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金属材料基本原理及测试介绍金属材料基本原理及测试介绍金属材料基本原理及测试介绍金属材料基本原理及测试介绍Introduction of Metal materials and testing relatedSGS-CSTC Materials LaboratorySeaman Zhang2主要内容主要内容主要内容主要内容?金属材料基本知识?取样?成分分析?机械性能?镀层及金相分析?尺寸测量?环境模拟测试3金属材料基本知识金属材料基本知识金属材料基本知识金属材料基本知识?在机械、工程等工业领域中，采用的金属材料种类及品种繁多，其分类如下：4黑色金属黑色金属黑色金属黑色金属：黑色金属：如生铁、铸铁、钢、合金钢等。钢和铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。习惯上把碳含量2.11%的归类于铁，碳含量2.11%的归类于钢。1.铁及其分类铁及其分类铁及其分类铁及其分类：1.1生铁生铁生铁生铁：?生铁是含碳量大于2（2.11%）的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%4.0%，并含Si、Mn、S、P 等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）量分组，按含磷（P）量分级，按含硫（S）量分类。5?1.2 铸铁铸铁铸铁铸铁:?铸铁是含碳大于2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是与生铁区别是与生铁区别是与生铁区别是铸铁是二次加工铸铁是二次加工铸铁是二次加工铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件大都加工成铸铁件大都加工成铸铁件大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有 耐磨性和消震性良好耐磨性和消震性良好耐磨性和消震性良好耐磨性和消震性良好，价格低价格低价格低价格低等特点。?1）铸铁牌号的表示方法铸铁牌号的表示方法铸铁牌号的表示方法铸铁牌号的表示方法：?各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。同一名称铸铁，需要细分时，取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母，排列在后面。见下表：?牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。两组数字中间用“一”隔开。?合金元素用国际元素符号表示，含量大于或等于1%时，用整数表示：小于1%时一般不标注。常规元素（C、Si、Mn、S、p）一般不标注，有特殊作用时，才标注其元素符号及含量。67钢是含碳量在0.04%2.3%之间的铁碳合金。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。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：?2.1 按品质分类按品质分类按品质分类按品质分类：按照钢中硫（S）和磷(P)的含量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。(1)普通钢（P0.045%，S0.055%）(2)优质钢（P、S 均0.035%）(3)高级优质钢（P0.035%，S0.030%）?2.2 按化学成份分类按化学成份分类按化学成份分类按化学成份分类(1)碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。(2)合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）b.中合金钢（合金元素总含量510%）c.高合金钢（合金元素总含量10%）钢及其分类钢及其分类钢及其分类钢及其分类8?2.3按成形方法分类按成形方法分类按成形方法分类按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。?2.4按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类:1)建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。2)结构钢：a.机械制造用钢;b.弹簧钢;c.轴承钢3)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。4)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.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。?2.5 按金相组织分类按金相组织分类按金相组织分类按金相组织分类按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢92.6 综合分类综合分类综合分类综合分类：?(1)普通钢a.碳素结构钢：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275。b.低合金结构c.特定用途的普通结构钢?(2)优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。103.