钽金属的结构与性能研究
摘要：钽是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料，钽以其独特的结构和性质，在骨科医学、电子工业、化学工业和冶金工业有很大的应用。这篇论文主要介绍钽金属的资源、钽金属的制备和钽金属的结构和性质及其应用。
关键字：钽金属；战略原料；资源；制备；结构；应用
0 引言
钽是由瑞典化学家埃克贝里在1802年发现的，按希腊神话人物Tantalus（坦塔罗斯）的名字命名tantalum。1903年德国化学家博尔顿（W.von Bolton)首次制备了塑性金属钽,用作灯丝材料。1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通信中广泛应用。第二次世界大战期间，钽的需要量剧增。50年代以后，由于钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业中的应用不断扩大，需要量逐年上升，促进了钽的提取工艺的研究和生产的发展。中国于60年代初期建立了钽的冶金工业。美国是钽消费量最大的国家，1997年消费量达500吨，其中60%用于生产钽电容器。日本是钽消费的第二大国，消费量为334吨。21世纪初，随着电容器生产的发展迅速，市场供不应求。预计，世界钽电容器的生产量达2.50亿件，需消费钽1000吨。据美国地质调查局的统计，世界钽探明储量14000吨。其中，澳大利亚4500吨、尼日利亚3200吨、民主刚果1800吨、加拿大1800吨、巴西1400吨。中国资源量，主要分布在江西、福建、新疆、广西、湖南等省。从未来发展的需求看，电容器仍是钽的主要应用领域。如果按储量基础24000吨计算，也只能保证24年的需求。尽管如此，钽资源的前景仍然是看好的。首先，在世界十分丰富的铌矿床中，伴生有大量的钽资源。其中，格陵兰南部加达尔铌、钽矿的钽资源量就达100万吨。其次，西方已开始利用含Ta2O53%以下的大量锡炉渣。此外，代用品的研究和利用也有了很快的发展，如铝和陶瓷在电容器领域代替钽；硅、锗、铯可在电子仪器用途上，代替钽制造整流器等。
在郑州大学先进靶材料实验室的李庆奎老师的团队主要做的是高纯钽金属靶材，做出的金属靶材通过磁控溅射等工艺形成的薄膜广泛应用于电子信息产业。为了更深层次的探究谈金属，我对钽金属的资源、制备、结构、性能和应用进行了探究。1 钽金属的资源
资源钽和铌的物理化学性质相似，因此共生于自然界的矿物中。划分钽矿或铌矿主要是根据矿物中钽和铌的含量。钽铌矿物的赋存形式和化学成分复杂,其中除钽、铌外，往往还含有稀土金属、钛、锆、钨、铀、钍和锡等。钽的主要矿物有：钽铁矿[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重钽铁矿、细晶石和黑稀金矿等。炼锡的废渣中含有钽，也是钽的重要资源。已查明世界的钽储量(以钽计)约为134000短吨，扎伊尔占首位。1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为788短吨(1短吨＝907.2公斤)。中国从含钽比较低的矿物中提取钽的工艺，并且取得了巨大的成就。
2 钽金属的制备
冶炼方法：钽铌矿中常伴有多种金属，钽冶炼的主要步骤是分解精矿，净化和分离钽、铌，以制取钽、铌的纯化合物，最后制取金属。矿石分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂萃取法〔常用的萃取剂为甲基异丁基铜(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、分步结晶法和离子交换法。分离：首先将钽铌铁矿的精矿用氢氟酸和硫酸分解钽和铌呈氟钽酸和氟铌酸溶于浸出液中，同时铁、锰、钛、钨、硅等伴生元素也溶于浸出液中，形成成分很复杂的强酸性溶液。钽铌浸出液用甲基异丁基酮萃取钽铌同时萃入有机相中,用硫酸溶液洗涤有机相中的微量杂质，得到纯的含钽铌的有机相洗液和萃余液合并,其中含有微量钽铌和杂质元素，是强酸性溶液，可综合回收。纯的含钽铌的有机相用稀硫酸溶液反萃取铌得到含钽的有机相。铌和少量的钽进入水溶液相中然后再用甲基异丁基酮萃取其中的钽,得到纯的含铌溶液。纯的含钽的有机相用水反萃取就得到纯的含钽溶液。反萃取钽后的有机相返回萃取循环使用。纯的氟钽酸溶液或纯的氟铌酸溶液同氟化钾或氯化钾反应分别生成氟钽酸钾(K2TaF7)和氟铌酸钾(K2NbF7)结晶，也可与氢氧化铵反应生成氢氧化钽或氢氧化铌沉淀。钽或铌的氢氧化物在900～
1000℃下煅烧生成钽或铌的氧化物。
钽的制取：①金属钽粉可采用金属热还原（钠热还原）法制取。
在惰性气氛下用金属钠还原氟钽酸钾：K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反应在不锈钢罐中进行，温度加热到900℃时,还原反应迅速完成。此法制取的钽粉，粒形不规则，粒度细，适用于制作钽电容器。金属钽粉亦可用熔盐电解法制取：用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质把五氧化二钽(Ta2O5)溶于其中，在750℃下电解,可得到纯度为99.8～99.9%的钽粉。②用碳热还原Ta2O5亦可得到金属钽。还原一般分两步进行:首先将一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氢气氛中于1800～2000℃下制成碳化钽(TaC)，然后再将TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空还原成金属钽。金属钽还可采用热分解或氢还原钽的氯化物的方法制取。致密的金属钽可用真空电弧、电子束、等离子束熔炼或粉末冶金法制备。高纯度钽单晶用无坩埚电子束区域熔炼法制取。
3 钽金属的结构与性质
晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。晶胞参数：
a=330.13pm，b=330.13pm，c=330.13pm，α= 90°，β = 90°，γ = 90°，莫氏硬度：6.5，熔点：2996℃。钽的质地十分坚硬，硬度可以达到6-6.5。它的熔点高达2996℃，仅次于碳，钨，铼和锇，位居第五。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。
物理性质：质地十分坚硬、富有延展性。
