金属材料的性能.docx

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金属材料的性能

第三节  金属材料的性能  

   材料的性能有使用性能和工艺性能两类。

   [使用性能]是保证工件的正常工作应具备的性能，主要包括力学性能、物理性能、化学性能等。

   [工艺性能]是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。

   本节主要讲述力学性能、物理和化学性能、工艺性能

   一、材料的力学性能

   载荷：

零件和工具在使用过程中所受的力，按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，又可分为静载荷和动载荷。

   静载荷——力的大小不变或变化缓慢的载荷。

如静拉力、静压力等。

   动载荷——力的大小和方向随时间而发生改变。

如冲击载荷、交变载荷、]循环载荷等。

   应力：

材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。

用“σ”表示。

   变形：

金属在外力的作用下尺寸和形状的变化，“弹性变形”和“塑性变形”

   弹性变形——去除外力后，物体能完全恢复原状的变形。

   塑性变形——当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。

   力学性能：

是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。

   强度（strength）：

材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等

   塑性（plasticity）：

塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自己的形状和尺寸，而各质点间的联系不被破坏的性能

   硬度（hardness）：

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度

   韧性（toughness）：

韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力

   ······

   1、抗拉强度与塑性测量

   [拉伸试验]：

GB/T228-1987（新标准，GB/T228-2002）。

采用万能材料试验机，给拉伸试验缓慢施以拉力，测出拉力与变量的关系。

可用于测量材料在拉力作用下的强度和塑性。

拉伸试验方法

拉伸试样 

拉伸试样的颈缩

    [拉伸试样]：

按国家标准制作，试样的截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等。

其中圆形拉伸试样如图所示。

L0——原始标距长度；d0——原始直径。

一般应符合一定的比例关系：

国际上常用的是L0/d0=5（短试样），原始标距长度不小于15mm；当试样横截面太小时，可采用L0/d0=10（长试样），或采用非比例试样。

L1——拉断后试样标距长度；d1——拉断后试样断口直径。

    [拉伸曲线]：

拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量ΔL（某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差ΔL=Lu-L0）的F—ΔL曲线称为拉伸曲线图。

低碳钢拉伸曲线 

 “oe”为纯弹性变形阶段，卸去载荷时，试样能恢复原状

 “e”点开始塑性变形

 “s"点出现“屈服”现象，出现明显塑性变形

 “sb”为强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化 

 “b”点为最大载荷，试样出现“缩颈”现象

 “k”点试样被拉断 

（1）强度（strength）

∙强度表示：

强度一般用拉伸曲线上所对应某点的应力来表示。

单位采用N/mm2（或MPa兆帕）

σ=F/So

式中：

σ——应力（MPa）；F——拉力（N）；So——截面积（mm2）。

∙强度判据：

拉伸试验可用于测量弹性极限、屈服强度、规定残余伸长强度、抗拉强度等

         [弹性极限]：

σe    保持纯弹性变形的最大应力。

σe=Fe/So

         [屈服强度]（yieldstrength）：

σs   产生屈服时的应力（屈服点），亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。

σs=Fs/So

         [规定残余伸长应力]：

σr0.2   产生0.2%残余伸长率时的应力。

σr0.2=Fr0.2/So

         [抗拉强度]（tensilestrength）：

σb    断裂前最大载荷时的应力（强度极限）。

σb=Fb/So

∙强度意义：

一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点σs是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。

工程上还通过计算屈强比（σs/σb，屈服点与抗拉强度的比值来判别材料强度的利用率，屈强比高，材料性能使用效率高，一般材料的屈强比以0.75为宜。

（2）塑性（plasticity）

∙塑性判据：

可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率

    [断后伸长率]（specificelongation）：

δ，用断后标距的残余伸长量（L1-L0）与原始标距长度（L0）之比的百分数。

δ= （L1-L0/L0）×100%

   *采用长、短试样测出的断后伸长率分别用δ5和δ10表示。

（一般δ5 >δ10；一般大20%左右）。

   [断面收缩率]（percentagereductioninarea）：

ψ，用拉断后试样横截面积的最大缩减量（S0-S1）与试样原始横截面积（S0）的百分比。

ψ=（S0-S1）/S0×100%

塑性意义：

δ和ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。

塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。

      δ<2~5%     属脆性材科

      δ≈5~10%   属韧性材料

      δ>10%        属塑性材料

金属强度与塑性新、旧标准对照表

新标准GB/T228-2002

旧标准GB/T228-1987

性能

符号

性能

符号

断面收缩率

Z

断面收缩率

ψ

断后伸长率

A

断后伸长率

δ5

A11.3

δ10

屈服强度

－

屈服点

σs

上屈服强度

ReH

上屈服点

σsU

下屈服强度

ReL

下屈服点

σsL

规定残余伸长强度

Rr

规定残余伸长应力

σr

例如：

Rr0.2

例如：

σr0.2

抗拉强度

Rm

抗拉强度

σb

  2、硬度测量

∙硬度测量的应用：

硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样（非破坏性试验）；硬度能综合反映材料的强度等其他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。

