主题：『基础十』金属知识及相关

常存杂质对钢性能的影响 
  实际使用的钢中，除了含有铁、碳与合金元素外， 在冶炼过程中，不可避免地要带入一些杂质（如锰、硅、硫、磷、非金属类杂质以及某些气体，如氮、氢、氧等）。这些杂质对钢的质量有很大的影响。
  1． 锰 锰在钢中作为杂质存在时，一般均小于0.8％ 。它来自作为炼钢原料的生铁及脱氧剂锰铁。锰有很好的脱氧能力，还能与硫形成MnS,以消除硫的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣而被除去，小部分残留于钢中成为非金属夹杂物。此外，在室温下锰能溶于铁素体， 对钢有一定强化作用。锰也能溶于渗碳体中，形成合金渗碳体。但锰作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响不显著。
  2． 硅  硅在钢中作为杂质存在时，一般均小于0.4％,它也来自生铁与脱氧剂。在室温下硅能溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。但硅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响也不显著。
  3． 硫 硫是由生铁及燃料带入钢中的杂质。 在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe可形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在奥氏体的晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。为了消除硫的有害作用，必须增加钢中含锰量。锰与硫优先形成高熔点（1620℃）的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑造性，从而避免了热脆性。硫化物是非金属夹杂物，会降低钢的机械性能，并在轧制过程中形成热加工纤维组织。因此，通常情况下，硫是有害的杂质。在钢中要严格限制硫的含量。但含硫量较多的钢，可形成较多的MnS，在切削加工中，MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性，这是硫有利的一面。
  1． 磷 磷由生铁带入钢中，在一般情况下，钢中的磷能全部溶于铁素体中。 磷有强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易产生晶内偏析，使局部地区含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其它低温条件下工作的结构件具有严重的危害性，此外，磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。因此，通常情况下，磷也是有害的杂质。在钢中也要严格控制磷的含量。但含磷量较多时，由于脆性较大，在制造炮弹钢以及改善钢的切削加工性方面则是有利的。
    2． 非金属夹杂物 在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。例如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的机械性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳极限。严重时，还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使材料具有各向异性。严重时，横向塑性仅为纵向的一半，并使冲击韧性大为降低。因此，对重要用途的钢（如滚动轴承钢、弹簧钢等）要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况。此外，钢在整个冶炼过程中，都与空气接触，因而钢液中总会吸收一些气体，如氮、氧、氢等。它们对钢的质量也会产生不良影响。

特殊性能钢简介 
    特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。
一． 不锈耐酸钢
    不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。而在一些化学介质（如酸类等）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。通常也将这两类钢统称为不锈钢。一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢则一般都具有良好的耐蚀性能。
    不锈钢的钢号前的数字表示平均含碳量的千分之几，合金元素仍以百分数表示。当含碳量≤0.03％及≤0.08％者，在钢号前分别冠以“00”或“0”，例如不锈钢3Cr13的平均含碳量为0.3％、铬≈13％；0Cr13钢的平均含碳量≤0.08％、铬≈13％；00Cr18Ni10钢的平均含碳量≤0.03％、铬≈18％、镍≈10％
常用分类
  1． 马氏体不锈钢 常用马氏体不锈钢含碳量为0.1--0.45％,含铬量为12--14％，属铬不锈钢。随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。为了提高耐蚀性及机械性能，这类钢最后热处理是淬火和回火。它在空气中可淬硬，但一般仍用油冷。这类钢多用于机械性能要求较高，而耐蚀性要求较低的零件。如汽轮机叶片、各种泵的零件、弹簧、滚动轴承及一些医疗器械。
  2． 铁素体不锈钢 常用含碳量低于0.15％, 含铬量为12--30％,也属于铬不锈钢。其塑性、焊接性均较马氏体钢好。这类钢广泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化学工业中。
  3． 奥氏体不锈钢 这是应用最广泛的不锈钢，属镍铬钢。