化学性质：钽还有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。但钽在热的浓硫酸中能被腐蚀，在150℃以下，钽不会被浓硫酸腐蚀，只有在高于此温度才会有反应，在175度的浓硫酸中1年，被腐蚀的厚度为0.0004毫米，将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。在250度时，腐蚀速度有所增加，为每年被腐蚀的厚度为SDS毫米，在300度时，被腐蚀的速度则更加快，浸泡1年，表面被腐蚀1.368毫米。在发烟硫酸（含15%的SO3）腐蚀速度比浓硫酸中更加严重，在130度的该溶液里浸泡1年，表面被腐蚀的厚度为15.6毫米。钽在高温下也会被磷酸腐蚀，但该反应一般在150度以上才发生，在250度的85%的磷酸中，浸泡1年SS，表面被腐蚀20毫米，另外，钽在氢氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解，在氢氟酸中也能被溶解。但是钽更害怕强碱，在110度40%浓度的烧碱溶液里，钽会被迅速溶解，在同样浓度的氢氧化钾溶液中，只要100度就会被迅速溶解。除上面所述情况外，一般的无机盐在150度以下一般不能腐蚀钽。实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下有所反应。这样的情况在金属中是比F较罕见的。
4 元素用途
钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜，用钽制成的电解电容器，具有容量大、体积小和可靠性好等优点，制电容器是钽的最重要用途，70年代末的用量占钽总用2/3以上。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。钽易加工成形，在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽可作骨科和外科手术材料。碳化钽用在250℃于制造硬质合金。钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工业中的释热元件和液态金属包套材料。氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。1981年钽在美国各部门的消费比例约为:电子元件73%,机械工业19%，交通运输6%，其他2%。
5 性质用途
钽的线胀系数在0～100℃之间为6.5×10-6K-1，超导转变临界温度为4.38K,原子的热中子吸收截面为21.3靶恩。
在低于150℃的条件下钽是化学性质最稳定的金属之一。与钽能起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫。在室温下与浓碱溶液反应，并且溶于熔融碱中。致密的钽在200℃开始轻微氧化，在280℃时明显氧化。钽有多种氧化物，最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。
钽和氢以上生成脆性固溶体和金属氢化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800～1200℃的真空下，氢从钽中析出钽又恢复塑性。钽和氮在300℃左右开始反应生成固溶体和氮化合物；在高于2000℃和高真空下，被吸收的氮又从钽中析出。钽与碳在高于2800℃下以三种物相存在:碳钽固溶体、低价碳化物和高价碳化物。钽在室温下能与氟反应,在高于250℃时能与其他卤素反应，生成卤化物。
参考文献
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The Structure And Performance Study Of Tantalum Metal
Liang Peng
(Henan Industrial Technology Research Institute of Resources and Materies Zhengzhou University, Zhengzhou
450001 China)
Abstract:Tantalum is indispensable strategic raw materials to electronic industry and space technology development. with its unique structure and properties ,tantalum in the orthopedic medical, electronic industry, chemical industry and metallurgical industry has a great application. This paper mainly introduces the preparation of tantalum metal resources, tantalum metal and the structure and properties of tantalum metal and its application. Keywords: tantalum metal ;Strategic raw materials ;Resources ;Preparation ;Structure ;application
常见八种金属材料及其加工工艺 1、铸铁——流动性 下水道盖子作为我们日常生活环境中不起眼的一部分，很少会有人留意它们。铸铁之所以会有如此大量而广泛的用途，主要是因为其出色的流动性，以及它易于浇注成各种复杂形态的特点。铸铁实际上是由多种元素组合的混合物的名称，它们包括碳、硅和铁。其中碳的含量越高，在浇注过程中其流动特性就越好。碳在这里以石墨和碳化铁两种形式出现。 铸铁中石墨的存在使得下水道盖子具有了优良的耐磨性能。铁锈一般只出现在最表层，所以通常都会被磨光。虽然如此，在浇注过程中也还是有专门防止生锈的措施，即在铸件表面加覆一层沥青涂层，沥青渗入铸铁表面的细孔中，从而起到防锈作用。金属加工微信，内容不错，值得关注。生产砂模浇注材料的传统工艺如今被很多设计师运用到了其他更新更有趣的领域。 材料特性：优秀的流动性、低成本、良好的耐磨性、低凝固收缩率、很脆、高压缩强度、良好的机械加工性。 典型用途：铸铁已经具有几百年的应用历史，涉及建筑、桥梁、工程部件、家居、以及厨房用具等领域。 2、不锈钢——不生锈的革命 不锈钢是在钢里融入铬、镍以及其他一些金属元素而制成的合金。其不生锈的特性就是来源于合金中铬的成分，铬在合金的表面形成了一层坚牢的、具有自我修复能力的氧化铬薄膜，这层薄膜是我们肉眼所看不见的。我们通常所提及的不锈钢和镍的比例一般是18：10。 20世纪初，不锈钢开始作为元才来噢被引入到产品设计领域中，设计师们围绕着它的坚韧和抗腐蚀特性开发出许多新产品，涉及到了很多以前从未涉足过的领域。这一系列设计尝试都是非常具有革命性的：比如，消毒后可再次使用的设备首次出现在医学产业中。 不锈钢分为四大主要类型：奥氏体、铁素体、铁素体-奥氏体(复合式)、马氏体。家居用品中使用的不锈钢基本上都是奥氏体。 材料特性：卫生保健、防腐蚀、可进行精细表面处理、刚性高、可通过各种加工工艺成型、较难进行冷加工。 典型用途：奥氏体不锈钢主要应用于家居用品、工业管道以及建筑结构中;马氏体不锈钢主要用于制作刀具和涡轮刀片;铁素体不锈钢具有防腐蚀性，主要应用在耐久使用的洗衣机以及锅炉零部件中;复合式不锈钢具有更强的防腐蚀性能，所以经常应用于侵蚀性环境。
