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,。

的機械性能 （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： 3.1.1.強度 這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的zui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(jìn)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(jìn)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zui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zui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=9.8MPa,。 

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的屈服強度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極*,，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zui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zui大外力（或者說材料zui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）,。 3.1.2.塑性, 

金屬材料在外力作用下產(chǎn)生*變形而不破壞的zui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zui

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*處zui小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比,。實用中對于zui常用的圓截面試樣通?？赏ㄟ^直徑測量進(jìn)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*處zui小直徑,。δ與ψ值越大,，表明材料的塑性越好。 

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的韌性 

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zui大應(yīng)力作為疲勞強度極限,，用σ-1表示，單位MPa,。除了上述五種zui常用的力學(xué)性能指標(biāo)外,，對一些要求特別嚴(yán)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(xué)性能指標(biāo)：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,，蠕變速度不超過某規(guī)定值時的zui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(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間而不斷裂的zui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,。 3.2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,。 3.3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。 

的熱膨脹性,。

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。能吸引鐵磁性物體的性質(zhì)即為磁性,，它反映在導(dǎo)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(xué)性能,。主要考慮其電導(dǎo)率，在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響,。 3.4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(jìn)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?。试S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(dǎo)熱性能等,。 

的可鑄性：

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。 

的可焊性：

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）,，從而使結(jié)合部位牢固地結(jié)合在一起而成為整體的難易程度，表現(xiàn)為熔點,、熔化時的吸氣性,、氧化性、導(dǎo)熱性,、熱脹冷縮特性,、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關(guān)性、對機械性能的影響等,。

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