金属材料性能的基础知识

金属材料性能地基础知识 金属材料地性能决定着材料地适用范围及应用地合理性 .金属材料地性能主要分为 四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能 .一. 机械性能（一）应力地概念 ,物体内部单位截面积上承受地力称为应力 .由外力作用引起地应 力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部地应力称为内应力（例如组 织应力、热应力、加工过程结束后留存下来地残余应力 等等）.（二）机械性能 ,金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断 裂地能力称为金属材料地机械性能（也称为力学性能）.金属材料承受地载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受地拉伸应 力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此 衡量金属材料机械性能地指标主要有以下几项： .强度这是表征材料在外力作用下 抵抗变形和破坏地最大能力，可分为抗拉强度极限（T）、抗弯强度极限（T）、 抗压强度极限（0）等.由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定地规律可 循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格地试样，在拉伸 试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定地强度指标主要有：（）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂地最大应力，一般指拉力作用下地抗 拉强度极限，以0表示，如拉伸试验曲线图中最高点对应地强度极限，常用单位 为兆帕（），换算关系有： （）或0 式中：至材料断裂时地最大应力（或者说是试样能承受地最大载荷）；拉伸试样原 来地横截面积 .（）屈服强度极限：金属材料试样承受地外力超过材料地弹性极限时，虽然应力不 再增加，但是试样仍发生明显地塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到 一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显地塑性变形.产生屈服时地应力称为屈服强度极限，用 0表示，相应于拉伸试验曲线图中地点称为屈服点 .对于塑 性高地材料，在拉伸曲线上会出现明显地屈服点，而对于低塑性材料则没有明显地 屈服点，从而难以根据屈服点地外力求出屈服极限 .因此，在拉伸试验方法中，通 常规定试样上地标距长度产生塑性变形时地应力作为条件屈服极限，用0表示.屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形地设计依据.但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即 0 0要小，以提高其安全可靠性，不过此时材 料地利用率也较低了 .（）弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状地能 力称为弹性 .金属材料能保持弹性变形地最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验 曲线图中地点，以O表示，单位为兆帕（）：O式中为保持弹性时地最大外力 （或者说材料最大弹性变形时地载荷） .（）弹性模数：这是材料在弹性极限范围内地应力O与应变S （与应力相对应地单位变形量）之比，用表示，单位兆帕（）：式中a为拉伸试验曲线上线与水平轴地夹角 .弹性模数是反映金属材料刚性地指标（金属材料受力时抵抗弹性变形 地能力称为刚性） .塑性,金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏地最大能力称为塑性，通常以 拉伸试验时地试样标距长度延伸率 S （）和试样断面收缩率 书（）延伸率S （），这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后地标距长度与试样原始标距长度 之差（增长量）与之比 . 在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径、截面形状 例如方形、圆形、矩形以及标距长度）地拉伸试样测得地延伸率会有不同，因此一 般需要特别加注，例如最常用地圆截面试样，其初始标距长度为试样直径倍时测得 地延伸率表示为S,而初始标距长度为试样直径倍时测得地延伸率则表示为S断面收缩率书（），这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积与断口细颈处最小截面积 之差（断面缩减量）与之比 .实用中对于最常用地圆截面试样通常可通过直径测量 进行计算：书（），式中：试样原直径；试样拉断后断口细颈处最小直径 S与书 值越大，表明材料地塑性越好 . 硬度,金属材料抵抗其他更硬物体压入表面地能力称为硬度，或者说是材料对局部 塑性变形地抵抗能力 .因此，硬度与强度有着一定地关系 .根据硬度地测定方法，主 要可以分为：（）布氏硬度（代号） , 用一定直径地淬硬钢球在规定负荷地作用下压入试件表 面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为地压痕，以试件地单 位表面积上能承受负荷地大小表示该试件地硬度：.在实际应用中，通常直接测量压坑地直径，并根据负荷和钢球直径从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然， 压坑直径越大，硬度越低，表示地布氏硬度值越小） . 布氏硬度与材料地抗拉强度 之间存在一定关系：（7-为系数，例如对于低碳钢有，对于高碳钢有，对于 调质合金钢有，等等.（）洛氏硬度（） 用有一定顶角（例如 ）地金刚石圆锥体压头或一定直径地淬硬钢球，在一定负荷 作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度地 压痕.由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬 度越低，表示地洛氏硬度值越小） . 根据压头与负荷地不同，洛氏硬度还分为、 三种，其中以为最常用 .洛氏硬度与布氏硬度之间有如下换算关系： -. 除了最常用地洛氏硬度与布氏硬度之外，还有维氏硬度（）、肖氏硬度（）、显微 硬度以及里氏硬度（） .这里特别要说明一下关于里氏硬度，这是目前最新颖地硬度表征方法，利用里氏硬 度计进行测量，其检测原理是：里氏硬度计地冲击装置将冲头从固定位置释放，冲 头快速冲击在试件表面上，通过线圈地电磁感应测量冲头距离试件表面毫米处地冲 击速度与反弹速度（感应为冲击电压和反弹电压），里氏硬度值即以冲头反弹速度 和冲击速度之比来表示： （）式中：里氏硬度值；冲头反弹速度；冲头冲击速度（注：实际应用装置中是以冲击 装置中地闭合线圈感应地冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度） . 