第一章 金屬的性能

1、第一章第一章 金屬材料的性能金屬材料的性能 金屬材料的性能：金屬材料的性能：工藝性能工藝性能 使用性能使用性能。 工藝性能工藝性能 制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能。性能。 鑄造性能鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、鍛壓性能、焊接性能、 切削加工性能、熱處理性能切削加工性能、熱處理性能 使用性能使用性能 材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。 力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能 一、鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力。鑄件的能力。鑄造鑄造 1. 1. 流動性流動性 熔融金屬的流動能力。熔融

2、金屬的流動能力。 完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。 2. 2. 收縮性收縮性 鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象。少的現(xiàn)象。 鑄件收縮不僅影響尺寸，還會使鑄件產(chǎn)生縮鑄件收縮不僅影響尺寸，還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷?？?、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。 鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。 3. 3. 偏析偏析 金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象。的不均勻現(xiàn)象。 偏析大使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的偏析大使鑄件各部

3、分的力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。差異，降低鑄件的質(zhì)量。1.1 1.1 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 二、鍛造性能 鍛造性鍛造性 金屬材料用鍛壓加工方法成形的金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力。適應(yīng)能力。鍛造鍛造 冷沖冷沖 金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。金屬的鍛造性能越好。 三、焊接性能 焊接性焊接性 金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 電弧焊電弧焊 氣焊氣焊 鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。 低碳鋼

4、和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %0.18 %的合金鋼焊的合金鋼焊接性能較好。接性能較好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度用切削后的表面粗糙度和刀具壽命來表示。和刀具壽命來表示。 金屬材料具有適當(dāng)?shù)挠捕冉饘俨牧暇哂羞m當(dāng)?shù)挠捕?170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足夠的脆性時切削性良好。和足夠的脆性時切削性良好。 改變鋼的化學(xué)成分改變鋼的化學(xué)成分( (加少量鉛、磷加少量鉛、磷) )和進(jìn)行適當(dāng)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼臒崽幚? (低碳鋼正火，高碳鋼球化退火低碳鋼正

5、火，高碳鋼球化退火) )可提高鋼可提高鋼的切削加工性能。的切削加工性能。 銅有良好的切削加工性能。銅有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性, , 即鋼接受淬火的能力。即鋼接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金鋼淬透等合金元素的合金鋼淬透性比較好性比較好, , 碳鋼的淬透性較差。碳鋼的淬透性較差。 鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。 銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。 1.2 1.2 金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能 金屬材料的機(jī)械

6、性能，即是指金屬材料在外金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能。力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能。 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度 載荷的形式載荷的形式 一、強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 材料的強(qiáng)度用拉伸試驗測定。材料的強(qiáng)度用拉伸試驗測定。(a)(a)原始試樣原始試樣 （b)b)拉伸后試樣拉伸后試樣 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣拉伸試驗拉伸試驗拉伸曲線拉伸曲線 1. 1. 彈性極限彈性極限e e 材料保持彈性變形材料保持彈性變形, , 不產(chǎn)生永久變形的最不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力。大應(yīng)力。 2

7、. 2. 屈服極限（屈服強(qiáng)度）屈服極限（屈服強(qiáng)度）s s 金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。 條件屈服極限條件屈服極限0.2 0.2 鑄鐵等材料沒有明顯的屈鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象服現(xiàn)象, , 用產(chǎn)生用產(chǎn)生0.2%0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值表示。殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值表示。 3. 3. 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限( (抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b b ) ) 金屬受拉時所能承受的最大應(yīng)力。金屬受拉時所能承受的最大應(yīng)力。 二、塑性 斷裂前材料產(chǎn)生永久斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。變形的能力稱為塑性。 (a)(a)原始試樣原始試樣 （b)b)拉伸后試樣拉伸后試樣 1. 1. 伸長

8、率（伸長率（） 試樣拉斷后試樣拉斷后, , 標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率。比稱為伸長率。 2. 2. 斷面收縮率（斷面收縮率（） 試樣拉斷后試樣拉斷后, , 縮頸處截面積的最大縮減量與縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。 三、硬度 材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度。材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度。 即材料受壓時抵抗局部塑性變形的能力。即材料受壓時抵抗局部塑性變形的能力。鋼球壓頭鋼球壓頭用用HBSHBS表示表示硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球用用HBWHBW表示表示布氏硬度計布氏硬度計 1. 1. 布

9、氏硬度（布氏硬度（HB)HB) 一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球在一定載荷作一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球在一定載荷作用下壓入試樣表面。測量壓痕直徑用下壓入試樣表面。測量壓痕直徑, , 計算硬度值。計算硬度值。布氏硬度計的使用布氏硬度計的使用 2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度(HRA(HRA、HRBHRB、HRC)HRC) 采用金剛石壓頭采用金剛石壓頭( (或鋼球壓頭或鋼球壓頭) )， 加預(yù)載荷加預(yù)載荷F F0 0 ，壓入深度，壓入深度h h0 0 。再加主載荷。再加主載荷F F1 1 。 卸去主載荷卸去主載荷F F1 1，測量其殘余壓入深度，測量其殘余壓入深度h, h, 用用h h與與h h0 0之差之差

10、h h來計算洛氏硬度值。來計算洛氏硬度值。 硬度直接從硬度計表盤上讀得。硬度直接從硬度計表盤上讀得。洛氏硬度計洛氏硬度計 根據(jù)壓頭的種類和根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度總載荷的大小洛氏硬度常用表示方式有常用表示方式有: : HRA HRA、HRBHRB、HRCHRC洛氏硬度計的使用洛氏硬度計的使用 四、沖擊韌度（ak） 材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱沖擊韌性沖擊韌性。 用擺錘沖擊彎曲試驗來測定。用擺錘沖擊彎曲試驗來測定。 測得試樣測得試樣沖擊吸收功沖擊吸收功，用符號用符號A Ak k表示。表示。 用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S

