1、三.鋼材的基本知識(shí),(一).鋼結(jié)構(gòu)的定義 1.是指由鋼板、型材和鋼索、鋼束等鋼材，經(jīng)適當(dāng)加工后，用焊、鉚、螺栓或膠等連接而成的、具有一定用途和功能的結(jié)構(gòu)。 2.冷作：將金屬材料（在這里我們主要講鋼板）在基本不改變其斷面特征的情況下，加工成各種制品和結(jié)構(gòu)的綜合工藝，稱為冷作，現(xiàn)在一般稱為鋼結(jié)構(gòu)的加工制作。 冷作是一種綜合性的金屬加工工藝，常與焊接、機(jī)加工、熱處理和檢驗(yàn)工藝相結(jié)合，以形成完整的產(chǎn)品制造過(guò)程。,3. 鋼結(jié)構(gòu)工程的過(guò)程：,(二).鋼材的各種性質(zhì) 1.含碳量低于2.11%的鐵-碳合金稱為鋼; 鋼中除含有鐵、碳以外，還含有硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）和磷（P）以及其他相關(guān)的合金元素。

2、當(dāng)鋼的含碳量a：在0.0218%0.25%稱為低碳鋼。 b：在0.25%0.6%稱為中碳鋼。 c：在0.6%2.11%稱為高碳鋼。 而建筑鋼結(jié)構(gòu)一般用低碳鋼。當(dāng)然有部分也用到中碳鋼，如銷軸就用到45號(hào)鋼，其含碳量在0.42%到0.50%；或合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr鋼其含碳量在0.37%0.44%，含鉻Cr在0.80%1.10%,2.金屬材料的使用性能 為了保證由金屬材料所制成的產(chǎn)品（機(jī)械零件或金屬結(jié)構(gòu)件）能正常使用而應(yīng)具備的性能，稱為金屬材料的使用性能，如物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。 1）物理性能 金屬的本質(zhì)不發(fā)生變化所表現(xiàn)出來(lái)的性能，稱為物理性能。包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等。,（1）

3、密度 密度是指金屬單位體積所具有的質(zhì)量，即： 密度= ，單位是g/cm3。 （2）熔點(diǎn) 物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的溫度，稱為熔點(diǎn)，鋼的熔點(diǎn)為14001500。 金屬材料的熔點(diǎn)是鑄造、焊接、熱鍍、配制合金時(shí)必須考慮的重要因素，與金屬的應(yīng)用有很大關(guān)系。例如，制造電器保險(xiǎn)絲，印刷合金等大多采用鉛、錫等配制的低熔點(diǎn)合金，而熔點(diǎn)較高的合金，常用來(lái)制造機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)件、電燈絲及電爐加熱元件等。,（3）.導(dǎo)熱性 金屬傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。金屬的導(dǎo)熱性越差，在加熱或冷卻時(shí)，零件的表面和內(nèi)部的溫差就愈大，因此而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就愈大，就愈易發(fā)生裂紋；反之，導(dǎo)熱性好的金屬就不易開裂。 導(dǎo)熱系數(shù)以物體內(nèi)維持單位溫度

4、梯度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)垂直于熱流方向的單位面積上的熱量表示，符號(hào)為，單位為（w/m）。 純金屬的導(dǎo)熱性較合金好。,（5）.導(dǎo)電性 金屬傳導(dǎo)電流的能力，稱為導(dǎo)電性。 不同種類金屬的導(dǎo)電性不同。銀的導(dǎo)電性最好，其次為銅和鋁。如果把銀的導(dǎo)電性作為100，那么，銅的導(dǎo)電性為94，鋁為55，鐵為2。一般來(lái)說(shuō)，純金屬的導(dǎo)電性較合金為好。材料的導(dǎo)電性愈好，則電流通過(guò)時(shí)電能的損失愈小。所以導(dǎo)電材料多選用銅或鋁（銀的價(jià)格太高）。與導(dǎo)電性相反的性能稱為電阻。電阻大的金屬，則電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。所以電熱爐內(nèi)電熱元件（電阻絲、電阻帶等）都采用鉻鎳合金、鐵鉻鋁合金等高電阻材料。,（6）.磁性 金屬能被磁場(chǎng)吸引

5、或磁化的性能，稱為磁性。根據(jù)磁性，可把金屬分為：鐵磁性的，即在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈被磁化的，如鐵、鎳、鈷及其合金都是鐵磁性金屬；順磁性的，即在外磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如錳、鋁、鉻、鎢等都是順磁性金屬。逆磁性的，即能抗拒或削弱外磁場(chǎng)的磁化作用、的，如銅、鉛、鋅、錫等都是逆磁性金屬，通常說(shuō)的磁性材料，指的是鐵磁性金屬材料，而弱磁性或無(wú)磁性金屬材料，則指的是順磁性和逆磁性金屬材料。,（7）.耐磨性 機(jī)件和工具的磨損是降低機(jī)器和工具效率、精度和壽命的主要原因之一。因此，鋼材的耐磨性是很重要的一種物理性能。 影響鋼材耐磨性能的因素有很多，就鋼材本身來(lái)說(shuō)鋼材的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等都是重要