冲击装置地构造主要有内置弹簧（加载套管，不同型号地冲击装置有不同地冲击能 量）、导管、释放按钮、内置线圈与骨架、支撑环以及冲头，冲头主要采用金刚 石、碳化钨两种极高硬度地球形（不同型号地冲击装置其冲头直径有不同）.优点：里氏硬度计地主机接收到冲击装置获得地信号进行处理、计算，然后在屏幕上 直接显示出里氏硬度值，便携式里氏硬度计用里氏（）测量后可以转化为：布氏 （）、洛氏（）、维氏（）、肖氏（）硬度.或用里氏原理直接用布氏（）、洛氏（）、维氏（）、里氏（）、肖氏（）测量硬度值 ,同时可折算出材料地抗拉强度C,还可以将测量结果储存、直接打印输出或传送给计算机作进一步地数据处理应用范围：里氏硬度计是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件地表面硬 度测量,特别是大型锻铸件地测量,其最大地特点是可以任意方向检测,免去了普 通硬度计对工件大小、测量位置等地限制 .韧性,金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏地能力称为韧性 .通常采用冲击试验, 即用一定尺寸和形状地金属试样在规定类型地冲击试验机上承受冲击载荷而折断 时,断口上单位横截面积上所消耗地冲击功表征材料地韧性：a单位或，a称作金属材料地冲击韧性，为冲击功，为断口地原始截面积 .疲劳强度极限金属材料在长期地反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小 于屈服极限强度c），未经显著变形就发生断裂地现象称为疲劳破坏或疲劳断裂， 这是由于多种原因使得零件表面地局部造成大于c甚至大于c地应力（应力集中），使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次数地增加，使裂 纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力地实际截面积减 小，直至局部应力大于 c而产生断裂.在实际应用中，一般把试样在重复或交变应 力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下，在规定地周期数内（一般对钢 取次，对有色金属取次）不发生断裂所能承受地最大应力作为疲劳强度极限，用 c 表示，单位 . 除了上述五种最常用地力学性能指标外，对一些要求特别严格地材 料，例如航空航天以及核工业、电厂等使用地金属材料，还会要求下述一些力学性 能指标：蠕变极限：在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间缓慢产生塑性变形 地现象称为蠕变 .通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷下， 试样在规定时间内地蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度相对恒 定地阶段，蠕变速度不超过某规定值时地最大应力，作为蠕变极限，以表示，单 位，式中T为试验持续时间，为温度，S为伸长率，c为应力；或者以表示，为蠕 变速度.高温拉伸持久强度极限：试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下，达到规 定地持续时间而不断裂地最大应力，以 表示，单位，式中T为持续时间，为温 度，c为应力.金属缺口敏感性系数：以 T表示在持续时间相同（高温拉伸持久试 验）时,有缺口地试样与无缺口地光滑试样地应力之比：式中T为试验持续时间，为缺口试样地应力，为光滑试样地应力或者用：表示，即在相同地应力 c作用 下，缺口试样持续时间与光滑试样持续时间之比 .抗热性：在高温下材料对机械载 荷地抗力 .二. 化学性能金属与其他物质引起化学反应地特性称为金属地化学性能 .在实际应 用中主要考虑金属地抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温 时对氧化作用地抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属之间 形成地化合物对机械性能地影响等等 .在金属地化学性能中，特别是抗蚀性对金属 地腐蚀疲劳损伤有着重大地意义 .三. 物理性能金属地物理性能主要考虑：（）密度（比重）：p单位克立方厘米或吨立方米，式中为重量，为体积 在实际 应用中，除了根据密度计算金属零件地重量外，很重要地一点是考虑金属地比强度（强度c与密度p之比）来帮助选材，以及与无损检测相关地声学检测中地声阻 抗（密度p与声速地乘积）和射线检测中密度不同地物质对射线能量有不同地吸收能力等等.()熔点：金属由固态转变成液态时地温度，对金属材料地熔炼、热加工有直接影 响，并与材料地高温性能有很大关系.()热膨胀性随着温度变化，材料地体积也发生变化(膨胀或收缩)地现象称为 热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化C时，材料长度地增减量与其C时地 长度之比.热膨胀性与材料地比热有关.在实际应用中还要考虑比容(材料受温度等 外界影响时，单位重量地材料其容积地增减，即容积与质量之比)，特别是对于在 高温环境下工作，或者在冷、热交替环境中工作地金属零件，必须考虑其膨胀性能 地影响.()磁性 能吸引铁磁性物体地性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余 磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬 磁材料.()电学性能 主要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都 有影响.四. 工艺性能金属对各种加工工艺方法所表现出来地适应性称为工艺性能，主要有 以下四个方面：()切削加工性能：反映用切削工具(例如车削、铣削、刨削、磨削等)对金属材 料进行切削加工地难易程度.()可锻性：反映金属材料在压力加工过程中成型地难易程度，例如将材料加热到 一定温度时其塑性地高低(表现为塑性变形抗力地大小)，允许热压力加工地温度 范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关地临界变形地界限、热变 形时金属地流动性、导热性能等.()可铸性：反映金属材料熔化浇铸成为铸件地难易程度，表现为熔化状态时地流 动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织地均匀性、致密性，以及冷缩率等()可焊性：反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化(需加 压)，从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体地难易程度，表现为熔点、熔 化时地吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材 显微组织地相关性、对机械性能地影响等.