金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)

金屬材料及處理工藝基礎(chǔ)知識(shí)一、金屬材料分類(lèi)：金屬材料的分類(lèi)有多種方式，有按照密度分的，價(jià)格分的…常用的是分類(lèi)是把金屬材料分成黑色金屬和有色金屬兩大類(lèi)。.黑色金屬：通常指鐵，鎰、銘及它們的合金。常用的黑色材料為鋼鐵。其又分為三類(lèi)：純鐵，鋼，鑄鐵。純鐵：其主要由Fe組成的，含C量在0.0218%以下，工業(yè)中很少用；鋼：含C量在0.021822.3%之間的鐵碳合金（不加其他元素的稱(chēng)碳素鋼，加入其他合金元素的稱(chēng)合金鋼）。其又可以按照成分分類(lèi)（碳素鋼，合金鋼），用途分類(lèi)（軸承鋼，不銹鋼，工具鋼，模具鋼，彈簧鋼，滲碳用鋼，耐磨鋼，耐熱鋼…），品質(zhì)分類(lèi)（普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼），成形方式分類(lèi)（鍛鋼，鑄鋼，熱軋鋼，冷拉鋼），形式分類(lèi)（板材;棒材，管材，異形鋼等）等等。鑄鐵：含C量在2.3%-6.69%之間的鐵碳合金成為鑄鐵。按石墨的形態(tài)其又可以分為灰鑄鐵，球墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵等，石墨的不同形態(tài)和基體的配合而具有不同的性能。.有色金屬：又稱(chēng)非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、錫、鉛、鋅、鋁、銀鎰以及黃銅、青銅、鋁合金和軸承合金等。二、金屬材料的使用性能及指標(biāo)金屬材料常用的性能指標(biāo)有力學(xué)性能和物理性能。.力學(xué)性能：金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的各種特性，如彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度等。強(qiáng)度：金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度是極為重要的強(qiáng)度指標(biāo)，是金屬材料選用的重要依據(jù)。強(qiáng)度的大小用應(yīng)力來(lái)表示,即用單位面積所能承受的載荷（外力）來(lái)表示，常用單位為MPa。屈服強(qiáng)度：金屬試樣在拉力試驗(yàn)過(guò)程中，載荷不再增加，而試樣仍繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為“屈服”。產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，即開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱(chēng)為屈服點(diǎn)，用符號(hào)os表示，單位為MPa。一般的，材料達(dá)到屈服強(qiáng)度，就開(kāi)始伴隨著永久的塑性變形，因此其是非常重要的指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度：金屬試樣在拉力試驗(yàn)時(shí)，拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)ob表示，單位為MPa。塑性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形（去掉外力后不能恢復(fù)原狀的變形），但不會(huì)被破壞的能力。彈性：金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形的能力（去掉外力后能恢復(fù)原狀的變形）。伸長(zhǎng)率：金屬在拉力試驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷后，其標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，稱(chēng)為伸長(zhǎng)率。用符號(hào)8表示。伸長(zhǎng)率反映了材料塑性的大小，伸長(zhǎng)率越大，材料的塑性越大。韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷的能力，稱(chēng)為韌性，通常用沖擊吸收功或沖擊韌性值來(lái)度量。沖擊吸收功：試樣在沖擊載荷作用下，折斷時(shí)所吸收的功。用符號(hào)Ak表示，單位為J。硬度：金屬材料的硬度，一般是指材料表面局部區(qū)域抵抗變形或破裂的能力。