6、原因。比如滾珠軸承是否經(jīng)久耐用，不但決定于鋼材的質(zhì)量，而且加工質(zhì)量也是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。,2）.化學(xué)性能 金屬材料的化學(xué)性能主要指其化學(xué)穩(wěn)定性，即抵抗周圍各種介質(zhì)（如大氣、水、各種酸、堿、鹽溶液等）腐蝕的能力。 （1）.抗蝕性 抗蝕性又叫做耐蝕性，是指金屬材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕作用的能力。金屬的抗蝕性好，就不易受到周圍介質(zhì)的作用而發(fā)生質(zhì)量上的變化，表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學(xué)性能，因此又叫做化學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)腐蝕的種類不同，抗蝕性可分為抗氧化性、耐酸性等。,（2）.抗氧化性 許多金屬容易與氧化合成氧化物，特別是在高溫下，氧化速度更快，如果在金屬表面的氧化物層比較松散，外界氧氣便可以繼續(xù)與金屬接觸，并不斷進(jìn)行氧

7、化，致使金屬受到破壞。如果生成的氧化物層致密，并且牢固地覆蓋在金屬表面上，就能使氧氣與金屬層隔離，使氧化作用中斷。金屬抵抗高溫下氣體腐蝕的能力成為抗氧化性。鍋爐、汽輪機(jī)零部件、內(nèi)燃機(jī)閥門等是在高溫下工作的，這些零部件應(yīng)選用具有良好的抗高溫氧化能力的材料制造，不然表面很快就被氧化剝落而破壞。鋼材的抗氧化性與鋼材的化學(xué)成分組成關(guān)系很大。 鋼材的抗氧化試驗(yàn)方法，國(guó)家有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)耐熱鋼來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)必須檢驗(yàn)的項(xiàng)目。,（3）.熱強(qiáng)性 熱強(qiáng)性是指金屬材料在高溫下不僅具有抗氧化性，還具有足夠的高溫強(qiáng)度。 不同使用條件要求金屬材料具有不同的耐腐蝕能力，因此選用不同成分的材料。如：化工設(shè)備中輸送酸的管道，

8、應(yīng)選用耐酸鋼；加熱設(shè)備的支架、退火爐罩等，應(yīng)選抗氧化鋼；汽輪機(jī)的葉片、轉(zhuǎn)子，高溫下工作的螺栓、彈簧、緊固件等，應(yīng)選用熱強(qiáng)鋼。,3）.力學(xué)性能 某些零件或工具在使用過(guò)程中要受到各種外力的作用，如起重機(jī)的鋼絲繩受起吊重物拉力的作用；船舶在航行中，船體不僅要受到拉、壓作用，還要承受沖擊力的作用等。金屬材料在外力的作用下表現(xiàn)出來(lái)的各種特性，稱為力學(xué)性能。如彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度等。 （1）.彈性 材料受到外力時(shí)產(chǎn)生變形，外力去掉后又恢復(fù)到原來(lái)形狀的性質(zhì)就叫做彈性。這種變形量越大，說(shuō)明材料彈性越好。在彈性范圍內(nèi)，材料所受到的外力和變形量成正比。 金屬的彈性，對(duì)制造彈性零部件具有重要意義。,（2）.

9、剛度 材料抵抗彈性變形的能力。其衡量指標(biāo)為彈性模數(shù)。 （3）.強(qiáng)度 金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。金屬材料的強(qiáng)度，是通過(guò)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等許多強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)反映的。 （4）.塑性 金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形（指去掉外力后不能恢復(fù)原狀的變形），但不會(huì)被破壞的能力叫做塑性。塑性用伸長(zhǎng)率、斷面收縮率表示。 金屬的塑性與變形方式有關(guān)。例如，有些金屬在受拉伸變形時(shí)要發(fā)生破壞，但受擠壓或模鍛時(shí)可不發(fā)生破裂。 金屬的塑性是進(jìn)行壓力加工、冷彎工藝等必須考慮的重要因素。另外，適當(dāng)?shù)乃苄詫?duì)提高金屬結(jié)構(gòu)的安全可靠十分必要。,（5）.拉力試驗(yàn)和拉伸曲線 拉力試驗(yàn)是按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的形狀和尺寸把材料制

