金屬材料基礎

金屬材料基礎金屬材料是以金屬元素或以金屬元素為主構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。

人類文明的發(fā)展的今天和社會的進步同金屬材料關系十分密切。繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標志?，F(xiàn)代種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質基礎。性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。

工藝性能是指機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。

使用性能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括力學性能、物理性能、化學性能等。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。在機械制造業(yè)中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非常強烈腐蝕性介質中使用的，且在使用過程中各機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，稱為力學性能（過去也稱為機械性能）。金屬材料的力學性能是零件的設計和選材時的主要依據(jù)。外加載荷性質不同（例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環(huán)載荷等），對金屬材料要求的力學性能也將不同。常用的力學性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。金屬材料的分類隨著科學技術的發(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、鋁等合金材料品種也日益增加。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％以上的工業(yè)純鐵，含碳2％～4％的鑄鐵，含碳小于2％的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。②有色金屬是指除鐵、鉻、錳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。有色金屬銅、鋁、錫、鉛、鋅以及黃銅、青銅、白銅、鋁合金和軸承合金等，另外在工業(yè)上還采用鎳、鉬、鈷、釩、鎢、鈦等，這些金屬主要用作合金化元素，以改善金屬性能，其中鎢、鈷、鈦多用于硬質合金的制造。上述有色金屬，都稱為工業(yè)常用金屬，以區(qū)別于貴金屬及稀有金屬。有色合金的強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構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。

其他分類方法：

（1）按元素分：鋼鐵材料，如鐵、鋼、碳素鋼、合金鋼等;有色金屬材料,如鋁、銅、鎳、貴金屬材料等。

（2）按主要性能和用途分為:金屬結構材料和金屬功能材料,其中有要求力學性能（強度、硬度、韌性等）為主的材料，如結構材料、工具材料等；有要求物理性能（磁性、導電性、彈性等）的材料，如精密合金、半導體材料、超導材料等；要求物理化學性能的材料，如耐蝕材料、金屬催化劑、消氣材料等。按加工制造工藝可分為：鑄造合金、變形（可進行金屬塑性加工合金和粉末冶金材料。

（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、纖維強化復合材料等。此外，還可按金屬的組織狀態(tài)分為結晶態(tài)金屬材料和非晶態(tài)金屬材料等。金屬材料的生產工藝金屬材料生產的程序，一般是先提取和冶煉金屬，有些金屬還要進一步精煉并調整合適的成分，然后加工成各種規(guī)格和性能的產品。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、真空冶金等工藝進一步煉提純。

合金通過冶煉并調整成分后經金屬鑄造或粉末冶金工藝制成錠、坯，再經塑性加工（鍛、軋、擠、拉等）制成各種形態(tài)和規(guī)格的產品，有些還用金屬熱處理方法使材料達到所要求的性能?，F(xiàn)在金屬材料生產已不限于提供傳統(tǒng)的產品，有些進行更深度的加工（如冷加工、表面處理等），有些也以鑄件、粉末冶金制品提供以一定的載荷(一般3000kg)把一定大?。ㄖ睆揭话銥?0mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，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/mm2)。

2.洛氏硬度（HR）

當HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗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)試驗材料硬度的不同，分三種不同的洛氏硬度HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質合金等）。HRB：是采用100kg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）。

3維氏硬度（HV）

以120kg以內的載荷和頂角為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)。硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關系。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，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用的合理性。金屬材料的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。機械性能

（一）應力的概念,物體內部單位截面積上承受的力稱為應力。由外力作用引起的應力稱為工作應力，在無外力作用條件下平衡于物體內部的應力稱為內應力（例如組織應力、熱應力、加工過程結束后留存下來的殘余應力…等等）。

（二）機械性能,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械性能（也稱為力學性能）。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)載荷，包括單獨或同時承受的拉伸應力、壓應力、彎曲應力、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的指標主要有以下幾項：1.強度

這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強度極限（σb）、抗彎強度極限（σbb）、抗壓強度極限（σbc）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，在拉伸試驗機上進行拉伸，直至試樣斷裂，測定的強度指標主要有：

