汽车金属材料基础知识

(2) 金属化合物 定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性
能均不同于任一组元的合金固相。 对合金性能的影响：金属化合物具有较高的熔点、较高
的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。它的出现可提高 合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。如Fe3C
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(3) 机械混合物 是由两种单相固溶体或固溶体与化合物组成的一种复相
物，两相各自保持独立的晶格结构，不互溶，不化合，作为 一种金相组织出现在合金中。
机械混合物的性能取决于两相的相对含量及组成相的大 小和形状。
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二、金属热处理简介
（一）概述
金属热处理是将金属放在一定的介质中，以预定的速度 加热到预定的温度，保温预定的时间后，以预定的方式冷却 到室温的一种热加工工艺。
螺形位错
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(3) 面缺陷：缺陷呈面状分布，通常是晶界和亚晶界。
晶界 界
亚晶
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小结
金属晶体缺陷对性能的影响 1．点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服
强度增加，密度发生变化。 2．线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错
极少时，金属强度很高；位错密度越大，金属强度也会提高。 3．面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越
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第一节 金属学与热处理基础知识
一、金属与合金的晶体结构与结晶
固体物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体和 非晶体两大类。原子按一定的几何形式周期性重复排列而 成的固态物质称之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固 态物质称为非晶体。
晶体的原子（基本质点）在空间排列是有一定规律的。 固体金属均是晶体，有规则的外形，固定的熔点，有 各向异性。
“力学性能试验”——金属材料——晶体
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（一）晶体结构的基础知识
1 晶体中原子排列
2 晶格
3 晶胞
晶格的概念： 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了便于理解，
把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律堆 积而成的物体。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，用假想的线将这些连接起来，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空间 格架叫做晶格。
坏，或不导致不可逆的永久变形的能力，它取决于材料本身的性能和具体的 变形条件。评价成形性的试验有：顶锻、弯曲、反复弯曲、杯突，管子的扩 口、缩口、压扁、卷边，线材的扭转；n值、r值。
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第三节 金属材料的分类
金属材料是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，包括黑色金属和有色金属。
→ “力学性能试验”——力学性能、成形性
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一、强度：强度是结构材料，尤其是结构钢最基本的性能要求。结构钢一
般按屈服强度或抗拉强度来划分等级。零件用材料的屈服强度作为衡量材料 承载和安全的主要判据，并以屈服强度进行强度设计。通常，材料是不允许 超过期屈服强度的载荷下工作的。
二、塑性：钢一般要求具有一定的延展能力，即塑性，以保证加工的需要
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晶粒大小对金属力学性能的影响：在一般情况下，晶粒愈 小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。为提高金属力学性能， 需要细化晶粒。
晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率N愈高， 晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。
铸造生产中，常用以下方法细化液态金属结晶的晶粒。 (1) 增加过冷度 (2) 变质处理 (3) 附加振动
和结构的安全使用。断后伸长率和断面收缩率是材料最重要的塑性指标。
三、硬度：硬度是材料表面抵抗另一种物体压入时所产生的塑性变形抗力
的大小。常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。
四、韧性：为防止结构材料在使用状态下脆性断裂，要求材料在弹性变形、
塑性变形、和断裂过程中吸收较大的能量，即韧性。
五、成形性：材料的塑性和成形性都是表征其在外力作用下连续性不被破
——黑色金属：钢和铁（如碳素钢、合金钢、铸钢、铸 铁以及以铁为基的粉未冶金件）
——有色金属：轻有色金属（如铝、镁及其合金）、重 有色金属（如铜、镍、锌、铅及其合金）、贵金属（如铂、 铑和银）和稀有金属等。
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一、铸铁分类
按化学成分分： 普通铸铁 合金铸铁
按生产方式和组织性能分： 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 特殊性能铸铁（耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁）
冷却速度越大，过冷度就越大， 金属的实际结晶温度就越低。
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2 纯金属的结晶过程
金属的结晶包括晶核的产生和晶核长大两个基本过程， 并且是这两个过程同时进行的。