常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 ．生铁： 生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性 能均有一定的影响。 碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在 于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化 铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生 铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低， 它的存在能增加生铁的铸造性能。 硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件 的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会 使生铁变硬变脆。 锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可 提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。 磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了 生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬 脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达 1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁 化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高 的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。 2．钢： 2．1元素在钢中的作用 2．1．1 常存杂质元素对钢材性能的影响 钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是 由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定 影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格 的规定。 1）硫 硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。 部分常用钢的牌号、性能和用途 1 《信息来源：无缝钢管》
第一章材料的性能 第一节材料的机械性能 一、强度、塑性及其测定 1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。 2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。 二、硬度及其测定 硬度是衡量材料软硬程度的指标。 目前，生产中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。 三、疲劳 机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。 四、冲击韧性及其测定 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。。为评定材料的性能，需在规定条件下进行一次冲击试验。其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。 五、断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。它是材料本身的特性。 六、磨损 由于相对摩擦，摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。 按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大基本类型。
第二节材料的物理化学性能 1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。不同用 途的机械零件对物理性能的要求也各不相同。 2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能 力。 第三节材料的工艺性能 一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。 二、可锻性能：可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。 三、焊接性能：焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。 四、切削加工性能：切削加工性能是指材料是否易于切削。 五、热处理性能：人处理是改变材料性能的主要手段。热处理性能是指材料热处理的难易 程度和产生热处理缺陷的倾向。 第二章材料的结构 第一节材料的结合键 各种工程材料是由不同的元素组成。由于物质是由原子、分子或离子结合而成，其结合键的性质和状态存在的区别。 一：化学键 1：共价键 2：离子键 3：金属键 4：范德。瓦尔键 二：工程材料的键性 化学键：组成物质整体的质点(原子、分子、离子)间的相互作用力，成为化学键。 1：共价键：有些同类原子，例如周期表Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族中大多元素或电负性相差不大的原子相互接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键，如金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。 2：离子键：大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不导电的，熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤素元素的原子)相互靠