10、成拉伸試樣，裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)試樣施加逐漸增大的拉力，使試樣逐漸產(chǎn)生變形，直到拉斷為止。根據(jù)試樣變形值隨外力變化的關(guān)系，可以畫出拉伸曲線，也稱為拉伸圖。 拉伸曲線 大多數(shù)拉力試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪出試樣的拉伸曲線。下圖1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示荷載即拉力，單位為N(牛頓)；橫坐標(biāo)表示變形量，單位為mm。 由下圖可以看出試樣在拉伸過(guò)程中，變形與荷載的關(guān)系分為以下幾個(gè)階段：,圖1 低碳鋼的拉伸曲線,圖2 鑄鐵的拉伸曲線,oe-彈性變形階段。當(dāng)載荷小于Fe時(shí)，隨載荷增加，試樣被伸長(zhǎng)，如果卸除載荷，變形會(huì)完全消失，這種隨載荷的作用產(chǎn)生，隨載荷卸除而消失的變形，即為彈性變形，載荷超過(guò)Fp后拉伸曲線開

11、始偏離直線，但發(fā)生的仍是彈性變形，F(xiàn)e是保持彈性變形的最大載荷，實(shí)際上Fp和Fe很接近。 es-微量的塑性變形階段。當(dāng)載荷超過(guò)Fe后，試樣進(jìn)一步發(fā)生變形，此時(shí)若去除載荷，大部分變形隨之消失（彈性變形部分），但有部分（微量）變形不能消失，這種不能隨載荷去除而消失的變形，稱為塑性變形。Fe是使試樣只發(fā)生彈性變形的最大載荷。,ss-屈服階段。當(dāng)載荷大到Fs時(shí)，載荷保持不變而試樣的變形繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱之為屈服現(xiàn)象。這時(shí)在拉伸曲線上出現(xiàn)水平線段（或鋸齒行線段）。Fs是使試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的載荷。 sb-均勻的塑性變形階段。當(dāng)載荷超過(guò)Fs后，試樣開始發(fā)生大量的塑性變形，同時(shí)為使變形量增加，載荷也必須增

12、加，直到Fb。此階段試樣的變形量是沿試樣長(zhǎng)度均勻發(fā)生的。Fb是試樣被拉斷前，所能承受的最大載荷。 bk-頸縮階段。當(dāng)載荷超過(guò)Fb時(shí)，試樣局部發(fā)生大量變形，稱為頸縮現(xiàn)象，此后，試樣的變形也局限在頸縮現(xiàn)象部分。由于試樣局部截面積減少，使試樣需要較少的載荷就斷裂了，F(xiàn)k為試樣斷裂時(shí)的載荷。,通過(guò)上述分析可以看出，金屬材料在外力作用下發(fā)生的變化是開始彈性變形；然后是彈、塑性變形、直至斷裂。但并非所有的金屬材料都具有這三個(gè)階段的變化，如鑄鐵，在無(wú)明顯塑性變形的情況就斷裂了，鑄鐵的拉伸曲線見圖2。 金屬材料彈性、強(qiáng)度的大小常用單位面積上承受的載荷應(yīng)力表示。公式為： = 式中=應(yīng)力，單位為MPa，即N/mm

13、2； F=載荷（外力），單位為N； S=橫截面面積，單位為mm2 通過(guò)拉伸曲線可以求出彈性、強(qiáng)度等指標(biāo)。,（6）.彈性模數(shù) 當(dāng)材料在外力作用下，發(fā)生彈性變形，而變形量和外力總是成正比地增長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)比例系數(shù)就叫彈性模數(shù)，用E表示，單位為MPa。E也就是拉伸曲線在彈性變形階段的斜率。彈性模數(shù)相當(dāng)于引起單位變形所需的應(yīng)力，它是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。在其他條件相同時(shí)，材料的彈性模數(shù)越高，由其制成的零件或構(gòu)件彈性變形越小，也就是剛度越大。常用的金屬材料中鋼的彈性模數(shù)較高，大約是（1.92.1）105MPa，是銅合金的兩倍，鋁合金和鑄鐵的三倍。鏜床的鏜桿若剛度不足，使用時(shí)當(dāng)進(jìn)刀具較大時(shí)，鏜桿本身

14、變形過(guò)大，鏜出的內(nèi)孔會(huì)偏小而影響精度。 彈性模數(shù)的大小，主要取決于金屬的原子本性和晶體結(jié)構(gòu)。至于合金化、熱處理、冷熱加工等因素對(duì)它的影響很小，所以要提高零件、構(gòu)件的剛度，必須改變材料的種類或零件、構(gòu)件的斷面形狀和結(jié)構(gòu)。,（7）.比例極限 在彈性變形階段，金屬材料所承受的和應(yīng)變能力保持正比的最大應(yīng)力，稱為比例極限。由于比例極限很難測(cè)定，所以常常采用發(fā)生很微小的塑性變形量的應(yīng)力值來(lái)表示，稱為規(guī)定的比例極限。用p表示，單位為MPa。計(jì)算公式為： p= （8）彈性極限 金屬能保持彈性變形的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。由于彈性極限很難測(cè)定，所以常常采用很微小的塑性變形量的應(yīng)力值來(lái)表示。彈性極限為e表示，單位