中国钢号表示方法中国钢号表示方法中国钢号表示方法中国钢号表示方法:3.1钢号表示方法概述钢号表示方法概述钢号表示方法概述钢号表示方法概述:钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。中国的钢号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB221-79）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即：钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si、Mn、Cr等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示，见表。钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。3.2 钢号表示方法的分类说明钢号表示方法的分类说明钢号表示方法的分类说明钢号表示方法的分类说明3.2.1 碳素结构钢碳素结构钢碳素结构钢碳素结构钢:由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是Mpa。例如：Q235 表示屈服点（ss）235MPa 的碳素结构钢。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。11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 优质碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢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0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45 号钢。锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。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。121.概述概述概述概述：1.11.1有色金属分类有色金属分类有色金属分类有色金属分类：有色金属分类有色金属分类有色金属分类有色金属分类：1）有色纯金属：分为重金属、轻金属、贵金属和稀有金属。2）有色合金：按合金系统分：重有色金属合金、轻有色金属合金、贵金属合金、稀有金属合金等；按合金用途则可分：变形（压力加工用合金）、铸造合金、轴承合金、印刷合金、硬质合金、焊料、中间合金、金属粉未等。3）有色材质按化学成份分类：铜和铜合金材、铝和铝合金材、铅和铅合金材、镍和镍合金材、钛和钛合金材。按形状分类时，可分为：板、条、带、箔、管、棒、线、型等品种。有色金属材料有色金属材料有色金属材料有色金属材料（非黑色金属非黑色金属非黑色金属非黑色金属）131.2 有色金属产品牌号表示方法有色金属产品牌号表示方法有色金属产品牌号表示方法有色金属产品牌号表示方法：1 1）命名原则命名原则命名原则命名原则：）命名原则命名原则命名原则命名原则：有色金属及合金产品牌号的命名，规定以汉语拼音字母或国际元素符号作为主题词代号，表示其所属大类，如用L 或AL 表示铝，T 或Cu表示铜。主题词以后，用成份数字顺序结合产品类别来表示。即主题词之后的代号可以表示产品的状态、特征或主要成份。如：LF 为防（F）锈的铝（L）合金；LD 为锻（D）造用的铝（L）合金；LY 为硬（Y）的铝（L）合金，这三种合金的主题词是铝合金（L）。又如：QSn 为青（Q）铜中主要的添加元素为锡（Sn）的一类；QAL9-4 为青（Q）铜中含有铝（AL），成分中添加元素铝为9%，其他添加元素为4%，这两种合金的主题词是青铜（Q）。14?产品代号是由标准（GB340-78）规定的主题词汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法来表示。15162.铜及铜合金铜及铜合金铜及铜合金铜及铜合金：2.1 纯铜纯铜纯铜纯铜：纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后呈紫色，故工业纯铜常称紫铜或电解铜。密度为89g/cm3，熔点1083C。纯铜导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；导热性好，常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器、仪表，如罗盘、航空仪表等；塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。纯铜产品有冶炼品及加工品两种。172.2 2.2 2.2 2.2 铜合金铜合金铜合金铜合金：2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 黄铜黄铜黄铜黄铜黄铜是铜与锌的合金。最简单的黄铜是铜铜铜铜锌二元合金锌二元合金锌二元合金锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。为了改善黄铜的某种性能，在一元黄铜的基础上加入其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜。常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性，稍降低塑性。