第八章金属的结构和性质 §8.1.金属键和金属的一般性质 8.1.1.自由电子模型 简单金属的自由电子模型很简单，价电子完全公有，构成金属中导电的自由电子，原子实与价电子间的相互作用完全忽略，自由电子之间也是毫无相互作用的理想气体。为了保持金属电中性，可设想原子实带正电分布于整个体积中，和自由电子的负电荷正好中和。 自由电子波函数可用一平面波表示 其中为波矢量，V为金属体积，与边长L关系 这样自由电子类似势箱中和自由粒子，自由电子在金属中的零势场中运动 相应能量可表示为 在绝对零度时，自由电子体系处于基态，N个电子占据个最低能级，最 高占据能为费米能级 自由电子气模型完全忽略电子间的相互作用，也忽略了原子实形成的周期势场对自由电子的作用，处理结果当然与真实金属有差距，后来发展了“近自由电子模型”（即在自由电子气中引入周期势场微扰），在一定程度上反映了简单金属的实际情况，可作为金属电子结构的一级近似。近年，有人提出用赝势理论处理简单金属，即采用微弱的赝势代替电子与正离子间的相互作用势，使问题得到简化。赝势可用正交平面波法解析导出，也可用参数直接构筑模型势。例如一模型赝势为 即原子实半径R 以外和真实库仑势相同，在原子实范围内用一个恒值势来代替
在近自由电子模型中的电子真实波函数（实线） 和赝势波函数（虚线） R为原子实半径。 8.1.2.能带理论 金属晶体中的电子处在带正电的原子实组成的周期性势场中运动， Schr?dinger方程为 用微扰法等近似方法可解得能带模型。它将整块金属当作一个巨大的超分子体系，晶体中N个原子的每一种能量相等的原子轨道，通过线性组合，得到N 个分子轨道。它是扩展到整块金属的离域轨道，由于N的数值很大（～数量级），得到分子轨道各能级间隔极小，形成一个能带。每个能带在固定的能量范围，内层原子轨道形成的能带较窄，外层原子轨道形成的能带较宽，各个能带按能级高低排列起来，成为能带结构，图8—4是导体与绝缘体的能带示意图。 图中红色的格于表示能带已填满电子，叫满带；空白的格子表示该带中无电子，叫空带。有电子但未填满的能带（橙色）叫导带。Na原子的电子组态为 电子正好填满，形成满带，3s轨道形成的能带只填子一半，形成导带。Mg原子的3s 轨道虽已填满，但它与3p轨道的能带重叠。从3s3p 总体来看，也是导带。能带的范围是允许电子存在的区域，而能带间的间隔，是电子不能存在的区域，叫禁带。 金属在外电场作用下能导电。导带中的电子，受外电场作用，能量分布和运动状态发生变化，因而导电。满带中电子已填满，能量分布固定，没有改变的可能，不能导电，空带中没有电子，也不能导电。若空带与满带重叠，也可形成导带。
金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金 属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 1.意义 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后 出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 2.种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬 度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及 金属基复合材料等。 3.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 包括力学性能、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 非常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，称为力学性能（过去也称为 机械性能）。金属材料的力学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 的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、 多次冲击抗力和疲劳极限等。 金属材料特质
它们都是含碳量比较低的优质碳素结构钢。它们不同的主要是两方面，一是含碳量不同；而是机械性能不同。 从化学成分上来看，是含碳量不同，10#钢平均含碳量为万分之10，20#钢平均含碳量为万分之20。 由于含碳量的不同就导致了它们的机械性能的不同。碳素结构钢随着含碳量的增加，强度硬度都相应提高，塑性纫性相应降低。10#、20#属于低碳钢，强度硬度不高，塑性纫性都很好。它们之间比较来说，10#钢的强度和硬度比20#钢要低；10#钢的塑性和纫性比20#钢要好，也是说要软些。 我国钢号表示方法的分类说明 1．碳素结构钢 ①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235 MPa的碳素结构钢。 ②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 ③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。 2．优质碳素结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 ②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 ③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。 3．碳素工具钢 ①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。 ②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。 ③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。 ④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。 4．易切削钢 ①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。 ②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。 ③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例如“Y40Mn”。 5．合金结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。 ②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。 ③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 ④高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。 ⑤专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，