15、為MPa。 e=,（9）.屈服點(diǎn) 金屬試樣在拉伸過(guò)程中，載荷不再增加，而試樣仍繼續(xù)發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱為“屈服”。發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為屈服點(diǎn)或屈服極限，用s表示，單位為MPa。計(jì)算公式為： （10）.屈服強(qiáng)度 拉伸試驗(yàn)時(shí)，只有少數(shù)材料如低碳鋼、中碳鋼等有明顯的屈服現(xiàn)象，其他大多數(shù)材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象，因此，對(duì)這些材料規(guī)定以屈服強(qiáng)度代替屈服點(diǎn)，用0.2表示。屈服強(qiáng)度指材料產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力。 由于屈服點(diǎn)（或屈服強(qiáng)度）和彈性極限的數(shù)值相差不大，而彈性極限又不易測(cè)定，因此，實(shí)際工作中常常用屈服點(diǎn)而不用彈性極限來(lái)衡量材料的彈性。,（11）.抗拉強(qiáng)度 指材料被

16、拉斷之前，所能承受的最大應(yīng)力，用b表示： 屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度是工程技術(shù)上設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)，因此，也是金屬材料購(gòu)銷和檢驗(yàn)工作中的重要性能指標(biāo)。 工程上所用的金屬材料往往對(duì)屈強(qiáng)比還有一定要求。所謂屈強(qiáng)比是指屈服點(diǎn)s和抗拉強(qiáng)度b的比。屈強(qiáng)比愈小，愈不易發(fā)生突然斷裂，但屈強(qiáng)比太低，材料的強(qiáng)度水平就不能充分發(fā)揮。因此，不同的零件對(duì)屈強(qiáng)比有不同要求，如彈簧就要求有高的屈強(qiáng)比。 對(duì)我們建筑用鋼的屈強(qiáng)比，一般要求為：,（12）伸長(zhǎng)率 金屬在拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷后，其標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，稱為伸長(zhǎng)率。以表示，單位為%，計(jì)算公式為： 標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)伸長(zhǎng)率影響很大，所以伸長(zhǎng)率必須注明標(biāo)

17、距。如對(duì)長(zhǎng)試樣，伸長(zhǎng)率用10或表示； 對(duì)短式樣，伸長(zhǎng)率用5表示。 S0為試樣原橫截面面積，d0為試樣之原直徑。凡L0與S0滿足上面括號(hào)內(nèi)關(guān)系的試樣，稱為比例試樣。非比例試樣的L0與F0之間無(wú)上述一定關(guān)系。對(duì)特薄板、線材及部分小型材，其試樣通采用非比例試樣（按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。,同一材料的5，這是因?yàn)樵嚇永瓟嗪罂偵扉L(zhǎng)量是均勻伸長(zhǎng)量與縮頸部分伸長(zhǎng)量之和。其中縮頸部分伸長(zhǎng)量與試樣長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，所以，短試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率大于長(zhǎng)試樣。對(duì)于不同材料，只有采用相同長(zhǎng)度的試樣，值才能比較。 （13）.斷面收縮率 金屬拉伸試驗(yàn)中，在斷裂處試樣截面面積減小的百分率，稱為斷面收縮率。以表示，單位為%。計(jì)算公式為： 斷面收縮

18、率與試樣尺寸無(wú)關(guān)，它能較可靠地代表金屬材料的塑性。,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率其值愈大，材料的塑性愈好，使用中安全可靠性越大，齒輪、軸類等許多零件，工作中是不允許產(chǎn)生塑性變形的，但在選材時(shí)，除了強(qiáng)度外，還要求材料有一定的塑性，就是為了零件的安全可靠性。工程上通常把5%的材料稱為塑性材料； 5%的材料成為脆性材料或處于脆性狀態(tài)的材料。 對(duì)厚度方向性能Z向鋼要求：三個(gè)試樣的斷面收縮率的平均值： 當(dāng)為Z15時(shí)，15%； Z25時(shí)，25%； Z35時(shí)，35%；,（14）沖擊吸收功或沖擊韌性值 金屬材料對(duì)沖擊載荷的抵抗能力稱為韌性，通常用沖擊吸收功或沖擊韌性值來(lái)度量。 沖擊吸收功是指試樣在沖擊載荷作用下，折斷時(shí)

