金属材料的性能

1金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。

使用性能是指金属材料在使用过程中反映出来的特性，它决定金属材料的应用范围、安全可靠性和使用寿命。

使用性能又分为机械性能、物理性能和化学性能。

工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性，是决定它是否易于加工或如何进行加工的重要因素。

在选用金属材料和制造机械零件时，主要考虑机械性能和工艺性能。

在某些特定条件下工作的零件，还要考虑物理性能和化学性能。

1.1金属材料的机械性能各种机械零件或者工具，在使用时都将承受不同的外力，如拉力、压力、弯曲、扭转、冲击或摩擦等等的作用。

为了保证零件能长期正常的使用，金属材料必须具备抵抗外力而不破坏或变形的性能，这种性能称为机械性能。

即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性能。

金属材料的机械性能是零件设计计算、选择材料、工艺评定以及材料检验的主要依据。

不同的金属材料表现出来的机械性能是不一样的。

衡量金属材料机械性能的主要指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

1.1.1强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强度。

按外力作用的方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。

一般所说的强度是指抗拉强度。

它是用金属拉伸试验方法测出来的。

1.1.2刚性与弹性金属材料在外力作用下，抵抗弹性变形的能力称为刚性。

刚性的大小可用材料的弹性模量（E）表示。

弹性模量是金属材料在弹性变形范围内的规定非比例伸长应力（σρ）与规定非比例伸长率（ερ）的比值。

所以材料的弹性模量（E）愈大，刚性愈大，材料愈不易发生弹性变形。

但必须注意的是：材料的刚性与零件的刚度是不同的，零件的刚度除与材料的弹性模量有关外，还与零件的断面形状和尺寸有关。

例如，同一种材料的两个零件，弹性模量E虽然相同，但断面尺寸大的零件不易发生弹性变形，而断面尺寸小的零件则易发生弹性变形。

零件在使用过程中，一般处于弹性变形状态。

对于要求弹性变形小的零件，如泵类主轴、往复机的曲轴等，应选用刚性较大的金属材料。

对于要求弹性好的零件，如弹簧则可通过热处理和合金化的方法，达到提高弹性的目的。

1.1.3硬度金属材料抵抗集中负荷作用的性能称为硬度。

换句话说，硬度是金属材料抵抗硬物压入的能力。

材料的硬度是强度、塑性和加工硬化倾向的综合反映。

硬度与强度之间往往有一定的概略比例关系，并在很大程度上反映出材料的耐磨性能。

此外，硬度测定方法简便，不需制备特殊的试样，可以直接在零件上进行测定，而不损坏工件。

所以硬度通常在生产上作为热处理质量检验的主要方法。

1.1.4冲击韧性有些机器零件在工作时，如齿轮换挡、设备起动、刹车等，往往受到冲击负荷的作用；还有一些机器，如锻锤、冲床、凿岩机、气动舂砂锤等，它们本身就是利用冲击能量来工作的。

金属抵抗冲击负荷的能力称为冲击韧性。

对于承受小能量多次冲击的机器零件，对材料要求高的强度，又要求过高的塑性和冲击韧性，并不能提高零件的寿命，相反却因牺牲了强度，不能发挥材料的潜力，反击会降低零件的寿命。

