一、用金属材料的分类、性能、成分

1、金属材料的分类

    金属是指具有良好导电性和导热性，有一定强度和塑性，并具有光泽的物质，如铝、铁、铜等。而羊毛、橡胶、塑料、陶瓷等则属于非金属材料。金属材料通常分为黑金属和有色金属两大类：以铁或以它为主而形成的物质称为黑色金属，如钢和生铁。除黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铜、铝、金、银等。

    在机械制造业中，常用的金属材料分类如下：

金属材料

球墨铸铁

蠕墨铸铁

可锻铸铁

灰铸铁

铸铁

非铁合金

（有色金属）

钛及其合金

轴承合金

铝及其合金

铝基轴承合金

铅基轴承合金

锡基轴承合金

铸造铝合金

加工铝合金

纯铝

铜及其合金

青铜

白铜

黄铜

纯铜

钢铁

（黑色金属）

钢

合金钢

碳素钢

铸造合金钢

特殊性能钢

合金工具钢

合金结构钢

铸造碳素钢

碳素结构钢

碳素工具钢

    钢和铸铁主要是由铁和碳两种元素组成的合金，其区别在于含碳量的多少，理论上将含碳量在2.11%以下的合金称为钢，以上的称为铸铁。常用的有色金属有铜及其它合金、铝及其它合金、钛及其它合金和轴承合金等。

    2、金属材料的力学性能

    金属材料是现代机械制造的基本材料。金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面：使用性能使之金属材料在使用条件下表现出来的性能，它包括物理性能、化学性能、力学性能等；工艺性能是指金属材料在制造工艺过程中的适应加工的性能。金属的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、和磁性等；金属的化学性能包括腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。

    金属材料的力学性能是指金属在外力作用下时表现出来的性能。力学性能也包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

    1）强度  金属抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉强度（）、抗压强度（）、抗弯强度（）、抗剪强度（）、抗扭强度（）五种形式。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

     抗拉强度：材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。

    式中：－－抗拉强度，N/mm2；

           Fb――试样承受的最大载荷，N；

           S0――试样原始横截面积，mm2。

2）塑性  金属断裂前产生永久变形的能力称为塑性。常用金属材料的塑性用拉伸时最大的相对塑性变形（伸长率和断面收缩率）表示。

    ①伸长率    试样拉断后，标举的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

    式中：――伸长率，％

          L1――试样拉断后的标距，mm；

          L0――试样的原始标距，mm。

②断面收缩率    试样拉断后，缩径处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

    式中：――断面收缩率，％

          S0――试样的原始横截面积，mm2；

          S1――试样拉断处的最小横截面积，mm2

    3）硬度     金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变型）、压痕或划痕的能力称为硬度。测量金属硬度的方法很多，有压入硬度试验方法（如布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度）；划痕硬度试验方法（如莫氏硬度）；回跳硬度试验方法（如肖氏硬度）等。生产中常用的是压入硬度试验法。

    ①布氏硬度    布氏硬度的测定原理是用一定的大小的试验力F（N），把直径为D（mm）的淬火钢球压入被测试金属表面，如图3－1所示。保持一定时间后，卸除试验力，根据金属表面压痕的表面积A（mm2）除试验力所的值，作为硬度的计算指标，其符号为HB。计算公式：                                

    压头为淬火钢球时用HBS表示；压头为硬质合金时用HBW表示。硬度值越高，表示材料越硬。

    ②洛氏硬度     洛氏硬度的测定也是一种压入硬度测试，如图3－2所示。但它不是测量压痕面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值，其硬度符号用HR表示。

    洛氏硬度的实验压头采用锥角120•的金刚石或直径为1.588mm的钢球。试验力先后两次施加，先加初试验力，然后加主试验力，其硬度可充洛氏硬度机中直接读得。为了用一种试验机测定从软到硬的不同金属材料，采用不同的压头和总试验力，组成几种不同的洛氏硬度标准，常用的有HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最为广泛，测定对象为一般淬火钢件。

    ③维氏硬度     维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验相同，见图3－3。它是用一个两相对面夹角为136•的正四棱锥体金刚石压头，以选定的载荷F作用下压入被测金属表面，经规定的保持时间后，卸除载荷，测出压痕的对角线长度d，算出压痕的表面积A。试验载荷除以压痕表面积所得的商就是维氏硬度值。

