1 金屬材料的主要性能

厚德博學(xué)追求卓越1金屬材料的主要性能主要內(nèi)容金屬材料的力學(xué)性能一金屬材料的物理化學(xué)性能二三金屬材料的工藝性能四小結(jié)小結(jié)一、金屬材料的力學(xué)性能武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋

用于制造拉索的金屬材料必須滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求。金屬材料的剛度和強(qiáng)度可通過拉伸試驗(yàn)（得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線）進(jìn)行評(píng)估。1.1

拉伸試驗(yàn)

金屬材料的力學(xué)性能是材料在外力作用下所表現(xiàn)出的性能。

金屬的主要力學(xué)性能有強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。

1.拉伸試驗(yàn)材料在外力作用下會(huì)發(fā)生的幾何形狀和尺寸的變化，稱為變形。材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力的作用方式不同，材料的強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。在使用中一般多以抗拉強(qiáng)度作為基本的強(qiáng)度指標(biāo)，常簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度，其單位為MPa。1.1

拉伸試驗(yàn)

材料的強(qiáng)度、塑性是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228.1-2021）通過靜拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。把一定尺寸和形狀的試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣逐漸施加拉伸載荷，直至把試樣拉斷為止。d。為試樣的原始直徑，L0為為原始標(biāo)距，L為拉伸后標(biāo)距。1.1

拉伸試驗(yàn)

k=5.65的試樣稱為短比例試樣，k=11.3的試樣稱為長(zhǎng)比例試樣。比例試樣的截面有圓形和矩形兩種，其中圓截面試樣用得較多，圓截面試樣有短試樣（L0=5d0）和長(zhǎng)試樣（L0=10d0）。1.1

拉伸試驗(yàn)

一般拉伸試驗(yàn)機(jī)上都帶有自動(dòng)記錄裝置，可繪制出載荷（F）與試樣伸長(zhǎng)量（L-Le）之間的關(guān)系曲線，并據(jù)此可測(cè)定應(yīng)力（R）-延伸率（e）關(guān)系：

R-e曲線也稱為（工程）應(yīng)力應(yīng)變曲線以低碳鋼為例，從應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中可以看到在外加載荷作用下的變形過程可分為四個(gè)階段，即彈性變形、屈服、塑性變形和縮頸斷裂。1.1

拉伸試驗(yàn)

第一階段：Oe段為彈性階段，即去掉外力后，變形立即恢復(fù)，這種不產(chǎn)生永久變形的能力稱為彈性，其延伸率很小。

第二階段：屈服階段，即應(yīng)力不增加而變形繼續(xù)進(jìn)行。此時(shí)若卸載，試樣變形不能完全消失，將保留一部分殘余的變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。

第三階段：塑性變形階段（強(qiáng)化階段），在屈服階段以后，欲使試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)，必須不斷加載，隨著塑性變形增大，試樣變形抗力也逐漸增加。

第四階段：縮頸斷裂階段，當(dāng)載荷達(dá)到最大值m點(diǎn)時(shí)，試樣的直徑發(fā)生局部收縮，稱為頸縮。1.1

拉伸試驗(yàn)

2.彈性和剛度

在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與延伸率成正比，其比值稱為材料的彈性模量E（MPa）。

彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，工程上常把它叫做材料的剛度。

E值越大，則使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也越大，亦即材料的剛度越大，說明材料抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)，越不容易產(chǎn)生彈性變形。

彈性模量E是一個(gè)結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)，即E主要取決于基體金屬的性質(zhì)，如鋼鐵材料是鐵基合金，不論其成分和組織結(jié)構(gòu)如何變化，室溫下E值均在（20～21.4）×104MPa范圍內(nèi)。1.1

拉伸試驗(yàn)

3.屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

在試驗(yàn)過程中，載荷不增加仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)的應(yīng)力，稱為屈服強(qiáng)度，分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。

試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力ReH稱為上屈服強(qiáng)度；在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力ReL稱為下屈服強(qiáng)度。

對(duì)拉伸試驗(yàn)中沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生的材料，可用規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp或者規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr表示。例如，Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力；Rr0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。1.1