1.1.5疲劳强度金属材料在重复或交变负荷的作用下，循环一定周次Ni后，断裂时所能承受的最大应力称为疲劳强度。

材料的疲劳强度是通过各种条件下的疲劳试验确定的。

对称应力循环下的疲劳极限通常是在旋转弯曲疲劳试验机上用光滑试样测定。

材料的疲劳极限是材料机械性能中的一个重要性能。

凡承受交变负荷的机器零件在设计时需用疲劳极限进行强度计算。

在断裂的零件中，绝大多数是交变负荷下工作的，如往复机的曲轴，各种机器的主轴、齿轮、弹簧等。

它们的主要破坏形式是疲劳断裂，而且疲劳断裂中大多数是突然发生的，通常所承受的应力也小于材料的屈服强度。

因此，疲劳断裂具有很大的危险性。

材料的疲劳极限是材料机械性能中最敏感的性能之一。

受各种内因和外因的影响。

例如工作时的负荷性质、环境温度和介质；零件的几何尺寸、表面加工的质量及处理；材料的化学成分、内部组织及缺陷等，都显著地影响疲劳极限。

为了提高机械零件的疲劳强度，除了根据强度要求正确选材外，合理地设计零件的结构形状，避免应力集中，提高零件的表面质量，避免各种损伤，以及采用表面淬火、化学热处理、喷丸处理等表面强化方法，都能不同程度地提高抗疲劳断裂的能力。

1.1.6断裂韧性金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。

断裂韧性与其他韧性一样，综合地反映了材料的强度和塑性。

按传统力学方法对零件进行强度设计时，以材料的屈服强度为依据，运用强度储备法确定零件的许用应力和工作应力。

照此设计的零件，一般认为是安全可靠的。

但是，一些用高强度钢和超高强度钢制造的零件，以及中、低强度钢制造的大型零件，在工作应力低于屈服强度的条件下，有时发生脆性断裂。

这种在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆断。

大量断裂事故分析表明：零件的低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的。

为了防止低应力脆断事故发生，在选用材料时，应根据材料的断裂韧性指标，对零件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算，提出明确的数据要求。

1.2. 金属材料的其他性能1.2.1物理性能金属材料的物理性能，有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。