19、所吸收的功，用符號(hào)Ak表示，單位為J。 沖擊韌性值是指吸收功除以試樣缺口處底部橫截面面積所得的商。用ak表示，單位為J/cm2 。 沖擊吸收功和沖擊韌性值通常通過(guò)一次擺錘彎曲沖擊試驗(yàn)求得。采用的試樣有兩種：V型缺口試樣和U型缺口試樣，見圖3，試驗(yàn)時(shí)先將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，使其缺口背向擺錘的沖擊方向，然后將重量為G的擺錘舉至一定高度H1，使其由此高度下落，將試樣沖斷后，又繼續(xù)提起一定高度H2，見圖4,圖3 沖擊試樣及安放,圖4 沖擊試驗(yàn)原理圖,式中，S0試樣缺口處底部的橫截面積，單位為cm2。 我國(guó)目前一般是以沖擊韌性值作為材料韌性指標(biāo)的。實(shí)際上把a(bǔ)k作為材料沖擊韌性指標(biāo)不是很合適的，因?yàn)閍

20、k值的大小不僅決定于材料本身，它還隨試樣尺寸、形狀及缺口加工質(zhì)量等在很大的范圍內(nèi)變化，所以現(xiàn)在有些國(guó)家已不再采用ak值，而是直接用Ak來(lái)表示試驗(yàn)結(jié)果，這樣既簡(jiǎn)便，誤差也小。應(yīng)該指出，即使用沖擊吸收功Ak來(lái)表示沖擊韌性，也還是有誤差的，因?yàn)樵囼?yàn)所消耗的沖擊功、除用于試樣變形和斷裂外，還有一部分被沖掉的試樣帶走和消耗于試驗(yàn)本身的震動(dòng)。,一般認(rèn)為ak或Ak越大，材料的韌性越好。 在沖擊載荷下工作的零件，很少因受一次超載荷沖擊而破壞，大多數(shù)情況下是承受小能量的多次沖擊載荷而破壞。其破壞過(guò)程是由于多次沖擊損傷的積累所導(dǎo)致的裂縫的發(fā)生和發(fā)展。因此為了更符合實(shí)際情況，應(yīng)進(jìn)行小能量多次沖擊試驗(yàn)，找出材料在多次

21、沖擊作用下破壞過(guò)程的變化規(guī)律，而不應(yīng)以一次沖擊試驗(yàn)得出的ak值作為選材和設(shè)計(jì)的唯一依據(jù)。近來(lái)研究的結(jié)果說(shuō)明，材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要是取決于其強(qiáng)度高低，而不是主要取決于其沖擊值大小，因此對(duì)于在能量不太大多次沖擊載荷作用下工作的零件，主要強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。 低溫沖擊韌性和高溫沖擊韌性 金屬材料在常溫、低溫及高溫下所測(cè)得的沖擊吸收功或者沖擊韌性值是不一樣的。低溫條件下測(cè)得的沖擊韌性，稱為低溫沖擊韌性；高溫條件下測(cè)得的沖擊韌性，稱為高溫沖擊韌性。低溫或高溫下測(cè)得的沖擊吸收功或沖擊韌性值都要注明試驗(yàn)溫度。,（15）.硬度 金屬材料的硬度，一般是指材料表面局部地區(qū)抵抗變形或破裂的能力。硬

22、度這個(gè)概念不是一個(gè)確定的物理量，隨測(cè)量方法不同，其含義也不同。根據(jù)試驗(yàn)方法和適用范圍不同，硬度大致可分為壓痕硬度、刻痕硬度、回彈硬度三種類型。例如：壓痕硬度的硬度值，是表示材料表面抵抗另一更硬的物體壓入時(shí)產(chǎn)生塑性變形的能力；刻痕法的硬度值是指材料表面抵抗局部破裂的能力；而回彈法硬度是代表材料彈性變形功的大小。 根據(jù)試驗(yàn)方法和適用范圍的不同，可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度等許多種。,（16）.脆性 材料在受力時(shí)沒有顯著的變形而突然斷裂的性質(zhì)，叫做脆性。金屬材料的脆性主要取決于其成分和組織結(jié)構(gòu)。 熱脆性 鋼材在高溫下所表現(xiàn)出的脆性特征，叫做熱脆性。 鋼材的熱脆性是由硫元素引起的。硫在

