金屬材料的性能.doc

金屬材料的性能一、金屬材料的物理性能和化學(xué)性能1. 金屬的物理性能 金屬的物理性能主要包括密度、熔點、熱膨脹、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。(1) 密度 密度是指金屬單位體積的質(zhì)量，用表示=mVm金屬質(zhì)量 (kg) V金屬體積(m3) 金屬密度(kg/m3)在實際應(yīng)用中，常用金屬密度來計算大型零件的質(zhì)量，某些機械零件選材時必須考慮金屬密度。比如航空領(lǐng)域，密度是考慮的一個重要指標(biāo)。(2) 熔點 金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)是的溫度稱之為熔點。純金屬都有固定的熔點。熔點是制定熱加工(冶煉、鑄造、焊接)工藝規(guī)范的重要依據(jù)之一。(3) 熱膨脹性 金屬受熱時，體積會增大，冷卻時收縮，金屬這種性能稱之為熱膨脹性。熱膨脹性能的大小可以用線膨脹系數(shù)或體膨脹系數(shù)來表示。1=lt-l0l0tl0線膨脹前的長度(cm) lt線膨脹后的長度 (cm) t溫度差(K或)1線膨脹系數(shù)(1/K)或(1/)從式中可以看出，線膨脹系數(shù)是指溫度每升高一個單位，金屬材料長度增量與原來長度的比值。線膨脹系數(shù)不是一個固定不變的數(shù)值，它是隨溫度的升高而增大的。體膨脹系數(shù)是線膨脹系數(shù)的3倍。在實際工作中，應(yīng)當(dāng)考熱膨脹的影響，例如鑄造冷卻時工件體積收縮，精密量具因溫度變化二引起的讀數(shù)誤差等。(4) 導(dǎo)熱性 金屬傳到熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。金屬導(dǎo)熱性能較好。這與其內(nèi)部的自由電子有關(guān)。金屬導(dǎo)熱能力的大小，常用導(dǎo)熱率(導(dǎo)熱系數(shù))來表示。熱導(dǎo)率說明維持單位溫度梯度(溫度差)時，在單位時間內(nèi)，流過物體單位橫截面的熱量，單位是W/(mK)。金屬材料的導(dǎo)熱率越大，說明導(dǎo)熱性能越好。一般來說，金屬越純，其導(dǎo)熱能力越好。導(dǎo)熱性好的金屬散熱性能就越好，在制造散熱器、熱交換器等零件時，就要注意選用導(dǎo)熱性能好的材料。(5) 導(dǎo)電性 金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能，稱為導(dǎo)電性。金屬的導(dǎo)電性與其內(nèi)部存在的自由電子有關(guān)。金屬導(dǎo)電性能的好壞，常用電阻率來表示。單位長度，單位截面積的物體在一定溫度下所具有的電阻數(shù)叫電阻率，單位是m。電阻率小，導(dǎo)電性能好。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，顯然電導(dǎo)率大，導(dǎo)電性能好。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性一樣，隨金屬成分的變化而變化，一般純金屬的導(dǎo)電性總比合金好。為此，工業(yè)上常用純銅純鋁來做導(dǎo)電材料。(6) 磁性 金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性的性能稱之為磁性。按磁性劃分可把金屬材料劃分為：鐵磁性材料：在外加磁場中，能夠強烈被磁化，如鐵等。順磁性材料：在弱外加磁場磁化作用的金屬，如銅，金、銀等。磁性只存在于一定溫度范圍內(nèi)，高于一定溫度時，磁性就會消失。如鐵在770以上就沒有磁性，這一溫度稱為居里點。2. 金屬的化學(xué)性能 金屬的化學(xué)性能是指在化學(xué)作用下表現(xiàn)出來的性能。包括耐腐蝕性和抗氧化性等。(1) 耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗周圍介質(zhì)(如大氣、燃?xì)狻⒂?、水、酸、鹽等)腐蝕的能力，稱為耐腐蝕性。簡稱耐蝕性。 (2)抗氧化性 金屬在高溫下對氧化的抵抗能力，稱為抗氧化性，又稱抗高溫氧化性。工業(yè)上用的鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機、噴氣發(fā)動機、火箭、導(dǎo)彈等，有許多零件在高溫下工作，制造這些零件的材料，就需要具有良好的抗氧化性。二、金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料在經(jīng)濟條件下，完成各種加工的難以程度。工藝性能也就是指金屬材料是否易于加工成形的性能。包括鑄造性、鍛壓性、焊接性、切削加工性等。工藝性能直接影響到零件的加工工藝和質(zhì)量。也是選材時必須考慮的因素之一。1.鑄造性 金屬熔化成液態(tài)后，在鑄造成形時具有的一種特性。衡量金屬材料鑄造性的指標(biāo)有：流動性、收縮率和偏析傾向。金屬材料中，灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。2鍛壓性 金屬材料在鍛造過程中承受塑性變形的性能。