含铝小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗蚀性；在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得到表面光洁的铸件。黄铜可分为铸造和压力加工两类产品。18常常常常用用用用加加加加工工工工黄黄黄黄铜铜铜铜19?2.2.2 青铜青铜青铜青铜：青铜是历史上应用最早的一种合金，原指铜锡合金铜锡合金铜锡合金铜锡合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等。此外还有成份较为复杂的三元或四元青铜。现在除黄铜和白现在除黄铜和白现在除黄铜和白现在除黄铜和白铜铜铜铜（铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金）以外的铜合金均称为青铜以外的铜合金均称为青铜以外的铜合金均称为青铜以外的铜合金均称为青铜。锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和好的铸造性能；对过热和气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨、耐蚀、耐寒、耐热、无铁磁性，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件。在铝青铜中加入铁、镍和锰等元素，可进一步改善合金的各种性能。青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。203.铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金3.0 概述概述概述概述：铝是一种轻金属，密度小（2.79/Cm3），具有良好的强度和塑性，铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达600Mpa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200450Mpa，因此在机械制造中得到广泛的运用。铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线。铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。213.1纯铝产品纯铝产品纯铝产品纯铝产品:纯铝分冶炼品和压力加工品两类，前者以化学成份Al 表示，后者用汉语拼音LG（铝、工业用的）表示。22?3.2 高强度铝合金高强度铝合金高强度铝合金高强度铝合金：?高强度铝合金指其抗拉强度大于480MPa 的铝合金，主要是压力加工铝合金中硬铝合金类、超硬铝合金类和铸造合金类。23Sampling24试样类型试样类型试样类型试样类型1、从原材料上直接取样，加工成标准试样后试验2、从产品的一定部位上取样，加工成一定尺寸试样后试验3、实物作为样品25取样位置取样位置取样位置取样位置（1）1、型钢L型钢、槽钢、T型钢、工字钢、乙字钢在腿长1/3处取样。腿部有斜度的型钢在腰部1/4处取样。样胚中心线应位于厚度的1/4或距底部12.5mm(尽可能取全厚度样胚)。2、条钢条钢包括圆钢、六角钢、矩形截面钢。取样时，样胚中心线应距离边缘的1/4处或距边缘的12.5mm(应尽可能取全截面做拉伸试验)。262728取样位置取样位置取样位置取样位置（2）3、钢板在宽度的1/4处切取拉伸、冲击和弯曲样胚。取样时，应尽可能取全厚度做拉伸试验。4、管钢拉伸和弯曲取样位置见图。对于焊管，取横向试样检验焊接性能时，焊缝应在试样中部。应尽可能取全尺寸做拉伸试验。2930焊板试样样胚分布焊板试样样胚分布焊板试样样胚分布焊板试样样胚分布（1）31Chemical Analysis32一一一一、成分分析成分分析成分分析成分分析化学成分检验化学成分检验化学成分检验化学成分检验（湿法分析湿法分析湿法分析湿法分析）?特点：精密度好、准确度高、通常是物料中主要成分分析的常用方法，也是标准物质定值的常用方法，并且用于仲裁分析，常列为国家标准分析方法。?重量分析法重量分析法重量分析法重量分析法：使被测组分与试样中的其它组分分离后，转变为化学组成固定的化合物，称重，计算被测组分含量。?滴定分析法滴定分析法滴定分析法滴定分析法：用一种已知准确浓度的试剂溶液（即标准溶液），滴加到被测组分溶液中，使之发生反应，根据反应恰好完成时所消耗标准溶液的体积计算处被测组分的含量?气体分析法气体分析法气体分析法气体分析法?比色法比色法比色法比色法33一一一一、成分分析成分分析成分分析成分分析仪器分析法仪器分析法仪器分析法仪器分析法?仪器分析法 特点?分析简便（被测元素线性范围宽）?应用范围广（金属、合金、钢铁、矿物等）?灵敏度高?基体效应严重，试样处理要求严格?检测的材料类型检测的材料类型检测的材料类型检测的材料类型各种钢材（包括碳素钢、合金钢等）、不锈钢；铜材有黄铜、青铜、白铜；铝型材、铝塑板、铝锭；焊锡、铅锡料块、锡锭；锌及锌合金、钛合金、镍合金。34仪器分析法?直读光谱法直读光谱法直读光谱法直读光谱法OES?ICP或或或或AAS?C/S碳硫仪法碳硫仪法碳硫仪法碳硫仪法?N/O氮氧仪法氮氧仪法氮氧仪法氮氧仪法?XRF荧光光谱法荧光光谱法荧光光谱法荧光光谱法35Mechanical Property36?拉伸?弯曲?冲击?压缩?剪切?扭矩?硬度37金属材料典型拉伸曲线金属材料典型拉伸曲线金属材料典型拉伸曲线金属材料典型拉伸曲线弹性变形(OA段)屈服(AB段)均匀塑性变形(BC段)局部塑性变形(CD段)断裂拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验38试样的形状及尺寸：原始标距L0；平行段长度Lc；过渡弧半径R；棒材的直径D；片材的宽b 厚a以及样品夹持端长度和总长度Lt拉伸试验39?