金屬材料知識大全

1、概述金屬材料就是指金屬元素或以金屬元素為主構成得具有金屬特性得材料得統(tǒng) 稱.包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物與特種金屬材料等.注：金屬氧化物如氧化鋁不屬于金屬材料1、意義人類文明得開展與社會得進步同金屬材料關系十分密切.繼石器時代之后出 現得銅器時代、鐵器時代,均以金屬材料得應用為其時代得顯著標志.現代,種 類繁多得金屬材料已成為人類社會開展得重要物質根底.2、種類金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬與特種金屬材料.1黑色金屬又稱鋼鐵材料,包括含鐵 90%以上得工業(yè)純鐵,含碳2% 4%得鑄鐵,含碳小于2 %得碳鋼,以及各種用途得結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、 高溫合金、不銹鋼、精密合金等.廣義得

2、黑色金屬還包括銘、鈕及其合金.2有色金屬就是指除鐵、銘、鈕以外得所有金屬及其合金 ,通常分為輕金 屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬與稀土金屬等.有色合金得強度與硬 度一般比純金屬高,并且電阻大、電阻溫度系數小.3特種金屬材料包括不同用途得結構金屬材料與功能金屬材料.其中有通 過快速冷凝工藝獲得得非晶態(tài)金屬材料,以及準晶、微晶、納米晶金屬材料等 ； 還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬 基復合材料等.3、性能一般分為工藝性能與使用性能兩類.所謂工藝性能就是指機械零件在加工制 造過程中,金屬材料在所定得冷、熱加工條件下表現出來得性能.金屬材料工藝 性能得好壞,決

3、定了它在制造過程中加工成形得適應水平.由于加工條件不 同,要求得工藝性能也就不同,如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切 削加工性等.所謂使用性能就是指機械零件在使用條件下,金屬材料表現出來得性能,它 包括力學性能、物理性能、化學性能等.金屬材料使用性能得好壞,決定了它 得使用范圍與使用壽命.在機械制造業(yè)中,一般機械零件都就是在常溫、常壓與 非常強烈腐蝕性介質中使用得,且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷 得作用.金屬材料在載荷作用下反抗破壞得性能,稱為力學性能過去也稱為機械性能.金屬材料得力學性能就是零件得設計與選材時得主要依據.外加載荷 性質不同例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環(huán)載荷

4、等,對金屬材料要求得 力學性能也將不同.常用得力學性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多 次沖擊抗力與疲勞極限等.金屬材料特質1、疲勞許多機械零件與工程構件,就是承受交變載荷工作得.在交變載荷得作用下, 雖然應力水平低于材料得屈服極限,但經過長時間得應力反復循環(huán)作用以后,也會發(fā)生忽然脆性斷裂,這種現象叫做金屬材料得疲勞.金屬材料疲勞斷裂得特點 就是：(1)載荷應力就是交變得；(2)載荷得作用時間較長；(3)斷裂就是瞬時發(fā)生得；(4 )無論就是塑性材料還就是脆性材料,在疲勞斷裂區(qū)都就是脆性得.所以 , 疲勞斷裂就是工程上最常見、最危險得斷裂形式.金屬材料得疲勞現象,按條件不同可分為以下幾種：(

5、1 )高周疲勞：指在低應力(工作應力低于材料得屈服極限,甚至低于彈性 極限)條件下,應力循環(huán)周數在100 00 0以上得疲勞.它就是最常見得一種 疲勞破壞.高周疲勞一般簡稱為疲勞.(2)低周疲勞：指在高應力(工作應力接近材料得屈服極限)或高應變條件 下,應力循環(huán)周數在1000 010000 0以下得疲勞.由于交變得塑性應變在這 種疲勞破壞中起主要作用,因而,也稱為塑性疲勞或應變疲勞.(3)熱疲勞：指由于溫度變化所產生得熱應力得反復作用,所造成得疲勞破 壞.(4)腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷與腐蝕介質(如酸、堿、海水、活性 氣體等)得共同作用下,所產生得疲勞破壞.(5)接觸疲勞：這就是指機器零

