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金属材料
第一节 金属的性能
金属材料的性能对零件的使用和加工有十分重要的作用,一般可分为使用性能和工艺性能两大类.使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能,包括物理性能、化学性能和力学性能,它反映金属材料在使用过程中表现出来的特点,决定了材料的应用范围、安全可靠性及使用寿命。工艺性能是反映金属材料在制造加工过程中的各种性能，如铸造性能、焊接性能、锻压性能、切削加工性及淬透性等。
（一）金属材料的机械性能
弹性和塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度
1、弹性和塑性
弹性：金属材料受外力作用产生变形，当外力去掉后能恢复原状的性能叫弹性。
塑性：金属材料在栽荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
2、刚度
金属材料受力时抵抗弹性变形的能力叫做刚性。
3、强度
金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力叫做强度。强度分抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度与抗扭强度。
4、硬度
金属材料抵抗更硬物体压力的能力叫做硬度。
5、冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力叫做冲击韧性。
6、疲劳强度
金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度。
（二）金属材料的物理、化学及工艺性能
1、物理性能
金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。
2、化学性能
金属材料的主要化学性能有耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。
3、工艺性能
工艺性能是物理、化学、机械性能的综合。按工艺方法不同分为铸造性、可锻性、可焊性和切削加工性等。
第二节 金属的结构与结晶
一． 钢的晶体构造
所有的物质是由原子组成的。固态物质内的原子排列有两种类型：一种为原子的排列紊乱而无规律性；另一种为原子按照一定的规律排列。前者就构成了非晶体类固态物质，如玻璃、松香等；后者就组成了晶体类固态物质，如各种固态金属。
（一）晶格
在晶体内原子依照一定的几何规律在空间排列成所谓的结晶格子，简称晶格。由于金属原子具有占据彼此最相近位置的倾向，所以形成以下几种类型的晶格。
1．体心立方晶格 体心立方晶格的原子分布在立方体的各结点和中心上。属于这一类金属有铬、钼、钨等，它们具有较高的熔点]较大的强度和较好的塑性。
2．面心立方晶格 它的原子分布在立方体的各结点和各面的中心上，属于这一类的金属有铝、铜、镍等，它们具有良好的塑性。
3．密排六方晶格 它的原子除分布在各结点及上下两面的中心处之外，在六方柱体中间还有三个原子。属于这一类的金属有锌、镁等。它们的塑性较差。
晶格中原子在结点附近是按一定的振幅在不停地振动着。当温度升高时，振幅增大，原子的活动能力也就增强。

（二）晶粒与晶体
从钢的结晶过程可知，当晶体逐渐成长到某些地方互相接触时，则在接触的地方彼此发生了阻碍作用而不能继续长大。但和其它晶体不接触的地方仍然可以自由地继续长大，一直到所有的晶体都互相接触时为止。这样的结晶体其几何外形是极不规则的。这种不规则几何外形的晶体叫做结晶颗粒，就是通常所称的晶粒。晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。
由一组方位相同的晶粒所组成的晶体，叫做单晶体。单晶体的特征是具有方向性
金属及合金一般是由许多方位不同的晶粒所组成的多晶体，所以金属各个方向的性质也趋于一致。
金属晶粒的大小和形状是可以改变的，这主要取决于不同有加工方法和热处理方法。例如铸造组织的晶粒是粗大的；而锻造后的金属组织变得细小，晶粒顺着金属流动方向而伸长。
二、钢的组织
钢是工业上应用最广泛的金属材料，它是由两种以上的元素熔合成的合金。碳钢就是熔合铁、碳元素所组成的铁碳合金。
铁和碳二元素能组成多种不同的合金组织，主要有：铁素体、渗碳体、珠光体、奥氏体等，
1.铁素体：碳在α铁中的间隙固溶体称为铁素体。用符号F表示。铁素体呈体心立方晶格，在室温下仅可溶0．006%的碳，可见溶碳能力极低。铁素体的机械性能总的来说是：强度、硬度低，而塑性、韧性好。
2.渗碳体：铁和碳的化合物称为渗碳体。用化学式Fe3C表示。渗碳体具有复杂的八面体晶格。含碳量大于0.0218%的铁碳合金中都有渗碳体的存在。它具有很高的硬度，能刻划玻璃，但其脆性很大，塑性几乎等于零。渗碳体在铁碳合金中起着强化基体的作用，在一定的条件下能分解为铁和石墨。
3．珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物（共析体）称为珠光体。用符号P表示。珠光体的含碳量为0.765%，抗拉强度σb=85公斤力/平方毫米，硬度HB=200~250。珠光体的强度、硬度较铁素体高，但塑性、韧性较差。在硬度相同的情况下，球状珠光体的塑性、韧性要好于片状珠光体。因此，珠光体的力学性能主要取决于其组成相的形态、大小和分布。

4．奥氏体：碳在γ铁中的固溶体称为奥氏体。用符号A表示。奥氏体呈面心立方晶格，它是一种高温组织。当温度高于727摄氏度时，铁碳合金中就有奥氏体存在。但是当钢中含有一定数量的镍或铬镍等合金元素时，奥氏体也可能在室温下存在。奥氏体的硬度HB=170~220，并且具有极好的塑性和韧性，易于锻压成型。
第三节 碳素钢
碳的含碳量小于2.11%而不含有特意加入的合金元素的钢称为碳素钢,简称碳钢.由于它具有良好的力学性能和工艺性能。且治炼方便，价格低廉，故在机械制造、建筑和交通运输等行业得到广泛应用。
一、 常存杂质对钢性能的影响：
碳钢中除铁和碳两个元素外，还含有少量的Mn 、Si、S、P、O、H、N等元素。它们是在治炼过程中，不可避免地进入钢中的，这些元素称为常存杂质。它们对钢的性能和质量有一定的影响。
