金屬材料的性能

金屬材料的性能一、金屬材料的力學(xué)性能任何機(jī)械零件工作時(shí)都會(huì)受到外力的作用，如行車(chē)吊運(yùn)重物，鋼絲繩會(huì)受到重物拉力的作用；柴油機(jī)連桿會(huì)受到拉力、壓力、甚至交變外力和沖擊力的作用等。在這些外力作用下，材料所表現(xiàn)出來(lái)的一系列特性和抵抗的能力稱(chēng)力學(xué)性能。按作用形式不同，外力常分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷等。材料的力學(xué)性能也分為強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。1．強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強(qiáng)度用應(yīng)力表示，其符號(hào)為，單位為MPa，1MPa=1N/mm2。常用來(lái)衡量金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有屈服點(diǎn)（s）和抗拉強(qiáng)度（b）等。金屬材料的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度是通過(guò)把材料做成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)得的。常用的拉伸試樣如圖4-1所示。圖中l(wèi)0為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，d0為試樣截面的直徑。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)第四章金屬材料與熱處理定，試樣可以分為長(zhǎng)試樣和短試樣兩種，長(zhǎng)試樣l0=10d0，而短試樣l0=5d0。試驗(yàn)時(shí)，隨著拉力的緩慢增加，試樣的長(zhǎng)度也逐漸增長(zhǎng)，即產(chǎn)生變形。在整個(gè)試驗(yàn)中，把拉力與試樣的相應(yīng)變形，畫(huà)在以伸長(zhǎng)量l為橫坐標(biāo)、拉力F為縱坐標(biāo)的圖上，所連成的曲線(xiàn)即為力—變形曲線(xiàn)，如圖4-2所示。圖4-l拉仲試樣 圖4-2低碳鋼力—變形曲線(xiàn)圖a）拉伸前b）拉伸后由圖4-2可知，在開(kāi)始的Oe階段，試樣在拉力作用下均勻伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)量與拉力保持正比關(guān)系。這時(shí)若去掉拉力，試樣將恢復(fù)原狀，此時(shí)材料處于彈性變形階段，彈性變形在e點(diǎn)處達(dá)到最大極限。因此，在e點(diǎn)處試樣所承受的拉力與試樣橫截面積之比稱(chēng)為彈性極限，用e表示。當(dāng)超過(guò)e點(diǎn)后，材料除彈性變形外，開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，拉力與伸長(zhǎng)量之間的正比關(guān)系不再保持。當(dāng)拉力增大到Fs時(shí)，即使拉力不再增加，材料仍會(huì)繼續(xù)伸長(zhǎng)一定距離，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“屈服”。在s點(diǎn)處，試樣承受的拉力與試樣原始橫截面積之比稱(chēng)為屈服點(diǎn)，用s表示s=Fs/A0式中Fsr——試樣屈服時(shí)的拉力（N）；A0——試樣原始截面積（mm2）。有些金屬材料的力—變形曲線(xiàn)，沒(méi)有明顯的屈服階段，對(duì)這些材料，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以其產(chǎn)生塑性變形為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度0.2％時(shí)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn)，稱(chēng)為材料的屈服強(qiáng)度，用0.2表示。屈服現(xiàn)象過(guò)后，變形又隨拉力的增加而逐漸增大，整個(gè)試樣發(fā)生均勻而顯著的伸長(zhǎng)。當(dāng)拉力達(dá)到Fb后，在試樣標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)出現(xiàn)局部直徑明顯變細(xì)，即產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。此時(shí)，拉力開(kāi)始降低，變形集中在“縮頸”處產(chǎn)生，試樣在k處斷裂。其中b點(diǎn)是曲線(xiàn)上的最高點(diǎn)，也是發(fā)生斷裂的最大拉力。所以，在b點(diǎn)處，試樣承受的拉力與試樣原始橫截面積之比，稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度，用b表示b=Fb/A0式中Fb——試樣拉斷前的最大拉力（N）；A0——試樣原始截面積（mm2）。屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度是金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，是一般零件設(shè)計(jì)、選材的重要依據(jù)。塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。衡量金屬材料塑性的指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率（）和斷面收縮率（）。斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與標(biāo)距原始長(zhǎng)度的比值，用百分率表示=[（l1-l0）l0]×100%式中l(wèi)1——試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；l0——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）。斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面面積的收縮量與試樣原始截面積的比值，用百分率表示=[（A0-A1）/A0]×100%式中A0——試樣原始截面積（mm2）；A1——拉斷后試樣斷口截面積（mm2）。塑性也是金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它會(huì)影響零件的加工方法：如塑性良好的低碳鋼材料，可進(jìn)行壓力加工；而鑄鐵塑性較差，就不能采用這種加工方法。2．硬度硬度是指金屬材料抵抗硬物壓入其表面的能力，它也是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度(HBS)和洛氏硬度(HRC)等。（1）布氏硬度布氏硬度的試驗(yàn)原理是采用一定直徑的淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）壓頭，施以一規(guī)定的壓力下，使鋼球壓入被測(cè)金屬表面并留下壓痕，載荷F與壓痕表面積之比稱(chēng)布氏硬度，用HBS（W）表示HBS（W）＝0.102F式中F——試驗(yàn)的載荷(壓力)（N）；A——壓痕面積（mm2）。由于布氏硬度測(cè)得的壓痕面積較大，故準(zhǔn)確度較高。采用HBS時(shí)，被測(cè)材料的硬度不能大于450HBS。布氏硬度常用來(lái)測(cè)量退火、正火后的鋼制零件及鑄鐵和非鐵金屬零件等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間有一定的近似關(guān)系。對(duì)于低碳鋼：b≈0.36HBS；對(duì)于高碳鋼：b≈0.34HBS；對(duì)于合金調(diào)質(zhì)鋼：b≈0.325HBS。（2）洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)是用一個(gè)頂角為120°的金剛石圓錐壓頭，在一定載荷下壓入被測(cè)零件表面，以壓入深度來(lái)確定硬度值。壓痕愈深，硬度愈低；反之，硬度愈高。實(shí)際測(cè)定時(shí)，金屬材料的硬度值可直接從洛氏硬度計(jì)的刻度盤(pán)上讀出。由于洛氏硬度的測(cè)量方法簡(jiǎn)便、迅速、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)又能間接反映強(qiáng)度的大小，所以在零件的技術(shù)要求中常標(biāo)注洛氏硬度要求。洛氏硬度常用來(lái)測(cè)定淬火鋼和工具、模具等零件。布氏硬度與洛氏硬度是可以換算的。在常用范圍內(nèi)，布氏硬度值近似等于洛氏硬度值的10倍。3．沖擊韌度有些機(jī)器零件和工具在工作時(shí)要受到?jīng)_擊作用，如蒸汽錘的錘桿、柴油機(jī)的曲軸、沖床的沖頭等。由于瞬時(shí)的外力沖擊作用所引起的變形和應(yīng)力比靜載荷時(shí)大得多，因此，凡承受沖擊載荷的零件，要求材料應(yīng)具有抵抗沖擊載荷而不破壞的能力，這就是沖擊韌度。沖擊韌度ak是衡量金肩韌性的常用指標(biāo)之一。ak值大，表示韌性好，ak值小，表示脆性大。4．疲勞機(jī)器中許多零件；如拖拉機(jī)曲軸、齒輪、彈簧等，是在交變載荷作用下工作的。在這種受力狀態(tài)下工作的零件，斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于該材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的疲勞。機(jī)器零件在使用過(guò)程中，不允許金屬產(chǎn)生疲勞破壞，因此在交變載荷作用下工作的零件，必須保證在無(wú)數(shù)次交變載荷（鋼常以107為基數(shù)）作用下仍不會(huì)斷裂，這時(shí)的最大應(yīng)力值稱(chēng)疲勞強(qiáng)度，用-1表示。一般常用粗略的近似關(guān)系-1≈（0.4~0.6）b計(jì)算材料的疲勞強(qiáng)度。提高材料的疲勞強(qiáng)度，可通過(guò)改善零件的結(jié)構(gòu)形狀、避免應(yīng)力集中、進(jìn)行表面熱處理等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、金屬的物理、化學(xué)及工藝性能1．物理性能金屬材料的物理性能包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等。由于機(jī)器零件的用途不同，對(duì)于其物理性能的要求也有所不同，例如飛機(jī)零件要選用密度小的鋁合金來(lái)制造；又如在制造電器零件時(shí)，常要考慮金屬材料的導(dǎo)電性等。金屬材料的一些物理性能對(duì)于工藝性能還有一定的影響。例如高速鋼的導(dǎo)熱性較差，在鍛造時(shí)就應(yīng)該用很低的速度來(lái)進(jìn)行加熱，否則會(huì)產(chǎn)生裂紋。又如車(chē)削銅棒時(shí)，測(cè)量其長(zhǎng)度時(shí)要適當(dāng)放長(zhǎng)些，因切削熱使銅棒受熱而伸長(zhǎng)了。2．化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料在化學(xué)作用下所表現(xiàn)的性能，它包括耐腐蝕性和抗氧化性。耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗周?chē)橘|(zhì)(如大氣、燃?xì)狻⒂?、水、酸、堿、鹽等)腐蝕的能力?？寡趸允侵附饘僭诟邷叵聦?duì)氧化的抵抗能力。工業(yè)用的鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)等，有許多零件在高溫下工作，制造這些零件的材料，就要求具有良好的抗氧化性。3．工藝性能工藝性能是指金屬材料是否易于加工成形的性能，包括鑄造性、可鍛性、焊接性、切削加工性等。鑄造性是指能否將金屬材料用鑄造方法制成優(yōu)良鑄件的性能，包括金屬材料的液態(tài)流動(dòng)性，冷卻時(shí)的收縮性和偏析傾向等?？慑懶允侵改芊裼缅憠旱姆椒▽⒔饘俨牧霞庸こ蓛?yōu)良工件的性能?？慑懶砸话闩c材料的塑