金屬材料工程

1、金屬材料工程文章摘要：金屬材料是以金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的 具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬間化 合物和特種金屬材料等。關(guān)鍵詞：金屬材料學(xué)、金屬材料工程、金屬材料性能 金屬材料都包括什么？金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的 統(tǒng)稱。包括純金屬、臺金、金屬間化合物和特種金屬材料等。意義:人類文明的發(fā)展和社會的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。繼 石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、 鐵器時代，均以金屬材料的應(yīng)用 為其時代的顯著標(biāo)志。現(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社 會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。種類：金屬材料通常分為黑色金屬、有 色金屬和特種金屬材料。黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括

2、含鐵 90%以上的工業(yè)純鐵，含碳 2%4%的鑄鐵，含碳小于 2%的 碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫臺金、精 密臺金等。廣義的黑色金屬還包括銘、猛及其合金。有色金屬 是指除鐵、銘、猛以外的所有金屬及其臺金，通常分為輕金屬、 重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的 強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。 特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、而寸磨、 減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復(fù)合材料等。性能:一般分為工藝性能和使

3、用性能兩類。 所謂工藝性能是指機(jī)械零件在加 工制造過程中，金屬材料在所定的冷、 熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞， 決定了它在制造過程中加工成 形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同， 如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所 謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性 能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。在機(jī)械制造業(yè)中， 一般機(jī)械零件都是在常溫、常壓和非常強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用 的，且在使用過程中各機(jī)械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為力

4、學(xué)性能（過去也稱為機(jī)械性能）。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計和選材時的主要 依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán) 載荷等），對金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性 能包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極 限等。金屬材料-發(fā)展人類文明的發(fā)展和社會的進(jìn)步同金屬材料的關(guān)系十分密切。繼石器時代之后，出現(xiàn)銅器時代，隨后是鐵器時代（見冶金史）。19世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁、鈦及其他稀有金屬材料相繼獲得工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用；鋼鐵生產(chǎn)得到進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)50年代以來，新型金屬材料的發(fā)展，更是方興未艾，難以估Mo 1982年世界鋼產(chǎn)量達(dá)到5.7億噸，鋁約140

5、0萬噸，銅約900 萬噸，鈦則已形成11萬噸的生產(chǎn)能力。金屬材料除了作為受力 結(jié)構(gòu)使用之外，有些還具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕以及其他如 磁性、彈性、電學(xué)等特殊功能，是工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類生活的物質(zhì) 基礎(chǔ)。材料、信息、能源被稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，而 材料又是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。 任何新的技術(shù)成就，莫不仰賴于各種相互匹配的新型材料，而新型材料中金屬材料是其重要 的一個方面，例如航空、航天工業(yè)所需的高溫臺金，核工業(yè)的核 燃料、核反應(yīng)堆材料，現(xiàn)代信息技術(shù)使用的硅、錯等半導(dǎo)體材料、 新型磁性材料等。由于這些新技術(shù)的發(fā)展又推動研制新的材料品 種和發(fā)展新的冶金生產(chǎn)工藝和裝備。由此可見，金屬材料的開發(fā)和

6、研究是科學(xué)技術(shù)的一個基本領(lǐng)域。金屬材料-分類金屬材料品種繁多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅新的金屬材料品種 不斷出現(xiàn)，而且傳統(tǒng)的金屬材料，如鋼鐵、銅、鋁等臺金材料品種 也日益增加。鋼鐵材料(1) 按元素分為：鋼鐵材料，如鐵、鋼、碳素鋼、臺金鋼等；有 色金屬材料，如鋁、銅、鐐、貴金屬材料等。(2) 按主要性能和用途分為：金屬結(jié)構(gòu)材料和金屬功能材料，其中 有要求力學(xué)性能為主的材料； 有要求物理性能的材料； 要求物理 化學(xué)性能的材料。按加工制造工藝可分為：鑄造臺金、變形(可 進(jìn)行金屬塑性加工臺金和粉末冶金材料)。(3) 按材料提供使用的形態(tài)可分為：板材、絲材、棒材、帶材 和多孔材料、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料等。此