根據(jù)試驗(yàn)方法和適用范圍的不同，可分為布氏硬度和洛氏硬度等多種。布氏硬度用符號(hào)HB表示，洛氏硬度用符號(hào)HRA、HRB或HRC表示，維式用HV表示。一般硬的材料打洛氏硬度，軟的材料（有色金屬，退火的鋼鐵）打布氏硬度，很小的件打維式硬度（顯微硬度）。以上指標(biāo)中，最常用幾個(gè)指標(biāo)是強(qiáng)度（os,0b）,伸長(zhǎng)率（6）,硬度。.物理性能：金屬材料固有的屬性，如密度，導(dǎo)電性等。三、金屬材料的分類(lèi)使用.鋼板（鋼帶，鋼卷）按照軋制方式分，汽車(chē)用鋼板有兩種，及熱軋鋼板和冷扎鋼板兩大類(lèi)。國(guó)家有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如GB3275中有《汽車(chē)制造用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》，也有相應(yīng)的冷軋鋼板標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容相對(duì)較松；現(xiàn)在國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠使用的多數(shù)是鋼廠的標(biāo)準(zhǔn)，如寶鋼的冷軋標(biāo)準(zhǔn)Q/BQ403-2002。下面就其中的牌號(hào)和性能做一下簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)豪滠堜摪澹篴.普通冷軋板：寶鋼現(xiàn)用的St系列（Stl2,Stl3,Stl4,Stl6等）和TL系列都是德國(guó)的牌號(hào)，其中Stl2,Stl3屬于深沖級(jí)，Stl4,Stl6屬于超深沖級(jí)，國(guó)內(nèi)根據(jù)沖壓的復(fù)雜程度又將超深沖級(jí)分為復(fù)雜（F）,很復(fù)雜（HF）,最復(fù)雜（ZF）和一般，如Stl4,Stl4F,Stl4HF,Stl4ZF,他們的強(qiáng)度都相同，只是沖壓性能好些。此外，Stl4,Stl6還要05板，stl405,Stl605,05是指表面無(wú)缺陷，即鋼板的標(biāo)準(zhǔn)平整，沒(méi)有坑包等缺陷，與此對(duì)應(yīng)的有03板，即表面狀態(tài)差一些的。即BLC,BLD,BUSD,BUFD,BSUFD是來(lái)源于日本的牌號(hào),與Stl2到Stl6基本對(duì)應(yīng)。b.鍍鋅板/鍍鋁板:鍍鋅板的主要作用就是有一定的防腐性能，但由于表面的鋅層，會(huì)給沖壓和焊接帶來(lái)一定的困難，有基體相當(dāng)于Stl6的DC56D+Z（StO7Z）,相當(dāng)于Stl2的DC54D+Z（StO6Z）,我們B11發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板目前使用的就是DC56D+Z鋼板，主要的就是增加內(nèi)板的防腐性能；鍍鋁板的主要作用是隔熱，目前我們的百車(chē)身上還沒(méi)有使用，在排氣系統(tǒng)中有一些。c.高強(qiáng)度鋼板（加磷鋼）一般的，在金屬材料中磷和硫?qū)儆谟泻υ兀枯^少時(shí)），但當(dāng)磷的量達(dá)到一定的量（0.05%以上）時(shí)，磷的強(qiáng)化作用（置換強(qiáng)化）要超過(guò)其有害的作用。目前使用的加磷鋼屬于這個(gè)范疇，有B170P1,B210P1,B250P1Bl80P2等，其中B代表寶鋼，170,210,250等代表其最小的屈服強(qiáng)度（MPa）,P代表加磷強(qiáng)化，P1中的1代表是超低碳（碳含量為雙零一一小數(shù)點(diǎn)后兩個(gè)零），P2中的2代表是低碳（碳含量為單零）。d.烘烤硬化鋼（BH鋼）BH鋼是為提高鋼板的抗凹性、抗劃痕性和表面質(zhì)量而開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度鋼板。即材料經(jīng)過(guò)涂裝烘烤后（170度左右），屈服強(qiáng)度會(huì)增加30—50MPa,其機(jī)理是高溫C、N原子擴(kuò)散速度加快，而在位錯(cuò)聚集而強(qiáng)化材料，烘烤前后的屈服強(qiáng)度的增量即為BH值。由于烘烤硬化鋼的特殊性能，常將其用于表面覆蓋件，如門(mén)外板，頂蓋等。e.其它新型高強(qiáng)度鋼板近年，隨著新技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，還出現(xiàn)了雙相鋼，多相鋼，誘導(dǎo)塑性相變鋼等成型性能好，強(qiáng)度高的鋼板，目前在我們車(chē)上有少量使用，這里就不贅述了。.