第三節(jié) 金屬材料

一、金屬材料的分類

（1）金屬材料的分類

金屬材料一般分為鋼鐵材料（黑色金屬）和有色金屬兩大類，具體的分類方法見表1-20。

（2）鋼鐵的分類（表1-21）

（3）鋼的分類（表1-22）

（4）鋼材的分類（表1-23）

二、鋼鐵材料的性能簡介

鋼鐵材料的性能主要是指力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能等。

（1）力學(xué)性能

鋼鐵材料的力學(xué)性能是指鋼鐵材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如強(qiáng)度、硬度、塑性和沖擊韌性等，詳細(xì)見表1-24。

（2）物理性能

鋼鐵材料的物理性能是指金屬的密度、熔點(diǎn)、熱膨脹、熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性和磁性等，它們的代號和含義見表1-25和表1-26。

（3）化學(xué)性能

鋼鐵在常溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力稱為化學(xué)性能，如耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等，它們的名稱和含義見表1-27。

（4）工藝性能

鋼鐵材料是否易于加工成形的性能稱為工藝性能，如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等，它們的名稱和含義見表1-28。

三、鋼材規(guī)格表示方法

鋼材規(guī)格表示方法見表1-29。

四、金屬材料理論質(zhì)量計(jì)算

（1）鋼材理論質(zhì)量計(jì)算簡式（表1-30）

（2）基本公式

式中 W—金屬材料質(zhì)量，kg；

A—截面積，m2；

L—長度，m；

ρ—金屬的密度，g/cm3。碳素鋼密度數(shù)值為7.85，不銹鋼密度數(shù)值為7.75，鋁密度數(shù)值為2.73，銅密度數(shù)值為8.9。

五、金屬材料的熱處理

熱處理就是將金屬加熱到一定溫度，并在此溫度停留一段時(shí)間，然后冷卻至一定溫度的工藝過程。熱處理的過程一般都要經(jīng)過加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。

熱處理雖不能改變金屬零件的形狀和大小，但能改變金屬內(nèi)部的組織，從而改善金屬的性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命。常用的熱處理種類見表1-31。

六、金屬塑性變形的基本知識

鈑金、冷作加工中的矯形、彎曲、卷板、沖壓等工序，都是利用金屬在常溫或高溫下產(chǎn)生的塑性變形而成為所需的形狀。因此，金屬的塑性變形是金屬成形的基礎(chǔ)。

（1）金屬的冷塑性變形

金屬在冷狀態(tài)下受外力作用時(shí)，其形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化可以是彈性的，也可以是塑性的。當(dāng)外力解除后，金屬能恢復(fù)其原來形狀和尺寸的，這種變形稱為彈性變形。反之，則為塑性變形。

金屬是由許多晶粒組成的，金屬的塑性變形是金屬內(nèi)部晶粒產(chǎn)生相對滑移的結(jié)果。所以，金屬最基本的塑性變形方式是滑移。由于金屬大都是多晶體，即它們是由方向不同的許多小晶粒組成。所以金屬在受到外力作用時(shí)，最有利于滑移的那些晶粒首先產(chǎn)生滑移，然后再逐步擴(kuò)展到其他晶粒。因此，多晶體金屬的變形抗力較大，晶粒愈細(xì)，其晶界愈多，金屬的塑性變形抗力也愈大。

金屬在冷塑性變形時(shí)，隨著滑移的進(jìn)行，滑移面附近的晶格發(fā)生歪曲和畸變，滑移區(qū)的晶粒破碎，造成金屬進(jìn)一步滑移困難，從而使其強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性降低。這種因金屬冷塑性變形引起的金屬力學(xué)性能的變化，稱為冷加工硬化或冷作硬化。

冷作硬化是金屬的一種重要性質(zhì)，它不但使金屬進(jìn)一步成形需消耗更大的能量，造成成形困難，且由于金屬的塑性和韌性降低，在成形時(shí)可能會產(chǎn)生裂紋和斷裂，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，一些冷加工后的工件需進(jìn)行退火熱處理。可見冷作硬化有很重要的實(shí)際意義。冷作硬化也有其有用的一面，例如利用加工硬化可提高某些工件的強(qiáng)度。

金屬冷塑性變形的另一種后果是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力的存在會削弱金屬的強(qiáng)度，而應(yīng)力若釋放后又會造成工件的變形。