6、件得接觸外表,在接觸應力得反復作用下,出現麻點剝落或外表壓碎剝落,從而造成機件失效破壞.2、塑性塑性就是指金屬材料在載荷外力得作用下,產生永久變形(塑性變形)而不被 破壞得水平.金屬材料在受到拉伸時,長度與橫截面積都要發(fā)生變化,因此,金 屬得塑性可以用長度得伸長(延伸率)與斷面得收縮 (斷面收縮率)兩個指標來 衡量.金屬材料得延伸率與斷面收縮率愈大,表示該材料得塑性愈好,即材料能承 受較大得塑性變形而不破壞.一般把延伸率大于百分之五得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得金屬材料稱為脆性材料(如灰口 鑄鐵等).塑性好得材料,它能在較大得宏觀范圍內產生塑性變形,并在塑性變

7、 形得同時使金屬材料因塑性變形而強化,從而提升材料得強度,保證了零件得安 全使用.止匕外,塑性好得材料可以順利地進行某些成型工藝加工,如沖壓、冷彎、冷拔、校直等.因此,選擇金屬材料作機械零件時 ,必須滿足一定得塑性指標.3、耐久性建筑金屬腐蝕得主要形態(tài):1均勻腐蝕.金屬外表得腐蝕使斷面均勻變薄.因此 ,常用年平均得厚 度減損值作為腐蝕性能得指標腐蝕率.鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕.2孔蝕.金屬腐蝕呈點狀并形成深坑.孔蝕得產生與金屬得本性及其所處介 質有關.在含有氯鹽得介質中易發(fā)生孔蝕.孔蝕常用最大孔深作為評定指標.管 道得腐蝕多考慮孔蝕問題.3電偶腐蝕.不同金屬得接觸處,因所具不同電位而產生得腐

8、蝕.4縫隙腐蝕.金屬外表在縫隙或其她隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位間介 質得組分與濃度得差異所引起得局部腐蝕.5應力腐蝕.在腐蝕介質與較高拉應力共同作用下,金屬外表產生腐蝕 并向內擴展成微裂紋,常導致忽然破斷.混凝土中得高強度鋼筋鋼絲可能發(fā) 生這種破壞.4、硬度硬度表示材料反抗硬物體壓入其外表得水平.它就是金屬材料得重要性能指 標之一.一般硬度越高,耐磨性越好.常用得硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度與 維氏硬度.布氏硬度HB:以一定得載荷一般3000kg把一定大小直徑一般為 10mnj得淬硬鋼球壓入材料外表,保持一段時間,去載后,負荷與其壓痕面積 之比值,即為布氏硬度值HB,單位為公斤力/mm2 N

9、/mm2.洛氏硬度HR :當HB450或者試卞過小時,不能采用布氏硬度試驗而改用 洛氏硬度計量.它就是用一個頂角 120.得金剛石圓錐體或直徑為1、59、3、 18mmi鋼球,在一定載荷下壓入被測材料外表,由壓痕得深度求出材料得硬 度.根據試驗材料硬度得不同,可采用不同得壓頭與總試驗壓力組成幾種不同得 洛氏硬度標尺,每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明.常用得洛氏硬度標尺就是A,B, C三種HRA HRB HRC其中C標尺應用最為廣 泛.HRA:就是采用6 0kg載荷鉆石錐壓入器求得得硬度,用于硬度極高得材料 如硬質合金等.HRB就是采用10 0 kg載荷與直徑1、58mm?硬得

10、鋼球,求得得硬度,用于 硬度較低得材料如退火鋼、鑄鐵等.HRC :就是采用1 50kg載荷與鉆石錐壓入器求得得硬度,用于硬度很高得材 料如淬火鋼等.維氏硬度HV:以1 20kg以內得載荷與頂角為136得金剛石方形錐壓入 器壓入材料外表,用材料壓痕凹坑得外表積除以載荷值,即為維氏硬度值 H 明.硬度試驗就是機械性能試驗中最簡單易行得一種試驗方法.為了能用硬度 試驗代替某些機械性能試驗,生產上需要一個比擬準確得硬度與強度得換算關 系.實踐證實,金屬材料得各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似得 相應關系.由于硬度值就是由起始塑性變形抗力與繼續(xù)塑性變形抗力決定得, 材料得強度越高,塑性變形抗力越