所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。

∙测量方法：

可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。

生产中常用压入法（有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法等）。

布氏硬度计                    洛氏硬度计                  维氏硬度计

（1）布氏硬度]：

HB（Brinell-hardness）（HBS、HBW）

∙布氏硬度测量原理：

采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。

实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。

HBS（HBW）=F/S=2F/πD[D-（D2-d2）1/2]

   HBS——表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。

适用范围：

小于450；  

   HBW——表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。

适用范围：

450~650

布氏硬度的测量原理

∙布氏硬度表示方法：

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。

如:

120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120

∙布氏硬度特点：

优点：

测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；

             缺点：

压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件

∙布氏硬度测量范围：

用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）

（2）洛氏硬度]：

HR（Rockwllhardnes）

∙洛氏硬度测量原理：

用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

HR=K-h/0.002

K——常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130

洛氏硬度测量原理

∙洛氏硬度测量条件：

洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。

常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

硬度符号

压头类型

总试验力F/N（kgf）

硬度范围

应用举例

HRA

120o金刚石圆锥

588.4（60）

20~88

硬质合金、碳化物、浅层表面硬化钢等

HRB

φ1.588mm淬火钢球

980.7（100）

20~100

退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁

HRC

120o金刚石圆锥

1471（150）

20~70

淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢

∙洛氏硬度特点：

优点：

测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大，  

                  缺点：

数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度

∙洛氏硬度测量范围：

可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料（如上表所示）

 （3）维氏硬度]：

HV（diamondpenetratorhardness）

∙维氏硬度测量原理：

与布氏硬度相似。

采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。

维氏硬度测量原理

∙维氏硬度特点：

测量范围大，可测量硬度为10~1000HV范围的材料；量压痕小。

∙维氏硬度应用：

可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。

  *上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。

  *各种硬度的换算经验公式：

硬度在200~600HBS时：

1HRC相当于10HBS；硬度小于450HBS时：

1HBS相当于1HV

  *利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：

根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式：

HRC=（479-100D）/4，其中D为Φ10mm钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径测量值。

该公式计算出的值与换算值的误差在0.5～-1范围内，该公式在现场用起来十分方便，您不妨试一试。

   3、冲击韧性测量

∙金属夏比缺口冲击试验：

按GB/T229-1994进行，采用横截面尺寸为10mm×10mm、长度为55mm，试样的中部开有V或U形缺口的冲击试样。

试验时冲击试样的开口背向摆锤的冲击方向置于试验机的支架上，将试样一次冲断。

冲击试验机                            冲击试验原理

∙冲击吸收功的测量

     冲击吸收功AK：

试样在一次冲击试验力作用下，断裂时所吸收的功称为冲击吸收功，用AKV（或AKU）表示，单位为J（焦尔）。

AK=mgh1-mgh2=mg（h1-h2）

∙冲击吸收功的意义：

判断材料抵抗冲击载荷的能力，冲击吸收功小的材料，其脆性大，易被冲断；冲击吸收功对温度敏感，可用于评定材料的冷脆倾向；冲击及收功对组织敏感，可用于进行冶金夹杂物和热加工质量的签定。

  4、疲劳极限

∙疲劳现象：

在循环力或交变力作用下工作的，尽管这种应力远小于材料的屈服点，但经一定循环次数后断裂的现

∙疲劳断裂原因：

由于零件中存在疲劳源（如裂纹、夹杂、刀痕等缺陷），在循环力或交变力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，并不断扩展，导致零件即发生突然断裂。

