金屬材料知識大全

1、概述金屬材料是指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、金屬材料金屬何化合物和特種金屬材料等。（注：金 屬氧化物（如氧化鋁）不屬于金屬材料）1 .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?，F(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)。2 .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。（1）黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵 90犯上的工業(yè)Z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、不銹鋼、精密合金

2、等。廣義的黑色金屬還包括銘、鈕及其合金。（2）有色金屬是指除鐵、銘、鈕以外的所有金屬及其合金，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。（3）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、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及 金屬基復(fù)合材料等。3 .性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。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

3、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)、

4、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。金屬材料特質(zhì)1.疲勞許多機(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(diǎn)是：(1)載荷應(yīng)力是交變的；(2)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

5、)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。高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10000100000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，

6、在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下， 出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落或表面壓碎剝落，從而造成機(jī)件失效破壞。2 .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

7、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。止匕外，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)。3 .耐久性建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)：（1）均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚 度減損值作為腐蝕性能的指標(biāo)（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。（2）孔蝕。金屬腐蝕呈點(diǎn)狀并形成深坑?？孜g的產(chǎn)生與金屬的本性及其所 處介質(zhì)有關(guān)。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕。孔蝕常用最大孔深作為評定指 標(biāo)。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。（3）電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的

8、腐蝕。（4）縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位問 介質(zhì)的組分和濃度的差異所引起的局部腐蝕。（5）應(yīng)力腐蝕。在腐蝕介質(zhì)和較高拉應(yīng)力共同作用下，金屬表面產(chǎn)生腐蝕 并向內(nèi)擴(kuò)展成微裂紋，常導(dǎo)致突然破斷。混凝土中的高強(qiáng)度鋼筋（鋼絲）可能 發(fā)生這種破壞。4.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、洛氏硬度 和維氏硬度。布氏硬度（HB :以一定的載荷（一般3000kg）把一定大?。ㄖ睆揭话銥?10mm的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積 之比值，即為布氏硬度值（HB）,

9、單位為公斤力/mm2 （N/mm2>洛氏硬度（HR :當(dāng)HB>450者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改 用洛氏硬度計量。它是用一個頂角 120。的金剛石圓錐體或直徑為1.59、 3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬 度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗(yàn)壓力組成幾種不同 的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。常用的洛氏硬度標(biāo)尺是 A,B,C三種（HRA HRB HRC。其中C標(biāo)尺應(yīng)用最為廣泛HRA是采用60kg載荷鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料 （如硬質(zhì)合金等）。HRB是采用100kg

10、載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬 度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。HRC是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）維氏硬度（HV :以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓 入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值 （HV）0硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡單易行的一種試驗(yàn)方法。為了能用硬度 試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn)，生產(chǎn)上需要一個比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān) 系。實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的 相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定

11、的，材 料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。金屬材料的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。1 .機(jī)械性能（一）應(yīng)力的概念，物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用 引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力，在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi) 應(yīng)力（例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力）。（二）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）。金屬材料承受 的載荷有多種形式，它可以是靜態(tài)載荷，也可以是動態(tài)

12、載荷，包括單獨(dú)或同時 承受的拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及摩擦、振動、 沖擊等等，因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)：1.1. 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（b）、抗彎強(qiáng)度極限（0- bb）、抗壓強(qiáng)度極限（0- bc）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(yàn)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試 樣斷裂，測定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有：（1）強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應(yīng)力，一般指拉力作 用下的抗拉強(qiáng)度極限，以b表示，如拉伸試驗(yàn)曲線圖中最

13、高點(diǎn) b對應(yīng)的強(qiáng)度 極限，常用單位為兆帕（MPa ,換算關(guān)系有：1MPa=1N/m2=（9.8）-1kgf/mm2或 1kgf/mm2=9.8MPa（2）屈服強(qiáng)度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖 然應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材 料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形。 產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限，用s表示，相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中 的S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)， 而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點(diǎn)，從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服 極限。因此，在拉伸試驗(yàn)方法中，通常規(guī)