1锰：锰中炼钢时作为脱氧剂使用，还能溶解于铁中，形成含锰铁素体，提高了钢的强度和硬度。另外，锰与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用，改善钢的热加工性能。一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量约为0.50%~0.80%；在含锰合金钢中，一般控制在1.0%~1.2%范围。
2.硅：硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的。它的脱氧作用比锰还要强。也能提高钢的强度。硅在碳钢中含量小于0.4%。硅也是有益元素。
3.硫：硫是在炼钢时由矿石和燃料带来的。在一般钢中硫是有害杂质，它不溶于铁，在钢铁中生成低熔点的FeS引起钢的热脆性，使钢的热加工和可焊性变坏，同时降低了钢的机械性能。
在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用，MnS熔点较高，高温时又有塑性，因此可避免热脆现象。
4.磷：在一般钢中的磷也是有害杂质，磷会促使钢的晶粒粗大，并产生冷脆，尤其在低温下特别严重，磷还降低钢的延伸率。
5.氧：过剩的氧使钢的强度、塑性和韧性降低。
6.氢：钢中含氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。
7.氮：氮的存在常导致钢的硬度、强度的提高和塑性的下降。而使脆性增大，若炼钢时用Al、Ti脱氧，因生成AlN、TiN，可消除氮的脆化效应。
二． 碳素钢的分类：
1.按钢的含碳量分类：
低碳钢：含碳量小于等于0.25%；
中碳钢：含碳量在0.25%~0.6%
高碳钢：含碳量大于0.6%
2.按钢的质量分
普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢
3.按用途分：
碳素结构钢：用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶构件等）和机器零件（如齿轮、轴、连杆等）。
碳素工具钢：用于制造各种工具（如刃具、量具、模具等）。
三． 碳素钢的牌号及主要用途：
1.碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按序组成。
例：Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。其中质量等级分为A、B、C、D四级，表示钢中的硫、磷含量依次减少，因此，A级质量最差，D级质量最好。脱氧方法符号为：F——沸腾钢；b——半镇静钢；Z——镇静钢；TZ——特殊镇静钢。通常牌号中的Z和TZ都可省略。
Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺母、铆钉等。Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。Q255、Q275强度较高，可轧制型钢、钢板作构件用。
这类钢主要保证力学性能。一般在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。、
2．优质碳素结构钢：优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢平均含碳量的万分之几，例如，牌号“20”即表示含碳量为0。20%的优质碳素结构钢。
若钢中锰的质量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15 Mn、45 Mn等。
优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。
08F塑性好，可制造冷冲压零件。10钢、20钢冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件。35钢、40钢、45钢、50钢、60钢、经热处理后，可获得良好的综合力学性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。60钢、65钢主要用来制造弹簧。
优质碳素钢使用前一般都要经过热处理。
3．碳素工具钢的含碳量在0.65%~1.35%之间，钢号用平均含碳量的千分数的数字表示，数字之前冠以“T”（碳的汉语拼音字头）。例如，T9表示含碳量为0.9%的碳素工具钢。
碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，在钢号后面标注“A”字。例如：T12A表示含碳量为1。2%的高级优质碳素工具钢。
碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8硬度较高，可制造冲头、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度高，韧性低，可制造锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。
碳素工具钢使用前都要进行热处理，常用方法为：淬火+低温回火。
4．铸钢：治炼后直接铸造成形的钢材称铸钢。它广泛用于制造重型机械的某些零件。如轧钢机机架、水压机横梁和锻锤砧座等。
铸钢的牌号用汉语拼音字头“ZG”再加短杠分隔的两组数字表示。第一组数字代表屈服点，第二组数字代表其抗拉强度，单位都是MPa。例如：ZG200-400表示屈服点为200MPa,抗拉强度为400MPa的铸造碳钢。
四. 我公司常用的结构钢有：45钢、50钢、40Cr、42CrMo；模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、切边模材质8Cr3；机加工刀具柄部为结构钢45或40Cr，刃部材料有碳素工具钢、硬质合金钢、高速钢等。
1、45钢介绍：
45钢属优质碳素结构钢
化学成分（%）：C 0.42-0.50； Si 0.17-0.37；Mn 0.50-0.80； P ≤0.035； S ≤0.035； Cr≤0.25； Ni≤0.25。
临界温度（℃）：Ac1 724；Ac3 780；Ar1 682 ；Ar3 751。
锻造温度（℃）：始锻 1180-1210；终锻 800.