（2）金屬的再結(jié)晶

金屬經(jīng)過冷塑性變形后加熱至較高溫度時(shí)，由于原子的活動能力增加，畸變和破碎的晶粒原子重新排列，即產(chǎn)生新的晶核和晶核不斷長大，一直到金屬的冷塑性變形組織完全消失，這一過程稱為金屬的再結(jié)晶。

金屬再結(jié)晶后強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性大大提高，內(nèi)應(yīng)力完全消除，金屬恢復(fù)到原來狀態(tài)。金屬再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之間存在如下關(guān)系：

T_再＝ （0.35～0.4）T_熔

式中 T_再 —再結(jié)晶熱力學(xué)溫度，℃；

T_熔—熔化的熱力學(xué)溫度，℃。

（3）金屬的熱塑性變形

金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行壓力加工，因塑性變形引起的冷作硬化由于再結(jié)晶過程而消除，即金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的壓力加工稱為熱加工。

金屬在熱塑性變形時(shí)，金屬內(nèi)部發(fā)生加工硬化和再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過程。再結(jié)晶過程是邊加工邊發(fā)生的。當(dāng)變形程度大而加熱溫度低時(shí)，由于變形所引起的強(qiáng)化占優(yōu)勢，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，塑性和韌性降低，金屬的晶格畸變得不到恢復(fù)，變形阻力愈來愈大，甚至?xí)斐山饘倨屏选Ｏ喾矗?dāng)變形程度較小而加熱溫度較高時(shí)，由于再結(jié)晶和晶粒長大占優(yōu)勢，金屬的晶粒愈來愈粗，金屬的性能也變差。由此可見，在熱加工時(shí)應(yīng)掌握好加熱溫度與變形程度，使其很好地相互配合。

（4）鋼材的熱加工溫度范圍

鋼材開始壓力加工時(shí)的溫度稱為始鍛溫度，加工結(jié)束時(shí)的溫度稱為終鍛溫度。始鍛溫度和終鍛溫度的范圍稱為鍛造溫度范圍，即熱加工溫度范圍。鋼材的加熱溫度愈高，則塑性愈好，變形抗力愈小，易于成形。但加熱溫度過高，會使鋼產(chǎn)生過熱或過燒，同時(shí)使鋼的氧化和脫碳更嚴(yán)重。

過熱是由于加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長引起的，過熱會使奧氏體晶粒變得粗大，鋼的力學(xué)性能尤其是塑性會降低而影響成形。過燒是由于鋼加熱到接近熔化溫度時(shí)，氧氣沿晶界滲入，晶界會發(fā)生氧化變脆，塑性大大降低，使鋼變脆而無法成形。

鋼的最高加熱溫度（即始鍛溫度），通常要比固相線低200℃。終鍛溫度應(yīng)保證在加工結(jié)束時(shí)，金屬有足夠的塑性和獲得再結(jié)晶組織。對亞共析鋼為Ac3以上15～30℃，但碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%以下的鋼，由于有足夠的塑性，終鍛溫度可低于Ac3；對過共析鋼可在A1線以上50～100℃。

有些熱加工成形，是在不太高的溫度下進(jìn)行的，如彎頭及容器接管口的熱沖壓翻邊約700～750℃；筒節(jié)的中溫卷圓和矯圓約650℃。加工這些零件時(shí)，應(yīng)考慮到鋼材的脆化溫度區(qū)，可能會對其性能產(chǎn)生不良影響。

鋼材的熱加工溫度范圍隨鋼材的成分而確定，常用金屬材料的熱加工溫度范圍見表1-32。

鋼加熱時(shí)其顏色也隨之變化，所以加熱溫度的高低一般可根據(jù)鋼材的顏色做粗略地判斷。在暗處觀察時(shí)，鋼的顏色與加熱溫度的關(guān)系見表1-33。

七、金屬材料的表面清理

常用的表面清理方法有化學(xué)除銹法和機(jī)械除銹法。

（1）化學(xué)除銹法

化學(xué)除銹法一般用酸、堿溶液按一定配方裝入槽內(nèi)，將工件放入浸泡一定時(shí)間，然后取出用水沖洗干凈，以防止余酸的腐蝕。酸洗法可除去金屬表面的氧化皮、銹蝕物、焊接熔渣等污物。堿洗法主要用于去除金屬表面的油污。鈍化主要作為酸洗后的防銹處理。表1-34列舉了幾種常用的化學(xué)清洗及鈍化配方。

（2）機(jī)械除銹法

常用有噴砂法、彈丸法或拋丸法，其說明見表1-35。