1金属材料的种类与力学性能

第一讲金属材料的种类与力学性能于文强讲授各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。

工程材料分金属材料、非金属材料以及复合材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。

一.金属材料的种类金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其含有金属、半金属或非金属的合金。

由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的加工方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料。

工业上通常把金属材料分为两大类：一类是黑色金属，它是指铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金——钢和铸铁应用最广，占整个结构和工具材料的80%以上；另一类是有色金属，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。

这两类材料还可进一步细分为图1.1所示的系列。

金属材料黑色金属有色金属白口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁特殊性能铸铁合金钢铸铁钢碳素钢轻金属（密度小于3.5g/cm2）：如铝、镁、钠、钙重金属（密度大于3.5g/cm2）：如铜、镍、锡、铅、锌贵金属：如金、银、铂、铑、铱稀有金属：如锆、铪、铌、钽、铍、铯、钛稀土金属：如钕、钪、钇放射性金属：如镭、铀、钍图1.1 不同系列的金属材料二. 金属材料的性能金属材料的性能包括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应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。

工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。

1.力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。

这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。

1）强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。

根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。

在使用中一般多以抗拉强度作为基本的强度指标，常简称为强度。

强度单位为MPa(MN/m2)。

材料的强度、塑性依据国家标准(GB 6397—1986)通过静拉伸试验测定。

（1）拉伸试样拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。

图1.1.1(a)所示为圆柱形拉伸试样。

在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，ℓ0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样（ℓ0=10d0）和短试样（ℓ0=5d0）。

图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线a)拉伸试样b) 拉伸曲线（2）拉伸曲线试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,随后缓慢地增加载荷,随着载荷的增加，试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。

在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量Δℓ，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。

拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。

图1.1.1(b)为低碳钢的拉伸曲线。

由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

①弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σe 表示：式中Fe ——试样产生弹性变形时所承受的最大载荷；Ao ——试样原始横截面积。

②屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度，用符号σs 表示：式中Fs ——试样屈服时的载荷；Ao ——试样原始横截面积。

e A F e =σ0A F s s =σ生产中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs。

所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时,材料承受的应力称为“条件屈服强度”,并以符号σ0.2表示。

σ0.2的确定方法如图1.1.2所示：在拉伸曲线横坐标上截取C点，使OC=0.2%ℓ0，过C点作OP斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2,从而计算出σ0.2。

图1.1.2屈服强度测定③抗拉强度（又称强度极限）金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb 表示：式中Fb ——试样在断裂前的最大载荷；Ao ——试样原始横截面积。

脆性材料没有屈服现象，则用σb 作为设计依据。

F 0A bb =σ0A F b b =σ2）塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。

常用的塑性指标有伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）。

（1）伸长率试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用δ表示：式中l——试棒原始标距长度(mm)；l——试棒受拉伸断裂后的标距长度(mm)。

材料的伸长率随标距长度增加而减少。

所以，同一材料短试样的伸长率δ5大于长试样的伸长率δ10。

100%l llδ-=⨯（2）断面收缩率试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用ψ表示：式中——试棒原始截面积(mm2)；——试棒受拉伸断裂后的截面积(mm2)。

δ、ψ是衡量材料塑性变形能力大小的指标，δ、ψ大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。

金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。

塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。

00100%A A A ψ-=⨯3）硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。

它是指金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。

目前生产上应用最广的静负荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

（1）布氏硬度布氏硬度试验原理如图1.1.3所示。

它是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。

布氏硬度值HBS 或HBW 是试验力F 除以压痕球形表面积所得的商，即：)(/2102.0/)(22d D D D F A F HBW HBS --⨯==π式中：F—压入载荷(N)；A—压痕表面积(mm2)；d—压痕直径(mm)；D—淬火钢球(或硬质合金球)直径(mm)；布氏硬度值的单位为MPa,一般情况下可不标出；图1.1.3布氏硬度实验原理图压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料；压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬度值在650以下的材料。

符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：①球体直径；②试验力；③试验力保持时间(10～15s不标注)。

例如：125HBSl0/1000/30表示用直径10mm淬火钢球在1000×9.8N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125；500HBW5／750表示用直径5mm硬质合金球在750×9.8N试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值为500。

（2）洛氏硬度以顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头,以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值。

如图1.1.4所示当载荷和压头一定时，所测得的压痕深度h(h3-h1)愈大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。

为此，用一个常数K(对HRC,K为0.2；HRB，K为0.26)减去h，并规定每0.002mm深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是：根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度：HRA、HRB、HRC，常用HRC，其有效值范围是20-67HRC。

图1.1.4洛氏硬度实验原理图（3）维氏硬度维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角 为136°的正四棱锥体，如图1.1.5所示。

图1.1.5维氏硬度实验原理图4）冲击韧性生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。

试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。

因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。

目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验。

将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向(图1.1.6)，把质量为m的摆锤提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断,并升到h2高度。

因此冲断试样所消耗的功为Ak=mg(h1-h2)。

金属的冲击韧性ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功即：a k=A k/A(J/cm2)——冲击韧性(J/cm2)；式中akA——试样缺口处原始截面积(cm2)；A k——冲断试样所消耗的功(J)。

图1.1.6冲击试验原理5．疲劳强度许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。

虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度,但在长时间运转后也会发生断裂,这种现象叫疲劳断裂。

它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形,因此,具有更大的危险性。

交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述（图1.1.7）。

疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。

光滑试样的对称弯曲疲劳极限用σ-1表示。

在疲劳强度的测定中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。

常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。

疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹；钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳强度下降。

为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。

图1.1.7钢的疲劳曲线2.物理、化学性能性能1）物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等、由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同、例如，飞机零件常选用密度较小的铝、镁、钛合金来制造；设计电动机、电器零件时?常要考虑金属材料的导电性、磁性等、金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。

例如，高速钢导热性较差，锻造加热时应采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材料的导热性对切削刀具温升也有重要影响。

又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料均有很大的不同。

2）化学性能金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等对于在腐蚀性介质中或在高温下工作的机器零件，由于比在空气中或室温时的腐蚀更为强烈，故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，采用化学稳定性良好的合金。