，此 时若卸除载荷，试样的弹性 变形消失，而另一部分变形 则保留下来，这种不能恢复 的变形称为塑性变形。
(四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。
金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很பைடு நூலகம்易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。
第2章金属材料的基础知识
相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相 结构，分为固溶体和金属化合物。
组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。
金属材料的基本知识
金属材料在不同的使用场合下，所要求的力 学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各 不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同 状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性 能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的 不同。
2.1 金属材料的基础知识
按照物质原子在三维空间排列方式的不同， 材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。
3）面缺陷
面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸 很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类 缺陷主要是指晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐， 偏离其平衡位置，产生晶格畸变。
面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用， 强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越 细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。
（2）金属的实际晶体结构
在理想状态下，金属的晶体结构是原子排 列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称 为单晶体。
单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例 如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象 称为各向异性。
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成 的晶体。
晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体 构成的，这单晶体称为晶粒。
液体
2.1.1 纯金属的晶体结构与结晶
纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。 汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、 纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。
金属材料基础知识
金属材料基础知识金属材料基础知识金属材料分类（一）有色金属：除铁、铬、锰之外的其他金属属有色金属，包括铜及铜合金、铝及铝合金、其他合金（镁合金、钛合金、镍合金、铅合金、锌合金、硬质合金、锡合金等）。
（二）黑色金属：铁、铬、锰属此类，主要包括铸铁与钢两大类。
一般含碳量在0.0218C%以下的Fe-C合金称为纯铁；含碳量在0.0218C%-2.11C%之间的Fe-C合金称为钢；含碳量在2.11C%-4.33C%之间的Fe-C合金称为铸铁。
二、钢的分类（一）按用途分：包括建筑用钢、结构用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等）、工具钢（碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等）、特殊用钢（不锈钢、耐热钢、抗磨钢、磁钢等）。
（二）按化学成分分：1、碳素钢（低碳钢：碳含量≤0.25%；中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%/0.45%之间；高碳钢：碳含量>0.60%/0.45%）；2、合金钢（微合金化钢：合金元素含量在0.1%/B-0.001%；低合金钢：合金元素含量≤5%；中合金钢：合金元素含量在5-10%范围内；高合金钢：合金元素含量>10%）。
（此划分无严格的规定）（三）按质量分：1、普通质量钢（P≤0.040%，S≤0.050%）；2、质量钢（P≤0.035%，S≤0.035%）；3、优质钢（P≤0.025%，S≤0.025%）；4、高级优质钢（P≤0.025%，S≤0.015%）。
三、钢的编号（一）碳钢的编号1、碳素结构钢以钢材直径（或厚度）不大于16mm钢的屈服点（σs）数值划分，牌号由屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。
例：Q235-A.F，表示屈服点数值为235N/mm2的A级沸腾钢。
（1）、符号、代号的意义Q：钢屈服点；A、B、C、D：质量等级。
A、B、C为普通级，硫、磷含量依次降低；D为优质级；F：沸腾钢；b:半镇静钢；Z：镇静钢；TZ：特殊镇静钢。
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抗拉强度: 在拉断前试样所能承受的最大应力 为该试样的抗拉强度，用符号σb 表示，计算公式为。
σb=
Fb So
二、 塑性
➢概念
塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久性变形而不断裂的能 力。
➢ 衡量指标
伸长率：试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比 称为伸长率，用符号δ表示。计算公式为：
δ= l1 l0 ×100% l0
δ ψ
性能指标