11、高,硬度值也就越高.金屬材料得性能金屬材料得性能決定著材料得適用范圍及應用得合理性.金屬材料得性能主 要分為四個方面,即：機械性能、化學性能、物理性能、工藝性能.1、機械性能一應力得概念,物體內部單位截面積上承受得力稱為應力.由外力作用 引起得應力稱為工作應力,在無外力作用條件下平衡于物體內部得應力稱為內應 力例如組織應力、熱應力、加工過程結束后留存下來得剩余應力.二機械性能,金屬在一定溫度條件下承受外力 載荷作用時,反抗變形與 斷裂得水平稱為金屬材料得機械性能也稱為力學性能 .金屬材料承受得載荷 有多種形式,它可以就是靜態(tài)載荷,也可以就是動態(tài)載荷,包括單獨或同時承受 得拉伸應力、壓應力、彎曲

12、應力、剪切應力、扭轉應力,以及摩擦、振動、沖擊等等,因此衡量金屬材料機械性能得指標主要有以下幾項：1、1、強度這就是表征材料在外力作用下反抗變形與破壞得最大水平,可分為抗拉強度極 限rb、抗彎強度極限rbb、抗壓強度極限rbc等.由于金屬材料在外 力作用下從變形到破壞有一定得規(guī)律可循,因而通常采用拉伸試驗進行測定,即把金屬材料制成一定規(guī)格得試樣,在拉伸試驗機上進行拉伸,直至試樣斷裂,測 定得強度指標主要有：1 強度極限：材料在外力作用下能反抗斷裂得最大應力,一般指拉力作用下 得抗拉強度極限,以b表示,如拉伸試驗曲線圖中最高點 b對應得強度極限, 常用單位為兆帕MPsj,換算關系有：1MPa4

13、N/m2=9 8-1kg f/mn2或 1kgf /mni =9、8MPk.2屈服強度極限：金屬材料試樣承受得外力超過材料得彈性極限時,雖 然應力不再增加,但就是試樣仍發(fā)生明顯得塑性變形,這種現象稱為屈服,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生明顯得塑性變 形.產生屈服時得應力稱為屈服強度極限,用s表示,相應于拉伸試驗曲線圖 中得S點稱為屈服點.對于塑性高得材料,在拉伸曲線上會出現明顯得屈服 點,而對于低塑性材料那么沒有明顯得屈服點,從而難以根據屈服點得外力求出 屈服極限.因此,在拉伸試驗方法中,通常規(guī)定試樣上得標距長度產生 0、2%塑 性變形時得應力作為條件屈服極限,用6

14、0、2表示.屈服極限指標可用于要求 零件在工作中不產生明顯塑性變形得設計依據.但就是對于一些重要零件還考慮要求屈強比即6s/ 7 b要小,以提升其平安可靠性,不過此時材料得利用 率也較低了.3彈性極限：材料在外力作用下將產生變形,但就是去除外力后仍能恢復 原狀得水平稱為彈性.金屬材料能保持彈性變形得最大應力即為彈性極限,相應于拉伸試驗曲線圖中得c點,以66表示,單位為兆帕MPaj :re=Pe/Fo式中 Pe為保持彈性時得最大外力或者說材料最大彈性變形時得載荷.4彈性模數：這就是材料在彈性極限范圍內得應力6與應變6 與應力 相對應得單位變形量之比,用E表示,單位兆帕MPa :E=/ 6=tg

15、a式中 a為拉伸試驗曲線上o-e線與水平軸o-x得夾角.彈性模數就是反映金屬材 料剛性得指標金屬材料受力時反抗彈性變形得水平稱為剛性.1、2、塑性金屬材料在外力作用下產生永久變形而不破壞得最大水平稱為塑性,通常 以拉伸試驗時得試樣標距長度延伸率6 %內試樣斷面收縮率也延伸率6=L1-L0/L0 X100%,這就是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來 后得標距長度L1與試樣原始標距長度L0之差增長量與L0之比.在實際試 驗時,同一材料但就是不同規(guī)格直徑、截面形狀一例如方形、圓形、矩形以及 標距長度得拉伸試樣測得得延伸率會有不同,因此一般需要特別加注,例如最 常用得圓截面試樣,其初始標距長度為試

