金屬材料性能的基礎(chǔ)知識

1、5.2金屬材料性能的基礎(chǔ)知識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、化學性能、物理性能、工藝性能。一.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

2、的能力稱為金屬材料的機械性能（也稱為力學性能）。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

3、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=1Nm2=(9.8)1Kgfmm2或1Kgfmm2=9.8MPaσb=PbFo式中：Pb–至材料斷裂時的最大應(yīng)力（或者說是試樣

4、能承受的最大載荷）；Fo–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。金屬材料的拉伸試驗曲線σs=PsFo單位：兆帕（MPa）式中：Ps–達到屈服點S處的外力（或者說材料發(fā)

5、生屈服時的載荷）。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σsσb）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

6、料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復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=PeFo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=σδ=tgα式中α為拉伸試驗曲線上oe線與水平軸ox的夾角

7、。彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標（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距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）表示：延伸率δ=[(L1L0)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距長度L1與試樣原始標距長度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

8、以及標距長度）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=[(F0F1)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常可通過直徑測量進行計算：ψ=[1(D1D0)2]x100%，式

9、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深（裂紋尖端處應(yīng)力集中）導致該局部處承受應(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

10、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σ1表示，單位MPa。除了上述五種最常用的力學性能指標外，對一些要求特別嚴格的材料，例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用的金屬材料，還會要求下述一些力學性能指標：蠕變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時間緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變試驗，即在恒定溫度和恒定拉伸載荷下，試樣在規(guī)定時間內(nèi)的蠕變伸長率（總伸長或殘余伸長）或者在蠕變伸長速度相對恒定的階段，

11、蠕變速度不超過某規(guī)定值時的最大應(yīng)力，作為蠕變極限，以表示，單位MPa，式中τ為試驗持續(xù)時間，t為溫度，δ為伸長率，σ為應(yīng)力；或者以表示，V為蠕變速度。高溫拉伸持久強度極限：試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷作用下，達到規(guī)定的持續(xù)時間而不斷裂的最大應(yīng)力，以表示，單位MPa，式中τ為持續(xù)時間，t為溫度，σ為應(yīng)力。金屬缺口敏感性系數(shù)：以Kτ表示在持續(xù)時間相同（高溫拉伸持久試驗）時有缺口的試樣與無缺口的光滑試樣的應(yīng)力之比：式中τ為試驗持續(xù)時間，為缺口

12、試樣的應(yīng)力，為光滑試樣的應(yīng)力。或者用：表示，即在相同的應(yīng)力σ作用下，缺口試樣持續(xù)時間與光滑試樣持續(xù)時間之比?？篃嵝裕涸诟邷叵虏牧蠈C械載荷的抗力?！鹊?。二.化學性能金屬與其他物質(zhì)引起化學反應(yīng)的特性稱為金屬的化學性能。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。在金屬的化學性能中，特別是抗蝕性對

13、金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。三.物理性能金屬的物理性能主要考慮：（1）密度（比重）：ρ=PV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

14、、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，亦即溫度變化1℃時，材料長度的增減量與其0℃時的長度之比。熱膨脹性與材料的比熱有關(guān)。在實際應(yīng)用中還要考慮比容（材料受溫度等外界影響時，單位重量的材料其容積的增減，即容積與質(zhì)量之比），特別是對于在高溫環(huán)境下工作，或者在冷、熱交替環(huán)境中工作的金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影響。（4）磁性能吸引

15、鐵磁性物體的性質(zhì)即為磁性，它反映在導磁率、磁滯損耗、剩余磁感應(yīng)強度、矯頑磁力等參數(shù)上，從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。（5）電學性能主要考慮其電導率，在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響。四.工藝性能金屬對各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性能，主要有以下四個方面：（1）切削加工性能：反映用切削工具（例如車削、銑削、刨削、磨削等）對金屬材料進行切削加工的難易程度。（2）可鍛性：反映金屬材料在壓力加工過

16、程中成型的難易程度，例如將材料加熱到一定溫度時其塑性的高低（表現(xiàn)為塑性變形抗力的大?。?，允許熱壓力加工的溫度范圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機械性能有關(guān)的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。（3）可鑄性：反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現(xiàn)為熔化狀態(tài)時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點，鑄件顯微組織的均勻性、致密性，以及冷縮率等。（4）可焊性：反映金屬材料在局部快速加熱，使結(jié)合部位迅速熔化或半熔化（需加壓），從而