第三节 金属材料
一、金属材料的分类
（1）金属材料的分类
金属材料一般分为钢铁材料（黑色金属）和有色金属两大类，具体的分类方法见表1-20。
表1-20 金属材料的分类
（2）钢铁的分类（表1-21）
表1-21 钢铁的分类
（3）钢的分类（表1-22）
表1-22 钢的分类
（4）钢材的分类（表1-23）
表1-23 钢材的分类
二、钢铁材料的性能简介
钢铁材料的性能主要是指力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。
（1）力学性能
钢铁材料的力学性能是指钢铁材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、硬度、塑性和冲击韧性等，详细见表1-24。
表1-24 常用金属材料力学性能术语
（2）物理性能
钢铁材料的物理性能是指金属的密度、熔点、热膨胀、热导率、导电性和磁性等，它们的代号和含义见表1-25和表1-26。
表1-25 钢铁材料的物理性能的代号和含义
表1-26 常用材料的热导率和线胀系数
（3）化学性能
钢铁在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力称为化学性能，如耐腐蚀性和化学稳定性等，它们的名称和含义见表1-27。
表1-27 钢铁材料化学性能种类和含义
（4）工艺性能
钢铁材料是否易于加工成形的性能称为工艺性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等，它们的名称和含义见表1-28。
表1-28 钢铁材料工艺性能的含义
三、钢材规格表示方法
钢材规格表示方法见表1-29。
表1-29 钢材规格表示方法
四、金属材料理论质量计算
（1）钢材理论质量计算简式（表1-30）
表1-30 钢材理论质量计算简式
（2）基本公式
式中 W—金属材料质量，kg；
A—截面积，m2；
L—长度，m；
ρ—金属的密度，g/cm3。碳素钢密度数值为7.85，不锈钢密度数值为7.75，铝密度数值为2.73，铜密度数值为8.9。
五、金属材料的热处理
热处理就是将金属加热到一定温度，并在此温度停留一段时间，然后冷却至一定温度的工艺过程。热处理的过程一般都要经过加热、保温和冷却三个阶段。
热处理虽不能改变金属零件的形状和大小，但能改变金属内部的组织，从而改善金属的性能，提高产品质量，延长使用寿命。常用的热处理种类见表1-31。
表1-31 常用的热处理种类
六、金属塑性变形的基本知识
钣金、冷作加工中的矫形、弯曲、卷板、冲压等工序，都是利用金属在常温或高温下产生的塑性变形而成为所需的形状。因此，金属的塑性变形是金属成形的基础。
（1）金属的冷塑性变形
金属在冷状态下受外力作用时，其形状和尺寸将发生变化，这种变化可以是弹性的，也可以是塑性的。当外力解除后，金属能恢复其原来形状和尺寸的，这种变形称为弹性变形。反之，则为塑性变形。
金属是由许多晶粒组成的，金属的塑性变形是金属内部晶粒产生相对滑移的结果。所以，金属最基本的塑性变形方式是滑移。由于金属大都是多晶体，即它们是由方向不同的许多小晶粒组成。所以金属在受到外力作用时，最有利于滑移的那些晶粒首先产生滑移，然后再逐步扩展到其他晶粒。因此，多晶体金属的变形抗力较大，晶粒愈细，其晶界愈多，金属的塑性变形抗力也愈大。
金属在冷塑性变形时，随着滑移的进行，滑移面附近的晶格发生歪曲和畸变，滑移区的晶粒破碎，造成金属进一步滑移困难，从而使其强度、硬度升高，塑性和韧性降低。这种因金属冷塑性变形引起的金属力学性能的变化，称为冷加工硬化或冷作硬化。