名称
抗拉强度 屈服点 规定残余伸长应力
伸长率 断面收缩率
硬度 冲击韧性
HBS(HBW) HRC HRB HRA 标尺洛氏硬度值 A标尺洛氏硬度值 维氏硬度值
冲击韧度
疲劳强度 σ-1
疲劳极限
单位 MPa MPa MPa
J/cm2 MPa
含义
试样拉断前所能承受的最大应力 拉伸过程中，力不增加（保持恒定）试 样仍能继续伸长时的应力 规定残余伸长率达0.2%时的应力
部永久性积累损伤经一定循环次数后产生裂纹或突发完全断 裂的过程称为金属疲劳。
五、疲劳强度
➢疲劳破坏可分为微观裂纹、宏 观裂纹和瞬时断裂三 个过程。
五、疲劳强度
➢疲劳曲线 ：疲劳曲线是指交变应力σ与循 环次数N的关系曲线，如下图所示。
常用金属材料的力学性能指标及其含义
力学性能
符号
强度 塑性
σb σs σ0.2
0.1
e 0.2
一、强度—拉伸曲线
1.弹性变形阶段 2.屈服阶段 3.强化阶段 4.缩颈阶段
低碳钢的应力-应变曲线
一、强度—衡量指标
屈服点： 用符号σs表示，计算公式为
σs=
Fs So
式中：Fb——试样断裂前所承受的最大拉力， 单位为N；
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1．影响珠光体转变为奥氏体的因素: (1)温度的影响随温度升高，奥氏体形核率I及线长大速率u大大增加，从而促进了珠光体向奥氏体的转变。
(2)原始组织的影响珠光体有片状和粒状两种形态。
当钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体与渗碳体片层愈薄(片间距愈小)，它们的相界面愈多，则奥氏体的形核位置增多，形核率愈大；与此同时奥氏体中的碳浓度梯度愈大，碳扩散速率愈快，奥氏体线长大速率愈大。
因此细珠光体的奥氏体形成速率大于粗珠光体(见图4-13)，得到的奥氏体晶粒细小、成分均匀。
因此，对中、低碳钢，希望原始组织为细片状珠光体+细小块状铁素体。
若珠光体中的渗碳体为球状，因铁素体与渗碳体的相界面较片状减少，故将减慢奥氏体形成速率。
(3)合金元素合金元素的加入并不改变奥氏体的形成机制，但会影响奥氏体的形成速率。
主要表现在以下几个方面：1)合金元素一般将改变珠光体向奥氏体转变的临界点。
Ni、Mn、Cu等元素降低临界点，增加了过热度，使奥氏体形成速率加快；而Si、Al、Mo、W等元素则升高临界点，降低奥氏体形成速率。
2)合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速率，因而也影响奥氏体的形成速率。
Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速率，故加快了奥氏体的形成速率。
Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速率影响不大。
而Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速率，故大大降低奥氏体的形成速率。
3)合金钢中奥氏体的均匀化时间要比碳钢长得多，使得奥氏体的形成速率也大大降低。
所以，对不同的钢，形成奥氏体时所需要的保温时间也不一样。
保温时间愈长，溶入奥氏体的合金元素越多，淬透性愈好。
(4)含碳量共析钢奥氏体的形成速率最快。
这是因为对亚共析钢和过共析来说，除了完成珠光体向奥氏体转变之外，还需要完成铁素体或渗碳体转变。
2．晶粒度多晶体内的晶粒大小。
钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向又分成起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三种(1)起始晶粒度指P刚完全转变为A时的A晶粒度细小而均匀越细小越容易长大（2）实际晶粒度钢在某一具体的获得的A的实际晶粒度的大小取决于具体的加热温度和保温时间V一定时T越高t越长越粗（3）本质晶粒度钢在一定条件A晶粒长大的倾向与脱氧方法和化学成分有关3. 过热及校正加热转变终了时所得A晶粒度较细小但如果在转变终了继续升高温度，则A晶粒度继续长大如果仅仅是晶粒长大而未发生使晶界弱化的某些变化，则称为过热使得钢的强度韧性变坏校正办法重新加热到临界温度以上，再次通过加热转变以求得细小的起始A晶粒4.过热组织的校正：1)由于控温不当导致加热温度过高，在已经引起过热的情况下，应该采用较为缓慢的冷却以获得平衡组织，然后再次加热到正常温度即可获得细晶粒A 2)如果过热后仍进行淬火，得到粗大的不平衡组织，则应该采取以下办法a,采用中速加热以获得细小A 晶粒b，先进行一次退火以获得平衡组织，然后再进行加热。
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第一章 合金化原理主要内容 ：碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途1.2 钢的合金化原理：① Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响1.3合金钢的分类概念：⑴合金元素 ：特别添加 到钢中为了保证获得所要求的组织结构、 物理、化学和机 械性能的化学元素。
⑵杂质：冶炼时 由原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入 的化学元素。
⑶碳钢： 含碳量在 0.0218-2.11% 范围内的铁碳合金。
⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。
① 低合金钢： 一般指合金元素总含量小于或等于 5%的钢。
② 中合金钢： 一般指合金元素总含量在 5～10%范围内的钢。
③ 高合金钢： 一般指合金元素总含量超过 10%的钢。
④ 微合金钢： 合金元素（如 V,Nb,Ti,Zr,B ） 含量小于或等于 0.1%，而能显著影响 组织和性能的钢。
1.1 碳钢概论1. 锰（ Mn ）和硅（ Si ）⑴Mn ：W Mn ％＜0.8 ％ ①固溶强化 ②形成高熔点 MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减 少钢的热脆 （高温晶界熔化，脆性↑） ；⑵Si ：W Si ％＜0.5％ ①固溶强化 ②形成 SiO2 脆性夹杂物；⑶Mn 和 Si 是有益杂质 ，但夹杂物 MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降 。
2. 硫（S ）和磷（ P ）⑴S ：在固态铁中的 溶解度极小 ， S 和 Fe 能形成 FeS ，并易于形成 低熔点共晶 。
