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金属材料知识
金属材料知识
一. 金属材料分类
1. 黑色金属钢铁
2. 有色金属通常指铜、铝、铅、钛
二. 钢铁材料牌号表示方法
产品名称
牌号举例
牌号表示方法
生铁
L10
Z30
L—表示炼钢用生铁;10—表示平均含硅量10%
Z—表示铸造用生铁;30—表示平均含硅量30%
碳素结构和低合金结构钢
Q195
Q215A
Q215B
Q235A
Q235B
Q235C
Q235B
质量等级代号,指含硫量高低,A-0.05%;B-0.045%;C-0.04%;D-0.035
屈服点数值(Mpa)
代表“屈服点”
优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢
08F
20
20A
45
45E
65Mn
20A
表示级别。
A—高级;B—特级
表示含碳量万分之20
65Mn
表示含锰量约0.75-1%
表示含碳量万分之几
合金结构钢和合金弹簧钢
20CrMnSi
35CrMo
60Si2Mn
合金平均含量小于1.5%时,仅表示元素,一般不标含量;平均含量在1.5-2.49%、2.5-3.49%、3.35-4.49%…时,在合金元素后相应写成2、3、4…
60Si2Mn
表示含锰量约1%
表示含硅量约2%
表示含碳量万分之60
工具钢
碳素工具钢
T8、T10
合金工具钢
9SiCr
Cr12
Cr12MoV
5CrNiMo
SM45
T8
含碳量千分之几
表示“碳素工具钢”
平均含碳量≥1.00%时,一般不标明。
含碳量<1.00%时,用千分之几表示。
钒、钛的表示有时会有特殊。
9SiCr—0.9%C
Cr12—2%C,11.75%Cr
Cr12MoV—2%C,11.75%Cr,0.5%Mo,0.22%V
5CrNiMo—0.5%C,1%Ni,1%Mo
SM45—S表示塑料,M表示模具,45表示含碳量0.45%。
轴承钢
GCr15
G20CrNiMo
在牌号头部加“G”,表示滚动轴承钢的拼音头一个字母
GCr15—普通滚动轴承钢,含C1%,Cr1.5%
G20CrNiMo—含C0.2%,Cr0.5%,Ni0.55%,Mo0.23%
不锈钢
2Cr13
1Cr18Ni9
2Cr13—马氏体型不锈钢,可热处理,C0.2%,Cr13%
1Cr18Ni9—奥氏体型不锈钢,C0.1%,Cr18%,Ni9%
易切削钢
Y15
Y40Mn
Y45Ca
Y15Pb
Y—表示易,材料中加硫、磷,增加脆性,加锰增加强度,加钙、铅增加润滑性。
15、40、45表示含碳量万分之几,Mn1.20-1.55%,Ca0.002-0.006%,Pb0.15-0.35%.
三. 金属材料力学性能代号及含义
代号
名称
单位
含义
σb
抗拉强度
Mpa或
N/mm2
材料试样受拉力时,在拉断前所承受的最大拉力。
σbc
抗压强度
材料试样受压力时,在压坏前所承受的最大拉力
σbb
抗弯强度
材料试样受弯曲力时,在破坏前所承受的最大拉力
τ
抗剪强度
材料试样受剪力时,在剪断前所承受的最大拉力
σs
屈服点
材料试样在拉伸过程中,负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服,屈服时的最小应力称为屈服点或屈服强度。
对某些屈服现象不明显的金属材料,测定屈服点比较困难,为了便于测量,通常按其产生永久变形量等于试样原长0.2%时的应力称为屈服强度。
σ0.2
屈服强度
δ
伸长率
%
材料试样被拉断后,标距长度的增加量与原标距长度之百分比
δ5
伸长率
试样的标距等于5倍直径时的伸长率
ψ
断面收缩率
材料试样在拉断后,其断裂处横截面积的缩减量与原横截面积的百分比
ακ
冲击韧性值