金属材料性能 为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。 （一）、机械性能 机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 1 、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。 2 、屈服点（бs ）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生 0.2%L 。时应力值，单位用牛顿 / 毫米 2 （ N/mm2 ）表示。 3 、抗拉强度（бb ）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿 / 毫米 2 （ N/mm2 ）表示。 4 、延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。 5 、断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。 6 、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（ HBS 、 HBW ）和洛氏硬度（ HKA 、 HKB 、 HRC ） 7 、冲击韧性（ Ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳 / 厘米 2 （ J/cm2 ） . （二）、工艺性能 指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 8 、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。 9 、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。 10 、顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。 11 、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径 d 对材料厚度 a 的比值表示， a 愈大或 d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。 12 、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。 13 、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。（三）、化学性能 指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 14 、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 15 、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。 >> 返回
《金属材料基础知识》 第一部分金属材料及热处理基本知识 一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。 2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。 承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。 伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度 断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100% A0----试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必须承受 强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种 （1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL 4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。 在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。 三金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
1、45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。(欢迎关注自动化爱好者论坛，更多学习资料，更多交流者） 主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。 2、Q235（A3钢）——最常用的碳素结构钢。 主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 3、40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。 主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。 4、HT150——灰铸铁应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等 5、35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件
常用金属材料的力学性能 金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往妾受到各种形式外力的作托。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用：柴油机上的连杆，在传递动力时.不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件燮受到弯矩、扭力的作用等尊。这就要求金属材料必须具有一种弟受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力* 这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在夕卜力作坤下表现出力学性能的指标。 111 强度 强度是扌旨金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。逼度扌旨标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为6 单位为 MP 弘 工程中常用的强度指标有屈服逼度和扰拉强度。屈服逼度是指金属材料在外力作用下* 产生屈服现象时的应力，或开始岀现塑性变形吋的最低应力值，用％表示?抗竝强度是指金厲材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用巧表示。 对于大多数机械零件.工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是事件逼度设计的依据！对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其逼度设计的依据。 1.1 2 塑性 塑性是扌旨金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。 工程中常用的塑性揭标有诩长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号豪示*断面收縮率指试样拉断后，断面縮小的面积与原来截面积之比，用甲表示。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之塑性越差，良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。 113 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力? 硬度的测试方法很多，生产中常埔的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏碳度试验方法两神° C- ）布氏硬度试验法 布氏硬度试验法是用一直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷 0 的作用下压入被测试金厲表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径乩以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测全属的布氏硬度值。 布氏硬度指标有 HBS 和 HBW, 前者所用压头为淬火钢球，适坤于布氏硬度值低于仍 0 的金属材料，如艮火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有包金厲等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为 450^650 的金属材料，如悴火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕较尢故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。
常用金属材料及其特性 1、45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢 主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。 2、Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢 主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 3、40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢 主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。
4、HT150——灰铸铁 应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等。 5、35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件。 6、65Mn——常用的弹簧钢 应用举例:小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条， 也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧，卡簧等。 7、0Cr18Ni9——最常用的不锈钢（美国钢号304，日本钢号SUS304） 特性和应用: 作为不锈耐热钢使用最广泛，如食品用设备，一般化工设备，原于能工业用设备。 8、Cr12——常用的冷作模具钢（美国钢号D3，日本钢号SKD1) 特性和应用: Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，属高 碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性；由于Cr12钢碳含量高达2.3%，所以冲击韧度较差、易脆裂，而且容易形成不均匀的共晶碳化物；Cr12钢由于具有良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等。
金属的结构和组织 一金属的晶体结构 一、金属的组成及一般特性 1.金属的组成: (1) 原子结合的特点 a.靠金属键，电子共有化； b.正、负原子与电子之间排列的具体形式没有特殊要求。 2. 金属的特性 a.良好的导电性，导热性； b.强度高； c.具有塑性； d.具有一定光泽； e.晶体特性：有规则排列；有固定熔点；各向异性。 二、纯金属的晶体结构(7大类,14种) 1.晶体的基本概念: a.晶格：利用假想直线将各阵点连接起来，使其构成三维空间格子 晶胞、晶轴和点阵矢量晶胞