金属材料密度大于5的称为重金属；小于5的称为轻金属。

对于某些工业部门（如航空），密度对产品的重量具有重要的意义。

金属材料的熔点影响到材料的使用和制造工艺。

例如：电阻丝、锅炉零件、燃气轮机的喷嘴等，要求材料有高的熔点，保险丝则要求熔点低。

在制造工艺上，熔点低的共晶合金，流动性好，便于铸造成形。

金属材料的热膨胀性主要是指它的线膨胀系数。

热膨胀性会带来零件的变形、开裂及改变配合状态，从而影响机器设备的精度和使用寿命。

高精度的机床和仪器，要求在一定温度下加工和测量产品，就是考虑了这个因素。

金属材料的导热性影响加热和冷却的速度。

导热性差的材料在加热或冷却时，工件内外温差大，容易产生大的内应力。

当内应力大于材料的强度时，则会产生变形或裂纹。

金属材料的导电性和导磁性，对一些电机、电器产品是很重要的性能。

如铜、铝导线要求导电性好，镍铬合金的电阻丝则要求有大的电阻，变压器和电机的铁芯则采用磁性好的铁磁材料。

1.2.2化学性能金属材料的化学性能主要是指金属抵抗活泼介质的化学侵蚀能力。

在室温下金属材料抵抗周围介质（如大气、水气等）侵蚀的能力称为耐蚀性。

一般机器零件为了不被腐蚀，常用热镀或电镀金属、发兰处理、涂油漆、烧搪瓷、加润滑油等方法来进行保护。

在易腐蚀环境工作的重要零件，有时需采用不锈钢制造。

金属材料抵抗酸碱侵蚀的能力称为耐酸性。

在化工机械中受到酸碱盐等化学介质侵蚀的零件，则需采用耐酸钢制造。

金属材料在高温下保持足够的强度，并能抵抗氧或水蒸气侵蚀的能力称为耐热性。

在锅炉、汽轮机及化工、石油等设备上的一些零件，为了满足这一性能，需采用耐热不锈钢制造。

1.2.3工艺性能金属材料的工艺性能是反映金属材料在各种加工过程中，适应加工工艺要求的能力。

它是物理性能、化学性能和机械性能的综合表现。

工艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性等。

在机械设计和制造中，以及选择材料和工艺方法时，必须考虑材料的工艺性能。

1.2.4 铸造性能金属材料的铸造性能主要是指流动性、收缩性和产生偏析的倾向。

流动性是流体金属充满铸型的能力。

流动性好能铸出细薄精致的复杂铸件，能减少缺陷。

收缩性是指金属材料在冷却凝固中，体积和尺寸缩小的性能。

收缩是使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形、开裂的基本原因。

偏析是指金属材料在凝固时造成零件内部化学成分不均匀的现象。

它使零件各部分机械性能不一致，影响零件使用的可靠性。

1.2.5 可锻性金属材料的可锻性是指它是否易于锻压的性能。

可锻性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。

可锻性好的金属材料，不但塑性好，可锻温度范围宽，再结晶温度低，变形时不易产生加工硬化，而且所需的变形外力小。

如中、低碳钢，低合金等都有良好的可锻性，高碳钢、高合金钢的可锻性较差，而铸铁则根本不能锻造。

1.2.6 可焊性金属材料的可焊性是指金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。

对于易氧化、吸气性强、导热性好（或差）、膨胀系数大、塑性低的材料，一般可焊性差。

可焊性好的金属材料，在焊缝内不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷，同时焊接接头强度高。

如低碳钢具有良好的可焊性，而铸铁、高碳钢、高合金钢、铝合金等材料的可焊性则较差。

1.2.7 切削加工性金属材料的切削加工性是指它被切削加工的难易程度。

切削加工性好的材料，切削时消耗的能量少，刀具寿命长，易于保证加工表面的质量，切削易于折断和脱落。

金属材料的切削加工性与它的强度、硬度、塑性、导热性等有关。

如灰口铸铁、铜合金及铝合金等均有较好的切削加工性，而高碳钢的切削性能则较差。

1.2.8 热处理性金属材料在进行热处理时反映出来的性能，称为热处理性，如淬透性、淬硬性、淬火变形开裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。

这些热处理性能将在本书有关章节中讨论。

1.3.零件失效与金属材料性能的关系金属材料制造的各种机器零件（或构件）都具有一定的功能。

若在服役条件下失去了最初规定的功能，则称为失效。

零件失效是由于外界损害作用超过了材料抵抗损害能力的结果。

下面分别讨论零件失效的主要形式与金属材料性能之间的关系。

1.3.1过量变形各种机器零件受力后总要产生变形。

当变形量超过允许限度时，就会影响零件之间的配合关系，严重时可使零件最终失效，这种现象称为过量变形。

过量变形有下面两种情况：过量的弹性变形机器零件受力后发生的变形，总是存在弹性变形。

在多数情况下，机器零件的弹性变形不能太大，一般要限制过量的弹性变形，要求零件有足够的刚度。

如果零件的弹性变形超过了设计所允许的范围，将影响零件的使用，以致失效。

例如，镗床的镗杆发生过量的弹性变形，将影响加工的精度。

此外，零件有过量的弹性变形，还可能与其他零件相碰，或引起震动，对于薄壁零件甚至使整个结构丧失稳定。

实际生产中，制造弹簧等零件则要选用弹性材料，并要求材料的弹性模量小，弹性极限高，使之能产生较大的弹性变形。

材料弹性模量与比重的比值称为比模量。

是近代工程材料的一个重要参数。

例如铝的弹性模量小于钢，但它的比模量大于钢，因此被大量用作航空材料。

过量塑性变形零件卸载后不能恢复的变形都是塑性变形。

塑性变形产生后，零件在不受力的状态下，也会偏离设计的形状，这对一般机器来说是不允许的。

因此，过量塑性变形是机器零件失效的一种形式。

例如，齿轮发生塑性变形后，会啮合不好，甚至卡死、断齿。

塑性变形与材料本身的组织结构和外部各种因素都十分敏感。

不但材料的成分、组织结构不同，会有不同的塑性变形能力，而且温度、加载速度、表面状态和应力状况等外界条件也会对塑性变形能力产生很大的影响。

例如：室温下的塑性材料，在低温则可能呈脆性；静载下呈塑性的材料，在冲击负荷下，由于塑性变形速度滞后于加载速度而呈脆性；材料在单向拉伸时呈塑性，而在三向拉伸时则可能呈脆性。