拉伸試驗(yàn)

3.屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

m點(diǎn)處應(yīng)力達(dá)到峰值，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Rm稱為材料的抗拉強(qiáng)度。Rm（單位為N/mm2）可用下式計(jì)算：

ReH或ReL或Rp0.2、Rm是機(jī)械零件和構(gòu)件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。

1.1

拉伸試驗(yàn)

4.塑性

塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力，通常用斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z來(lái)表示。斷后伸長(zhǎng)率A斷面收縮率Z

A

或Z

數(shù)值越大，表示材料的塑性愈好。A＜5%脆性材料；A≥5%塑性材料1.2硬度

金屬材料受壓時(shí)抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，即抵抗更硬的外物壓入其內(nèi)的能力，稱為硬度。它是表征材料強(qiáng)度與塑性的一個(gè)綜合判據(jù)。1.布氏硬度（HBW）1.2硬度1.布氏硬度（HBW）

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T231.1-2018）規(guī)定，可根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按下表選定F/D2值，從而確定出

F

值和

D

值。

布氏硬度因壓痕面積較大，其硬度值比較穩(wěn)定，故測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較高；缺點(diǎn)是測(cè)量費(fèi)時(shí)，壓痕面積大，不適合成品零件的測(cè)量。適用范圍：測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度（軟材料）。1.2

硬度2.洛氏硬度洛氏硬度以頂角為120?的金剛石圓錐體或WC合金球作為壓頭，先在預(yù)加載荷的作用下壓入材料表面，再施加主試驗(yàn)力，保持一定時(shí)間，卸除主試驗(yàn)力，測(cè)量殘余壓痕深度來(lái)確定其硬度。1.2硬度2.洛氏硬度

洛氏硬度常用的有三種，分別以HRA、HRBW、HRC來(lái)表示，HRBW與HRC級(jí)較為常用。洛氏硬度測(cè)試簡(jiǎn)單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)是測(cè)量的硬度值代表性差，必須多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)求其平均值，這對(duì)于組織不均勻或存在偏析的材料尤為重要。1.3

沖擊韌性

以很大速度作用于機(jī)件上的載荷稱為沖擊載荷。瞬時(shí)沖擊的破壞作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜載荷的破壞作用，所以在設(shè)計(jì)承受沖擊載荷的零件時(shí)還要考慮抗沖擊載荷的能力。

Ak——沖擊折斷試樣所消耗的沖擊功；

A0——試樣斷口處的原始截面積。

金屬材料斷裂前吸收變形能量的能力稱為韌性，韌性的常用指標(biāo)為沖擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。1.3

沖擊韌性

金屬材料的韌性通常采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定。

在忽略摩擦和阻尼等的條件下，擺錘沖斷試樣所做的功稱為沖擊吸收能量，以K表示。

K值對(duì)材料組織缺陷十分敏感，它能反映出材料的品質(zhì)、宏觀缺陷和纖維組織等方面的變化。對(duì)一般常用鋼材來(lái)說，所測(cè)沖擊吸收能量K越大，材料的韌性越好。1.3

沖擊韌性

溫度對(duì)K值的影響較大，K值隨溫度的降低而減小，當(dāng)溫度降低到某一溫度范圍時(shí)，其沖擊吸收能量急劇下降，表明斷裂由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時(shí)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。取自海底的Titanic號(hào)

取自近代船用鋼板

由于早年的Titanic號(hào)采用了含硫量高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性，所以沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。韌脆轉(zhuǎn)變溫度的高低是金屬材料質(zhì)量指標(biāo)之一。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊性能就越好。1.3

沖擊韌性

沖擊試驗(yàn)是在一次大能量沖擊下的破壞性試驗(yàn)。而生產(chǎn)中絕大多數(shù)零件受到的是無(wú)數(shù)次小能量的反復(fù)沖擊。對(duì)于這樣的零件，用沖擊韌性來(lái)設(shè)計(jì)顯然是不符合實(shí)際的。實(shí)踐證明，在小能量多次沖擊條件下，其沖擊抗性主要取決于材料的強(qiáng)度。