b.晶胞：晶格中最能代表原子排列规律的最小几何单元 c.晶格常数：晶胞三维方向尺寸 表示方法:用ａ、ｂ、ｃ单位? (1 ?=10-8cm)和棱角夹角α、β、γ 2.金属常见晶体结构 a.体心立方结构(bcc) ａ=ｂ=ｃα=β=γ=90°每个晶胞中含有2 个原子 b.面心立方晶格(fcc) ａ=ｂ=ｃα =β =γ =90°每个晶胞中含有4 个原子 c.密排六方晶格（正六棱柱）(hcp) a=b≠c,α=120°,β=γ=90,每个晶胞中有6个原子 3.晶体结构的致密度 致密度：反映晶体中原子排列的紧密程度。用原子体积与晶胞体积之比来表示.金属晶胞体积中原子所占有得体积百分数. 表示方法：K=nv/V 其中n 为晶胞原子数；v是一个原子体积；V是晶胞体积. a.体心立方K=68% b.面心立方K=74% c.密排六方K=74% 4.晶面和晶向 ①晶面：晶格中各个方位的原子层所构成的平面 ②晶向：晶格中各种原子排列的位向。 ③晶面族：晶向族 二实际金属的晶体结构 一、实际金属的多晶体结构 1.单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体 特征：同一位向如金刚石、水晶单晶硅等
机械加工常用金属材料及特性 1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。 主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。 2. Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢。 主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 3. 40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。 主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。 应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。 4. HT150——灰铸铁应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等 5. 35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件 6. 65Mn——常用的弹簧钢应用举例:小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧，卡簧等。 7. 0Cr18Ni9——最常用的不锈钢（美国钢号304，日本钢号SUS304）特性和应用: 作为不锈耐热钢使用最广泛，如食品用设备，一般化工设备，原于能工业用设备 8. Cr12——常用的冷作模具钢（美国钢号D3，日本钢号SKD1) 特性和应用: Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性；由于Cr12钢碳含量高达2.3%，所以冲击韧度较差、易脆裂，而且容易形成不均匀的共晶碳化物；Cr12钢由于具有良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等 9. DC53——常用的日本进口冷作模具钢特性和应用: 高强韧性冷作模具钢，日本大同特殊钢（株）厂家钢号。高温回火后具有高硬度、高韧性，线切割性良好。用于精密冷冲压模、拉伸模、搓丝模、冷冲裁模、冲头等10、SM45——普通碳素塑料模具钢（日本钢号S45C） 10. DCCr12MoV——耐磨铬钢国产.较Cr12钢含碳量低,且加入了Mo和V,碳化物不均匀有所改善,MO能减轻碳化物偏析并提高淬透性,V能细化晶粒增加韧性.此钢有高淬透性,截面在400mm以下可以完全淬透,在300~400℃仍可保持良好的硬度和耐磨性,较Cr12有高的韧性,淬火时体积变化小,又有高的耐磨性和良好的综合机械性能.所以可以制造截面大,形状复杂,经受较大冲击的各种模具,例如普通拉伸模,冲孔凹模,冲模,落料模,切边模,滚边模,拉丝模,冷挤压模,冷切剪刀,圆锯,标准工具,量具等。 11. SKD11——韧性铬钢.日本日立株式生产.在技术上改善钢中的铸造组织,细化了晶粒.较Cr12mov的韧性和耐磨性有所提高.延长了模具的使用寿命.
课题3 金属材料的结构与性能 课题引入 首先请大家思考以下几个问题： ?歌词有“比钢还强，比铁还硬”，怎样衡量钢的强，铁的硬？ ?作为汽车工程材料，选择金属时主要考虑哪些因素？ ?为什么“打铁要趁热”？ ?为什么说“千锤百炼出好钢”？ ?为什么汽车覆盖件钢板经过冲压成形后变得更强更硬？ 课题说明 金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能。在汽车制造工程中选用金属材料时，一般以力学性能作为主要依据，故必须掌握力学性能的主要指标：强度、硬度、塑性、冲击韧性等。 本项目主要学习金属材料的力学性能、金属晶体结构、金属塑性变形、金属和合金结晶过程及组织变化，通过本课时学习，从本质上掌握钢铁的性能与组织的概念，并了解这两者之间的内在联系，为后续金属材料热处理工艺的学习打下基础。 课题目标 ?掌握金属的常见晶体结构类型及特点 ?掌握实际金属晶体结构的缺陷的类型。 ?掌握金属材料的力学性能的各项指标的概念及工程意义。 ?掌握金属晶体结构与力学性能的关系。 ?掌握金属冷塑性变形对金属性能及组织结构的影响。 ?掌握变形金属后的回复与再结晶原理及工业应用。 ?了解热加工与冷加工的主要区别及热加工的应用。
3.1金属的晶体结构 金属材料的种类很多，性能和用途也各不相同。金属的外在性能很大程度是由金属内部的组织结构决定的。因此，研究金属内部的组织结构及形成规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。 3.1.1晶体结构的基本概念 1．晶体与非晶体 固态物质根据其原子排列排列特征，可分为晶体和非晶体两大类。自然界中，除了少数物质，如普通玻璃、沥青、石蜡松香等外，绝大多数固态物质都是晶体。 晶体与非晶体的区别表现在许多方面：（1）晶体内部的原子排列有规律，故一般有规则的外形；而非晶体内部原子排列无规则，没有规则的外形。（2）晶体有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。（3）晶体原子呈规则排列，各方向的原子排列密度不一样，使得晶体表现出各向异性的特征；而非晶体在各个方向上的原子聚集密度大致相同，故表现出各向同性。 实际晶体中的各类质点（包括离子、电子等）虽然都是在不停地运动着，但是，通常在讨论晶体结构时，为了便于分析，常把构成晶体的原子看成是一个个固定的刚性小球，这些原子小球按一定的几何形式在空间紧密堆积。这样，金属晶体就可以看成是由许多刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成。如图3-1a所示。 为了更清楚地描述晶体内部原子排列的几何形状和规律，实际研究中常引用晶格和晶胞的概念。 2．晶格 将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格子称为晶格。如图3-1b所示，它使我们进一步看清了金属晶体中原子排列的规律。所以，晶格是研究金属晶体结构的重要手段之一。 3．晶胞 由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，且由最少数原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞。不难看出整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成。通过对晶胞的研究可找出该种晶体中原子在空间的排列规律。