16、樣直徑5倍時測得得延伸率表示為6 5 ,而初始標距長度為試樣直徑10倍時測得得延伸率那么表示為6 10.斷面收縮 率巾=F 0-F 1 /F0x100 % ,這就是拉伸試驗時試樣拉斷后原橫截面積 F0 與斷口細頸處最小截面積F1之差斷面縮減量與F0之比.實用中對于最常用 得圓截面試樣通常可通過直徑測量進行計算：巾=1- D1/D0 2 X100%式 中：D0-試樣原直徑；D 1 -試樣拉斷后斷口細頸處最小直徑.6與巾值越大 ,表 明材料得塑性越好.1、3、韌性金屬材料在沖擊載荷作用下反抗破壞得水平稱為韌性.通常采用沖擊試驗, 即用一定尺寸與形狀得金屬試樣在規(guī)定類型得沖擊試驗機上承受沖擊載荷而折

17、 斷時,斷口上單位橫截面積上所消耗得沖擊功表征材料得韌性：ak=Ak /F單位J/cm2或K g - m/cm2,1Kg - m/cm2 = 9、8J/cm 2 a k 稱作金屬材料得沖擊韌 性,Ak為沖擊功,F為斷口得原始截面積.5、疲勞強度極限金屬材料在長期得 反復應力作用或交變應力作用下應力一般均小于屈服極限強度6S,未經顯 著變形就發(fā)生斷裂得現象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂 ,這就是由于多種原因使得零 件外表得局部造成大于7 S甚至大于7 b得應力應力集中,使該局部發(fā)生塑性 變形或微裂紋,隨著反復交變應力作用次數得增加,使裂紋逐漸擴展加深裂 紋尖端處應力集中導致該局部處承受應力得實際截面積減

18、小,直至局部應力大 于7 b而產生斷裂.在實際應用中,一般把試樣在重復或交變應力拉應力、 壓應力、彎曲或扭轉應力等作用下,在規(guī)定得周期數內一般對鋼取1 0610 7次,對有色金屬取108次不發(fā)生斷裂所能承受得最大應力作為疲勞強度極 限,用6一1表示,單位M Pa.除了上述五種最常用得力學性能指標外,對一些 要求特別嚴格得材料,例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用得金屬材料,還會要求下述一些力學性能指標：蠕變極限：在一定溫度與恒定拉伸載荷下,材料 隨時間緩慢產生塑性變形得現象稱為蠕變.通常采用高溫拉伸蠕變試驗,即在恒定溫度與恒定拉伸載荷下,試樣在規(guī)定時間內得蠕變伸長率總伸長或剩余伸 長或者在蠕變伸

19、長速度相對恒定得階段,蠕變速度不超過某規(guī)定值時得最大 應力,作為蠕變極限,以表示,單位MP a,式中為試驗持續(xù)時間,t為溫度, 6為伸長率,6為應力；或者以表示,V為蠕變速度.高溫拉伸持久強度極限： 試樣在恒定溫度與恒定拉伸載荷作用下,到達規(guī)定得持續(xù)時間而不斷裂得最大應 力,以表示,單位MPa式中為才!續(xù)時間,t為溫度,為應力.金屬缺口敏感 性系數：以Kp表示在持續(xù)時間相同高溫拉伸持久試驗時,有缺口得試樣與無 缺口得光滑試樣得應力之比：式中為試驗持續(xù)時間,為缺口試樣得應力,為光滑試樣得應力.或者用：表示,即在相同得應力作用下 ,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

20、械載荷得抗力.2、化學性能金屬與其她物質引起化學反響得特性稱為金屬得化學性能.在實際應用中主 要考慮金屬得抗蝕性、抗氧化性又稱作氧化抗力,這就是特別指金屬在高溫時 對氧化作用得反抗水平或者說穩(wěn)定性,以及不同金屬之間、金屬與非金屬之 間形成得化合物對機械性能得影響等等.在金屬得化學性能中,特別就是抗蝕 性對金屬得腐蝕疲勞損傷有著重大得意義.3、物理性能金屬得物理性能主要考慮：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.在實際應用中,除了根據密度計算金屬零件得重量外,很重要得一點 就是考慮金屬得比強度強度b與密度P之比來幫助選材,以及與無損檢測 相關得聲學檢測中得聲阻抗密度p與聲速C得乘積與射線檢測中密度不同 得物質對射線能量有不同得吸收水平等等.2熔點：金屬由固態(tài)轉變成液態(tài)時得溫度,對金屬材料得熔煉、熱加工 有直接影響,并與材料得高溫性能有很大關系.3熱膨脹性.隨著溫度變化,材料得體積也發(fā)生變化膨脹或收縮得現象 稱為熱膨脹,多用線膨脹系數衡量,亦即溫