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金属材料性能的基础知识

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金属材料性能的基础知识

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的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）应力的概念

物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…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，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，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的拉伸应力、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的指标主要有以下几项：

1.强度

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的zui大能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，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的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：

（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的zui大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中zui高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m²=（9.8）^-1Kgf/mm²或1Kgf/mm²=9.8MPa σb=Pb/Fo
式中：Pb–至材料断裂时的zui大应力（或者说是试样能承受的zui大载荷）；Fo–拉伸试样原来的横截面积。

（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极*，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，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的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。

金属材料的拉伸试验曲线

σs=Ps/Fo 单位：兆帕（MPa）式中：Ps–达到屈服点S处的外力（或者说材料发生屈服时的载荷）。

对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用σ0.2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的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即σs /σb）要小，以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。

（3）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的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的zui大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo 式中Pe为保持弹性时的zui大外力（或者说材料zui大弹性变形时的载荷）。

（4）弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα 式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。

弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

2.塑性

金属材料在外力作用下产生*变形而不破坏的zui大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ（%）和试样断面收缩率ψ（%）表示：

延伸率δ=[（L1-L0）/L0]x100%，这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0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）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如zui常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5，而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。

断面收缩率ψ=[（F0-F1）/F0]x100%，这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口*处zui小截面积F1之差（断面缩减量）与F0之比。实用中对于zui常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：ψ=[1-（D1/D0）²]x100%，式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口*处zui小直径。

δ与ψ值越大，表明材料的塑性越好。

3.硬度

金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。因此，硬度与强度有着一定的关系。根据硬度的测定方法，主要可以分为：

（1）布氏硬度（代号HB）

用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的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F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F。在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D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，表示的布氏硬度值越小）。

布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：σb≈KHB，K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34，对于调质合金钢有K≈0.325，…等等。

（2）洛氏硬度（HR）
用有一定顶角（例如120°）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P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的压痕。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，表示的洛氏硬度值越小）。根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为zui常用。
洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间有如下换算关系：HRC≈0.1HB。

除了zui常用的洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之外，还有维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、显微硬度以及里氏硬度（HL）。

这里特别要说明一下关于里氏硬度，这是目前颖的硬度表征方法，利用里氏硬度计进行测量，其检测原理是：
里氏硬度计的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，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的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：HL=（Vr/Vi）·1000
式中：HL-里氏硬度值；Vr-冲头反弹速度；Vi-冲头冲击速度（注：实际应用装置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。

台式硬度计
（照片来源：时代集团）

冲击装置的构造主要有内置弹簧（加载套管，不同型号的冲击装置有不同的冲击能量）、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*硬度的球形（不同型号的冲击装置其冲头直径有不同）。

里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算，然后在屏幕上直接显示出里氏硬度值，并且可以换算为常用的布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度值，还可折算出材料的抗拉强度σb，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的数据处理。

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、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其zui大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。

时代集团里氏硬度计

4.韧性

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的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的冲击功表征材料的韧性：
αk=Ak/F 单位J/cm²或Kg•m/cm²，1 Kg•m/cm²=9.8 J/cm²

αk称作金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，F为断口的原始截面积。

5.疲劳强度极限

金属材料在长期的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σs），未经显著变形就发生断裂的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的局部造成大于σs甚至大于σb的应力（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的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹处应力集中）导致该局部处承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于σb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，在规定的周期数内（一般对钢取10⁶~10⁷次，对有色金属取10⁸次）不发生断裂所能承受的zui大应力作为疲劳强度极限，用σ-1表示，单位MPa。

除了上述五种zui常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料，例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料，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的现象称为蠕变。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，试样在规定时间内的蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段，蠕变速度不超过某规定值时的zui大应力，作为蠕变极限，以表示，单位MPa，式中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力；或者以表示，V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，达到规定的持续时间而不断裂的zui大应力，以表示，单位MPa，式中τ为持续时间，t为温度，σ为应力。

金属缺口敏感性系数：以Kτ表示在持续时间相同（高温拉伸持久试验）时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比：式中τ为试验持续时间，为缺口试样的应力，为光滑试样的应力。

或者用：表示，即在相同的应力σ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的抗力。

二.化学性能

金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、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的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的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。

三.物理性能

金属的物理性能主要考虑：

（1）密度（比重）：ρ=P/V 单位克/立方厘米或吨/立方米，式中P为重量，V为体积。

在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外，很重要的一点是考虑金属的比强度（强度σb与密度ρ之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度ρ与声速C的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。

（2）熔点：

金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。

（3）热膨胀性

随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化1℃时，材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。

热膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容（材料受温度等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减，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、热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

（4）磁性

能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，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。

（5）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的适应性称为工艺性能，主要有以下四个方面：

（1）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的难易程度。

（2）可锻性：反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。

（3）可铸性：反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。

（4）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的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、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的相关性、对机械性能的影响等。

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