4）韧性     金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧性。

    式中： k――冲击韧度，J／cm2

          Ak――冲击吸收功，J

          S0――试样的原始横截面积，cm2

    5）疲劳强度      随时间作用周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。零件在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但进过较长的时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属疲劳。对与黑色金属，一般规定应力循环周次107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色金属、不锈钢等去108周次。

    3、铁碳合金

    1）铁碳合金相图及组织    钢和铸铁都是由铁和碳两种基本元素组成的合金。在钢中，铁与碳互相结合的方式有两种：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳与铁化合形成化合物。此外，还可以形成固溶体和化合物组成的混合物。

    在时温下，铁原子的排列构成体心立方晶格。铁在加热到910℃时，原子排列发生变化，体心立方晶格变成面心立方晶格。温度升高到1400℃，铁由面心立方晶格又转变为体心立方晶格。910℃以下具有体心立方晶格的铁叫做α－Fe；910－1400℃具有面心立方晶格的铁叫做γ－Fe；而1400℃以上直到熔化前呈体心立方晶格结构的铁叫做δ－Fe。

    ①铁素体    碳溶解在α－Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F来表示。碳在α－Fe中的溶解度极小，在727℃最大的溶解量为0.02％，在室温降低为0.006％。铁素铁鱼纯铁的显微组织基本相同，具有高的塑性，低的强度和硬度。

    ②奥氏体    碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。碳在γ－Fe中的最大溶解量为2.0％，是α－Fe的100倍。奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗力，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。

    ③渗碳体    渗碳体是铁与碳形成的化合物，其分子式为Fe3C，常用符号CII来表示。晶体结构复杂，与铁的晶格间然不同。渗碳体的硬度很高，塑性很差，是一种硬而脆的组织。

    ④珠光体    珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。其力学性能介于铁素体和渗碳体之间。

    ⑤莱氏体    莱氏体是含碳量为4.3％的合金，在1148℃是从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。在室温下的莱氏体有珠光体和渗碳体组成，这种混合物嚷叫莱氏体，符号为Ld。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

    2）铁碳合金相图        铁碳合金相图如图3－4所示，图中主要特性线的含义见表3－1

表3－1 Fe-Fe3C相图中的特性线

1亚共析钢  0.021%﹤[含碳量]﹤0.77％

2共析钢    [含碳量]＝0.77%

3过共析钢  0.77%﹤[含碳量]﹤2.11%

4亚共晶白口铸铁  2.11%≦[含碳量]﹤4.3%

5共晶白口铸铁    [含碳量]＝4.3%

6 过共晶白口铸铁  4.4﹤[含碳量]﹤6.99％

4、常用铁素钢、合金钢、铸铁、有色金属的性能

    1）钢的分类、编号和用途    钢的分类方法主要有三种：一种是按钢的化学成分分类；一种是按钢的用途分类；一种是按钢的质量分类。

1按化学成分分类

a碳素钢   根据含碳量的多少又分为低碳钢（含碳量小于0.25%）、中碳钢（含碳量在0.25%－0.6%范围内）、高碳钢（含碳量在0.6%－1.4%范围内）

b合金钢   除铁碳外，为了改善钢的性能，特意加入一种或数种合金元素的钢称为合金钢。习惯上将合金元素总量在3％以下的较低合金钢；在3％－10％之间的叫中合金钢；在10％以上的叫高合金钢。他们比碳素钢具有较高的强度和韧度或特殊性能，但成本较高。

2按用途分类

a结构钢   这类钢用来制造工程结构（如桥梁、船舶、高压容器等）和机械零件（如轴、齿轮等）。工程用钢一般在压制或正火状态下使用，很少再进行热处理。机械制造用钢大多数需要进行热处理。根据热处理的方法不同，机械制造用结构钢又可分为渗碳钢和调质钢。渗碳钢的含碳量在0.25％以下，常需要经过渗碳、淬火、和回火等热处理。调质钢的含碳量大多在中碳钢范围内，常需要对它进行调质热处理（淬火加高温回火）。

    b工具钢   用以制造各种工具,如模具、刀具、量具。这类钢要求硬度比较高（多在HRC55以上），含碳量一般也比较高。

c特殊性能钢   具有特殊物理、化学和力学、性能的钢的总称，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等，一般都含有较多的合金元素。

