金屬材料基礎(chǔ)

金屬材料基礎(chǔ)金屬材料是以金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)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(guān)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(yīng)用為其時代的顯著標(biāo)志。現(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(zhì)基礎(chǔ)。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(yīng)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(xué)性能、物理性能、化學(xué)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(zhì)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(xué)性能（過去也稱為機械性能）。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計和選材時的主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等），對金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復(fù)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(jié)構(gòu)材料和金屬功能材料,其中有要求力學(xué)性能（強度、硬度、韌性等）為主的材料，如結(jié)構(gòu)材料、工具材料等；有要求物理性能（磁性、導(dǎo)電性、彈性等）的材料，如精密合金、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料等；要求物理化學(xué)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(fù)合材料等。此外，還可按金屬的組織狀態(tài)分為結(jié)晶態(tài)金屬材料和非晶態(tài)金屬材料等。金屬材料的生產(chǎn)工藝金屬材料生產(chǎn)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(diào)整合適的成分，然后加工成各種規(guī)格和性能的產(chǎn)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(diào)整成分后經(jīng)金屬鑄造或粉末冶金工藝制成錠、坯，再經(jīng)塑性加工（鍛、軋、擠、拉等）制成各種形態(tài)和規(guī)格的產(chǎn)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(chǎn)已不限于提供傳統(tǒng)的產(chǎn)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)把一定大小（直徑一般為10mm）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(dāng)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(zhì)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(nèi)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(chǎn)上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關(guān)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(yīng)關(guān)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(yīng)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(xué)性能、物理性能、工藝性能。機械性能

（一）應(yīng)力的概念,物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力，在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力（例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)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(xué)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(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(yīng)的強度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關(guān)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生明顯的塑性變形。產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服強度極限，用σs表示，相應(yīng)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(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)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(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力即為彈性極限，相應(yīng)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(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變δ（與應(yīng)力相對應(yīng)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(biāo)（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(chǎn)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(biāo)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(biāo)距長度L1與試樣原始標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(guān)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(yīng)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(guān)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(diào)質(zhì)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?。８鶕?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(guān)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(jīng)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(fù)應(yīng)力作用或交變應(yīng)力作用下（應(yīng)力一般均小于屈服極限強度σs），未經(jīng)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(yīng)力（應(yīng)力集中），使該局部發(fā)生塑性變形或微裂紋，隨著反復(fù)交變應(yīng)力作用次數(shù)的增加，使裂紋逐漸擴展加深（裂紋尖端處應(yīng)力集中）導(dǎo)致該局部處承受應(yīng)力的實際截面積減小，直至局部應(yīng)力大于σb而產(chǎn)生斷裂。在實際應(yīng)用中，一般把試樣在重復(fù)或交變應(yīng)力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等）作用下，在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)（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(yīng)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(jīng)過長時間工作而發(fā)生低應(yīng)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(biāo)：疲勞極限，又稱疲勞強度，用σ－1表示。材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。

疲勞斷裂的原因：一般認為是，由于材料表面與內(nèi)部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。隨應(yīng)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(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)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。化學(xué)性能金屬與其他物質(zhì)引起化學(xué)反應(yīng)的特性稱為金屬的化學(xué)性能。在實際應(yīng)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(xué)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(yīng)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(guān)的聲學(xué)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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