金屬材料知識大全

1、概述金屬材料就是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成得具有金屬特性得材料得統(tǒng) 稱.包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物與特種金屬材料等.注：金屬氧化物如氧化鋁不屬于金屬材料1、意義人類文明得開展與社會得進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切.繼石器時(shí)代之后出 現(xiàn)得銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代,均以金屬材料得應(yīng)用為其時(shí)代得顯著標(biāo)志.現(xiàn)代,種 類繁多得金屬材料已成為人類社會開展得重要物質(zhì)根底.2、種類金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬與特種金屬材料.1黑色金屬又稱鋼鐵材料,包括含鐵 90%以上得工業(yè)純鐵,含碳2% 4%得鑄鐵,含碳小于2 %得碳鋼,以及各種用途得結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、 高溫合金、不銹鋼、精密合金等.廣義得

2、黑色金屬還包括銘、鈕及其合金.2有色金屬就是指除鐵、銘、鈕以外得所有金屬及其合金 ,通常分為輕金 屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬與稀土金屬等.有色合金得強(qiáng)度與硬 度一般比純金屬高,并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小.3特種金屬材料包括不同用途得結(jié)構(gòu)金屬材料與功能金屬材料.其中有通 過快速冷凝工藝獲得得非晶態(tài)金屬材料,以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等 ； 還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬 基復(fù)合材料等.3、性能一般分為工藝性能與使用性能兩類.所謂工藝性能就是指機(jī)械零件在加工制 造過程中,金屬材料在所定得冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來得性能.金屬材料工藝 性能得好壞,決

3、定了它在制造過程中加工成形得適應(yīng)水平.由于加工條件不 同,要求得工藝性能也就不同,如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切 削加工性等.所謂使用性能就是指機(jī)械零件在使用條件下,金屬材料表現(xiàn)出來得性能,它 包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等.金屬材料使用性能得好壞,決定了它 得使用范圍與使用壽命.在機(jī)械制造業(yè)中,一般機(jī)械零件都就是在常溫、常壓與 非常強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用得,且在使用過程中各機(jī)械零件都將承受不同載荷 得作用.金屬材料在載荷作用下反抗破壞得性能,稱為力學(xué)性能過去也稱為機(jī)械性能.金屬材料得力學(xué)性能就是零件得設(shè)計(jì)與選材時(shí)得主要依據(jù).外加載荷 性質(zhì)不同例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷

4、等,對金屬材料要求得 力學(xué)性能也將不同.常用得力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多 次沖擊抗力與疲勞極限等.金屬材料特質(zhì)1、疲勞許多機(jī)械零件與工程構(gòu)件,就是承受交變載荷工作得.在交變載荷得作用下, 雖然應(yīng)力水平低于材料得屈服極限,但經(jīng)過長時(shí)間得應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后,也會發(fā)生忽然脆性斷裂,這種現(xiàn)象叫做金屬材料得疲勞.金屬材料疲勞斷裂得特點(diǎn) 就是：(1)載荷應(yīng)力就是交變得；(2)載荷得作用時(shí)間較長；(3)斷裂就是瞬時(shí)發(fā)生得；(4 )無論就是塑性材料還就是脆性材料,在疲勞斷裂區(qū)都就是脆性得.所以 , 疲勞斷裂就是工程上最常見、最危險(xiǎn)得斷裂形式.金屬材料得疲勞現(xiàn)象,按條件不同可分為以下幾種：(

5、1 )高周疲勞：指在低應(yīng)力(工作應(yīng)力低于材料得屈服極限,甚至低于彈性 極限)條件下,應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100 00 0以上得疲勞.它就是最常見得一種 疲勞破壞.高周疲勞一般簡稱為疲勞.(2)低周疲勞：指在高應(yīng)力(工作應(yīng)力接近材料得屈服極限)或高應(yīng)變條件 下,應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在1000 010000 0以下得疲勞.由于交變得塑性應(yīng)變在這 種疲勞破壞中起主要作用,因而,也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞.(3)熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生得熱應(yīng)力得反復(fù)作用,所造成得疲勞破 壞.(4)腐蝕疲勞：指機(jī)器部件在交變載荷與腐蝕介質(zhì)(如酸、堿、海水、活性 氣體等)得共同作用下,所產(chǎn)生得疲勞破壞.(5)接觸疲勞：這就是指機(jī)器零

6、件得接觸外表,在接觸應(yīng)力得反復(fù)作用下,出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落或外表壓碎剝落,從而造成機(jī)件失效破壞.2、塑性塑性就是指金屬材料在載荷外力得作用下,產(chǎn)生永久變形(塑性變形)而不被 破壞得水平.金屬材料在受到拉伸時(shí),長度與橫截面積都要發(fā)生變化,因此,金 屬得塑性可以用長度得伸長(延伸率)與斷面得收縮 (斷面收縮率)兩個(gè)指標(biāo)來 衡量.金屬材料得延伸率與斷面收縮率愈大,表示該材料得塑性愈好,即材料能承 受較大得塑性變形而不破壞.一般把延伸率大于百分之五得金屬材料稱為塑性材 料(如低碳鋼等),而把延伸率小于百分之五得金屬材料稱為脆性材料(如灰口 鑄鐵等).塑性好得材料,它能在較大得宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,并在塑性變