23、鋼中以硫化鐵（FeS）形式存在，它的塑性不好，并且形成熔點(diǎn)低（985）的硫化鐵鐵（ FeSS）的共晶體存在與晶界處。當(dāng)鋼材在10001200 高溫下工作時(shí)，硫化鐵鐵的共晶會(huì)先于鋼熔化，使晶粒脫開，而造成鋼材的脆斷。 冷脆性 室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，并使脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。 磷是引起鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象的一個(gè)元素，它在鋼中形成脆性很大的化合物磷化三鐵（Fe3P）。,3.金屬材料工藝性能 金屬工藝性能是指金屬材料在投入生產(chǎn)的過(guò)程中，能承受各種加工制造工藝而不產(chǎn)生疵病或廢品而應(yīng)具備的性能。 1）鑄造性 鑄造性指金屬材料是否適于鑄造及所鑄制件的質(zhì)量好壞。 金屬材料的鑄造

24、性能包括流動(dòng)性、縮減性和偏析等方面。流動(dòng)性是指液態(tài)金屬充滿鑄模的能力，流動(dòng)性越好，越易制造細(xì)薄精致的鑄件；縮減性是指鑄件凝固時(shí)體積縮減的程度，縮減愈小，鑄件凝固變形愈小；偏析是指化學(xué)成分不均勻，偏析愈嚴(yán)重，鑄件各部位的性能愈不均勻，鑄件的可靠性愈小。,2）.切削加工性 切削加工性，是金屬材料被切削加工時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的性能，亦即金屬材料承受切削加工的難易程度。 可從下述三個(gè)方面來(lái)衡量金屬材料切削加工性： （1）切削加工后工件表面粗糙程度； （2）允許的切削速度； （3）對(duì)切削刀具的磨損程度。 目前尚沒有統(tǒng)一的檢驗(yàn)金屬材料切削加工性的方法。一般是根據(jù)材料的硬度和韌性作大致的判斷，硬度過(guò)大、過(guò)小或韌性

25、過(guò)大，則切削加工性均不好。適合的硬度大約是HB=140250。,3）.冷彎性 金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂的能力，稱為冷彎性能。出現(xiàn)裂紋前能承受的彎曲程度愈大，則材料的冷彎性能愈好。彎曲程度一般用彎曲角度或彎芯直徑d對(duì)材料厚度a的比值表示，彎曲角度愈大或彎芯直徑d對(duì)材料厚度a的比值愈小，則材料的冷彎性能就愈好。 金屬材料的彎曲是靠彎曲處附近的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此塑性愈大，冷彎性能也愈好。,按照國(guó)標(biāo)GB232的規(guī)定，冷彎試驗(yàn)時(shí)的彎曲程度分為： （1）彎到一定角度（外角120，90等）； （2）繞著彎心彎到兩面平行（即180 ）、彎心直徑d等于試樣厚度a的1/2、相等、兩倍、三倍等； （3

26、）彎到兩面接觸（即彎曲180 彎心直徑d=0）。 4）.沖壓性 沖壓性是指金屬經(jīng)過(guò)沖壓變形而不產(chǎn)生裂紋等缺陷的能力。 許多金屬產(chǎn)品的制造都要經(jīng)過(guò)沖壓工藝。如汽車殼體、搪瓷制品坯料及鍋、盆、盂、壺等日常用品。為保證制品的質(zhì)量和工藝的順利進(jìn)行，用于沖壓的金屬板、帶等必須具有合格的沖壓韌性。,5）.焊接性（可焊性） 焊接性是指金屬適應(yīng)常用焊接方法和焊接工藝的能力。焊接性好的金屬材料易于用常用的焊接方法和焊接工藝焊接；焊接性較差的金屬材料則必須用特定的焊接方法和焊接工藝進(jìn)行焊接；焊接性很差的金屬材料甚至不能焊接。 導(dǎo)熱性過(guò)高或過(guò)低、熱膨脹性大、塑性低或焊接時(shí)容易氧化、吸氣的金屬。其焊接性一般教差。焊接

27、性差的金屬，焊接后焊縫強(qiáng)度低，還可能出現(xiàn)變形、開裂等現(xiàn)象。 金屬焊接的焊接性一般根據(jù)焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊縫區(qū)力學(xué)性能的變化來(lái)判斷。,四、鋼材中的合金元素及其作用 鋼是鐵和碳（2.11）的合金。在工業(yè)用鋼中尚存在少量非有意加入的其它元素，例如一般含量的硅（Si），錳（Mn），硫（S），磷（P）等，這些合金元素通常稱為常存元素或殘余元素。另外為了合金化的目的，即為改善或獲得鋼的某些性能，在冶煉過(guò)程中有意加入的元素，均統(tǒng)稱為合金元素。它們?cè)阡撝械暮扛饔胁煌械目筛哌_(dá)百分之幾十，有的則低至十萬(wàn)分之幾。,（一）根據(jù)各種合金元素在鋼中形成碳化物的傾向不同，可以把它們分成以下幾類： 1、不形成碳化

