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金属材料基本知识
金属材料基本知识
一、基础术语:
1.1、黑色金属:
铁和铁的合金均称为黑色金属。
如钢、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。
铸铁:
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。
钢:
以铁为基础,以碳和其他元素为添加元素的合金。
如碳钢、低合金钢、合金钢、不锈钢等。
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、铝、锡、铅、锌等。
二、金属材料机械性能基础术语
2.1屈服点(σs):
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。
2.2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。
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。
2.4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。
2.5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。
2.6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。
2.7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。
2.8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。
2.9冲击韧性
是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。
冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的,摆锤冲断带有缺口的试样所消耗的功称为冲击吸收功(通常以KJ表示),冲击韧性=冲击吸收功/试样断口截面积。
在低温条件下做的试验称为低温冲击韧性。
对于压力管道、压力容器、低温产品的制造安装来讲,(低温)冲击韧性值是衡量材料是否符合要求的非常重要质量指标,相关标准规范都有明确的要求。
一般而言,冲击韧性值越高越好。
三、钢材的基础知识
3.1钢的分类
3.1.1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,较多应用于焊材方面,如H08A等)
3.1.2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%);如Q345、16MnR
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%)。
如12GrMoV
3)不锈钢
根据不锈钢中化学成分和金相组织的不同,可分为:
铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢以及奥氏体-铁素体双相不锈钢。
一般工业生产中最常用的是奥氏体不锈钢。
3.2钢材产品牌号的表示办法
3.2.1碳素结构钢:
表示方法:
Q+数字+(质量等级符号)+(脱氧方法符号)+(专门用途的符号)
①钢号冠以“Q”,代表钢材的屈服点;
②“Q”后面的数字表示屈服点数值,单位是MPa。
例如Q235表示屈服点(σs)为235MPa的碳素结构钢;
③必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。
质量等级符号分别为A、B、C、D。
脱氧方法符号:
F表示沸腾钢;b表示半镇静钢:
Z表示镇静钢;TZ表示特殊镇静钢,镇静钢可不标符号,即Z和TZ都可不标。
例如Q235-AF表示A级沸腾钢。
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。
3.2.2优质碳素结构钢
表示方法:
数字+(元素符号)+(脱氧方法符号)+(专门用途的符号)
①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,例如平均碳含量为0.20%的钢,钢号为“20”,它不是顺序号,所以不能读成20号钢。
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。
3.2.3合金钢
表示方法:
(专门用途符号)+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+(质量等级符号)+(专门用途符号)
①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,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“12CrMoV”和“12Cr1MoV”,前者铬含量为0.4-0.6%,后者为0.9-1.2%,其余成分全部相同。
当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时,在元素符号后面应标明含量,可相应表示为2、3、4……等。
例如18Cr2Ni4WA。
③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素,均属微合金元素,虽然含量很低,仍应在钢号中标出。
例如20MnVB钢中:
钒为0.07-0.12%,硼为0.001-0.005%。
④高级优质钢应在钢号最后加“A”,以区别于一般优质钢。
3.2.4低合金高强度钢
表示方法:
(专门用途符号)+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+(质量等级符号)+(专门用途符号)
①钢号的表示方法,基本上和合金结构钢相同。
②对专业用低合金高强度钢,应在钢号最后标明。
例如16Mn钢,用于桥梁的专用钢种为“16MnQ”,锅炉专用钢种为“16Mng”,压力容器的专用钢种为“16MnR”。
3.2.5不锈钢
①钢号中碳含量以千分之几表示。
例如“1Cr18Ni9Ti”钢的平均碳含量为0.12%,若钢中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之,例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。
②对钢中主要合金元素以百分之几表示,而钛、铌、锆、氮……等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。
3.2.6焊条钢
它的钢号前冠以字母“H”,以区别于其他钢类。
例如不锈钢焊丝为“H0Cr21Ni10”,可以区别于不锈钢“0Cr21Ni10”。
3.3各种化学成分对钢材性能的影响
3.3.1常存杂质元素对钢材性能的影响
钢除含碳以外,还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)等元素。
这些元素并非为改善钢材质量有意加入的,而是由矿石及冶炼过程中带入的,故称为杂质元素。
这些杂质对钢性能是有一定影响,为了保证钢材的质量,在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。
1)硫
硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。
它是钢中的一种有害元素。
硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。
而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。
含硫量愈高,热脆现象愈严重,故必须对钢中含硫量进行控制。
高级优质钢:
S<0.02%~0.03%;优质钢:
S<0.03%~0.045%;普通钢:
S<0.055%~0.7%以下。
2)磷
磷是由矿石带入钢中的,磷也是有害元素。
磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。
特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。
冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。
高级优质钢:
P<0.025%;优质钢:
P<0.04%;普通钢:
P<0.085%。
3)硅
硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。
硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去,因此硅是一种有益的元素。
硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。
镇静钢中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾钢中只含有0.03%~0.07%。
由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。
4)氧
氧在钢中是有害元素。
它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。
氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。
尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。
5)氮
铁素体溶解氮的能力很低。
当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200~300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。
钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除时效倾向。
6)氢
钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。
白点常在轧制的厚板、大锻件中发现,在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。
锻件中有了白点,使用时会发生突然断裂,造成不测事故。
因此,压力容器用钢,不允许有白点存在。
氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。
当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。
氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力,这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹,即白点。
3.3.2为了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。
现分别说明它们在钢中的作用。
1)硅
①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低;
②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比;
③耐腐蚀性。
硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。
含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。
缺点:
使钢的焊接性能恶化。
2)锰
①锰能提高钢的淬透性。
②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。
③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。
缺点:
①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;
②锰有促进晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。
这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服:
③当锰的质量分数超过1%时,会使钢的焊接性能变坏,
④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。
3)铬在钢中的作用
①铬可提高钢的强度和硬度。
②铬可提高钢的高温机械性能。
③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性
④阻止石墨化
⑤提高淬透性。
缺点:
①铬是显著提高钢的脆性转变温度
②铬能促进钢的回火脆性。
4)镍在钢中的作用
①可提高钢的强度而不显著降低其韧性;
②镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性;
③改善钢的加工性和可焊性;
④镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。
5)钼在钢中的作用
①钼对铁素体有固溶强化作用。
②提高钢热强性
③抗氢侵蚀的作用。
④提高钢的淬透性。
缺点:
钼的主要不良作
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