二． 耐热钢
    1． 抗氧化钢（不起皮钢）一般钢铁在较高温度下（560℃以上）表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的FeO，它较易剥落，最终导致零件破坏。实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。和不锈钢一样，含碳量增多，会降低钢的抗氧化性。故一般抗氧化钢为低碳钢。
    2． 热强钢 金属在高温下的强度有两个特点：一是温度升高，金属原子间结合力减弱、强度下降；二是在再结晶温度以上，即使金属受的应力不超过该温度下的弹性极限，它也会缓慢地发生塑性变形，且变形量随时间的增长而增大，最后导致金属破坏。这种现象称为蠕变。产生的原因是：在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。  热强钢采用的合金元素，如铬、镍、钼、钨、硅等，除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。分类
  A． 珠光体钢：这类钢在350--600℃范围使用。
  B． 马氏体钢：这类钢在低于620℃范围内使用。
  C． 奥氏体钢：这类钢一般在600--700℃范围内使用。
三． 耐磨钢
    耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。它只有在强烈冲击与摩擦的作用下，才具有耐磨性，在一般机器工作条件下，它并不耐磨。主要用于制造坦克、拖拉机的履带，挖掘机铲斗的斗齿以及防弹钢板、保险箱钢板、铁路道岔等。由于高锰钢极易加工硬化，使切削加工困难，故大多数高锰钢零件是采用铸造成型的。

渗碳体概念
    渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。
    它的含碳量为6.69％；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。
    渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。
    渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解。

钢的氮化（气体氮化）
    概念：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主），高速柴油机曲轴、阀门等。
    氮化工件工艺路线： 锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。 钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度（大于HV850）及耐磨性。 氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较是广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

金属特性及金属键的概念
    金属为何具有其特性和金属键的概述
    晶体分为金属晶体与非金属晶体，两者在内部结构与性能上除有着晶体所共有的特征外，金属晶体还具有它独特的性能，如具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。但金属与非金属的根本区别是金属的电阻随着温度的升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金属的电阻却随着温度的升高而降低，即具有负的温度系数。
    金属为何具有上述这些特性呢？这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。
    金属元素原子构造的共同特点，就是它的最外层电子（价电子）的数目少（一般仅有1-2个），而且它们与原子核的结合力弱，很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。当大量的金属原子聚合在一起构成金属晶体时，绝大部分金属原子都将失去其价电子而变成正离子，正离子又按一定几何形式规则地排列起来，并在固定的位置上作高频率的热振动。而脱离了原子束缚的那些价电子都以自由电子的形式，在各离子间自由运动，它们为整个金属所共有，形成所谓“电子气”。金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间以及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。
    由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有上述一系列的金属特性。例如：金属中的自由电子在外电场作用下会沿着电场方向作定向运动，形成电流，从而显示良好的导电性。而靠离子键或共价键结合的非金属晶体，由于没有自由电子存在，故无这种特性。又如：因金属中正离子是以某一固定位置为中心作热振动的，对自由电子的流通就有阻碍作用，这就是金属具有电阻的原因。随着温度的升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而金属的电阻是随着温度的升高而增大的，即具有正的电阻温度系数。此外，由于自由电子的运动和正离子振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。当金属发生塑性变形（即晶体中原子发生了相对位移）后，正离子与自由电子间仍能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。因为金属晶体中的自由电子能吸收可见光的能量，故使金属具有不透明性。吸收能量而跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表现为金属的光泽。

铁素体的概念
      纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格（注1）的α-Fe。碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218％,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600％时溶碳量约为0.0057％，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下：
      抗拉强度            180—280MN/平方米             
      屈服强度            100—170MN/平方米             
      延伸率              30--50％                 
      断面收缩率            70--80％                 
      冲击韧性              160—200J/平方厘米             
      硬度HB              50—80                 
      由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。
      铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。
      铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。
注1：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列一个原子。可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以，体心立方晶胞中原子数为8*1/8+1=2个。

钢的分类
    钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。钢是经济建设中极为重要的金属材料。
钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。
由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：
一． 按用途分类
    按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。
    结构钢：1.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。
    2．用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。
    工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。
特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。
二． 按化学成分分类
    按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。
    碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢（含碳量≥0.6%）。
    合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（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%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。
三． 按质量分类
    按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）；高级优质钢（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。
此外，还有按冶炼炉的种类，将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。按冶炼时脱氧程度，将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。
    钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。

金属材料的机械性能
    金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
    在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。
    金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。
1． 强度
    强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。
2． 塑性
    塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。
3． 硬度
    硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。
    常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。
4． 疲劳
    前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。
5． 冲击韧性
    以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。

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