7、外，還可按金屬的組織狀 態(tài)分為結(jié)晶態(tài)金屬材料和非晶態(tài)金屬材料等。 黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵 90%以上的工業(yè)純鐵，含 碳2%4%的鑄鐵，含碳小于 2%的碳鋼，以及各種用途的結(jié) 構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密臺金等。廣義的黑色金 屬還包括銘、鎰及其臺金。有色金屬：銅 有色金屬是指除鐵、銘、鎰以外的所有金屬及其臺金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。 有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。 特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗

8、氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐 磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復(fù)合材料等。金屬材料-生產(chǎn)工藝金屬材料生產(chǎn)的程序，一般是先提取和冶煉金屬， 然后加工 成各種規(guī)格和性能的產(chǎn)品。 提煉金屬，鋼鐵通常采用火法冶金工 藝，有色金屬兼用火法冶金和濕法冶金工藝，高純金屬以及要求特殊性能的金屬還采用區(qū)域熔煉、真空冶金等工藝進(jìn)一步精煉提 純。金屬材料-疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件， 是承受交變載荷工作的。 在交變 載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限， 但經(jīng)過長時 間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后， 也會發(fā)生突然脆性斷裂， 這種現(xiàn)象 叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的特點是：(1) 載荷應(yīng)力是交變的；(2

9、) 載荷的作用時間較長；(3) 斷裂是瞬時發(fā)生的；(4) 無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：(1) 高周疲勞：指在低應(yīng)力(工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限)條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。局周疲勞一般簡稱為疲勞。(2) 低周疲勞：指在高應(yīng)力(工作應(yīng)力接近材料的屈服極限)或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在 10000-100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。(3) 熱疲勞：指由

10、于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，所 造成的疲勞破壞。(4) 腐蝕疲勞：指機(jī)器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)(如酸、堿、 海水、活性氣體等)的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。(5) 接觸疲勞：這是指機(jī)器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機(jī)件失效破壞。金屬材料-塑性塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形（塑 性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫 截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長度的伸長（延 伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個指標(biāo)來衡量。金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好， 即材料能承受較大的塑性變

11、形而不破壞。一般把延伸率大于百分 之五的金屬材料稱為塑性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小于百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化，從而提高材料的強(qiáng)度，保證了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成 型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材 料作機(jī)械零件時，必須滿足一定的塑性指標(biāo)。金屬材料-硬度硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度 指標(biāo)有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。

12、金屬材料-性能金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性 能、工藝性能。一.機(jī)械性能機(jī)械性能，金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時， 抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能（也稱為力學(xué)性能）。因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項： 1.強(qiáng)度這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強(qiáng)度極限、抗彎強(qiáng)度極限、抗壓強(qiáng)度極限等。由于金屬材料 在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗進(jìn)行測定，即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂，2型性金屬材料在

13、外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標(biāo)距長度延伸率a（%）和試樣斷面收縮率W （ %）延伸率a =（L1-L0）/L0x100% ,這是拉 伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對臺起來后的標(biāo)距長度L1與試樣原始標(biāo)距長度L0之差（增長量）與L0之比。a與p值越大， 表明材料的塑性越好。3. 硬度金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，或者說是材料對局部塑性變形的抵抗能力。因此，硬度與強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。4. 韌性金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用 沖擊試驗，即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規(guī)定類型的沖擊試 驗機(jī)上承受沖擊載荷而折斷時，斷口上

14、單位橫截面積上所消耗的沖擊功表征材料的韌性：ak=Ak/F 單位 J/cm2 或 Kg ?m/cm2, 1Kg ?m/cm2=9.8J/cm2 a k 稱作 金屬材料的沖擊韌性，Ak為沖擊功，F(xiàn)為斷口的原始截面積。5. 疲勞強(qiáng)度極限金屬材料在長期的反復(fù)應(yīng)力作用或交變應(yīng)力作 用下（應(yīng)力一般均小于屈服極限強(qiáng)度。s）,未經(jīng)顯著變形就發(fā)生 斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂，這是由于多種原因使得零件表面的局部造成大于（T s甚至大于（T b的應(yīng)力（應(yīng)力集中），使 該局部發(fā)生塑性變形或微裂紋，隨著反復(fù)交變應(yīng)力作用次數(shù)的增 加，使裂紋逐漸擴(kuò)展加深（裂紋尖端處應(yīng)力集中）導(dǎo)致該局部處 承受應(yīng)力的實際截面積減小，