∙疲劳断裂特点：

无论为韧性还是脆性材料，在疲劳断裂时，事先无明显塑性变形的预兆，因此疲劳断裂具有很大的危险性。

∙疲劳极限的测量：

疲劳试验测定疲劳极限，给试样施加不同大小的循环力F，测量在不同交变应力σ作用下，试样断裂时循环力作用的次数N，并画出疲劳曲线（σ-N曲线）

     σ-1——疲劳极限，表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值

     疲劳极根的实际确定方法：

钢铁材料N取107次时，所对应的交变应力；有色金属N取108次时，所对应的交变应力

疲劳试验原理示意图                   疲劳曲线

力学性能小结

力学

性能

性能判据

含义

名称

符号

强度

抗拉强度

σb

试样拉断前所能承受的最大应力

屈服点

σs

拉伸试验产生屈服现象时的应力，试样产生明显塑性变形

规定残余延伸强度

σr0.2

规定残余伸长率为0.2%时的应力

塑性

断面收缩率

ψ

试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比

断后伸长率

δ

断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率

硬度

布氏硬度

HBS（HBW）

球形压痕单位面积上承受的平均压力

洛氏硬度

HRA、HRB、HRC

用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值

维氏硬度

HV

正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力

韧性

冲击吸收功

AK

试样冲断所吸收的能量

疲劳

疲劳极限

σ-1

试样受无数次循环应力作用仍不破断的最大应力

材料的物理性能与化学性能

  1、物理性能

物理性能是指材料固有的属性，金属的物理性能包括密度、熔点、电性能、热性能、磁性能等。

（1）密度：

密度是指在一定温度下单位体积物质的质量，密度表达式如下：

ρ=m/V

式中ρ——物质的密度（g/cm3）；

m——物质的质量（g）；

V——物质的体积（cm3）。

常用材料的密度（20℃）

材料

铅

铜

铁

钛

铝

锡

钨

塑料

玻璃钢

碳纤维复合材料

密度/[g/cm3]

11.3

8.9

7.8

4.5

2.7

7.28

19.3

0.9~2.2

2.0

1.1~1.6

密度意义：

密度的大小很大程度上决定了工件的自重，对于要求质轻的工件宜采用密度较小的材料（如铝、钛、塑料、复合材料等）；工程上对零件或计算毛坯的质量也要利用密度。

（2）熔点：

是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。

常用材料的熔点

材料

钨

钼

钛

铁

铜

铝

铅

铋

锡

铸铁

碳钢

铝合金

熔点/℃

3380

2630

1677

1538

1083

660.1

327

271.3

231.9

1279~1148

1450~1500

447~575

熔点意义：

金属的熔点是热加工的重要工艺参数；对选材有影响，不同熔点的金属具有不同的应用场合：

高的熔点金属（如钨、钼等）可用于制造耐高温的零件（如火箭、导弹、燃气轮机零件，电火花加工、焊接电极等），低的熔点金属（如铅、铋、锡等）可用于制造熔丝、焊接钎料等。

（3）电阻率：

电阻率用ρ表示，电阻率是单位长度、单位截面积的电阻值，其单位为Ω.m。

电阻率的意义：

是设计导电材料和绝缘材料的主要依据。

材料的电阻率ρ越小，导电性能越好。

金属中银的导电性最好、铜与铝次之。

通常金属的纯度越高，其导电性越好，合金的导电性比纯金属差，高分子材料和陶瓷一般都是绝缘体。

导电器材常选用导电性良好的材料，以减少损耗；而加热元件、电阻丝则选用导电性差的材料制作，以提高功率。

（4）导热率：

导热率用导热率λ表示，其含义是在单位厚度金属，温差为1℃时，每秒钟从单位断面通过的热量。

单位为w/（m．Ｋ）。

常用金属的热导率

材料

银

铜

铝

铁

灰铸铁

碳钢

热导率/[W/（m．Ｋ）]

419

393

222

75

~63

67（100℃）

金属具有良好的导热性，尤其是银、铜、铝的导热性很好；一般纯金属具有良好的导热性，合金的成分越复杂，其导热性越差。

导热率的意义：

是传热设备和元件应考虑的主要性能，对热加工工艺性能也有影响。

散热器等传热元件应采用导热性好的材料制造；保温器材应采用导热性差的材料制造。

热加工工艺与导热性有密切关系，在热处理、铸造、锻造、焊接过程中，若材料的导热性差，则会使工件内外产生大的温差而出现较大的内应力，导致工件变形或开裂。

采用缓慢加热和冷却的方法可使零件内外温度均匀，防止变形和开裂。

（5）热膨胀性（线膨胀系数）：

材料随温度的改变而出现体积变化的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数α来表示，其含义是温度上升1℃时，单位长度的伸长量，单位为1/℃。

常用金属的线膨胀系数/[×10-61/℃]

材料

铝

铅

锡

铜

铁

钛

碳钢

黄铜

青铜

铸铁

线膨胀系数/[×10-61/℃]

23.6

29.3

23.0

17.0

11.76

8.2

10.6~13

17.8~20.9

17.6~18.2

8.7~11.6

陶瓷的热膨胀性小，金属次之，高分子材料最大。

线膨胀系数的意义：

影响工件的精度，精密量具、零件、仪表、机器等，应选用线膨胀系数小的材料，以避免在不同的温度下使用影响其精度；机械加工和装配中也应考虑材料的热膨胀性,以保证构件尺寸的准确性。