沖擊韌性值一般作為選擇材料的參考，不直接用于強(qiáng)度計(jì)算。1.4

疲勞強(qiáng)度

材料承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化（即材料在交變應(yīng)力作用下），在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損失，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂或失效的過程稱為疲勞。疲勞失效與靜載荷下的失效不同，斷裂前沒有明顯的塑性變形，突然斷裂，具有很大的危險(xiǎn)性，常造成嚴(yán)重的安全事故。2018年4月美西南航空客機(jī)引擎爆炸初查：葉片斷裂—金屬疲勞

美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)主席羅伯特·薩姆沃特：第13號(hào)葉片有疲勞斷裂，有證據(jù)表明存在疲勞斷裂。1.4

疲勞強(qiáng)度

金屬材料所承受的交變應(yīng)力σ與斷裂前所承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線或S-N曲線。金屬材料所承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越??；當(dāng)交變應(yīng)力低于某定值時(shí)，疲勞曲線呈水平線，表示材料在此應(yīng)力下可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限（或耐久極限應(yīng)力）。對(duì)于按正弦曲線變化的對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞極限以符號(hào)σ-1表示。按國(guó)標(biāo)規(guī)定，一般結(jié)構(gòu)鋼取循環(huán)周期為107次（其他鋼和非鐵合金取108（次）時(shí)，能承受的最大循環(huán)應(yīng)力稱為疲勞極限。1.4

疲勞強(qiáng)度

金屬的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間存在近似的比例關(guān)系：碳素鋼σ-1≈（0.4~0.55）Rm；灰鑄鐵σ-1≈0.4Rm；有色金屬σ-1≈（0.3~0.4）Rm；軸的疲勞斷口一般認(rèn)為，產(chǎn)生疲勞破壞的原因是材料的某些缺陷，如夾雜物、氣孔等所致。交變應(yīng)力作用下，缺陷處首先形成微小裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，導(dǎo)致零件的受力截面減小，以致突然產(chǎn)生破壞。產(chǎn)生疲勞破壞的另外一個(gè)重要原因是零件表面的機(jī)械加工刀痕和構(gòu)件截面突然變化的部位，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中處易于產(chǎn)生顯微裂紋。為了防止或減少零件的疲勞破壞，除應(yīng)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，防止應(yīng)力集中外，還要盡量減小零件表面粗糙度值，采取表面硬化處理等措施來(lái)提高材料的抗疲勞能力。1.5

斷裂韌度

實(shí)際材料的組織并非均勻、各向同性的，組織中有微裂紋，還會(huì)有夾雜、氣孔等宏觀缺陷，這些缺陷可看成是材料中的裂紋。

Y——與裂紋形狀、加載方法及式樣尺寸有關(guān)的量，是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)；

σ——外加拉應(yīng)力（MPa）；

a——裂紋長(zhǎng)度的一半（m）。當(dāng)材料受外力作用時(shí)，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成一個(gè)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)斷裂力學(xué)對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的分析，裂紋前端附近應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱主要取決于一個(gè)力學(xué)參數(shù)，即應(yīng)力強(qiáng)度因子KI。

斷裂韌度表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)性能指標(biāo)。二、金屬材料的物理、化學(xué)性能2.1物理性能金屬材料的物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。密度是指某種材料單位體積的質(zhì)量。01熔點(diǎn)是指材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的熔化溫度。02導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力。03導(dǎo)電性是指材料傳導(dǎo)電流的能力。04熱膨脹性是指材料隨溫度變化體積發(fā)生膨脹或收縮的特性。052.2化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能主要是指它們?cè)谑覝鼗蚋邷貢r(shí)抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)侵蝕的能力，主要有耐性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。耐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。01抗氧化性是指材料抵抗空氣中氧氣氧化的能力。02化學(xué)穩(wěn)定性是指金屬材料的耐蝕性和抗氧化性的總稱03三、金屬材料的工藝性能工藝性能金屬材料的工藝性能是物理、化學(xué)和力