金属材料的性能

金属材料的性能一、金属材料的力学性能任何机械零件工作时都会受到外力的作用，如行车吊运重物，钢丝绳会受到重物拉力的作用；柴油机连杆会受到拉力、压力、甚至交变外力和冲击力的作用等。在这些外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗的能力称力学性能。按作用形式不同，外力常分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。材料的力学性能也分为强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1．强度和塑性强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。强度用应力表示，其符号为，单位为MPa，1MPa=1N/mm2。常用来衡量金属材料强度的指标有屈服点（s）和抗拉强度（b）等。金属材料的屈服点和抗拉强度是通过把材料做成标准试样，在材料试验机上进行拉伸试验测得的。常用的拉伸试样如图4-1所示。图中l0为试样的标距长度，d0为试样截面的直径。按国家标准规第四章金属材料与热处理定，试样可以分为长试样和短试样两种，长试样l0=10d0，而短试样l0=5d0。试验时，随着拉力的缓慢增加，试样的长度也逐渐增长，即产生变形。在整个试验中，把拉力与试样的相应变形，画在以伸长量l为横坐标、拉力F为纵坐标的图上，所连成的曲线即为力—变形曲线，如图4-2所示。图4-l拉仲试样 图4-2低碳钢力—变形曲线图a）拉伸前b）拉伸后由图4-2可知，在开始的Oe阶段，试样在拉力作用下均匀伸长，伸长量与拉力保持正比关系。这时若去掉拉力，试样将恢复原状，此时材料处于弹性变形阶段，弹性变形在e点处达到最大极限。因此，在e点处试样所承受的拉力与试样横截面积之比称为弹性极限，用e表示。当超过e点后，材料除弹性变形外，开始产生塑性变形，拉力与伸长量之间的正比关系不再保持。当拉力增大到Fs时，即使拉力不再增加，材料仍会继续伸长一定距离，这种现象称为“屈服”。在s点处，试样承受的拉力与试样原始横截面积之比称为屈服点，用s表示s=Fs/A0式中Fsr——试样屈服时的拉力（N）；A0——试样原始截面积（mm2）。有些金属材料的力—变形曲线，没有明显的屈服阶段，对这些材料，国家标准规定以其产生塑性变形为试样标距长度0.2％时的应力值作为名义屈服点，称为材料的屈服强度，用0.2表示。屈服现象过后，变形又随拉力的增加而逐渐增大，整个试样发生均匀而显著的伸长。当拉力达到Fb后，在试样标距长度内出现局部直径明显变细，即产生“缩颈”现象。此时，拉力开始降低，变形集中在“缩颈”处产生，试样在k处断裂。其中b点是曲线上的最高点，也是发生断裂的最大拉力。所以，在b点处，试样承受的拉力与试样原始横截面积之比，称为抗拉强度，用b表示b=Fb/A0式中Fb——试样拉断前的最大拉力（N）；A0——试样原始截面积（mm2）。屈服点和抗拉强度是金属材料力学性能的重要指标，是一般零件设计、选材的重要依据。塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。衡量金属材料塑性的指标有断后伸长率（）和断面收缩率（）。断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与标距原始长度的比值，用百分率表示=[（l1-l0）l0]×100%式中l1——试样拉断后标距长度（mm）；l0——试样原始标距长度（mm）。断面收缩率是指试样拉断后断面面积的收缩量与试样原始截面积的比值，用百分率表示=[（A0-A1）/A0]×100%式中A0——试样原始截面积（mm2）；A1——拉断后试样断口截面积（mm2）。塑性也是金属材料力学性能的一个重要指标，它会影响零件的加工方法：如塑性良好的低碳钢材料，可进行压力加工；而铸铁塑性较差，就不能采用这种加工方法。2．