纯金属的结晶过程： 液态金属中存在有序排列的原子小 集团，随原子的热运动，这些小集团时聚时散，当温度低于 T0时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶 核”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向以不同的速度 长大，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最 快，生成晶体的主干，又称一次晶轴。金属的结晶过程就是 不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长 大两个基本过程组成的。
（二）热处理工艺
GB/T 12603-2005 金属热处理工艺分类及代号
普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火（感应淬火、火焰淬火）、化学热
处理（渗碳、氮化、碳氮共渗） 其他热处理：可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、
激光热处理
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普通热处理：是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却， 以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。 钢铁普通热处理：退火、正火、淬火、回火 ——退火：将工件加热至适当温度保温，再缓慢冷却（一般 随炉冷却），获得的组织接近平衡组织。
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二、钢分类
钢的分类方法很多，按国际惯例，主要有按化学成分分类和 按主要质量等级和主要性能或使用性能分类两种。 按化学成分钢分：非合金钢、低合金钢和合金钢。
GB/T 13304.1-2008 钢分类 第1部分：按化学成分分类
（主要内容保持与GB/T 13304-1991中第一部分一致的前提下，修改采用ISO 4948-1： 1982 钢 分类 第1部分：按化学成分分为非合金钢和合金钢 ）
目的：降低脆性，减少或消除淬火应力，防止变形和开裂， 获得所需要的力学性能。 → 调质处理：淬火和高温回火结合，称为调质处理。获得良 好的综合力学性能。
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第二节 结构材料对力学性能的要求
——材料的性能从技术角度上讲主要分为材料的使用性能和 工艺性能。使用性能包括力学性能（如强度、韧性、塑性 等）、化学性能（如抗氧化性、耐腐蚀性等）、物理性能 （密度、导电性等）。工艺性能是材料实现其使用性能的可 能性和可行性，对金属材料其包括铸造性、成形性、焊接性、 切削加工性、热处理工艺性等。 ——金属材料按使用性能可分为结构材料（主要利用材料的 力学性能）和功能材料（主要利用材料的物理和化学性能）。
间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶 剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 例如：Fe 与 C、N 、 O 、H 形成间隙固溶体。
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固溶体的性能：与基体金属相比，强度硬度增加，塑性 韧性降低，电阻、矫顽力增加。
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料 强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一。
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二、铸钢牌号表示方法
GB/T 5613-1995 铸钢牌 号表示方法
高，金属塑变的能力越大，塑性越好。（细晶强化）
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（三）金属的结晶
1 结晶的概念 从状态看：结晶通常是指金属自液态转变为固态的过程。 从金属学观点：结晶则是指物质的原子从近程有序过度
到远程有序结构的过程。
过冷现象：金属的实际结晶温度 （T1）低于理论结晶温度(T0)的现象， 即在T0以下金属仍处于液态的现象。 理论结晶温度和实际结晶温度的差称 为过冷度△T 。
GB/T 13304.2-2008 钢分类 第2部分：按主要质量等级和 主要性能或使用特性的分类
（主要内容保持与GB/T 13304-1991中第二部分一致的前提下，修改采用ISO 4948-2： 1981 钢 分类 第2部分：非合金钢和合金钢按主要质量级别和主要性能或使用特性的分 类》
（原标准：GB/T 13304-1991 钢分类）
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三、有色金属分类
——按合金系统分： 轻有色金属（如铝、镁及其合金）、重有色金属（如铜、镍、 锌、铅、锡及其合金）、贵金属（如铂、铑和银）和稀有金 属等。
——按用途分： 变形合金（压力加工用合金）、铸造合金、轴承合金、硬质 合金、焊料、中间合金等。
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第四节 常用金属材料牌号表示方法
一、钢铁产品牌号表示方法 （一）基本原则
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晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选 取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（最小 的周期性变化单元），它有很高的对称性。
——晶格常数
金属中三种典型的晶格： ——体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格
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——体心立方晶格： α-Fe ——面心立方晶格： Al、Cu、Pb、γ-Fe ——密排六方晶格： Mg、Zn
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小结
原子按一定的几何形式周期重复排列而成的固态物质称 之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固态物质称为非晶体。 金属晶体是依靠各正离子与公有自由电子间的引力，即 金属键而结合起来。 描述晶体中原子排列的几何形状和规律，实际研究中常 引用晶格和晶胞的概念。
常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和 密排立方晶格。
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金属中缺陷的种类很多，根据晶体缺陷的几何特征，可 分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
(1) 点缺陷：缺陷呈点状分 布，常见的有晶格空位、间隙原 子等，使得周围原子发生撑开或 靠拢，晶格畸变。
置换原子
间隙原子