简介：1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例 1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。 主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。 2. Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢。 主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 3. 40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。 主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。 应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。 4. HT150——灰铸铁。应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等 5. 35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件 6. 65Mn——常用的弹簧钢。应用举例:小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧，卡簧等。 7. 0Cr18Ni9——最常用的不锈钢（美国钢号304，日本钢号SUS304）特性和应用: 作为不锈耐热钢使用最广泛，如食品用设备，一般化工设备，原于能工业用设备 8. Cr12——常用的冷作模具钢（美国钢号D3，日本钢号SKD1) 特性和应用: Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性；由于Cr12钢碳含量高达2.3%，所以冲击韧度较差、易脆裂，而且容易形成不均匀的共晶碳化物；Cr12钢由于具有良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等
1.1.1 金属的晶体结构 (一)填空题 1．同非金属相比，金属的主要特性是导电性、导热性、塑性优良，正的电阻-温度系数2．晶体与非晶体的最根本区别是晶体中原子排列是周期性规则有序的，而非晶体中原子排列是混乱无序的 3．金属晶体中常见的点缺陷是空位和间隙原子，最主要的面缺陷是晶界。 4．位错密度是指单位体积中位错线的总长度，其数学表达式为L / V 。 5．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格，而晶胞是指能表示晶体结构的最小的晶格。 6．在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是【111】，而面心立方晶格是【110】。 7 晶体在不同晶向上的性能是不同的，这就是单晶体的各向异性现象。一般结构用金 属为多晶体晶体，在各个方向上性能是相同的，这就是实际金属的伪各向同性现象。 8 实际金属存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种缺陷。位错是线缺陷。实际晶体 的强度比理想晶体的强度低得多。 9．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好。而高温下使用的金属材料在一定范围内以粗大晶粒为好。 10．金属常见的晶格类型是FCC 、BCC 、HCP 。 11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为<1-10> 或<-110> ，OC晶向指数为<112> ，OD晶向指数为<212> 。 12．铜是FCC 结构的金属，它的最密排面是(111) ，若铜的晶格常数a=0.36nm,那么最密排面上原子间距为。 13 α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有， 属于面心立方晶格的有，属于密排六方晶格的有。 14．已知Cu的原子直径为0．256nm，那么铜的晶格常数为。1mm3Cu中的原子数为。 15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)和(1/2，0，1/2)三点，这个晶面的晶面指数为{001} . 16．在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为{120} . 17．金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。 18．同素异构转变是指同一成分的金属在固态下具有不同的晶体结构。纯铁在1394C°和912C°温度发生δ-Fe —γ-Fe 和γ-Fe —α-Fe 转变。 19．在常温下铁的原子直径为0．256nm，那么铁的晶格常数为。 20．金属原子结构的特点是原子核外最外层电子数为1-3 。 21．物质的原子间结合键主要包括离子键、共价键和金属键三种。22．大部分陶瓷材料的结合键为离子键和共价键。 23．高分子材料的结合键是共价键。 (二)判断题 1．因为单晶体具有各向异性的特征，所以实际应用的金属晶体在各个方向上的性能也是不相同的。( × ) 2．金属多晶体是由许多结晶位向相同的晶粒所构成。( ×) 3．因为面心立方晶体与密排六方晶体的配位数相同，所以它们的原子排列密集程度也相同 （√） 4．体心立方晶格中最密原子面是｛111｝。（×） 5．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度高得多。（√ ）