热处理：正火 830-880℃；淬火 820-840℃，水冷；回火温度根据要求制定；
淬火临界直径（mm）：静油 10； 20℃水 20； 40℃水 16； 20℃5%NaCl水溶液 21.5。实际生产中工件淬透层应按＜1/2淬火临界直径计算。
回火温度与机械性能的关系：随回火温度上升，硬度值、抗拉强度、屈服强度降低，延升率、冲击值升高。
2、50钢介绍：
50钢属优质碳素结构钢
化学成分（%）：C 0.47-0.55； Si 0.17-0.37；Mn 0.50-0.80； P ≤0.035； S ≤0.035； Cr≤0.25； Ni≤0.25。
临界温度（℃）：Ac1 725；Ac3 760；Ar1 690 ；Ar3 721。
锻造温度（℃）：始锻 1100；终锻 800.
热处理：退火 820-840℃；淬火 810-830℃，水冷；回火温度根据要求制定；
淬火临界直径（mm）：静油 10； 20℃水 20； 40℃水 16； 20℃5%NaCl水溶液 21.5。实际生产中工件淬透层应按＜1/2淬火临界直径计算。
回火温度与机械性能的关系：随回火温度上升，硬度值抗拉强度、屈服强度降低，延升率、冲击值升高。
第四节 合金钢
为满足使用要求，在冶炼过程中特意在钢中加入一定量的某一种或几种元素进行合金化。这种为了合金化目的而加入并且其含量有一定范围的元素称为合金元素，这种钢称为合金钢。
目前钢中常加入的元素有：硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铌、镐、铝、钴、氮、硼、稀土元素等。
一、 合金钢分类
1. 按用途分：
a． 结构钢 包括建筑工程用钢和机器制造用钢。属于建筑工程用钢的有普通碳素钢、普通低合金钢、低合金高强度钢；属于机器制造用钢的有调质钢、渗碳钢、渗氮钢、弹簧钢、轴承钢等。
b． 工具钢 包括刃具钢、模具钢、量具钢。
c． 特殊用途钢 包括不锈耐酸钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢、超高强度钢。
2. 按化学成分分：
a．按合金元素种类分铬钢、锰钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等。
b．按合金元素含量分三类 低合金钢（合金元素总含量≤5%）、中合金钢（合金元素总含量5-10%）、高合金钢（合金元素总含量＞10%）。
3. 按金相组织分类：
a．按平衡状态或退火组织分 亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。
b．按正火组织分 珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
c．按加热及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、复相钢。
4. 按质量分：普通钢、优质钢、高级优质钢。
二、合金钢编号
我国的合金钢是按钢的含碳量以及所含合金元素的种类和数量来编号的，这种方法简单醒目，便于书写识别。
1、 机械制造用合金结构钢的牌号表示方法
a．钢的含碳量一律以平均含碳量的万分之几表示。合金元素含量以百分之几表示，合金元素含量小于1.5%时，钢中只标明元素；当其含量大于1.5%、2.5%、3.5%时在元素后面注出近似含量。如25Mn2V，表示一种含碳量为0.25%，含锰量≥1.5%，又含有少量钒的合金结构钢。
b．合金结构钢中的钼、钒、钛、铝、硼、稀土等合金元素，虽然含量很低，但仍应在钢号中标出。如平均含碳量0.2%，含锰量为1.00-1.3%，含钒量为0.07-0.12%含硼量为0.001-0.005%的钢，钢号应表示为20MnVB。

2、 合金工具钢的牌号表示方法
a.合金工具钢含碳量大于1.00%时，含碳量不予标出，如CrMn；含碳量小于1%时，以千分之几表示，如9CrSi钢的含碳量为0.85-0.95。
b.合金工具钢中合金元素的表示方法基本与合金结构钢相同，但对含铬量低的合金工具钢，其含量也按千分之几表示，在含量之前加“0”字，如Cr06.
