1.2 实训项目2 金属材料常识

教学目的与要求

（1）了解金属材料的力学和工艺性能。

（2）掌握常用金属材料的分类和牌号。

（3）了解常用金属材料的热处理方法。

金属材料的性能分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能反映材料在使用过程中所表现出来的特性，如物理性能、化学性能、力学性能等。工艺性能反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性。

1.2.1 金属材料的力学性能

任何机器零件工作时都承受外力（载荷）的作用，材料在外力的作用下所表现出来的特性就显得格外重要，这种性能叫力学性能。金属材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧性等。

1.强度

金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。强度特性的指标主要是屈服强度和抗拉强度。屈服强度以符号σs表示，单位为MPa。屈服强度表征材料抵抗微量塑性变形的能力。抗拉强度以符号σb表示，单位为MPa。抗拉强度表征材料抵抗断裂的能力。

2.塑性

金属材料在外力作用下发生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标是伸长率（用符号δ表示）和断面收缩率（用符号ψ表示）。伸长率和断面收缩率的数值越大，则材料的塑性越好。

3.硬度

硬度通常是指金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力。材料的硬度是用专门的硬度实验机测定的。常用的硬度实验指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。

1.2.2 金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能主要有铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性。

1.铸造性

指金属材料能否用铸造方法制成优质铸件的性能。铸造性的好坏取决于熔融金属的充型能力。影响熔融金属充型能力的主要因素之一是流动性。

2.锻造性

指金属材料在锻压加工过程中能否获得优良锻压件的性能。它与金属材料的塑性和变形抗力有关，塑性越高，变形抗力越小，则锻造性越好。

3.焊接性

主要指金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性好的材料，易于用一般的焊接方法和简单的工艺措施进行焊接。

4.切削加工性

用刀具对金属材料进行切削加工时的难易程度称为切削加工性。切削加工性好的材料，在加工时刀具的磨损量小，切削用量大，加工的表面质量好。对一般钢材来说，硬度在200HBS左右的则具有完好的切削加工性。

1.2.3 常用金属材料的种类及牌号

1.碳素钢

含碳量小于2.11 %的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢中除铁、碳外，还有硅、锰等有益元素和硫、磷等有害杂质。

（1）碳素钢的分类。按含碳量可分为：

①低碳钢：含碳量＜0.25 %的钢。

②中碳钢：含碳量＞（0.25 %～0.60%）的钢。

③高碳钢：含碳量＞0.60%的钢。

按质量可分为：

①普通碳素钢：硫、磷含量较高。

②优质碳素钢：硫、磷含量较低。

③高级优质碳素钢：硫、磷含量很低。

按用途可分为：

①碳素结构钢一般属于低碳钢和中碳钢。按质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两种。

②碳素工具钢属于高碳钢。

（2）碳素钢的牌号。

①碳素结构钢。

a.普通碳素结构钢：以Q235-A·F为例，对普通碳素结构钢牌号的表示方法说明如下：

Q——代表“屈服点”。

235——表示屈服点数值，单位为N/mm2。

A——质量等级代号，共分A、B、C、D四等，其区别在于钢的化学成分、脱氧方法及力学性能的冲击实验。

F——表示脱氧方法。标注F表示沸腾钢；标注b表示半镇静钢；不标注此符号则表示为镇静钢（Z）或特殊镇静钢（TZ）。

b.优质碳素结构钢：优质碳素结构钢是严格按化学成分和力学性能生产的，质量比普通碳素结构钢高。钢号用两位数字表示，它表示钢平均含碳量的万分之几。例如，30号钢表示钢的含碳量为0.30%。

含锰量较高的优质碳素结构钢还应将锰元素在钢号后面标出，如15 Mn，30Mn等。

②碳素工具钢：碳素工具钢均为优质钢，含碳量在0.60%～1.35 %范围内。碳素工具钢的牌号用T+数字表示，数字表示含碳量的千分之几。高级优质碳素工具钢在钢号后加一个“A”。例如，T7表示含碳量为0.7 %的碳素工具钢。T10A表示含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢

③铸钢：一般用于制造形状复杂、机械性能较高的零件。其牌号用字母ZG+两组数字表示。第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值，例如，ZG270-500表示屈服点为270N/mm2，最低抗拉强度为500N/mm2的铸造碳素钢。