J/cm2
金属材料对冲击负荷的抵抗能力,以冲击试样上所消耗的功与断口处横截面积之比
HB
布氏硬度
kgf/mm2
(一般不标注)
用淬硬小钢球压入金属表面,保持一定时间待变形稳定后卸载,以其压痕面积除以加在钢球上的载荷。
HRC
洛氏硬度C级
——
用1471N载荷,将顶角为120o的圆锥形金刚石的压头压如金属表面,取其压痕的深度来计算。
用来测量HB=230-700的金属材料
HRA
洛氏硬度A级
——
用588.4N载荷,将顶角为120o的圆锥形金刚石的压头压如金属表面,取其压痕的深度来计算,用来测量HB>700的金属材料。
HRB
洛氏硬度B级
——
用980.7N载荷,直径1.59mm淬硬小钢球压入金属表面,取其压痕的深度来计算,用来测量HB=60-230的金属材料
HV
维氏硬度
kgf/mm2
用49.03-980.7N(分为6级)的载荷,将顶角为136o的金刚石四方锥体压入金属的表面,经一定时间后卸载,以其压痕表面积除载荷所得之商。
HS
肖氏硬度
——
以一定重量的冲头,从一定的高度落于被测试样的表面,以冲头回跳的高度表示硬度。
四. 钢材的规格种类及用途
1. 钢板
a. 按轧制方法分为:
热轧、冷轧
b. 按性能及用途可分为:
① 碳素结构钢和低合金结构钢冷轧薄钢板及钢带,一般厚度不大于4mm。
② 碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带,厚度不大于4mm。
③ 碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带,4-200mm钢板及小于25mm钢带。
④ 优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带,厚度不大于4mm。
⑤ 优质碳素结构钢冷轧薄钢板和钢带,厚度不大于4mm。
⑥ 合金结构钢薄钢板,厚度不大于4mm的热轧或冷轧。
⑦ 锅炉用钢板
⑧ 压力容器用钢板
⑨ 不锈钢冷轧或热轧钢板
⑩ 耐热钢板
⑪ 花纹钢板
2.型钢
① 热轧扁钢,厚度3-60,宽度10-150。
② 碳素结构钢和低合金热轧圆钢、方钢、六角钢
③ 热轧角钢,分为等边及不等边,宽度20-200。
④ 热轧槽钢,宽度50-300。
⑤ 热轧工字钢,高度100-560。
⑥ 热轧T型钢,宽度100-300。
⑦ 冷弯空心型钢。
3.钢管
A.直缝电焊钢管(GB/T13793—1992)
a. 以热轧或冷轧钢带,经焊接或焊后冷加工方法制造。
钢管以不热处理状态交货。
b. 规格:
直径5.0—121,壁厚0.5—3.5。
c. 力学性能
钢号
R(软态钢管)
DY(低硬态钢管)
σb
δ5
σb
δ5
08F,08,10F,10,
15F,15,
20
315
355
390
22
20
19
375
400
440
13
11
9
Q195
Q215-A,B
Q235-A,B
315
335
375
22
22
20
335
355
390
14
13
9
B。
无缝钢管(GB/T8162—1999)
a.以热轧或冷拔(轧)管加工,有热轧或热处理状态交货。
b.规格:
直径6.0—245,壁厚0.25—24。
c.力学性能
抗拉强度
屈服点δ5
δ5/%
钢号
σb/MPa
壁厚≤16mm
壁厚>16mm
10
335
205
195
24
20
390
245
235
20
35
510
305
295
17
45
590
335
325
14
Q345
490
325
315
21
4.钢丝
材料可有多种材料加工而成,
a. 普通结构钢丝:
Q195、Q215、Q235主要制钉及建筑用。
b. 优质碳素结构钢丝:
08F、10F、15、20、25、35、40、45、50,冷拉状态交货,可后热处理,