28、物元素：只與鐵形成固溶體，如硅（Si）、鎳（Ni）、銅（Gu）、鋁（Al）、鈷（Co）等； 2、強(qiáng)碳化物形成元素：這類元素由于和碳的親和力極強(qiáng)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，就形成各自的特殊碳化物；但在缺少碳時(shí)，則以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，如礬（V）、鋯（Zr）、鈮（Nb）、鈦（Ti）、鉭（Ta）等； 3、弱碳化物形成元素：介于上述兩類之間，部分進(jìn)入固溶體，另一部分與碳形成碳化物，如錳（Mn）、鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）等。但當(dāng)元素含量超過(guò)一定限度時(shí)（錳除外），又將形成各自特殊的碳化物。,除了形成碳化物或溶解于固溶體之外，大部分元素都能與鋼中的氧、氮、硫等形成簡(jiǎn)單的或復(fù)合的非金屬雜質(zhì)，如Al2O3，VX

29、NY，MnS，F(xiàn)eOTiO2，MnOSiO2，SiO2MXOY等。鋼中合金含量較高時(shí)，某些元素彼此作用而形成金屬間化合物，如FeSi，F(xiàn)eW，Ni3Al，Ni3Ti等。有的元素如銅、鉛，當(dāng)含量超過(guò)它在鋼中的溶解度時(shí)，常以游離狀態(tài)或純的金屬相存在。 鋼中各種元素通過(guò)與鐵和碳這兩個(gè)基本組元的作用，以及它們彼此之間的相互作用，可使鋼中各組成相，組織，結(jié)構(gòu)以及性能發(fā)生各種有利的變化，例如可明顯的提高鋼的綜合機(jī)械性能，以及使鋼獲得耐熱、耐蝕或電磁等各種特殊物理化學(xué)性能。,（二）五種最常見元素在鋼中的主要作用： 1、碳（C）：是鋼中的兩個(gè)基本組元之一，它可以擴(kuò)大相區(qū)，但因滲碳體的形成，而不能無(wú)限固溶。碳在

30、鐵（鐵素體）及鐵（奧氏體）中的最大溶解度分別為0.02及2.1。鋼中隨著碳含量的增加，珠光體和滲碳體也愈多，鐵素體也愈少，可提高其硬度和強(qiáng)度，但降低塑性和韌性。碳和鋼中某些合金元素形成各種碳化物，對(duì)鋼的性能產(chǎn)生不同的影響。,2、硅（Si）：熔點(diǎn)1410，是縮小相區(qū)的元素，在鐵及鐵中的溶解度分別為18.5及2.15。它和氧的親和力僅次于鋁和鈦，為常用的脫氧劑。硅在鋼中不形成碳化物，提高鋼中固溶體的強(qiáng)度和冷加工變形硬化率的作用極強(qiáng)，但同時(shí)也降低鋼的韌性和塑性。硅還可提高鋼的淬火性和抗回火性，對(duì)鋼的綜合機(jī)械性能，特別是對(duì)彈性極限、屈強(qiáng)比的提高顯著，并可增強(qiáng)鋼在大氣中的耐蝕性。硅提高和改善鋼的電阻率和

31、磁導(dǎo)率，降低磁滯損耗，為硅鋼片的主要合金元素。硅含量較高時(shí)，對(duì)焊接性不利，并易導(dǎo)致冷脆，還降低鋼的被切削性；對(duì)中、高碳鋼回火時(shí)易產(chǎn)生石墨化。,3、錳（Mn）：熔點(diǎn)1244，擴(kuò)大相區(qū)，形成無(wú)限固溶體。對(duì)鐵素體和奧氏體均有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，提高硬度和強(qiáng)度。它是弱碳化物形成元素，可形成合金滲碳體。錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，與硫形成MnS，可防止因硫而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象；在易切鋼中MnS可改善被切削性。錳降低鋼的下臨界點(diǎn)，增加奧氏體冷卻時(shí)的過(guò)冷度，細(xì)化珠光體組織，以改善其機(jī)械性能，為低合金鋼的重要合金元素，并為無(wú)鎳及少鎳奧氏體鋼的主要合金元素。在高碳高錳耐磨鋼中和中碳高錳無(wú)磁鋼中，錳也是主要合金元素之一

32、。錳還強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆化的不利傾向。,4、硫（S）：熔點(diǎn)118，縮小相區(qū)，因有FeS的形成。它在鐵中溶解度很低，主要以硫化物形式存在。一般認(rèn)為它是殘存在鋼中的有害元素之一，例如在鋼中產(chǎn)生嚴(yán)重偏析，惡化鋼質(zhì)；如以熔點(diǎn)較低的FeS形式存在，將導(dǎo)致鋼的熱脆現(xiàn)象。用于焊接的鋼，硫含量偏高會(huì)產(chǎn)生SO2，使焊接金屬內(nèi)形成氣孔和疏松。但在含硫易切鋼中，其唯一有利的作用是硫和錳的配合，形成細(xì)小的（Mn，F(xiàn)e）S夾雜形態(tài)分布于鋼中，可改善鋼的被切削性能。,5、磷（P）：熔點(diǎn)44，縮小相區(qū)。在鐵及鐵中的最大溶解度分別為2.8及0.25。它在鋼中不形成碳化物，但易造成嚴(yán)重偏析，故磷在鋼中