結(jié)構(gòu)材料機(jī)構(gòu)材料，主要是承擔(dān)較高的載荷，根據(jù)其使用地點(diǎn)和要求，有很多種，下面就簡(jiǎn)單的介紹幾種。a.不銹鋼顧名思義，不銹鋼的主要特定是能抵抗外界的腐蝕，如抗酸蝕，堿蝕等，主要是通過(guò)加入Cr,Ni等合金元素而起作用的。其按照基體又可分為奧氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼，馬氏體不銹鋼等。常見(jiàn)的牌號(hào)有奧氏體型：lCrl7Mn6Nil5N,lCrl8Mn8Ni5N,!Crl8Ni9,1Crl8Ni9Si3,0Crl8Ni9；鐵素體型：0Crl3Al,lCrl5；馬氏體型：lCrl2,4Crl3等。b.彈簧鋼彈簧鋼按化學(xué)成分可分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類(lèi)，其鋼號(hào)表示方法，前者基本上與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相同，后者基本上與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。其基本功能是通過(guò)彈性變形的產(chǎn)生和恢復(fù)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡?，以及反過(guò)來(lái)把形變能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和機(jī)械能。其一般含C量為0.55%-0.7%,鋼種有Si-Mn,Cr-Mn等等多種，典型的有65Mn。c.滲碳鋼滲碳鋼通常為含碳量為0.17%-0.24%的低碳或低碳合金鋼。主要是通過(guò)不同的滲碳工藝提高鋼材的表面碳含量而使材料的表面具有較高的硬度而心部仍具有好的塑性，這樣材料的綜合性能有較大的提高，即表面硬，耐磨耐接觸疲勞，而心部軟，耐沖擊載荷。滲碳鋼常用于齒輪，軸等件。d.調(diào)質(zhì)鋼：調(diào)質(zhì)鋼為含碳量在0.30%-0.60%的中碳鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后得到一定的強(qiáng)度和足夠的韌度，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)的使用要求。主要用在汽車(chē)的一些軸，，轉(zhuǎn)向臂，傳動(dòng)系統(tǒng)的花鍵，中間軸等。四、金屬材料的熱處理方式金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類(lèi)，熱處理工藝有四種，即常說(shuō)的熱處理四把火：退火，正火，淬（讀音為zhan）和回火，見(jiàn)下圖：熱處理普通熱處理退火

正火

淬火

回火火焰加熱淬火表面淬火熱處理普通熱處理退火

正火

淬火

回火火焰加熱淬火表面淬火表面熱處理化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱濘火表面熱處理化學(xué)熱處理滲碳氨化碳如共滲及其他表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙快或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。經(jīng)過(guò)高頻淬火的材料表面具有硬度高的組織而耐磨，有高的接觸疲勞強(qiáng)度，而心部組織未變；化學(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(zhì)（氣體、液體、固體）中加熱，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鋁等元素。滲入元素后，有時(shí)還要進(jìn)行其他熱處理工藝如淬火及回火。化學(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。其主要的參數(shù)是加熱的溫度，保溫時(shí)間，冷卻的速度和方式。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。因?yàn)椴牧系姆肿樱ㄔ樱┙Y(jié)構(gòu)決定了材料的顯微組織，而顯微組織又能決定材料的性能，熱處理正是通過(guò)改變材料的顯微組織而獲得必要的性能。選擇何種熱處理工藝（方式）是根據(jù)處理材料的狀態(tài)，需要的性能而定的。退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這