第二讲 钢材的基本性能

第二讲钢材的基本性能
钢材的性能和质量是最终的产品质量,和使用寿命是密切相关的,下面来给大家介绍一下钢材的主要性能。

一、物理性能
所谓物理性能就是钢材的本质不发生变化所表现出来的性能,主要由以下几种：
1、密度
单位体积内材料的质量,叫做该材料的密度,密度的计算公式如下：ρ（密度）＝m（质量）／Ｖ（体积），对于大多数钢材而言，理论计算重量时，都按7.85g/cm3作为该钢材的密度,钢材理论重量计算公式如下：Ｗ（理论重量）＝Ｆ（钢材截面积）×Ｌ（钢材长度）×ρ（密度）．应当注意的是理论重量与实际重量有一定的出入，只能作为参考。

另外还有钢材质量的简单计算方式，也请大家记一下：圆钢：Ｗ＝6.17×直径2；方钢：Ｗ＝7.85×边长2；扁钢：Ｗ＝7.85×宽度×长度。

2、热膨胀性
钢材在受热时体积增大，冷却时收缩的性能称为热膨胀性。

热膨胀性的大小，一般用线膨胀系数α表示。

α值越大，钢材的尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。

线膨胀系数的计算式如下：α＝（l2-l1）/L1t，α线膨胀系数，10-6/℃；t升高的温度。

l1钢材膨胀前的长度cm，l2膨胀后的长度cm。

3、熔点
钢材由固态溶解成液态时的温度，纯铁的熔点为1534℃。

4、导电性
钢材传导电流的能力。

5、导热性
金属传导热的能力。

二、化学性能
指钢材在室温和高温条件下，抵抗外界介质对它的化学侵蚀的能力。

1．抗氧化性：
钢材在室温或高温下抵抗氧化的能力。

Fe＋O2＝Fe2O3，氧化过程会随着温度的的提高而加速，所以在高温下工作的零件用钢材应有很好的抗氧化性。

2．耐腐蚀性：
钢材抵抗周围介质（大气、水蒸气、有害气体、酸、碱、盐等）的腐蚀能力，最常见的钢铁生锈。

3．化学稳定性：
是上述两种的总称，钢材在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。

三、力学能力
钢材抵抗外力作用的能力，力学性能是衡量钢材质量好坏的最重要指标之一。

1．强度
指钢材在外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力，分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度五种，一般情况下多以抗拉强度作为判别钢材强度高低的指标。

钢材受外力作用下发生变形，当外力消除后，钢材又能恢复到原来形状的能力叫做弹性，在弹性下发生的形变叫做弹性变形。

钢材受外力后表现的规律是：首先发生弹性变形，然后是塑性变形，最后是裂纹形成的扩展，直至断裂，三个物理过程是连续进行的，当前一个过程发展到极限程度，后一个过程便随之发生。

衡量钢材强度的指标也有三个：弹性模量、屈服强度和抗拉强度。

它们都表示钢材抵抗变形和破坏的能力，都是通过拉伸试验测定的。

拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试样断裂。

根据测得的数据，即可得出有关的力学性能。

1）弹性模量（E）
在弹性范围内物体的应力和应变量成正比，其比例系数即为弹性模量。

弹性模量的计算公式是：ζ＝Ｅε或ζ＝Ｅ×ΔＬ／Ｌo，ζ引起变形的正应力，ε相对伸长率或称应变，Ｅ弹性模量，对钢而言Ｅ＝20720N/mm2。

2）屈服强度（或屈服点）
钢材产生屈服现象时的最小应力。

屈服现象就是指材料在承受外力时，当外力不再增加，但材料仍然发生塑性形变的现象。

其计算方法如下：ζs＝Ｆs／Ｓo，
ζs屈服强度，Ｆs材料屈服时的载荷，Ｓo试样原始截面积。

应当指出的是，只有强度较低的低碳和中碳钢才有明显的屈服现象，对某些在拉伸试验时无明显屈服现象的钢材，国家标准规定以试样产生Ｌo的0.2％塑性变形时的应力作为条件屈服强度，用ζ0.2表示，其计算公式如下：ζ0.2＝Ｆ0.2／Ｓo，Ｆ0.2试样产生0.2％Ｌo塑性变形时的载荷Ｎ。

３）抗拉强度
钢材在拉断前所抵抗的最大外力（Ｆo）的能力，用ζb表示，其计算公式如下：ζb＝Ｆb／Ｓo，Ｆb最大外力（或最大载荷）Ｎ，Ｓo试样原始截面积mm2，任何工件在工作时决不允许承受的应力达到抗拉强度的极限，否则工件将会发生断裂，造成设备严重失效，所以ζb是一个标志钢材质量的重要指标。

２．塑性
钢材在载荷（外力）作用下，断裂前经受永久变形的能力，钢材受力所产生的永久形变，就叫塑性形变。

钢材的塑性也是通过拉伸试验来制定的，判断塑性主要是以下两个指标来表示：
１）断后伸长率δ或延伸率
试样受外力被拉断后，断后标距的残余伸长（Ｌv－Ｌo）与原始实验标距（Ｌo）比值的百分率，其计算公式如下：δ＝（Ｌv－Ｌo）／Ｌo×100％，必须说明，试样长短不同，测得的伸长率是不同的，通常短试样测出的伸长率大于长试样的结果。