（6）磁性

   非铁磁性物质：

不能被磁铁所吸引，即不能被磁化，如Al、Cu等。

可用于制作要求避免电磁场干扰的零件和结构件。

   铁磁性物质：

可以被磁铁吸引，即能补磁化，如Fe、Ni、Co等。

可用于制造变压器的铁芯、发电机的转子等；

∙表示磁性的物理量：

   ①导磁率μ（μ=B/H）：

表示铁磁材料磁化曲线上某一点的磁化强度B与外磁场强度H的比值；

   ②磁饱和强度B1：

表示材料能达到的最大磁化强度；

   ③剩磁Br：

表示外磁场退为零时，材料的剩余磁感应强度；

   ④矫顽力HC：

表示要使磁感应强度降为零时，必须加反方向的磁场HC。

∙软磁材料：

指易于磁化并可反复磁化的材料，但当外磁场去除后磁性随之消失。

∙硬磁材料：

硬磁材料经磁化后，当外磁场去除后仍保留磁性，并具有高的剩磁和矫顽力。

  2、化学性能

∙耐腐蚀性：

金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。

材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）Ka（mm/年）表示。

金属的腐蚀既造成表面金属光泽的缺失和材料的损失，也造成一些隐蔽性和突发性的事故。

金属材料中铬镍不锈钢可以耐含氧酸的腐蚀；而耐候钢、铜及铜合金、铝及铝合金能耐大气的腐蚀；合成高分子材料和陶瓷材料一般都具有良好的耐腐蚀性。

对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种：

一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀。

化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应。

电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。

提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如均匀化处理、表面处理等都可以提高材料的耐腐蚀性。

∙高温抗氧化性：

在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金属的损耗和浪费，因此高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力。

如各种加热炉、锅炉等，要选用抗氧化性良好的材料。

材料中的耐热钢、高温合金、钛合金、陶瓷材料等都具有好的高温抗氧化性。

提高高温抗氧化性的措施是：

使材料在迅速氧化后能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化。

材料的工艺性能 

   材料的工艺性能是指在加工过程中对不同加工方法的适应性，材料工艺性能的好坏影响到加工的难易程度，从而影响到零件加工后的质量、生产效率和加工成本。

金属的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。

  1、铸造性能

铸造是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。

铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。

金属的铸造性能是指铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，即金属获得优质铸件的能力。

铸造性能通常用金属液的流动性、收缩率等表示。

∙流动性是指金属液本身的流动能力，流动性的好坏影响到金属液的充型能力。

流动性好的金属，浇注时金属液容易充满铸型的型腔，能获得轮廓清晰、尺寸精确、薄而形状复杂的铸件；还有利于金属液中夹杂物和气体的上浮排除。

相反，金属的流动性差，则铸件易出现冷隔、浇不到、气孔、夹渣等缺陷。

金属的流动性与合金的种类与化学成分有关，常用铸造合金中，灰铸铁的流动性较好，而铸钢的流动性较差。

流动性还与金属铸造时工艺条件有关，提高浇注温度可改善金属的流动性。

∙收缩率是铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积和尺寸的缩减。

收缩会使铸件产生缩孔、缩松、内应力，甚至变形、开裂等铸造缺陷。

影响收缩率的因素主要有合金的种类和成分以及铸造工艺条件，表1-9为常用铸造合金的线收缩率。

常用金属中灰铸铁与锡青铜的收缩率较小，而铸钢和黄铜具有较大的收缩率。

常用铸造合金的线收缩率（%）

合金种类

灰铸铁

球墨铸铁

铸钢

铝硅合金

普通黄铜

锡青铜

自由收缩

0.7~1.0

1.0

1.6~2.3

1.0~1.2

1.8~2.0

1.4

受阻收缩

0.5~0.9

0.8

1.3~2.0

0.8~1.0

1.5~1.7

1.2

2、压力加工性能

利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法称压力加工。

压力加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。

金属在压力加工时塑性成形的难易程度称为压力加工性能。

∙塑性与变形抗力：

金属的压力加工性能主要决定于塑性和变形抗力。

塑性越好，变形抗力越小，金属的压力加工性能就越好。

低的塑性变形抗力使设备耗能少，优良的塑性使产品获得准确的外形而不遭破裂。

一般纯金属的压力加工性能良好，含合金元素和杂质愈多,压力加工性能愈差。

低碳钢的压力加工性能优于高碳钢，而铸铁则不能进行压力