（1）強度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應力，一般指拉力作用下的抗拉強度極限，以σb表示，如拉伸試驗曲線圖中最高點b對應的強度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPaσb=Pb/Fo式中：Pb?C至材料斷裂時的最大應力（或者說是試樣能承受的最大載荷）；Fo?C拉伸試樣原來的橫截面積。

（2）屈服強度極限：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生明顯的塑性變形。產生屈服時的應力稱為屈服強度極限，用σs表示，相應于拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服點，而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點，從而難以根據(jù)屈服點的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常規(guī)定試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力作為條件屈服極限，用σ0.2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的設計依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強比（即σs/σb）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生變形，但是去除外力后仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應力即為彈性極限，相應于拉伸試驗曲線圖中的e點，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=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的應力σ與應變δ（與應力相對應的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α為拉伸試驗曲線上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（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。2.塑性

金屬材料在外力作用下產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距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，這是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標距長度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，同一材料但是不同規(guī)格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標距長度）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，其初始標距長度為試樣直徑5倍時測得的延伸率表示為δ5，而初始標距長度為試樣直徑10倍時測得的延伸率則表示為δ10。斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，這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。實用中對于最常用的圓截面試樣通?？赏ㄟ^直徑測量進行計算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口細頸處最小直徑。δ與ψ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，硬度與強度有著一定的關系。根據(jù)硬度的測定方法，主要可以分為：

（1）布氏硬度（代號HB）,用一定直徑D的淬硬鋼球在規(guī)定負荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負荷的大小表示該試件的硬度：HB=P/F。在實際應用中，通常直接測量壓坑的直徑，并根據(jù)負荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數(shù)值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定關系：σb≈KHB，K為系數(shù)，例如對于低碳鋼有K≈0.36，對于高碳鋼有K≈0.34，對于調質合金鋼有K≈0.325，…等等。

（2）洛氏硬度（HR）用有一定頂角（例如120°）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負荷P作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下某個深度的壓痕。由洛氏硬度機自動測量壓坑深度并以硬度值讀數(shù)顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越?。?。根據(jù)壓頭與負荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種，其中以HRC為最常用。洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下?lián)Q算關系：HRC≈0.1HB。

(3)維氏硬度(HV)錐面角為136°的金剛石四棱錐體為壓頭，適于測定薄件和經表面處理零件的表面層的硬度，如滲碳層、表面淬硬層、電鍍層等，以及微觀組織的硬度。

維氏硬度測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓痕小，改變負荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，并統(tǒng)一比較。

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：αk=Ak/F單位J/cm2或Kg?m/cm2，1Kg?m/cm2=9.8J/cm2αk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.疲勞強度極限金屬材料在長期的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σs），未經顯著變形就發(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σs甚至大于σb的應力（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(shù)的增加，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的實際截面積減小，直至局部應力大于σb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)定的周期數(shù)內（一般對鋼取106~107次，對有色金屬取108次）不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力作為疲勞強度極限，用σ-1表示，單位MPa。

5.疲勞強度—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過長時間工作而發(fā)生低應力斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。

疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。

疲勞抗力指標：疲勞極限，又稱疲勞強度，用σ－1表示。材料經過無限次應力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應力，即疲勞曲線上水平部分對應的應力值。

疲勞斷裂的原因：一般認為是，由于材料表面與內部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應力集中，形成微裂紋。隨應力循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴展，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，改善材料的結構形狀，避免應力集中，減小材料和零件的缺陷；提高零件表面光潔度；對表面進行強化，噴丸處理等，可以提高材料的疲勞抗力?；瘜W性能金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際應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械性能的影響等等。在金屬的化學性能中，特別是抗蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。物理性能金屬的物理性能主要考慮：

（1）密度（比重）：ρ=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(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度（強度σb與密度ρ之比）來幫助選材，以及與無損檢測相關的聲學檢測中的聲阻抗（密度ρ與聲速C的乘積）和射線檢測中密度不同的物質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