2.合金钢

合金钢是在碳素钢中加入一些合金元素的钢。钢中加入的合金元素常有S i、Mn、Cr、Ni、W、V、Mo、Ti等。

（1）合金钢的分类。按用途可分为以下几种。

①合金结构钢：用于制造工程构件及各种机械零件，如齿轮、连杆、轴、桥梁等。

②合金工具钢：用于制造各种工具、刃具、模具和量具。

③特殊性能钢：具有某种特殊的物理、化学性能的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

按合金元素总量可分为以下几种。

①低合金钢：合金元素总量＜5%。

②中合金钢：合金元素总量在5 %～10%以内。

③高合金钢：合金元素总量＞10%。

（2）合金钢的牌号。

①合金结构钢：合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。前两位数字表示钢中含碳量的万分数；元素符号表示所含合金元素；后面数字表示合金元素平均含量的百分数，当合金元素的平均含量小于1.5%时，只标明元素不标明含量。含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%时相应的以2，3，4，…来表示，如60Si2Mn（60硅2锰）表示平均含碳量为0.6%，硅含量为2.1%，锰含量小于1.5%。

②合金工具钢：合金工具钢的含碳量比较高（0.8 %～1.5 %），钢中还加入Cr、Mo、W、V等合金元素。合金工具钢的牌号与合金结构钢大体相同。不同的是，合金工具钢的含碳量大于1.0%时不标出，小于1.0%时以千分数表示。如9Mn2V表示平均含碳量为0.9%，锰含量为2%，钒含量小于1.5%。

③特殊性能钢：特殊性能钢的编号方法基本与合金工具钢相同。如2 Cr13，表示含有0.2 %的碳、13 %铬的不锈钢。

3.铸铁

（1）铸铁的分类。含碳量大于2.1%的铁碳合金称为铸铁。根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白铸铁、灰铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁等。

①白铸铁：这类铸铁中的碳，绝大多数以Fe3 C的形式存在，断口呈亮白色，其硬度高、脆性大，很难进行切削加工，主要用来作为炼钢或制造可锻铸铁的原料。

②灰铸铁：铸铁中的碳大部分以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，故称灰铸铁。

③球墨铸铁：铸铁中的碳绝大部分以球状石墨存在，故称球墨铸铁。

④可锻铸铁：由白铸铁经高温石墨化退火而制得，其组织中的碳呈团絮状。

（2）铸铁的牌号。灰铸铁的牌号由“HT”及后面的一组数字组成，数字表示其最低抗拉强度。可锻铸铁由“KT”及两组数字组成，从前到后分别表示最低抗拉强度和延伸率。球墨铸铁的牌号由“QT”和两组数字组成，其含义和可锻铸铁完全相同。各种铸铁的机械性能及用途可查阅有关手册。

4.有色金属及其合金

（1）铝及铝合金。

①纯铝：纯铝为银白色，熔点为660℃，导电、导热性好，强度和硬度低，切削加工性好。铝的牌号由“L+数字”表示，数字表示顺序号，工业纯铝的牌号为L1、L2、…L7，编号越大，纯度越低。

②铝合金：在铝中加入铜、锰、硅、镁等合金元素即可成为铝合金。根据加工方法的不同铝合金又可分为形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金具有良好的塑性，适用于压力加工；铸造铝合金塑性较差，只适用于成形铸造。

（2）铜及铜合金。

①纯铜：纯铜又称紫铜，熔点为1083℃，具有良好的导电性、导热性和塑性。根据杂质含量的不同，纯铜的牌号有T1、T2、T3和T4四种，编号越大，纯度越低。

②铜合金：在铜中加入锌、锡、镍、铅和铝等合金元素即可成为铜合金。铜合金可分为黄铜和青铜两大类。

1.2.4 金属材料的热处理

金属材料的热处理是利用对金属材料进行固态加温、保温及冷却的过程，而使金属材料内部结构和晶粒的粗细发生变化，从而获得需要的机械性能（强度、硬度、塑性、韧性等）和化学性能（抗热、抗氧化、耐腐蚀等）的工艺方法。