发生热脆 （ 裂） 。
⑵P ：可固溶于α -铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是 低温韧性 ，称为冷脆。
磷 可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能 。
⑶S 和 P 是有害杂质 ，但可以 改善钢的切削加工性能 。
3．氮（ N ）、氢（ H ）、氧（ O ）⑴N ：在α -铁中可溶解， 含过饱和 N 的钢析出氮化物—机械时效或 应变时效（经 变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变） 。
金属材料的基础知识
金属材料基础知识金属材料的基础知识一、金属材料的分类方法：金属材料分为两大类：即黑色金属与有色金属1、黑色金属元素：铁、锰、铬2、有色金属元素：除上述三种元素外，其余称为有色金属元素。
通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，以铁为基的合金称为钢，以其余金属元素为基的合金称为有色金属。
①按冶炼方法分类：工业用钢可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，每一类还可以根据炉衬材料不同分为碱性和酸性两类；电炉钢还可以分为电弧炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢和电渣炉钢。
②按用途分类：按钢用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢。
结构钢可分为两类，一类是建筑及工程用钢或构件用钢，另一类是机器制造用钢。
前者主要和做钢架、桥梁、钢轨、车辆、船舶、容器等，属于这类钢的有普通碳素钢和部分普通低合金钢，这类钢很大一部分做成钢板和型钢；后者主要用做各种机器零件，包括轴承、弹簧等。
工具钢分为量具刃具钢、冷模具钢、热模具钢、耐冲击工具用钢等。
特殊性能钢分为耐热钢（包括抗氧化和热强钢），不锈耐酸钢、电工用钢等。
③按金相组织分类：A按平衡状态或退火状态的组织分类，可分为亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢。
B按正火组织为类，可分为珠光体、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
但由于正火控冷的冷却速度随钢材尺寸不同而不同，所以这类分类方法不是绝对的。
C按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分类：可分为：铁素体钢：加热和冷却时，始终保持铁素体组织。
奥氏体钢：加热冷却时，始终保持奥氏体组织。
马氏体钢：钢加热奥氏体化后快速冷却中，在低温（奥氏体向马氏体转变开始温度Ms线之下）连续冷却时，过冷奥氏体组织转变为马氏体组织，室温时仍保持马氏体组织。
双相钢：室温时在固溶组织中铁素体和奥氏体相约各占一半或较少相的含量在30%以上，兼有铁素体组织和奥氏体组织。
二、金属材料的表示方法。
①钢的编号方法：根据国标GB/T221-2000《钢铁产品牌号表示方法》的规定，一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。
第01章 金属材料的基础知识-
非晶体
按一定的几何规律作周 期性排列而形成的聚集 状态； 非晶体 ：当原子 ( 或分 子)为无规则地堆积在一 起形成的一种无序的聚 集状态；
结构上：长程有序，短程有序； 性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
刚球模型；
空间点阵；
阵点/结点；
晶格；
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
Z
c
a
X b Y
晶格： 将空间点阵
用一系列相互平行的 直线连接起来形成的 空间格架。
a ，b ，c 晶格常数
晶胞 ：是组成晶格的
最基本的几何单元。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
7种晶系、14中布拉菲点阵
立方
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布氏硬度值是外力除以压痕球冠表 面积；
在实际操作中，不需计算，用刻度 放大镜测出压坑直径 d ，然后查表。
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布 氏 硬 度 压 痕
淬火钢球： 用 以 测 定 硬 度
<450的金属材料，硬度值用HBS表 示；
硬质合金球： 用以测定硬
坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲； 性能变化——电阻增大，密度减小，强度和硬 度提高，塑性和韧性下降。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷
晶体中的线缺陷是各种类型的位错；
位错 ：晶体中的一列或数列原子发
生有规律的错排现象；
刃型位错，螺型位错。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷——刃型位错
当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，
第一章 金属材料的基础知识
第一章金属材料的基础知识
在碳等元素氧化到规定范围后，钢液中 大量的氧在冷凝过程中将以FeO和Fe3O4等形 态析出，使钢的塑性差，轧制时易产生裂纹；
因此，炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂 （锰铁、硅铁和铝）除氧。
Si + FeO = SiO2 +Fe Mn + FeO = MnO + Fe
2Al +3 FeO = Al2O3 +3 Fe 达到要求后，把钢液铸成钢锭ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ轧成钢材。
炼钢生铁和铸造生铁都属于铸铁。
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。根 据碳在铸铁中存在的形式不同，铸铁分为 三种。
白口铸铁： 熔融状态的铁液，若快速冷 却Fe3C来不及分解而保留下来，铁的断口呈 白色。白口铁硬而脆、不宜加工一般用来 炼钢。故又称炼钢生铁。Fe-Fe3C状态图中 的亚共晶、共晶、过共晶合金即为此类铸 铁。