鍛壓性直接與材料的塑性及塑性變形抗力有關(guān)，也與材料的成分和加工條件有關(guān)，例如大部分銅、鋁的合金在冷態(tài)下就具有很好的鍛壓性；碳素鋼在加熱狀態(tài)下，鍛壓性也很好；而青銅、鑄鋁、鑄鐵等幾乎不能鍛造。3焊接性 焊接性指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。焊接性好的金屬能獲得沒有裂紋、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有一定的力學(xué)性能。導(dǎo)熱性好、收縮小的金屬材料焊接性都比較好。例如低碳鋼具有良好的焊接件，高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性較差。4切削加工性 金屬材料的切削加工性是指金屬材料在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬對使用的刀具磨損較小，切削用量大，加工表面也比較光潔。切削性能的好壞是與金屬材料的硬度、導(dǎo)熱性、金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)、加工硬化等因素有關(guān)。尤其與硬度關(guān)系較大，若材料硬度在170230HBS強時最易切削加工。從材料的種類而言，鑄鐵、銅舍金、鋁合金及一般碳鋼都具有較好的切削加工性，而高合金鋼的切削加工性較差。三、金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能，是指在外加載荷作用下，或載荷與環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)和加載速率等)聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，這種行為又稱為力學(xué)行為，通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。因此金屬材料的力學(xué)性能可以簡單地理解為金屬抵抗外加載荷引起變形和斷裂的能力。金屬材料的力學(xué)性能包括強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性等。而表征金屬力學(xué)行為的力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱為金屬力學(xué)性能指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能的優(yōu)劣就用這些指標(biāo)的具體數(shù)值來衡量。金屬材料的力學(xué)性能取決于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、參與應(yīng)力及表面和內(nèi)部缺陷等因素，但外在因素和載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對金屬力學(xué)性能也有很大的影響。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，可以分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷三種。靜載荷：是指載荷的大小和方向不變或者變動極緩慢的載荷。沖擊載荷：是指突然增加的載荷。交變載荷：是指載荷的方向和大小隨時間而發(fā)生周期性變化的動載荷，也叫循環(huán)載荷。根據(jù)載荷的作用方式不同，它可以分為拉伸載荷，壓縮載荷，彎曲載荷，剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等。金屬材料受到載荷作用時，發(fā)生幾何尺寸和形狀的變化稱為變形。它是金屬受到載荷作用的必然表現(xiàn)。變形一般可以分為彈性變形，塑性變形兩種。所謂彈性變形，是在受載荷發(fā)生變形，卸載后又能恢復(fù)原狀的變形。塑性變形是指不可消失的變形。也叫永久變形。根據(jù)載荷方式的不同，變形也可以分為拉伸變形，壓縮變形，彎曲變形，剪切和扭轉(zhuǎn)變形。金屬在手外力作用下，在材料內(nèi)部會產(chǎn)生抵抗變形的力，這種力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。金屬在受到拉伸載荷或壓縮載荷作用時，其截面積上的應(yīng)力()=FSF外力(N) S截面面積(m2) 應(yīng)力(Pa)1. 強度 金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強度。強度的大小用應(yīng)力來表示。根據(jù)載荷作用方式的不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度。在一般情況下，很多機件在使用過程中是受靜載荷作用，通過拉伸試驗可以確定金屬的強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)，故多以抗拉強度作為判斷金屬強度高低的指標(biāo)?？估瓘姸仁峭ㄟ^拉伸試驗來測定的。