3按质量分类

a普通钢   钢中允许含磷量不大于0．045％，含硫量不大于0．050％

b优质钢   钢中磷、硫含量分别不大于0．035％

c高级优质钢   钢中磷、硫含量分别不大于0．025％

d特级质量钢   含磷量不大于0．。025％，含硫量不大于0．015％

由于磷硫在高温或低温下能引起钢的脆性，所以希望钢中含磷、硫量少些。

4钢的编号

a碳素结构钢   如Q-235A·F，表示屈服点值235N／mm2的A级沸腾钢。

b优质碳素结构钢   如45，表示平均含碳量为0．045％的优质碳数结构钢；再如08，表示平均含碳量为0．08％的优质碳数结构钢。

c.碳素工具钢   如T12A，表示平均含碳量为1．20％的高级优质碳素工具钢。

d.铸造碳钢   如ZG270-500，表示屈服点为270N／mm2，抗拉强度为500N／mm2的铸造碳钢。

e.合金就构钢  分别如下

低合金结构钢，如16Mn，表示平均含碳量为0．16％，锰含量在1．5％以下

合金调质钢，如40Cr，表示平均含碳量为0．40％，铬含量在1．5％以下

合金渗碳钢，如20Cr，表示含碳量为0．20％，铬含量在1．5％以下

合金弹簧钢，如65Mn，表示含碳量在0．65％，锰含量在1．5％以下

合金工具钢分别如下：

低合金工具钢，如9CrSi，多用于铸造丝锥、板牙、铰刀等。

高合金工具钢，如W18Cr4V，多用于较高速切削工具，如车刀、铣刀，钻头等。

先将钢的分类及牌号列举如下：

2）铸铁的分类、编号和用途   铸铁是含碳量大于2．11％的铁碳合金。出碳外，还含有硅、锰元素及磷、硫元素等杂质。铸铁和钢相比，虽然力学性能较低，但是它具有优良的铸造性能和切削加工性能，生产成本低廉，并具有耐压、耐磨和减震等性能，所以获得广泛的应用。

机械制造结构钢

合金弹簧钢：65Mn、55SiMn、60Si2Mn

合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTi

合金调质钢：40Cr、35CrMo、45Mn2

普通低合金结构钢：09MnV、09Mn2、16Mn、15MnV

铸造碳钢：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-0

碳素工具钢：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13

碳素结构钢

优质碳素结构钢：10、15、20、25、30、35、40、45…85、15Mn、

             25Mn…65Mn、70Mn

普通碳素结构钢：Q195、Q215、Q235、Q275

              （原A1、A2、A3、A4、B1、B2…）

碳素钢

钢

合金结构钢

合金钢

特速性能钢

耐磨钢：ZGMn13

耐热钢：4Cr9Si2、1Cr13SiAl、15CrMo

不锈钢：1Cr18Ni9、1Cr13、2Cr13、3Cr13

合金工具钢

高合金工具钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2

低合金工具钢：9SiCr、CrWMn

①根据碳在铸铁中存在的形式分类

a.白口铸铁    碳以渗碳体形式存在，其断口呈银白色，所以称为白口铁。这类铸铁的性能既硬又脆，很难进行切削加工，所以很少直接用来制造机械零件

b.灰口铁        碳主要以片状石墨形式存在，其断口呈灰色，所以称为灰口铁。它具有一定的强度和耐磨、耐压、减震等良好性能，是应用最为广泛的一类铸铁。

c.麻口铸铁    碳大部分以渗碳体的形式存在，少部分以石墨的形式存在，其断口呈灰白色相间成麻点，故成麻口铸铁。它是灰铸铁和白口铁间的过渡组织，没有应用价值。

②根据铸铁中石墨的形态分类

a.灰铸铁上面已述

b.球墨铸铁        铸铁中石墨大部分或全部呈球状。这类铸铁强度高、韧性好。

c.蠕墨铸铁        铸铁中石墨大部分呈蠕虫状。这类铸铁抗拉强度、耐热冲击性能、耐压性能比灰口铸铁有明显的改善。

d.可锻铸铁        铸铁中石墨呈紧密的团絮状。它是用白口铸铁经长期退火后获得的。这类铸铁强度高、韧性好。

先将铸铁的分类及牌号列举如下：

可锻铸铁：KTH300-6、KTH330-08、KTZ450－06

球墨铸铁：QT400-18、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2

蠕墨铸铁：RUT420、RUT380、RUT340、RUT300、RUT260

灰铸铁：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350

铸铁

    3）常用有色金属的性能，分别简述如下。

1铜及其合金

a.纯铜    纯铜呈紫红色，又称紫铜。牌号有T1、T2、T3

b.黄铜    黄铜为同与锌的合金。H90表示同平均含量为90％，锌为10％

c.青铜    出了黄酮和白铜（铜和镍的合金）外，所有的铜基合金都成为青铜。按主添加元素种类分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等，代表符号分别为Qsn、Qal、QSi、Qbe等。

