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1、金属材料基础知识概述金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料。）VoLl意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。Vol.2种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。（1）黑色金属，又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%-4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金
2、、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铭、镒及其合金。（2）有色金属，是指除铁、铝、镒以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。（3）特种金属材料，包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。Vol.3性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金
3、属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击
4、、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。金属材料特性1）疲劳许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的特点是：（1）载荷应力是交变的；（2）载荷的作用时间较长；（3）断裂是瞬时发生的；（4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：1、高周疲劳指在低应
5、力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在IOOOOO以上的疲劳，它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。2、低周疲劳指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在IOOOO100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。3、热疲劳指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。4、腐蚀疲劳指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下，所产生的疲劳破坏。5、接触疲劳这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落
6、，从而造成机件失效破坏。2）塑性塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此
7、外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。3）耐久性建筑金属腐蚀的主要形态：（1）均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此，常用年平均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标（腐蚀率）。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。（2）孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。（3）电偶腐蚀。不同金属的接触处，因所具不同电位而产生的腐蚀。（4）缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域常发生由于不同部位间介质的组分和
8、浓度的差异所引起的局部腐蚀。（5）应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下，金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂纹，常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋（钢丝）可能发生这种破坏。4）硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏硬度（HB）:以一定的载荷（一般300Okg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB）,单位为公斤力/mm2（Nmm2）o洛氏硬度（HR）:当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度
9、试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120。的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，可采用不同的压头和总试验压力组成几种不同的洛氏硬度标尺,每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A,B,C三种（HRA、HRB.HRC）0其中C标尺应用最为广泛。HRA:是采用60kg载荷钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。HRB:是采用IOokg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。HRC:是采用15Okg载荷和
10、钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。维氏硬度（HV）:以12Okg以内的载荷和顶角为136。的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。金属材料的性能金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主
11、要分为四个方面，即：力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能。VoLl力学性能应力：物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力）。力学性能：金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项。1.1强度这是表
12、征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限(Gb)、抗弯强度极限(Obb)、抗压强度极限(bc)等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：(1)强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以b表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕(MPa),换算关系有：1MPa=INm2=(9.8)-lkgfmm2或Ikgfmm2=9.8MPa0(2)屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料
13、的弹性极限时，虽然应力不再增加,但是试样仍发生明显的塑性变形,这种现象称为屈服,即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用OS表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用。0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比(即。sob)要小，以提高其
14、安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。(3)弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以Oe表示，单位为兆帕(MPa):。e=PeFo式中Pe为保持弹性时的最大外力(或者说材料最大弹性变形时的载荷)O(4)弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力。与应变(与应力相对应的单位变形量)之比，用E表示，单位兆帕(MPa):E=tg0式中为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴。-X的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标(金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。1.2 塑性金属材料在外力
15、作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率6(知和试样断面收缩率(%)延伸率=(Ll-LO)LOxlOO%,这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度Ll与试样原始标距长度LO之差(增长量)与LO之比。在实际试验时，同一材料但是不同规格(直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度)的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如最常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为5.而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为l0o断面收缩率=(FO-F1)FO1OO%,这是拉伸试验时试样拉断后原横截面
16、积Fo与断口细颈处最小截面积Fl之差(断面缩减量)与FO之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：=l-(DlDO)2xlOO%,式中：Do-试样原直径；DI-试样拉断后断口细颈处最小直径。与值越大，表明材料的塑性越好。1.3 韧性金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：ak=AkF0单位Jcm2或Kgmcm2tlKgmcm2=9.8Jcm2oak称作金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，F为断口的原始截面积。1.4 疲劳性能疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力