14、定試樣上的標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為條件屈服極限，用60.2表示。屈服極限指標(biāo)可用于要求零件 在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比（即6s/ （7 b）要小，以提高其安全可靠性，不過此時材料的利用率也較 低了。（3）彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù) 原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力即為彈性極限，相 應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn)，以re表示，單位為兆帕（MPa : （T e=Pe/Fo 式中Pe為保持彈性時的最大外力（或者說材料最大彈性變形時的載荷）。（4）彈性模數(shù)：這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力b

15、與應(yīng)變6 （與應(yīng)力相 對應(yīng)的單位變形量）之比，用 E表示，單位兆帕（MPa : E=（t/ 6=tg a式中a 為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性 的指標(biāo)（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。1.2. 塑性金屬材料在外力作用下產(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(yàn)時的試樣標(biāo)距長度延伸率6 （ 為和試樣斷面收縮率也（為延伸率 6 =（L1-L0）/L0x100% ,這是拉伸試驗(yàn)時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的 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。在實(shí)際試驗(yàn)時, 同一材料但是不同規(guī)格（直徑、截面形狀-例如方形

16、、圓形、矩形以及標(biāo)距長度） 的拉伸試樣測得的延伸率會有不同，因此一般需要特別加注，例如最常用的圓 截面試樣，其初始標(biāo)距長度為試樣直徑 5倍時測得的延伸率表示為6 5,而初始 標(biāo)距長度為試樣直徑10倍時測得的延伸率則表示為6 10。斷面收縮率巾=（F0- F1）/F0x100% ,這是拉伸試驗(yàn)時試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實(shí)用中對于最常用的圓截面試樣通常 可通過直徑測量進(jìn)行計算：巾=1-（D1/D0）2x100% ,式中：D0-試樣原直徑； D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑。6與巾值越大，表明材料的塑性越好。1.3. 韌性金屬材料在沖擊載荷作

17、用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用沖擊試驗(yàn)， 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(yàn)機(jī)上承受沖擊載荷而折 斷時，斷口上單位橫截面積上所消耗的沖擊功表征材料的韌性：a k=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（7s）,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6s甚至大于6b的應(yīng)力（應(yīng)力集中），使該局部發(fā)生塑性變形 或微裂紋

18、，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(shí)際截面積減小，直至局部應(yīng)力大于 crb而產(chǎn)生斷裂。在實(shí)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（7-1表示，單位MPa除了上述五種最常用的力學(xué)性能指標(biāo)外，對一些要求 特別嚴(yán)格的材料，例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用的金屬材料，還會要 求下述一些力學(xué)性能指標(biāo)：蠕變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時間緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。通

19、常采用高溫拉伸蠕變試驗(yàn)，即在恒 定溫度和恒定拉伸載荷下，試樣在規(guī)定時間內(nèi)的蠕變伸長率（總伸長或殘余伸 長）或者在蠕變伸長速度相對恒定的階段，蠕變速度不超過某規(guī)定值時的最大 應(yīng)力，作為蠕變極限，以表示，單位 MPa式中為試馬持續(xù)時間，t為溫度， 占為伸長率，6為應(yīng)力；或者以表示，V為蠕變速度。高溫拉伸持久強(qiáng)度極限：試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷作用下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間而不斷裂的最大 應(yīng)力，以表示，單位MPa式中為才I續(xù)時間，t為溫度，為應(yīng)力。金屬缺口 敏感性系數(shù)：以Kp表示在持續(xù)時間相同（高溫拉伸持久試驗(yàn)）時，有缺口的試 樣與無缺口的光滑試樣的應(yīng)力之比：式中為試驗(yàn)持續(xù)時間，為缺口試樣的應(yīng) 力，為

20、光滑試樣的應(yīng)力。或者用：表示，即在相同的應(yīng)力作用下，缺口試樣 持續(xù)時間與光滑試樣持續(xù)時間之比。抗熱性：在高溫下材料對機(jī)械載荷的抗力。2 .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(shí)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，這是特別指金屬在高溫 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、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。3 .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(shí)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(diǎn)是考慮金屬的比強(qiáng)度（強(qiáng)度（7 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(diǎn)：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