2铝及其合金

a.纯铝    常用的工业纯铝牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6。L1的杂质含量最少。

b.铝和金        纯铝的强度很低，加于适量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，形成铝合金。再经过冷变形和热处理，则强度由原σb＝80－100N／mm2提高到500－600N／mm2。铝和金又可分为变形铝合金（加工铝合金）和铸造铝合金两类。

③钛及其合金    钛是银白色的金属，密度小（4．5g／cm3），熔点较高（1668℃）。钛合金的强度、耐热性和塑性都比较好，并可以经热处理强化，广泛用于航空、航天、军事武器和模锻件之中。

④轴承合金        轴承合金是用来制造活动轴承的材料。轴承合金按基体的含量分为锡轴承合金、铅基轴合金和铝基轴合金等三类。

二、常用金属热处理、特点、应用。

（1）热处理的意义

热处理时将固态金属或合金通过加热、保温及冷却以获得所需要的组织结构与性能的操作工艺。一般机械零件的制造过程为：铸造或锻造－正火或退火－切削加工－淬火－回火－精加工等。其中的退火、正火、淬火、和回火等都是热处理的不同方法和工艺。零件经热处理后，使得其性能得到改善和提高，合金元素的作用得以发挥。机床中80％以上的零件要进行热处理：刀具、量具、模具、轴承等则100％需要金相热处理。

图3－5是钢的各种热处理工艺曲线示意图。

（2）钢的热处理分类

1）退火    退火是指将钢件加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。退火又称焖火。

    退火的目的：降低钢的硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，改善钢的性能或为以后的热处理作准备；消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。

    2）正火    正火是将钢件加热到A3或A1以上30－50℃，经过保温后，重炉中取出置于空气中冷却的热处理工艺。

    正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火的快，故正火钢的组织比较细，它的强度、硬度比退火钢要高。正火也叫正常化处理。图3－6是铁碳合金相图中标出的退火与正火的加热温度示意图。

    退火与正火在某种程度有相似之处，设计选用时可以从以下三方面考虑：

    ①从切削加工性能考虑    硬度在HBS160～230范围内的钢材其切削加工性能最好。硬度过高难以加工，且刀具容易磨损；硬度过低，切削时容易“粘刀”，时刀具发热而磨损，且工件表面加工质量不高。因此，低碳钢正火优于退火；而高碳钢正火后硬度过高，宜采用退火。

    ②从使用性能上考虑        如果零件的力学性能要求不高时，可采用正火作为最终热处理。当零件形状复杂时，正火的冷却速度较快，易产生裂纹，则采用退火较好。

    ③从经济性考虑        正火比退火的周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火处理。

    3）淬火    淬火是将钢件加热到A3或A1以上30－50℃，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却下来，以得到高硬度组织的热处理工艺。

    淬火的主要目的是把奥氏体化的工件淬成马氏体，然后与不同回火温度相配合，获得所需的力学性能。淬火钢中马氏体的含量越高，硬度便也大，越耐磨。同时，马氏体的晶格畸变易引起内应力的增加，脆性增大。

    4）回火    工件淬火后，其性能硬而脆，并且存在着由于冷却过快而造成的内应力，往往会引起工件的变形或开裂。经回火后，能减小脆性，降低内应力，式淬火组织趋于稳定，使工件获得适当的硬度和满意的综合力学性能。

    所谓回火，是指将淬火钢件重新加热至A1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气中或水中冷却的热处理工艺。根据回火加热温度的不同，又分为低温、中温和高温回火。淬火钢经过回火后的硬度，随回火温度的升高而降低。

    ①低温回火（﹤250℃）    低温回火得到的组织是回火马氏体，具有较高的硬度（HRC58-）和高的耐磨性及一定的韧性。的温回火主要用于刀具、量具及要求高硬度耐磨的零件。

    ②中温回火（350－500℃）    中温回火得到的组织是回火索氏体，具有高的弹性极限、屈服点和适当的韧性，硬度在HRC40-50。中温回火主要用于弹性零件及热锻零件。

    ③高温回火（﹥500℃）    淬火＋高温回火称为调质处理。高温回火得到的组织是回火索氏体，具有良好的综合力学性能（足够的强度愈高韧性相结合），硬度达HRC23-40，广泛用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等零件。