２）断面收缩率ψ
试样受外力被拉断后，试样断裂处横截面积的最大减少量（Ｓo－Ｓv）与原始横截面积Ｓo之比的百分率称为断面收缩率，其计算公式如下：ψ＝（Ｓo－Ｓv）／Ｓo×100％，Ｓo试样原始横截面积，Ｓv试样拉断后断面处最小横截面积。

钢材的延伸率δ和断面收缩率ψ越大，其塑性越好，所以δ和ψ都是评定钢材质量的重要指标。

钢材塑性的好坏，对工件的加工十分重要。

塑性好的钢材容易进行冲压、轧制、焊接和锻造，通塑性变形可以加工制造各种复杂形状的零件，而且工艺过程
简单，质量容易保证。

另外，塑性好的零件在使用时，万一超载也能由于苏醒变形而避免突然断裂。

３．硬度
材料抵抗硬的物体压入或刻划的能力。

硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标，也是模具钢最重要的性能，模具的热处理质量和使用性能通常以硬度作为判断的依据。

所以，硬度是钢铁材料最重要的力学性能指标。

根据试验方法的不同，硬度分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度等。

１）布氏硬度
布氏硬度试验方法的基本原理是用一定大小的载荷Ｐ，把直径为Ｄ的圆球（通常为硬制合金）压入试样表面并保持一定时间，然后去除载荷，测量圆球在试样面上所压出的圆形压痕直径d，求出压痕面积所承受的压力，作为试样的硬度值。

压痕面积为Ｆ＝πＤh=πＤ(Ｄ-√Ｄ2-d2 )/2，试样硬度值为ＨＢ＝Ｐ／Ｓ＝２Ｐ／πＤ(Ｄ-√Ｄ2-d2 )，式中，Ｐ载荷Ｎ，Ｄ钢球直径，d压痕直径。

试验后的压痕直径应符合Ｇ25Ｄ＜d＜a６Ｄ的规定，对于钢来说，一般规定使用的圆球直径为10mm，载荷Ｐ为3000k g，压入时间为10S。

测量布氏硬度采用的试验力大，球体直径大，压痕直径大，能够比较准确地反映出材料的平均性能，应用比较广泛。

但布氏硬度测量的时间较长，而且由于钢球的变形，不能测试比较硬的材料，当硬度HB＞450时就不能使用，又因为压痕较大，不适于测量成品工件或薄的工件。

2）洛氏硬度
对大多数调质钢尤其是模具钢而言，最常用的是洛氏硬度。

洛氏硬度也是一种压入式硬度试验法，不同于布氏硬度的是以测量压痕深度作为被测材料。

采用120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的钢球，先预加载荷P1压入深度为h1，目的是为了消除试样表面不光滑而造成的误差，再加主载荷P2，在总载荷P 的作用下，压头压深为h1，然后去除主载荷P2，由于试样弹性形变的恢复，压头回升h2的深度到h的位置。

洛氏硬度就是用h的值来衡量材料的硬度。

刚才越硬，压痕深度h越小，为了适应人们对硬度值越大，材料越硬的常规看法，在表示洛氏硬度时，引进一个常数K，洛氏硬度HR可表示为HR＝Ｋ－h／0.002，K
值随压头的材质不同而变，金刚石压头时，K=0.2mm，使用钢球时，K=0.26mm。

为了测量各种硬度，采用三种不同压头的三种硬度HRA、HRB和HRC，如下表表示：
洛氏硬度试验规范
洛氏分类压头类型预载荷N 总载荷N 表盘刻度应用范围HRA 120°金刚石圆锥98 588 黑色70*85 HRB 1.588mm直径钢球98 980 红色25-100 HRC 120°金刚石圆锥98 1470 黑色20-67 以上三种方法中，最常用的是HRC表示方法。

洛氏硬度测量的硬度范围比较大，可以用来测量最硬的金属材料，也可以用来测量最软的金属材料，试验后试样表面压痕小，故可测量成品工件和薄的工件。

但由于压痕压缩较小，对内部组织不均匀的材料，硬度数据波动较大，测量的数值代表性差，通常需要在不同的部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。

3）维氏硬度（HV）
维氏硬度试验采用布氏硬度的原理，不同的是将钢球换成了正四棱锥金刚石压头，压头夹角为136°。

试验时，在载荷P的作用下，试样表面压出一个四方锥形压痕，去压痕面对角线长度的平均值d计算压痕面积F，以P/F的数值来表示被测试试样的硬度。

F=d/2S=d/1.8544维氏硬度HV=P/F=1.8544P/d
维氏硬度因试验时所加试验力小，压入深度较浅，适于测量较薄的材料，也可测量表面渗碳，渗氮层的硬度。

因为维氏硬度具有连续性，故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度（10HV-1000HV），且准确性高。

维氏硬度试验测量压痕对角线的长度比较烦琐，压痕小，对实验表面质量要求很高。

4．冲击韧性
钢材抵抗冲击载荷作用不被破坏的能力。

衡量金属材料冲击韧性的指标称为冲击韧度值，用aK表示。

试样一般有10*10*55U型缺口和V型缺口两种。

试验时，将试样放在试验机的支架上，试样的缺口背向冲击方向。

将重量为G的重锤放到规定高度H1，然后使其自由落下，将试样冲断后继续向前摆动到H2的高度。

重锤冲断试样所失去的能量就是使试样破断所做的功，称为冲击功，
用符号Ak表示，其计算公式如下：Ak=GH1-GH2，冲击功Ak与试样缺口处截面积So，即可得到钢材的冲击强度。

ak=Ak/So。

冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好，因为机械零件或工件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，制造这些工件，必须考虑材料的冲击韧性。