c. 碳素弹簧钢丝:
65、70、75、85,一般淬火—回火状态交货,可后热处理。
d. 合金结构钢丝:
15Cr、38Cr、40Cr、20CrNi3等等。
交货状态有冷拉—L,退火—T,可热处理。
e. 不锈钢丝:
0Cr18Ni9-R、1Cr18Ni9Ti-Q、0Cr19Ni9-L。
后缀RQL表示
软拉(R)—钢丝进行光亮热处理和热处理后酸洗或类似的处理。
轻拉(Q)—钢丝热处理后进行小变形程度的拉拔。
冷拉(L)—钢丝热处理后进行常规拉拔。
f. 电阻电热合金丝:
Cr15Ni60、Cr20Ni80、Cr30Ni70、1Cr13Al4,热处理后软态交货。
五. 钢铁材料的热处理
热处理是为了达到材料的使用目的,发挥材料各种元素的作用,调整材料的强韧性,以及加工工艺的需要。
1. 热处理工艺分类:
a. 淬火—加热至相变到奥氏体组织后快速冷却得到马氏体组织,目的为了提高硬度。
b. 回火—低温回火,目的是去除应力;中温回火及高温回火是为了调整材料的强韧性。
通常在一定温度下保温一段时间后已一定的速度冷却。
c. 退火—降低材料硬度,便于加工及成形,有完全退火和不完全退火之分。
加热保温后慢速冷却。
d. 正火—提高材料硬度,加热后空冷。
e. 调质—达到需要的强韧性或加工工艺的需要。
先淬火后回火,是两个工艺的合并。
f. 渗碳—提高材料的表面硬度。
通常使含碳量在0.3%以下的材料在表面1mm左右深度提高到1%左右。
g. 氮化—提高材料的表面硬度,或耐腐蚀性。
通常使含碳量在0.4%左右的材料在表面0。
2mm左右深度形成氮化层,表面硬度可达到HRC70以上。
2. 按种类有:
a. 常规热处理—如淬火、回火、退火、正火、调质。
b. 化学热处理—如渗碳、氮化、碳氮共渗、硼化、渗金属、表面陶瓷。
c. 真空热处理—使用真空设备的热处理,优点是无氧化及脱碳,热处理变形小。
3. 使用设备有:
a. 箱式炉—使用电热丝或碳棒加热,电热丝炉使用温度可在低于950度以下使用,功率一般在3-200KW,用途广泛,可用于淬火、回火、退火,使用成本低。
b. 盐浴炉—用硝盐加热,有高、中、低温炉,可高温加热到1300度,用于淬火、回火、退火。
加热速度快,氧化脱碳小,利于防止晶粒粗大,可大批量多品种生产。
c. 燃气炉—使用煤气或其它气体加热(如乙炔气等),可用于大型零件在炉内加热正火、退火或锻造,及局部加热用。
d. 井式炉—使用电热丝加热,用于淬火、回火、退火、渗碳、氮化。
e. 真空炉—使用电热丝加热,用于淬火、回火、退火,
f. 箱式多用炉—使用电热丝加热,用于淬火、回火、退火、渗碳、氮化,可进行大批量多品种生产。
g. 网带炉—炉内加移动网带可连续加热处理,适用于小零件大批量淬火、回火、渗碳、氮化,生产效率高。
h. 高频炉—使用特制的工频、中频、高频加热圈加热零件表面淬火,用于轴、齿轮类零件淬火。
4. 冷却介质及方法
a. 水—冷却速度快,用于碳钢及低合金钢的淬火及有些回火的冷却。
b. 盐水—冷却速度最为快,用于碳钢及低合金钢的淬火冷却
c. 油—一般用20号机油,中合金钢以上的淬火冷却。
d. 硝盐—用于回火及合金钢的等温淬火。
e. 空气—冷却速度慢,用于正火及一些高淬透性材料的淬火。
5. 热处理原理简述
无论使用何种设备,都是为了加热,超过一定的温度,使金属材料达到同素异构转变及需要的晶粒大小和分布,然后以一定的速度冷却,得到需要的晶体组织。
钢铁金属金相组织通常有:
铁素体——主要由铁元素组成,硬度低;
渗碳体——铁与碳的化合物,特别硬脆;
珠光体——铁素体和渗碳体各50%的混合物,由0.8%C和99.2%Fe元素组成;
奥氏体——一般是加热后转变成的组织;
马氏体——淬火后得到的组织,硬而脆;
屈氏体——淬火后得到的组织,较软;