（3）钢的表面热处理

在机械设备中，许多零件是在冲击载荷及表面磨擦条件下工作的。这类零件具有高硬度和高耐磨性，而心部又需要有足够的韧性。为满足这些零件的性能要求，需进行表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学处理两种。

1）表面淬火    仅对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。

①火焰淬火        用火焰加热零件表面，并用水快速冷却的热处理工艺。淬硬层一般为2～6mm，适用于单件小批量生产（中碳钢及合金材料）

②感应加热淬火        利用感应电流通过工件表面产生热效应，工件表面受热，并进行快速冷却的淬火工艺。为了得到不同的淬硬层深度，可采用不同频率的电流进行加热，应用举例见表3－2

表3－2        感应加热的频率选择

    2）钢的化学处理        常用的有渗氮和渗碳。

    ①钢的渗碳        渗碳的目的是提高钢件表层含碳量。渗碳后工件经淬火及低温回火，表面获得高硬度，而其内部又具有高的韧性。表层硬度可高达HRC58－

    ②钢的渗氮        渗氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。渗氮后一般深度为0．1－0．6mm。

    渗氮与渗碳相比，有如下特点：渗氮温度高，工件变形很小。钢件渗氮后不用淬火，就可以获得比渗碳高得多的硬度（最高可达HV1000，相当于HRC69－72）。渗氮零件具有很好的耐蚀性。渗氮的缺点就是生产周期长，成本较高；渗氮层脆而薄，故不宜承受集中、冲击载荷。

（4）金属的防腐方法

1）钢件的发蓝处理    把钢件放入烧减（NaOH）和氧化剂（NaNO2、NaNO3）溶液中，在140－150℃温度下，保温1－2h，在表面生成一层以Fe3O4为主的多孔氧化膜（蓝色或黑色）。这层膜牢固的与金属表面结合，经浸油处理（填充氧化膜中孔隙）后，达到防腐目的。

2）镀锌        锌与氧作用生成氧化锌，保护基体钢件不再被腐蚀。

三、切削加工性能的概念及常用材料的切削加工性能

（1）金属材料切削加工性能的概念

金属材料的切削加工性能使之某种金属材料切削加工的难易程度。例如切削铝、铜合金比切削45钢轻快得多。切削合金钢要困难一些，切削耐热钢则更困难一些

良好的切削加工性能是指：刀具的寿命较高或在一定的寿命下允许的切削速度较高；在相同的切削条件下切削力较小；切削温度较低；容易获得较细的表面粗糙度（较高的表面光洁度）；容易控制切削形状或断屑。同一种材料由于加工要求和加工条件不同，其切削加工性能也不形同。例如，切除纯铁的余量比较容易，但要获得较细的表面粗糙度则比较困难，所以精加工时其切削加工性能不好；在普通机床上加工不锈钢工件并不太难，但在自动机床上切削时却难以断屑，则认为其切削性能较差。

切削加工性能很难用一个简单的物理量精确的规定和测量。在实际生产中，通常用刀具寿命T为60min时，切削某种材料所允许的最大切削速度V60表示，V60越大，表示该材料的切削加工性能越好。

切削加工性能的概念有相对性。所谓某种材料切削加工性能好与坏，是相对于另一种材料而言的。一般用σb＝0．637GPa的45钢的V60为基准，简写为（V60）i，其他材料的V60与（V60）I相比的数值记作Kv，及相对切削加工性能：

常用材料的切削加工性能见表3－3，凡Kv﹥1的材料，其切削加工性能比45钢好；Kv﹤1的材料，其切削加工性能比45钢差。

表3－3        材料切削加工性能等级

材料的切削加工性能可以采用一些适当的措施予以改善，采用热处理方法是一重要途径。低碳钢在退火状态下塑性很大，切削易粘在切削刃上形成刀瘤，工件表面很粗糙，切刀具寿命较短。对于低碳钢改用正火处理，适当降低其塑性，增加其硬度，可以使精加工表面粗糙度很细。对于高碳钢而言，其硬度高，难易进行切削，一般经球化退火来降低硬度，改善加工性能。对于出现白口组织的铸铁，可在950～1000℃下长时间退火，以降低其硬度，变为较易切削。

一般来说，硬度值在HBS160－230范围内切削加工性能最好。为降低工件表面粗糙度值，可适当提高其硬度值（至HBS250）；当硬度大于HBS300是，切削加工性能显著降低。

调质材料的化学性能也可以改善切削性能。例如在钢中添加适量的硫、铅等元素，可使断屑容易，获得较小的表面粗糙度值，并可减小切削力，提高刀具寿命。下载本文