硬度硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力，它也是材料力学性能的重要指标之一。常用的硬度指标有：布氏硬度(HBS)和洛氏硬度(HRC)等。（1）布氏硬度布氏硬度的试验原理是采用一定直径的淬火钢球（硬质合金球）压头，施以一规定的压力下，使钢球压入被测金属表面并留下压痕，载荷F与压痕表面积之比称布氏硬度，用HBS（W）表示HBS（W）＝0.102F式中F——试验的载荷(压力)（N）；A——压痕面积（mm2）。由于布氏硬度测得的压痕面积较大，故准确度较高。采用HBS时，被测材料的硬度不能大于450HBS。布氏硬度常用来测量退火、正火后的钢制零件及铸铁和非铁金属零件等。根据经验，布氏硬度与抗拉强度之间有一定的近似关系。对于低碳钢：b≈0.36HBS；对于高碳钢：b≈0.34HBS；对于合金调质钢：b≈0.325HBS。（2）洛氏硬度洛氏硬度试验是用一个顶角为120°的金刚石圆锥压头，在一定载荷下压入被测零件表面，以压入深度来确定硬度值。压痕愈深，硬度愈低；反之，硬度愈高。实际测定时，金属材料的硬度值可直接从洛氏硬度计的刻度盘上读出。由于洛氏硬度的测量方法简便、迅速、经济，同时又能间接反映强度的大小，所以在零件的技术要求中常标注洛氏硬度要求。洛氏硬度常用来测定淬火钢和工具、模具等零件。布氏硬度与洛氏硬度是可以换算的。在常用范围内，布氏硬度值近似等于洛氏硬度值的10倍。3．冲击韧度有些机器零件和工具在工作时要受到冲击作用，如蒸汽锤的锤杆、柴油机的曲轴、冲床的冲头等。由于瞬时的外力冲击作用所引起的变形和应力比静载荷时大得多，因此，凡承受冲击载荷的零件，要求材料应具有抵抗冲击载荷而不破坏的能力，这就是冲击韧度。冲击韧度ak是衡量金肩韧性的常用指标之一。ak值大，表示韧性好，ak值小，表示脆性大。4．疲劳机器中许多零件；如拖拉机曲轴、齿轮、弹簧等，是在交变载荷作用下工作的。在这种受力状态下工作的零件，断裂时的应力远低于该材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度，这种现象称为金属的疲劳。机器零件在使用过程中，不允许金属产生疲劳破坏，因此在交变载荷作用下工作的零件，必须保证在无数次交变载荷（钢常以107为基数）作用下仍不会断裂，这时的最大应力值称疲劳强度，用-1表示。一般常用粗略的近似关系-1≈（0.4~0.6）b计算材料的疲劳强度。提高材料的疲劳强度，可通过改善零件的结构形状、避免应力集中、进行表面热处理等措施来实现。二、金属的物理、化学及工艺性能1．物理性能金属材料的物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。由于机器零件的用途不同，对于其物理性能的要求也有所不同，例如飞机零件要选用密度小的铝合金来制造；又如在制造电器零件时，常要考虑金属材料的导电性等。金属材料的一些物理性能对于工艺性能还有一定的影响。例如高速钢的导热性较差，在锻造时就应该用很低的速度来进行加热，否则会产生裂纹。又如车削铜棒时，测量其长度时要适当放长些，因切削热使铜棒受热而伸长了。2．化学性能金属材料的化学性能是指金属材料在化学作用下所表现的性能，它包括耐腐蚀性和抗氧化性。耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗周围介质(如大气、燃气、油、水、酸、碱、盐等)腐蚀的能力。抗氧化性是指金属在高温下对氧化的抵抗能力。工业用的锅炉、加热设备、汽轮机等，有许多零件在高温下工作，制造这些零件的材料，就要求具有良好的抗氧化性。3．工艺性能工艺性能是指金属材料是否易于加工成形的性能，包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。铸造性是指能否将金属材料用铸造方法制成优良铸件的性能，包括金属材料的液态流动性，冷却时的收缩性和偏析倾向等。可锻性是指能否用锻压的方法将金属材料加工成优良工件的性能。可锻性一般与材料的塑