冷作硬化是金属的一种重要性质，它不但使金属进一步成形需消耗更大的能量，造成成形困难，且由于金属的塑性和韧性降低，在成形时可能会产生裂纹和断裂，为防止这种现象的产生，一些冷加工后的工件需进行退火热处理。可见冷作硬化有很重要的实际意义。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强度。
金属冷塑性变形的另一种后果是产生内应力。这种内应力的存在会削弱金属的强度，而应力若释放后又会造成工件的变形。
（2）金属的再结晶
金属经过冷塑性变形后加热至较高温度时，由于原子的活动能力增加，畸变和破碎的晶粒原子重新排列，即产生新的晶核和晶核不断长大，一直到金属的冷塑性变形组织完全消失，这一过程称为金属的再结晶。
金属再结晶后强度和硬度显著下降，塑性和韧性大大提高，内应力完全消除，金属恢复到原来状态。金属再结晶温度与熔点之间存在如下关系：
T再＝ （0.35～0.4）T熔
式中 T再 —再结晶热力学温度，℃；
T熔—熔化的热力学温度，℃。
（3）金属的热塑性变形
金属在再结晶温度以上进行压力加工，因塑性变形引起的冷作硬化由于再结晶过程而消除，即金属在再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工。
金属在热塑性变形时，金属内部发生加工硬化和再结晶软化两个相反的过程。再结晶过程是边加工边发生的。当变形程度大而加热温度低时，由于变形所引起的强化占优势，金属的强度、硬度增加，塑性和韧性降低，金属的晶格畸变得不到恢复，变形阻力愈来愈大，甚至会造成金属破裂。相反，当变形程度较小而加热温度较高时，由于再结晶和晶粒长大占优势，金属的晶粒愈来愈粗，金属的性能也变差。由此可见，在热加工时应掌握好加热温度与变形程度，使其很好地相互配合。
（4）钢材的热加工温度范围
钢材开始压力加工时的温度称为始锻温度，加工结束时的温度称为终锻温度。始锻温度和终锻温度的范围称为锻造温度范围，即热加工温度范围。钢材的加热温度愈高，则塑性愈好，变形抗力愈小，易于成形。但加热温度过高，会使钢产生过热或过烧，同时使钢的氧化和脱碳更严重。
过热是由于加热温度过高或保温时间过长引起的，过热会使奥氏体晶粒变得粗大，钢的力学性能尤其是塑性会降低而影响成形。过烧是由于钢加热到接近熔化温度时，氧气沿晶界渗入，晶界会发生氧化变脆，塑性大大降低，使钢变脆而无法成形。
钢的最高加热温度（即始锻温度），通常要比固相线低200℃。终锻温度应保证在加工结束时，金属有足够的塑性和获得再结晶组织。对亚共析钢为Ac3以上15～30℃，但碳的质量分数在0.3%以下的钢，由于有足够的塑性，终锻温度可低于Ac3；对过共析钢可在A1线以上50～100℃。
有些热加工成形，是在不太高的温度下进行的，如弯头及容器接管口的热冲压翻边约700～750℃；筒节的中温卷圆和矫圆约650℃。加工这些零件时，应考虑到钢材的脆化温度区，可能会对其性能产生不良影响。
钢材的热加工温度范围随钢材的成分而确定，常用金属材料的热加工温度范围见表1-32。
表1-32 常用金属材料的热加工温度范围
钢加热时其颜色也随之变化，所以加热温度的高低一般可根据钢材的颜色做粗略地判断。在暗处观察时，钢的颜色与加热温度的关系见表1-33。
表1-33 钢的颜色与加热温度的关系
七、金属材料的表面清理
常用的表面清理方法有化学除锈法和机械除锈法。
（1）化学除锈法
化学除锈法一般用酸、碱溶液按一定配方装入槽内，将工件放入浸泡一定时间，然后取出用水冲洗干净，以防止余酸的腐蚀。酸洗法可除去金属表面的氧化皮、锈蚀物、焊接熔渣等污物。碱洗法主要用于去除金属表面的油污。钝化主要作为酸洗后的防锈处理。表1-34列举了几种常用的化学清洗及钝化配方。
表1-34 化学清洗及钝化配方
（2）机械除锈法
常用有喷砂法、弹丸法或抛丸法，其说明见表1-35。
表1-35 机械除锈法