贝氏体——等温淬火后得到的组织,韧性好;
热处理淬火的加热温度一般低碳钢加热到A3线以上50度,含碳量超过0.8%碳素钢的材料加热到780度左右,合金钢需查手册。
加热后的保温时间视材料厚度决定,冷却介质根据材料定,也可能先后用两种介质冷却。
除低碳钢,一般材料淬火后硬度应达到HRC60以上。
淬火+回火和直接不完全淬火(加热温度不对或冷却速度不够),得到的硬度一样,但由于金相组织不同,强韧性是完全不一样的,在使用中的效果也是不同的。
淬火+回火的结果要好的多。
常用工艺举例:
钢号淬火温度冷却介质淬火后硬度回火温度回火后硬度
Cr121050油HRC≥62230HRC60
65Mn830油或水HRC≥62430HRC40-44
45#840盐水或水HRC≥55350HRC30
六. 有色金属
常用有色金属有铝、铜以及镁、锌、铅、锡、金、银等,有单独使用,如纯铝、纯铜(紫铜),很多是在合金状态下使用,一些独特的性能是钢铁无法达到的,如导电性、颜色、重量、柔软性等等。
1。
铝
重量轻,不易生锈,可氧化染色,易于成形加工,分为铸造铝合金、压铸铝合金及变形铝合金。
铸造铝合金——有铝硅合金(ZAlSi7Mg)、铝铜合金(ZalCu5Mn)、铝镁合金(ZalMg6Mg)、铝锌合金(ZalZn6Mg)
压铸铝合金——YZAlSi12、YZAlSi9Cu4
变形铝合金——工业纯铝(1060)、防锈铝(5A02)、硬铝(2A11)、超硬铝(7A04)
2.铜
铜应用最早的金属,不易生锈,易于成形加工。
分为铸造铜合金、压铸铜合金及加工用铜材。
种类有纯铜、黄铜、青铜,其中黄铜、青铜可铸造和压铸。
常用铜材的牌号及用途:
纯铜——T1、T2、T3,主要用于电线和电镀;
黄铜——普通黄铜(黄铜)H62、H68,外表金色,易于成型加工(模具加工),应用最为广泛
铅黄铜HPb59-1,易于切削
锡黄铜HSn62-1,耐腐蚀性能好
黄铜成分表示:
H6262%Cu,40%Zn
HPb59-159%Cu,1%Pb,40%Zn
青铜——锡青铜QSn6.5-0.1,有高的强度、弹性和耐磨性,切削性能好
铝青铜QAl7,有高的强度、耐磨和耐腐蚀性
铍青铜QBe2,可热处理,具有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性。
3.铝材的热处理
变形铝材有5种状态
代号
名称
说明
F
自由加工状态
自由状态,力学性能无规定
O
退火状态
完全退火获得最低强度的加工产品
H
加工硬化状态
经过加工硬化提高强度的产品,产品在加工硬化后经过(也可不经过)使强度有所降低的附加热处理。
H代号后必须有阿拉伯数字。
W
固溶处理状态
一种不稳定状态,仅适用于室温下自然时效的合金。
T
热处理状态
适用于热处理后,经过(或不经过)加工硬化达到稳定状态的产品,T代号后面必须跟一位或多位阿拉伯数字
T细分状态代号
代号
说明
T0
固溶热处理后,经自然时效再经过冷加工的状态
T1
由高温成型过程冷却,然后自然时效至基本稳定的状态
T2
由高温成型过程冷却,经过冷加工后自然时效至基本稳定的状态
T3
固溶热处理后进行冷加工,再经自然时效至基本稳定的状态
T4
固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态
T5
由高温成型过程冷却,然后进行人工时效的状态
T6
固溶热处理后进行人工时效的状态
T7
固溶热处理后进行过时效的状态
T8
固溶热处理后进行冷加工,然后进行人工时效的状态
T9
固溶热处理后进行人工时效,然后经过冷加工的状态
T10
由高温成型过程冷却后,进行冷加工,然后进行人工时效的状态
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