11、 S0 0 , , 得得到材料的到材料的沖擊韌度沖擊韌度a ak k。沖擊試樣沖擊試樣沖擊吸收功的測定沖擊吸收功的測定 五、疲勞強(qiáng)度 軸、齒輪、葉片、彈簧等零件，在工作軸、齒輪、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種應(yīng)力稱為這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力( (也稱循環(huán)應(yīng)力也稱循環(huán)應(yīng)力) )。 在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋、或突然發(fā)生斷裂。這種過工作而產(chǎn)生裂紋、或突然發(fā)生斷裂。這種過程稱為程稱為金屬的疲勞

12、金屬的疲勞。 交變應(yīng)力越小，材料斷裂時應(yīng)力循環(huán)次交變應(yīng)力越小，材料斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)數(shù)N越大。越大。 當(dāng)應(yīng)力低于一定值時當(dāng)應(yīng)力低于一定值時, 試樣可以經(jīng)受無限試樣可以經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度 ( (疲勞極限疲勞極限) )，用用-1 表示。表示。 六、斷裂韌性 橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時會發(fā)橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。生低應(yīng)力脆斷。 工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。 原因：原因：構(gòu)件或零件存在裂紋。裂紋在應(yīng)力構(gòu)件或零件存在裂紋。裂紋在應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。作用下

13、失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。斷裂韌性斷裂韌性 : :材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 斷裂的能力。斷裂的能力。 裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱為強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用，用K K1C1C表示，單位為表示，單位為MN/mMN/m3/23/2，它代表材料的斷裂它代表材料的斷裂韌性。韌性。裂紋尖端應(yīng)力場大小用應(yīng)力場強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力場大小用應(yīng)力場強(qiáng)度因子 表示。表示。KIY Y：系數(shù)：系數(shù) ：外加應(yīng)力：外加應(yīng)力a a：裂紋半長：裂紋半長1. 3 1. 3 金屬材料的理化性能金屬材料的理化性能 一、金屬的物理性能 1. 1.

14、 密度密度 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度密度。 密度小于密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3 的金屬稱為輕金屬的金屬稱為輕金屬, , 如鋁、鎂、鈦及它們的合金。用于航天航空器上。如鋁、鎂、鈦及它們的合金。用于航天航空器上。 密度大于密度大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金屬稱為重金屬的金屬稱為重金屬, , 如鐵、鉛、鎢等。如鐵、鉛、鎢等。 2. 2. 熔點熔點 金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點熔點。 熔點高的金屬稱難熔金屬，如鎢、鉬、釩等。熔點高的金屬稱難熔金屬，如鎢、鉬、釩等。制造耐高溫

15、零件，如火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴制造耐高溫零件，如火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等零、部件。氣飛機(jī)等零、部件。 熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。用于制造保險絲和防火安全閥零件等。 3. 3. 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率衡量導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率衡量。熱導(dǎo)率越大。熱導(dǎo)率越大, , 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性越好。銀導(dǎo)熱性最好越好。銀導(dǎo)熱性最好, , 銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。性比純金屬差。 在熱加工和熱處理時，防止材料加熱或冷卻在熱加工和熱處理時，防止材料加熱或冷卻時形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。時

16、形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。 導(dǎo)熱性好的金屬材料制造散熱器、熱交換器導(dǎo)熱性好的金屬材料制造散熱器、熱交換器與活塞等零件。與活塞等零件。 4. 4. 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 傳導(dǎo)電流的能力稱傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性導(dǎo)電性。 用電阻率來衡量。用電阻率來衡量。 電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好。電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好。 金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。 合金的導(dǎo)電性比純金屬差。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。 電阻率小的金屬電阻率小的金屬( (純銅純銅) )適于制造導(dǎo)電零件和適于制造導(dǎo)電零件和電線。電線。 電阻率大的金屬或合金電阻率大的金屬或合金( (鎢、鉬、鐵鉻鋁合

17、鎢、鉬、鐵鉻鋁合金金) )適于做電熱元件。適于做電熱元件。 5. 5. 熱膨脹性熱膨脹性 材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性。 膨脹系數(shù)大的材料制造的零件膨脹系數(shù)大的材料制造的零件, , 溫度變化時溫度變化時, , 尺寸和形狀變化較大。尺寸和形狀變化較大。 軸和軸瓦之間根據(jù)膨脹系數(shù)來控制間隙尺寸；軸和軸瓦之間根據(jù)膨脹系數(shù)來控制間隙尺寸； 在熱加工和熱處理時要考慮材料的熱膨脹影響在熱加工和熱處理時要考慮材料的熱膨脹影響, , 減少工件變形和開裂。減少工件變形和開裂。 6. 6. 磁性磁性 在外磁場中表現(xiàn)出來的特性。在外磁場中表現(xiàn)出來的特性。 鐵磁性材料鐵磁性材料 在

18、外磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等。在外磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等。 制造變壓器、電動機(jī)、測量儀表等。制造變壓器、電動機(jī)、測量儀表等。 順磁性材料順磁性材料 在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。 抗磁性材料抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。如銅、鋅等。 用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤。如航海羅盤。 居里點：居里點：當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，鐵磁性當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，鐵磁性材料磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w。材料磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w。 轉(zhuǎn)變溫度稱轉(zhuǎn)變溫度稱居里點居里點。 鐵的居里點是鐵的居里點是770 770 。 二、金屬的化學(xué)性能 1. 1. 耐腐蝕性耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它金屬材料在