只有一种金属元素的物质叫纯金属
由两种或两种以上的金属元素（或 金属与非金属元素）熔合在一起形 成的具有金属特性的物质叫合金。
金属材料就是指金属及合金。
当各个金属原子相互在一起形成固体 时，各金属原子与其价电子脱离变成 正离子，按照一定的几何形式排列， 并在其占据的位置上作高频率的振动, 价电子呈自由电子的形式在各离子间 作高速穿梭运动，它们为整个金属公 有，形成“电子气”，金属固体就是 依靠这些公有化了的自由电子与各正 离子之间的引力结合而成。这种方式 叫“金属键”。
钢中不含有特意加入的金属元素，除铁碳外， 有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素。
合金钢：
在碳素钢的基础上，为改善钢的性能冶炼时 特意加入一种或多种合金元素炼成的钢。
3.按冶炼方法分类： 按炉别分：
转炉钢 转炉为梨形容器，因装料和出钢时需倾转炉体而得名。
金属材料基础知识
A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。
低温脆性
• 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态
的现象 。
• 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性
破坏的现象。 • 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
• 1.变动载荷 • ——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时
间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 • 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则
随机变动应力两种。
a)应力大小变化 b)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化
• 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U 型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至 高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下 落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为 mgH2。
• 所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。
求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。
冲击试验的应用
• 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断 抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、 石油射孔枪等，有一定的参考价值。
• 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由
强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于 零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料
σ0.2= F0.2/A0
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示 材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。
金属材料基础知识
金屬資料一、序目前廠內對各類金屬素材的使用有鐵合金(不鏽鋼系列)、銅合金(洋白銅、磷青銅)、鋁合金(鋁鎂合金)。
本報告的目的在於對上述合金，做全然資料的整理。
二、不鏽鋼不鏽鋼确实是基本不轻易生鏽的鋼，實際上一局部不鏽鋼，既能不鏽，又有耐酸性〔耐蝕性〕。
不鏽鋼的不鏽性和耐蝕性是由於其外表上的鉻氧化膜〔鈍化膜〕。
這種不鏽性和耐蝕性是相對的。
試驗讲明，鋼在大氣、水等弱介質中和硝酸等氧化性介質中，其耐蝕性隨鋼中鉻含量的增加而提高，當鉻含量達到一定的百分比時，鋼的耐蝕性發生突變，即從易生鏽到不易生鏽，從不耐蝕到耐腐蝕。
目前的化學元素有100多種，在工業中常用的鋼鐵材料中能够碰到的化學元素約二十多種。
對於人們在與腐蝕現象作長期鬥爭的實踐而形成的不鏽鋼這一特别鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的全然元素鐵以外，對不鏽鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。
這些元素中除碳、硅、氮以外，基本上化學元素週期表中位於過渡族的元素。
實際上工業上應用的不鏽鋼基本上同時存在幾種以至十幾種元素的，當幾種元素共存於不鏽鋼這一個統一體中時，它們的影響要比單獨存在時複雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注重它們互相之間的影響，因此不鏽鋼的組織決定于各種元素影響的總和。
不鏽鋼的分類按室溫下的組織結構分類，有馬氏體型、奧氏體型、鐵素體、雙相不鏽鋼和沉澱硬化不鏽鋼；按要紧化學成分分類，全然上可分為鉻不鏽鋼(Cr系)和鉻鎳不鏽鋼(Cr-Ni系)兩大系統；按用途分則有耐硝酸不鏽鋼、耐硫酸不鏽鋼、耐海水不鏽鋼等等，按耐蝕類型分可分為耐點蝕不鏽鋼、耐應力腐蝕不鏽鋼、耐晶間腐蝕不鏽鋼等；按功能特點分類又可分為無磁不鏽鋼、易切削不鏽鋼、低溫不鏽鋼、高強度不鏽鋼等等。
由於不鏽鋼材具有優異的耐蝕性、成型性、相容性以及在非常寬溫度範圍內的強韌性等系列特點，因此在重工業、輕工業、生活用品行業以及建筑裝飾等行業中獲取得廣氾的應用。
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金属材料基础知识
基本概念
• 工程材料分为： • 金属材料：黑色金属（铁、碳钢、合金钢）和有色金属材料（轻有色
金属、重有色金属、稀土金属）。
• 非金属材料：有机非金属材料（合成塑料、合成橡胶、合成纤维）、
无机非金属材料（陶瓷材料、玻璃材料、石墨及碳、木材、水泥、混
凝土等）、复合材料（树脂基复合材料、金属基复合材料、非金属基 复合材料 ）。
钢的分类