常用的金属材料的热处理方法有以下几种。

1.退火

将钢加热到一定温度并在此温度下进行保温，然后缓冷到室温，这一热处理工艺称为退火。

（1）完全退火：可以降低材料的硬度，消除钢中的不均匀组织和内应力。

（2）球化退火：目的在于降低硬度，改善切屑加工性能，主要用于高碳钢。

（3）去应力退火：主要用于消除金属材料的内应力。

2.正火

将钢加热到一定温度，保温一段时间在空气中冷却的方法，称为正火。正火可以得到较细的组织，其硬度、强度均较退火高。

3.淬火

将钢加热到一定温度，经保温后在水或油中快速冷却的热处理方法。它是提高材料的硬度及耐磨性的重要热处理工艺。

4.回火

将淬火后的工件加热到临界点以下的温度，并保温一段时间，然后以一定的方式冷却到室温，这种热处理方法称为回火。回火是淬火的继续，经淬火的钢件须经回火处理。回火可减少或消除工件淬火后产生的内应力，调整钢件的强度和硬度，使工件获得所需的综合力学性能及稳定组织。常见的“调质处理”就是“淬火+高温回火”。

5.表面淬火

通过快速加热（火焰或感应加热）使工件表层迅速达到淬火温度，不等到热量传到心部就立即冷却的热处理方法。可使工件获得高硬度的表层及有韧度的心部。

6.化学热处理

将工件置于化学介质中加热保温，改变表层的化学成分和组织，从而改善表层性能的热处理工艺即为化学热处理。

（1）渗碳：提高工件表层的含碳量，达到表面淬火提高硬度的目的。

（2）渗氮：将氮渗入钢件表层，可提高工件表面的硬度及耐磨性。

（3）氰化：在钢件表层同时渗入碳原子和氮原子的过程称为氰化。

1.2.5 钢铁材料现场鉴别方法

1.火花鉴别

火花鉴别是将钢铁材料轻轻压在旋转的砂轮上打磨，观察迸射出的火花形状和颜色，以判断钢铁成分范围的方法。

（1）碳素钢的火花特点。碳素钢的含碳量越高，则流线越多，火花束变短，爆花增加，花粉也增多，火花亮度增加，硬度越高。

20钢：火花束长，颜色橙黄带红，流线呈弧形，芒线多叉，为一次爆花，见图1.1所示。

45钢：火花束稍短，颜色橙黄，流线较细长且多，芒线多叉，花粉较多，见图1.2所示。

`T12钢：火花束短粗，颜色暗红，流线细密，碎花，花粉多，为多次爆花，见图1.3所示。

（2）铸铁的火花特征。铸铁的火花束较粗，颜色多为橙红带桔红，流线较多，尾部较粗，下垂呈弧形，花粉较多，火花实验时手感较软，一般为2次爆花。图1.4所示为HT200的火花特征图。

2.色标鉴别

生产中为了表明金属材料的牌号规格等，在材料上需做一定的标记，常用的标记方法有涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标记是以表示钢种、钢号的颜色涂在材料的一端的端面或外侧。成捆交货的钢应涂在同一端的端面上，盘条则涂在卷的外侧。具体的涂色方法在有关标准中做了详细的规定，生产中可以根据材料的色标对钢铁材料进行鉴别。

3.断口鉴别

金属材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的影响而导致破断所形成的自然表面称为断口。生产线上常根据断口的自然形态来判定材料的韧脆性，亦可具此判定相同热处理状态的材料含碳量的高低。若断口呈纤维状、无金属光泽、颜色发暗、无结晶颗粒、且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低；若材料断口齐平呈银灰色、具有明显的金属光泽和结晶颗粒，F则表明材料金属脆性断裂；而过共析钢或合金钢经淬火及低温回火后，断口常呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口的特征。

4.音响鉴别

生产线上有时也采用敲击辨音来区分材料。例如，当原材料钢中混入铸铁材料时，由于铸铁的减振性较好，敲击声音较低沉，而钢材敲击时则可发出较清脆的声音。我们可根据钢铁敲击时声音的不同对其进行初步鉴别，但有时准确性不高。而当钢铁之间发生混淆时，因其声音比较接近，常采用其他鉴别方法进行判别。

若要准确地鉴别金属材料，在以上几种生产现场鉴别的基础上，一般还可采用化学分析、金相检验、硬度实验等分析手段对材料做进一步的鉴别。