原理：弯曲试验是以圆形、方形、矩形或多边形横截面试样在弯曲装置上经受弯曲塑性变形，不改变加力方向，直至达到规定的弯曲角度。一一一一、支辊式弯曲装置支辊式弯曲装置支辊式弯曲装置支辊式弯曲装置?支棍间的距离l=(d+3a)0.5a?支棍半径应为110倍试样厚度，?支辊长度及压头直径应大于试样宽度或直径?支棍及压头应具有足够的硬度弯曲试验40二、V形模具式弯曲装置?模具的V型槽其弯曲角度为180-?模具的支承边应倒圆角，其倒圆半径应为110倍的试样厚度?模具和弯曲压头宽度应大于试样宽度或直径。?弯曲压头应具有足够的硬度三、虎钳式弯曲装置?装置由虎钳配备足够硬度的弯心组成。可以配置加力杠杆，弯心直径应按相关产品标准要求，弯心宽度应大于试样宽度或直径。弯曲试验41TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板近代船用钢板近代船用钢板42金属硬度试验?是金属抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。?按受力方式分；压入法、刻划法两种对于金属材料普遍采用压入法?按加力速度分；静力试验法、动力试验法?静力试验法最为普遍。常用布、洛、维氏硬度等均属静力压入试验法。43布氏硬度试验?试验原理试验原理试验原理试验原理一定直径的硬质合金球施加规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，试样表面就残留压痕，测量出压痕直径，求得压痕球形表面积。布氏硬度值HB是试验力除以压痕球形表面积所得的商再乘以0.102。即DhFSFHB102.0=44试样试样试样试样试样试样试样试样?试验面应是光滑平面，表面粗糙度Ra一般不大于1.6m；在样品的截取及加工过程中，应避免对试样表面产生影响；?试样支承面应平整并与试验面保持平行；?试样的厚度至少应为压痕深度的8倍；且试验后，试样背后如出现可见变形，则表明试样太薄；45洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验?试验原理洛氏硬度试验方法与布氏方法不同，它不是通过测量压痕面积来计算硬度值，而是采用测量压痕深度的方法，以压痕深度的大小来表示材料的硬度46试样试样试样试样试样试样试样试样?试样制备加工过程中，应避免冷热加工对试样表面硬度的影响；?试样表面粗糙度Ra一般不大于0.8 m；?试样或试验层厚度；47维氏维氏维氏维氏维氏维氏维氏维氏硬度试验硬度试验硬度试验硬度试验硬度试验硬度试验硬度试验硬度试验?试验原理维氏硬度的试验与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度采用的压头是两相对面间夹角为136的金刚石正四棱锥体。HV=0.102F/S=0.1891F/d248Microstructure Analysis49镀层厚度测试原理简介?金相法测厚金相法测厚金相法测厚金相法测厚对样品的剖面切片镶嵌、磨抛、浸蚀金相显微镜检测结果。用得最多的方法。?涡流测量法涡流测量法涡流测量法涡流测量法高频探头产生磁场金属内部的涡流反作用探头表现出来的一个阻抗值测试结果。?库仑法库仑法库仑法库仑法选取样品平面加入电解液阳极溶解得到电量结果。?XRF法法法法X射线照射金属表面发生二次射线二次线产生的频率和此基材厚度的关系测试结果。50金相法测镀层厚度?1，对于厚度尺寸的测量，样品的横截面必须垂直于覆盖层平面，如果不垂直，则厚度将偏大。?2，金相法测量镀层厚度，要求大于1um，不然将会影响测量精度。GB/T 6462-2005ASTM B487-85(2002)51?金相检验金相检验金相检验金相检验：在放大镜或金相显微镜下观察、辨认和分析金属材料的微观组织状态和分布情况，借以判断和评定金属材料质量的一种检验方法。二二二二、金相分析金相分析金相分析金相分析52二二二二、金相分析金相分析金相分析金相分析金属金相结构分析?用途：1，观察金属在不同热处理状态下的微观组织结构FeCuAlFeGB/T 226-1991GB/T 13298-1991GB/T 13299-1991ASTM E340-200e1ASTM E407-1999ASTM E3-2001532，测定金属平均晶粒度(GB/T 6394-2002)直线法直线法直线法直线法面积法面积法面积法面积法GB/T 6394-2002ASTME112-1996（2002）二二二二、金相分析金相分析金相分析金相分析金属金相结构分析54?3,夹杂物及缺陷的评定GB/T 10561-2005/ISO 4965:1998(E)ASTM E45-1997(2002)二二二二、金相分析金相分析金相分析金相分析金属金相结构分析55?灰铸铁的测量测定灰铸铁中石墨的长度级别，以及基体组织中珠光体、碳化物、磷共晶、共晶团的含量及级别。?球墨铸铁测量测量石墨颗数，评定铸铁中石墨的级别数。?淬火硬化层深度测量?渗氮渗碳深度测量软件GB7216-87GB/T9441-1988、JB/T 2122-1977GB/T11354-2005GB/T9450-2005GB/T5617-2005GB/T9451-2005二二二二、金相分析金相分析金相分析金相分析金属金相结构分析56六、耐腐蚀性能试验?晶间腐蚀倾向性试验?耐腐蚀性试验?中性盐雾试验?醋酸性盐雾试验?铜离子醋酸性盐雾试验57Thank you!Any questions?seaman.zhangseaman.zhang