33、一般說(shuō)來(lái)是有害元素，但也有其可利用的一面。磷對(duì)提高鋼的強(qiáng)度以及冷作硬化作用很強(qiáng)；但增加鋼的脆性，尤其是低溫脆性。它與銅配合使用，可提高低合金鋼耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能。它與硫、錳配合使用，可增加鋼的被切削性能。,（三）其他合金元素在鋼中的主要作用： 1、鋁（Al）：熔點(diǎn)660，是強(qiáng)烈縮小相區(qū)的元素。在鐵及鐵中的最大溶解度分別為36及0.6。不形成碳化物，它與氮和氧的親和力很強(qiáng)。鋁主要作用作脫氧和細(xì)化晶粒。在滲氮鋼中促使形成堅(jiān)硬耐蝕的滲氮層。含量高時(shí)，賦予鋼高溫抗氧化及耐氧化性介質(zhì)及H2S氣體的腐蝕作用，固溶強(qiáng)化作用大。在高溫合金中，與鎳形成相（Ni3Al），從而提高其熱強(qiáng)性。在磁性材

34、料中，改善鋼的電、磁性能。對(duì)淬透性影響不顯著，有促進(jìn)石墨化的傾向。,2.氫（H）：熔點(diǎn)-262，擴(kuò)大相區(qū)，在奧氏體中的溶解度遠(yuǎn)大于在鐵素體中的溶解度；而在鐵素體中的溶解度亦隨溫度的下降而劇減。氫使鋼易產(chǎn)生白點(diǎn)、點(diǎn)狀偏析、氫脆等嚴(yán)重缺陷，也是導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)中發(fā)生冷裂的重要因素。氫雖然也能起到某些合金化的作用，但這些缺陷的危害性遠(yuǎn)大于作為合金化元素的好處，因此采取種種措施來(lái)降低鋼中的氫含量。,3.氧（O）：熔點(diǎn)-218.7，縮小相區(qū)，在鐵及鐵中的最大溶解度分別為0.03%及0.003%。由于鋼中總有一些殘留的氧，根據(jù)其類型、組成和分布狀態(tài)，對(duì)鋼的性能起不同的影響。如固溶于鋼中的數(shù)量級(jí)少，則對(duì)鋼性

35、能的影響并不顯著。若超過(guò)溶解部分的氧，以各種夾雜物的形式存在，對(duì)鋼的塑性、韌性及疲勞性能不利，特別對(duì)沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度極為不利。所以通常把鋼中的氧看作有害的但又不可避免的元素。但在鐵氧體磁性材料中，氧增加矯頑力和電阻系數(shù)，降低導(dǎo)磁率，是有益的重要元素。,4 氮（N）：熔點(diǎn)-210，擴(kuò)大相區(qū)，是一種很強(qiáng)的形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，在鐵及鐵中的最大溶解度分別為0.1%及2.8%。它在鋼中不形成碳化物，但與其它元素形成氮化物，如TiN，AlN等。由于氮化物在晶界上析出提高了晶界高溫強(qiáng)度，從而增加鋼的蠕變強(qiáng)度。氮可形成和穩(wěn)定奧氏體組織，在奧氏體中可取代一部分鎳。鋼經(jīng)滲氮后，可增加表層的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗蝕性。氮與其它合金元素化合，有沉淀硬化作用；并有一定的固溶強(qiáng)化和提高淬透性作用。氮在低碳鋼中，由于Fe4N的析出，會(huì)導(dǎo)致時(shí)效和藍(lán)脆的現(xiàn)象。,5鎳（Ni）：熔點(diǎn)1453，擴(kuò)大相區(qū)，形成無(wú)限固溶體，在鐵中的最大溶解度為10。它在鋼中不形成碳化物，是形成和穩(wěn)定奧氏體的重要合金元素。鎳細(xì)化鐵素體晶粒，改善鋼的低溫性能，特別是韌性。因此在很低溫度下使用的材料，可采用純鎳鋼種。但是鎳大都和鉻、鉬等配合使用，能使結(jié)構(gòu)鋼在熱處理后獲得強(qiáng)度與韌性配合良好的綜合機(jī)械性能；在奧氏體不銹耐熱鋼中，可提高鋼的熱強(qiáng)性、耐熱和耐腐蝕性能。鎳也是煉制軸瓦合金