常 用 金 属 材 料 基 础 知 识 教 材

常 用 金 属 材 料 基 础 知 识 教 材
第1章：金属材料名称常用基础术语
1．基础术语：
黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。
纯 铁：纯度很高的铁，化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量<0.05%。纯铁是很软的，一般不应用到实际中。
铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。如钢和生铁。
生 铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。
白 口 铁：碳以Fe3C形态分布的生铁称为白口铁，其断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。
灰 口 铁：碳以片状石墨形态分布的生铁称为灰口铁，其断口呈银灰色，由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的易切削、耐磨和铸造性能等优点。但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。因此，通常把这种生铁叫做铸造生铁。
球墨铸铁：碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机械性能、加工性能接近于钢。
钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-1.2%）的铁碳合金称为钢。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。
有色金属：又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝等。
第2章：钢的分类基础知识
1．按品质进行分类
①普 通 钢：P≤0.045% S≤0.050%（如普通碳素结构钢Q195、Q235等）
②优 质 钢：P≤0.035% S≤0.035%（如优质碳素结构钢20号、45号钢等）
③高级优质钢：P≤0.035% S≤0.030%（比优质钢更优质，一般在钢号后加A以示区别，如08A等）
2．按化学成份进行分类
1）碳素钢：
①低碳钢：C≤0.25%
②中碳钢：C≤0.25~0.60%
③高碳钢：C≥0.60%
2）合金钢：
①低合金钢（合金元素总含量≤5%）；
②中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；
③高合金钢（合金元素总含量＞10%）。
3．按成形方法分类：
①锻钢
②铸钢
③热轧钢
④冷拉钢。
4．按金相组织分类
1）退火状态的：
①亚共析钢（铁素体+珠光体）；
②共析钢（珠光体）；
③过共析钢（珠光体+渗碳体）；
④莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。
2）正火状态的：
①珠光体钢
②贝氏体钢
③马氏体钢
④奥氏体钢。
3）无相变或部分发生相变的
5．按用途分类
1）建筑及工程用钢：
①普通碳素结构钢；
②低合金结构钢；
③钢筋钢。
2）结构钢
①机械制造用钢：
Ⅰ调质结构钢；
Ⅱ表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；
Ⅲ易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
②弹簧钢
③轴承钢
3）工具钢：
①碳素工具钢；
②合金工具钢；
③高速工具钢。
4）特殊性能钢：
①不锈耐酸钢；
②耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；
③电热合金钢；
④耐磨钢；
⑤低温用钢；
⑥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。
6．综合分类
1）普通钢
①碳素结构钢：
②低合金结构钢
③特定用途的普通结构钢
2）优质钢（包括高级优质钢）
①结构钢：
Ⅰ优质碳素结构钢
Ⅱ合金结构钢
Ⅲ弹簧钢
Ⅳ易切钢
Ⅴ轴承钢
Ⅵ特定用途优质结构钢。
②工具钢：
Ⅰ碳素工具钢
Ⅱ合金工具钢
Ⅲ高速工具钢。
③特殊性能钢：
Ⅰ不锈耐酸钢
Ⅱ耐热钢
Ⅲ电热合金钢
Ⅳ电工用钢
Ⅴ高锰耐磨钢。
8．按冶炼方法分类
1）按炉种分
①平炉钢：
Ⅰ酸性平炉钢
Ⅱ碱性平炉钢。
②转炉钢：
Ⅰ酸性转炉钢
Ⅱ碱性转炉钢
或Ⅰ底吹转炉钢
Ⅱ侧吹转炉钢
Ⅲ顶吹转炉钢。
③电炉钢：
Ⅰ电弧炉钢
Ⅱ电渣炉钢
Ⅲ感应炉钢
Ⅳ真空自耗炉钢
Ⅴ电子束炉钢。
2）按脱氧程度和浇注制度分
①沸腾钢
②半镇静钢
③镇静钢
④特殊镇静钢。
第3章：金属材料机械性能基础知识
1．1 金属材料机械性能基础术语：
1）屈服点（σs）：
钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，此时应力不增加或开始有所下降，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）
2）屈服强度（σ0.2）
有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。
3）抗拉强度（σb）
材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。
设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo （MPa）。
4）抗压强度（σlc）
材料试样受压力时，在压坏前所承受的最大应力。
5）抗弯强度（σcb）
材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。
4）伸长率（δs）
材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。
5）屈强比（σs/σb）
钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。
6）硬度
硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
①布氏硬度（HB）
　 以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 （N/mm2）。
②洛氏硬度（HR）
当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。
③维氏硬度（HV）
以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）
1．2 力学性能与可成形性及使用性能的关系
要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、深冲、张拉或这些成型方法的组合。
（1）薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点值过高，常常有可能发生过大的回弹、成形时容易破断，磨具磨损快以及由于塑性不良而出现缺陷。然而材料的屈服点小于140Mpa时，又可能经受不住成形过程中施加的应力，对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，通常要求具有比较低的屈服强度值，而且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。
（2）中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产生永久变形所需的应力愈小；伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致断裂。
（3）对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用途的钢材都要求规定抗拉强度、屈服强度的最小值或范围值。
（4）对用于承受冲击负荷变形，例如船舶、桥梁、石油、天然气管线用钢板，为防止其使用中发生脆性断裂，又要求其具有一定足够高的冲击韧性-冲击功值。