拉伸試驗的方法是以靜拉力對標(biāo)準(zhǔn)試樣進行軸向拉伸，同時連續(xù)測量力和相應(yīng)的伸長，直至斷裂。根據(jù)測試的數(shù)據(jù)，既可以求出有關(guān)的力學(xué)性能。(1) 力伸長曲線 拉伸試驗中，記錄拉伸力對伸長的曲線叫做力伸長曲線，也稱拉伸圖，如圖1-1如圖所示表示低碳鋼的拉伸圖，圖中縱坐標(biāo)為力F，單位N。橫坐標(biāo)表示絕對伸長量l，單位mm。圖中明顯表現(xiàn)出一下幾個階段。圖1-1 低碳鋼拉伸曲線Op階段彈性形階段 在這個階段，變形量較小，并且發(fā)生的變形量與載荷呈正比例的關(guān)系。該階段是完全彈性變形，卸載后是可以恢復(fù)的。Fp稱之為材料發(fā)生彈性變形的最大拉伸力。pe階段非比例變形的彈性變形階段 在此階段拉伸了超過了Fp而小于Fe。此階段是材料發(fā)生比例變形的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)生彈性變形，在此階段卸載后，變形也是可以恢復(fù)的。Op加pe的Oe段是彈性變形階段。Fe稱為材料恢復(fù)原始尺寸和形狀的最大拉伸力。eA階段微量塑性變形階段 在此階段，拉伸力超過了Fe，而小于Fs。此時材料在發(fā)生彈性的基礎(chǔ)上，開始發(fā)生塑性變形，由于這時的載荷比較小，若在這個階段卸載，材料發(fā)生的彈性變形時可以恢復(fù)的，而發(fā)生的塑性變形部分是不可以恢復(fù)的，即材料發(fā)生了永久變形。Ac階段屈服階段 在此階段突出的特點是曲線呈水平狀或鋸齒狀，也就是說，當(dāng)載荷達(dá)到Fc時，載荷雖然沒有增加，但材料繼續(xù)發(fā)生變形。我們把這種在載荷沒有增加的情況下，材料繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為屈服。值得注意的是，當(dāng)材料達(dá)到屈服是，標(biāo)志著材料開始發(fā)生宏觀塑性變形，這時零件的形狀和尺寸發(fā)生較大變化，已經(jīng)不能滿足使用要求。cb階段強化階段 在屈服之后，欲使材料發(fā)生變形，必須不斷增加載荷。隨著塑性變形的增大，材料的變形抗力也逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為形變強化（加工硬化）現(xiàn)象。在此階段中材料發(fā)生了宏觀塑性變形，使材料的形狀和尺寸發(fā)生較大的變化。圖中Fb為式樣拉伸試驗時的最大載荷。bk階段頸縮階段 前面幾個階段的變形都是均勻變形，材料變形時均勻發(fā)生在試樣有效長度范圍內(nèi)。當(dāng)載荷達(dá)到Fb 時，材料直徑發(fā)生明顯的局部頸縮。而此時的變形為局部變形，在這個階段載荷是下降的，但是材料的變形繼續(xù)增大直至斷裂。頸縮是材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，我們在工程中使用的金屬材料，多數(shù)沒有明顯的頸縮現(xiàn)象。而對于低塑性材料，不僅沒有緊縮現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生屈服，如球墨鑄鐵。(2) 強度指標(biāo)強度指標(biāo)與前面的幾個變形階段是相對應(yīng)的，分別有比例極限，彈性極限，屈服極限，抗拉極限和斷裂極限。1) 比例極限 試樣在實驗過程中，發(fā)生比例變形時能承受的最大應(yīng)力。用p表示。p=FpS0p比例極限(MPa) Fp試樣發(fā)生比例變形的最大載荷(N)S0試樣原始截面積(mm2)2) 彈性極限 試樣在實驗過程中，發(fā)生彈性變形時能承受的最大應(yīng)力。用e表示。e=FeS0e彈性極限(MPa) Fe試樣發(fā)生比例變形的最大載荷(N)S0試樣原始截面積(mm2)當(dāng)材料載荷達(dá)到彈性極限是開始發(fā)生塑性變形，因此對于服役的構(gòu)建不允許發(fā)生微量塑性變形的，在設(shè)計的時候應(yīng)更加彈性極限來選擇材料。3) 屈服極限 在試驗過程中，力不增加，試樣仍然繼續(xù)伸長(變形)時的應(yīng)力稱為屈服點，也叫屈服強度，用符號s表示。s=FsS0e屈服極限(MPa) Fe試樣發(fā)生屈服的載荷(N)S0試樣原始截面積(mm2)對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，我們認(rèn)為的規(guī)定產(chǎn)生一定量的殘余伸長時的應(yīng)力作為條件屈服點，稱為條件屈服強度。用表示，如0.2表示為規(guī)定殘余伸長為0.2%是的應(yīng)力。在工程設(shè)計中，材料的屈服強度或條件屈服強度是機械設(shè)計的主要依據(jù)，也是評定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。4) 抗拉強度 抗拉強度也叫做強度極限，它是材料在被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。用b表示。b=FbS0e抗拉強度(MPa) Fe試樣斷裂前最大的載荷(N)S0試樣原始截面積(mm2)2. 塑性塑性是指金屬材料發(fā)生塑性變形而不被破壞的能力。