• 4、按用途分类 • (1)建筑及工程用钢 • a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。 • (2)结构钢 • a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、 渗氮钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷 冲压用钢、冷镦用钢。 • b.弹簧钢； c.轴承钢
钢的分类
1）压力容器用钢板 • 用大写 R在牌号尾表示，其牌号可用屈服点也可用含碳量或含合金元 素表示。如：Q345R，Q345为屈服点。再如：20R、16MnR、 15MnVR、15MnVNR、8MnMoNbR、MnNiMoNbR、15CrMoR 等均用含碳量或含合金元素来表示。 • 2）焊接气瓶用钢板
钢号表示方法
• 合金结构钢 • ①以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。 • ②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。 当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含 量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”， 例如钢号“12CrMoV1”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为
铸
铁
QT500-
• 球墨铸铁牌号有QT400-18、QT400-15、QT450-10、
7 、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2，球墨铸铁因抗拉强
度高，塑性、冲击韧性较好，并具有耐磨、减震、工艺性能好、成本 低等优点，现已广泛替代部分铸钢、锻钢件、如曲轴、连杆、轧辊、 汽车后桥等。 • 蠕墨铸铁RuT，如RuT400 ；耐磨铸铁MT如MT Cu1PTi-150 。 • 牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一 组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。
钢的分类
• (3)工具钢 • a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 • (4)特殊性能钢 a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀 钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e. 低温用钢；f.电工用钢。 • (5)专业用钢 如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农 机用钢等。
• 用大写HP 在牌号尾表示，其牌号可以用屈服点表示，如：Q295HP、
Q345HP ；也可用含合金元素来表示如：1板 • 用小写 g 在牌号尾表示。其牌号可用屈服点表示，如：Q390g；也可 用含碳量或含合金元素来表示，如20g、22Mng、15CrMog、 16Mng、19Mng、13MnNiCrMoNbg、12Cr1MoVg 等。
铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁以及可锻铸铁。
铸
• 铸铁牌号:
铁
• 灰口铸铁常见牌号有 HT100-260、 HT150-330、 HT200-400、
HT250-470、HT300-540、HT350-610、HT400-680 等
• 可锻铸铁牌号有KTH300-06、KTH330-08、KTH350-10、 KTH37012、KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02等。白心 可锻铸铁牌号有KTB350-04、KTB380-12、KTB400-05、KTB45007，黑心可锻铸铁主要用于制造汽车、拖拉机零件及机床附件、如轮 壳、弹簧支座、阀门等。
围测定分布氏硬度 （HBS、HBW）和洛氏硬度 （HRA、HRB、 HRC） • ⑷冲击韧性 （Ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米
金属材料性能
• 2、工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 • ⑴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
• ③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构
钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。
钢号表示方法
• 优质碳素结构钢 • ①以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢 号为“45”。 • ②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如 50Mn。 • ③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别 标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为 10b • 常见优质钢牌号有08F、10F、15F、45、50、55、60、65、70、75、 80、85、15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、 35Mn、40Mn、45Mn、 50Mn、60Mn、65Mn、70Mn 。
体固态结构。 • 机械混合物：由两种晶体结构组成的合金组成物，虽然是两种晶体， 却是一种组成成分，具有独立的机械性能。
金属材料性能
• 黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以 铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。习惯上把
碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。当铁中含
• 1、机械性能 （力学性能）：机械性能是指金属材料在外力作用下所 表现出来的特性。力学性能指标有：
