对金属材料的基本认识

对金属材料的基本认识

作者：李志高

【摘要】金属材料之所以获得如此广泛的应用，除因冶炼铸铁和钢的铁矿石

在地壳中储存丰富外，主要是由于它具有制造机器所需要的物理、化学性能，并且还可以用简便的工艺方法加工成适用的机器零件，也即具有所需的工艺性能。熟悉金属材料的主要性能以及金属材料的成分，组织，性能之间的关系，以便根据零件的技术要求合理的选用金属材料。制造出高质量的机器，应用于日常生活中。

【关键词】金属材料性能铁碳合金刚的热处理工业用钢

【前言】机械制造中应用最广泛的是金属材料。一个国家金属材料的产量或

耗用量体现其国民经济发展水平。选出优良的金属材料，使得最终的产品能达到最高的质量，成了人们关注的焦点。这里主要介绍金属材料的主要性能及成分、组织、性能之间的关系。

一. 金属材料的主要性能

（一）力学性能

金属材料的力学性能又称机械性能，是金属材料在力的作用下所表现的性能。1．强度与塑性。金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种指标，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。塑性是金属材料在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。

2.硬度。金属材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力称为硬度。硬度是衡量金属软硬的指标。金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度（HB）和洛氏硬度法（HR）。

3.韧性。金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性，通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。

4.疲劳强度。承受循环应力的零件在工作一段时间后，有时突然发生断裂，而且所承受的应力往往低于该金属材料的屈服点，这种断裂称为疲劳断裂。

（二）物理、化学及工艺性能。

1．物理性能。金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。2.化学性能。主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。

3.工艺性能。是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反可锻性

二. 金属材料的主要用材（铁碳合金）

钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料，它们都是以铁、碳为主组成的合金，即铁碳合金。

(一)纯铁的晶体结构及其同素异晶转变

1.金属的结晶。是指金属液态转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序的排列过程。

2纯铁的晶体结构。为便于研究晶体中原子排列规律，可将原子抽象化，即将每个原子看成是一个点，再把相邻原子中心用假象的直线连接起来，使之形成晶格，纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。

（二）纯铁合金的基本组织

铁碳合金的组织结构相当复杂，并随其成分、温度和冷却速度而变化。按照铁和碳互相作用形式的不同，铁碳合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。

1.固溶体。溶质原子溶入溶剂晶粒而仍然保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。碳可溶入α-Fe，γ-Fe，也可溶入δ-Fe，形成不同的固溶体。

2.化合物。金属化合物是各组元按一定整数比结合而成，并且有金属性质的均匀物质，属于单相组织。

3.机械混合物。是由结晶过程所形成的两相混合组织。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P 表示。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。

(三)铁碳合金状态图

1.铁碳合金状态图的分析：

图中有四个基本相，即液相（L），奥氏体相（A）、铁素体相（F）和渗碳体相（Fe3C）。它们各有其相应的单相区。

主线介绍：（1）ACD线——液相线。（2）AECF线——固相线。（3）GS线——奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线。（4）ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线。（5）PSK线——共析线。（6）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。

2.钢在结晶过程中的组织转变

在铁碳合金状态图的实际应用中，常需分析具体成分合金在冷却或加热过程中的组织转变。（1）共析钢。（2）亚共析钢。(3)过共析钢。

三. 金属材料的主要处理（钢的热处理）

（一）钢在加热和冷却时组织转变

1.钢在加热时组织转变。加热是热处理工艺的首要步骤，以达到细化晶粒的效果，使材料不仅强度高，且塑性和韧性均较好。

2.钢在冷却时的组织转变。钢经过加热、保温形成奥氏体后，接着便需进行冷却。（二）钢的退火和正火

1.退火。退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处

理工艺常用的有：（1）完全退火。(2）球化退火。(3)去应力退火。

2.正火。正火是将钢加热到AC3以上30~50℃（亚共析钢）或ACcm以上30~50℃（过共析钢），保温后在空气中热处理工艺。主要用于：（1）取代部分完全退火。(2)用于普通结构件的最终热处理。(3)用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。

(三)淬火和回火

淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火，再配以不同温度的回火，可使钢获得所需的力学性能。

1.淬火。淬火是将钢加热到AC3或AC1以上30~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。在工艺上还应采取如下措施：(1)严格控制淬火加热温度。(2)合理选择淬火介质。(3)选择正确淬火方法。

2.回火。将淬火的钢重新加热到AC1以上某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。可分为以下三种：(1)低温回火（250℃以上）。(2)中温回火（250~500℃）。

(3)高温回火（500℃以上）。

（四）表面淬火和化学热处理

1.表面淬火。是通过快速加热，使钢的表层很快达到淬火温度，在热量来不及到钢件心部时就立即淬火，从而使表层获得马氏体组织，而心部仍保持原始组织。方法有：电感应火焰、电接触、激光等。

2.化学热处理。是将钢件置于适合的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表面层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

四. 金属材料的主要材料（工业用钢）

钢主要由生铁冶炼而成，是机械制造中应用最为广泛的金属材料。

（一）碳素钢

1.化学成分对碳素钢性能的影响

碳素钢的含量在15‰以下，除碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等杂质。

2.碳素钢的牌号通常分为以下三类：（1）碳素结构钢。以“Q”和后面的三位数字表示。在每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最小屈服点(MPa)。（2）优质碳素结构钢。用两位数字表示，即钢中平均含碳量的百分数。（3）碳素工具钢。以符号“T”开始，其后面的一位或两位数字表示钢中平均含碳量的千分数。

（二）低合金钢

是为了改善钢的某些性能，在碳素钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。

（三）合金钢

当钢中合金元素超过低合金钢的限度时，即为合金钢。

1.合金结构钢。它是指常用于制造机器零件用的合金钢。牌号通常以“数字+元素符号+数字”来表示。前面两位数表示钢中的平均含碳量的万分数，元素符