15、直至局部應(yīng)力大于（T b而產(chǎn)生斷裂。 在實際應(yīng)用中，一般把試樣在重復(fù)或交變應(yīng)力 （拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、 彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等）作用下，在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)（一般對鋼取 106107次，對有色金屬取108次）不發(fā)生斷裂所能承受的最大 應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度極限，用。-1表示，單位MPa。5.疲勞強(qiáng)度一交變載荷交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生低應(yīng)力斷裂 的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。疲勞抗力指標(biāo)：疲勞極限，又稱疲勞強(qiáng)度，用（T -1表示。材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。

16、疲勞斷裂的原因：一般認(rèn)為是，由于材料表面與內(nèi)部的缺陷（夾 雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。隨應(yīng)力 循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展，使零件的有效承載面積逐漸 減小，以致于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。提高材料疲勞抗力的措施：通過合理選材，改善材料的結(jié)構(gòu)形狀， 避免應(yīng)力集中，減小材料和零件的缺陷；提高零件表面光潔度； 對表面進(jìn)行強(qiáng)化，噴丸處理等，可以提高材料的疲勞抗力。金屬材料-化學(xué)性能金屬與其他物質(zhì)引起化學(xué)反應(yīng)的特性稱為金屬的化學(xué)性能。在實際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性（又稱作氧化抗 力，這是特另U指金屬在高溫時對氧化作用的抵抗能力或者說穩(wěn)定 性），以及不同金屬之間、

17、金屬與非金屬之間形成的化合物對機(jī) 械性能的影響等等。在金屬的化學(xué)性能中，特別是抗蝕性對金屬 的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。金屬材料-物理性能金屬的物理性能主要考慮：（1）密度（比重）：p =P/V單位克/立方厘米或噸/立方米，式中 p為重量，V為體積。在實際應(yīng)用中，除了根據(jù)密度計算金屬零 件的重量外，很重要的一點是考慮金屬的比強(qiáng)度（強(qiáng)度° b與密 度P之比)來幫助選材，以及與無損檢測相關(guān)的聲學(xué)檢測中的聲 阻抗(密度P與聲速C的乘積)和射線檢測中密度不同的物質(zhì)對 射線能量有不同的吸收能力等等。(2) 熔點：金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時的溫度，對金屬材料的熔 煉、熱加工有直接影響，并與材料的高

18、溫性能有很大關(guān)系。(3) 熱膨脹性隨著溫度變化，材料的體積也發(fā)生變化(膨脹或 收縮)的現(xiàn)象稱為熱膨脹，多用線膨脹系數(shù)衡量，亦即溫度變化 1C時，材料長度的增減量與其 0C時的長度之比。熱膨脹性與 材料的比熱有關(guān)。在實際應(yīng)用中還要考慮比容 (材料受溫度等外 界影響時，單位重量的材料其容積的增減， 即容積與質(zhì)量之比)， 特別是對于在高溫環(huán)境下工作， 或者在冷、熱交替環(huán)境中工作的 金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影響。(4) 磁性能吸引鐵磁性物體的性質(zhì)即為磁性，它反映在導(dǎo)磁率、 磁滯損耗、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑磁力等參數(shù)上，從而可以把金 屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。(5) 電學(xué)性能主要考慮其電導(dǎo)率，在電磁無損檢測中對其電阻 率和渦流損耗等都有影響。金屬材料-工藝性能金屬對各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性 能，主要有以下四個方面：(1) 切削加工性能：反映用切削工具(例如車削、銃削、刨削、 磨削等)對金屬材料進(jìn)行切削加工的難