• ⑴强度：材料在外力 （载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料
单位面积受载荷称应力。 • ①屈服点（б s）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力 达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L 时应力值，单位用牛顿/毫米（N/mm ）表示。
钢号表示方法
• 易切削钢 • ①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。 • ②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示， 例如平均碳含量为 0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。 • ③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例如“Y40Mn”。 • 易切削钢牌号有Y12、Y12Pb、Y15、Y15Pb 、Y20、Y30、 Y35 、 Y40Mn 、Y45Ca
• 4）桥梁用钢板
• 用小写q 在牌号尾表示，如Q420q、16Mnq、14MnNbq等。 • 5）汽车大梁用钢板 • 用大写 L 在牌号尾表示，如 09MnREL、06TiL、08TiL、10TiL、 09SiVL、16MnL、16MnREL等。
钢的分类
• 6、按冶炼方法分类 • (1)按炉种分 • a.平炉钢；b.转炉钢； c.电炉钢 • (2)按脱氧程度和浇注方法分 a.沸腾钢； b.半镇静钢； c.镇静钢； d. 特殊镇静钢。
• 固溶体：是一个 （或几个）组元的原子 （化合物）溶入另一个组元 的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分 间隙固溶体和置换固溶体两种。 • 固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸 变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
• 化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶
• ⑵抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。
铸
铁
• 铸铁是含碳大于 2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁 （部分炼钢生铁）
在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。根
据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸 铁及麻口铸铁。 • 灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这种铸铁具有一定的机械 性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造 中业获得最广泛的应用。灰铸铁：HT100、HT150、HT200、HT250、 HT300、HT350。灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸
金属材料性能
②抗拉强度（б b）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位
用牛顿/毫米（N/mm ）表示。
• ⑵塑性 • 延伸率（δ ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。 • 断面收缩率（Ψ ）：材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面 积百分比。
• ⑶硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范
≤0.035%）(3)高级优质钢 （P≤0.035%，S≤0.030%）
钢的分类
• 2、按化学成份分类 • (1)碳素钢：a.低碳钢 （C≤0.25%）；b.中碳（C≤0.25~0.60%）； c.高碳钢 （C≤0.60%）。 • (2)合金钢：a.低合金钢 （Me≤5%）；b.中合金钢 （ Me ＞5~10%） c.高合金钢 （ Me ＞10%）。 • 3、按成形方法分类 • (1)锻钢； (2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。
钢的分类
• 钢是含碳量在0.04%~2.11%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性， 含碳量一般不超过 1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、 硫、磷等。钢的分类方法多种多样，主要有如下几种： • • 1、按品质分类 按照钢中硫 （S）和磷 （P）的含量可分为普通钢、优质钢和高级优 质钢。 (1)普通钢 （P≤0.045%，S≤0.055%）(2)优质钢 （P、S 均
C 在 0.03%~1.2%范围时则为钢，含C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性， 一般不进行工业生产。材料的使用性能包括物理性能 （如比重、熔点、 导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能 （耐用腐蚀性、抗 氧化性），力学性能 （机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、
热加工方法的能力。
金属材料性能
基本概念
• 金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随 温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内 部原子具
有规律性排列的固体 （即晶体）。
• 合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的 物质。 • 相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。