c.高速工具钢的钢号中不必标出含碳量，一般只标出合金元素平均含量的百分之几。如W18Cr4V，钨的平均含碳量为18%，铬的平均含碳量为4%，含碳量仅在0.7-0.8%之间。
3、 特殊用途钢的牌号表示方法
表示方法与合金工具钢相同，含碳量仍以千分之几表示。磁钢前加“C”，焊条钢前加“H”。
4、 滚动轴承钢的牌号表示方法
含碳量不予标出，含铬量以千分之几表示，并冠以用途名称。如平均含铬量为1.5%的轴承钢表示为“GCr15”
三、我公司目前用合金结构钢有40Cr、42CrMo；热作模具钢有5CrNiMo；高速钢有W18Cr4V等。
1、 合金元素Cr、Mo的作用，对热处理方面的影响
a.Cr Mo属于强碳化物形成元素，强烈降低碳在奥氏体中的扩散系数，大大降低了奥氏体的形成速度，导致热处理时保温时间延长；
b.对残余碳化物向奥氏体中溶解的影响 含Cr碳化物要在850℃以上的温度才有显著的溶解，导致热处理加热温度比碳钢高；
c.对奥氏体成分均匀化的影响 合金元素降低了碳在奥氏体中的扩散速度，奥氏体均匀化过程一般比碳钢慢的多，导致热处理保温时间加长；
d.对过冷奥氏体转变的影响 合金元素的加入，显著改变了过冷奥氏体的转变温度、转变速度、转变产物和数量。降低马氏体转变温度，促进片状马氏体的形成
e.对淬透性的影响 Cr Mo都提高钢的淬透性
f.对回火转变的影响 Cr Mo都阻碍马氏体的分解，还提高了残余奥氏体发生分解的温度范围，应采用更高的回火温度。
g.回火脆性 一类回火脆性在200-350℃范围，为不可逆转的回火脆性，应尽量避免在此温度范围回火；二类回火脆性在500-600℃，为可逆转脆性，避免二类回火脆性的方法可以回火后水冷或油冷。Cr 增加二类回火脆性，Mo降低二类回火脆性，所以Cr钢回火后须快速冷却防止二次回火脆性的发生；Cr Mo钢回火后可以用空冷也可以水冷。
h.对热处理后机械性能的影响 Cr Mo钢提高钢的淬透性，可获得均匀的马氏体组织，从而可获得较均匀的性能；Cr Mo钢阻碍奥氏体晶粒长大，细化马氏体组织，使淬火钢的强度提高；Cr Mo提高了钢的回火稳定性，获得高的弥散强化效果，回火温度比碳钢高，有利于消除应力，提高韧性，获得强度和韧性较好的配合。

2、40Cr属优质合金结构钢
a.化学成分（%）：C 0.37-0.45； Si 0.20-0.40；Mn 0.50-0.80；Cr 0.80-1.10； P ≤0.035； S ≤0.035； Cu≤0.25。
b.临界温度（℃）：Ac1 743；Ac3 800；Ar1 693 ；Ar3 730。
c.锻造温度（℃）：始锻 1200；终锻 800.
d.热处理：退火 825-845℃；正火 850-870℃；淬火 840-870℃，油或水冷；回火温度根据要求制定，回火后采用油冷或水冷；
e.淬火临界直径（mm）：静油 22； 20℃水 38； 40℃水 35； 20℃5%NaCl水溶液 40。实际生产中工件淬透层应按＜1/2淬火临界直径计算。
f.回火温度与机械性能的关系：随回火温度上升，硬度值、抗拉强度、屈服强度降低，延升率、断面收缩率、冲击值升高。
3、42CrMo属优质合金结构钢
a.化学成分（%）：C 0.38-0.45； Si 0.20-0.40；Mn 0.50-0.80； Cr 0.90-1.20； Mo 0.15-0.25； P ≤0.035； S ≤0.035； Cu≤0.25。
b.临界温度（℃）：Ac1 730；Ac3 780；Ar1 690 ；Ms 360。
c.锻造温度（℃）：始锻 1100；终锻 850.
d.热处理：退火 850℃,随炉冷到600℃空冷；正火+回火 850℃+680℃；淬火 850-860℃，油冷、PAG介质冷却或水冷；回火温度根据要求制定；
e.淬火临界直径（mm）：静油 40； 20℃水 58； 40℃水 54.5； 20℃5%NaCl水溶液 59。实际生产中工件淬透层应按＜1/2淬火临界直径计算。
f.回火温度与机械性能的关系：随回火温度上升，硬度值、抗拉强度、屈服强度降低，延升率、断面收缩率、冲击值升高。