7、 形得同時(shí)使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化,從而提升材料得強(qiáng)度,保證了零件得安 全使用.止匕外,塑性好得材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工,如沖壓、冷彎、冷拔、校直等.因此,選擇金屬材料作機(jī)械零件時(shí) ,必須滿足一定得塑性指標(biāo).3、耐久性建筑金屬腐蝕得主要形態(tài):1均勻腐蝕.金屬外表得腐蝕使斷面均勻變薄.因此 ,常用年平均得厚 度減損值作為腐蝕性能得指標(biāo)腐蝕率.鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕.2孔蝕.金屬腐蝕呈點(diǎn)狀并形成深坑.孔蝕得產(chǎn)生與金屬得本性及其所處介 質(zhì)有關(guān).在含有氯鹽得介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕.孔蝕常用最大孔深作為評定指標(biāo).管 道得腐蝕多考慮孔蝕問題.3電偶腐蝕.不同金屬得接觸處,因所具不同電位而產(chǎn)生得腐

8、蝕.4縫隙腐蝕.金屬外表在縫隙或其她隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位間介 質(zhì)得組分與濃度得差異所引起得局部腐蝕.5應(yīng)力腐蝕.在腐蝕介質(zhì)與較高拉應(yīng)力共同作用下,金屬外表產(chǎn)生腐蝕 并向內(nèi)擴(kuò)展成微裂紋,常導(dǎo)致忽然破斷.混凝土中得高強(qiáng)度鋼筋鋼絲可能發(fā) 生這種破壞.4、硬度硬度表示材料反抗硬物體壓入其外表得水平.它就是金屬材料得重要性能指 標(biāo)之一.一般硬度越高,耐磨性越好.常用得硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度與 維氏硬度.布氏硬度HB:以一定得載荷一般3000kg把一定大小直徑一般為 10mnj得淬硬鋼球壓入材料外表,保持一段時(shí)間,去載后,負(fù)荷與其壓痕面積 之比值,即為布氏硬度值HB,單位為公斤力/mm2 N

9、/mm2.洛氏硬度HR :當(dāng)HB450或者試卞過小時(shí),不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用 洛氏硬度計(jì)量.它就是用一個(gè)頂角 120.得金剛石圓錐體或直徑為1、59、3、 18mmi鋼球,在一定載荷下壓入被測材料外表,由壓痕得深度求出材料得硬 度.根據(jù)試驗(yàn)材料硬度得不同,可采用不同得壓頭與總試驗(yàn)壓力組成幾種不同得 洛氏硬度標(biāo)尺,每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明.常用得洛氏硬度標(biāo)尺就是A,B, C三種HRA HRB HRC其中C標(biāo)尺應(yīng)用最為廣 泛.HRA:就是采用6 0kg載荷鉆石錐壓入器求得得硬度,用于硬度極高得材料 如硬質(zhì)合金等.HRB就是采用10 0 kg載荷與直徑1、58mm?硬得

10、鋼球,求得得硬度,用于 硬度較低得材料如退火鋼、鑄鐵等.HRC :就是采用1 50kg載荷與鉆石錐壓入器求得得硬度,用于硬度很高得材 料如淬火鋼等.維氏硬度HV:以1 20kg以內(nèi)得載荷與頂角為136得金剛石方形錐壓入 器壓入材料外表,用材料壓痕凹坑得外表積除以載荷值,即為維氏硬度值 H 明.硬度試驗(yàn)就是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡單易行得一種試驗(yàn)方法.為了能用硬度 試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn),生產(chǎn)上需要一個(gè)比擬準(zhǔn)確得硬度與強(qiáng)度得換算關(guān) 系.實(shí)踐證實(shí),金屬材料得各種硬度值之間,硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似得 相應(yīng)關(guān)系.由于硬度值就是由起始塑性變形抗力與繼續(xù)塑性變形抗力決定得, 材料得強(qiáng)度越高,塑性變形抗力越

11、高,硬度值也就越高.金屬材料得性能金屬材料得性能決定著材料得適用范圍及應(yīng)用得合理性.金屬材料得性能主 要分為四個(gè)方面,即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能.1、機(jī)械性能一應(yīng)力得概念,物體內(nèi)部單位截面積上承受得力稱為應(yīng)力.由外力作用 引起得應(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)部得應(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)束后留存下來得剩余應(yīng)力.二機(jī)械性能,金屬在一定溫度條件下承受外力 載荷作用時(shí),反抗變形與 斷裂得水平稱為金屬材料得機(jī)械性能也稱為力學(xué)性能 .金屬材料承受得載荷 有多種形式,它可以就是靜態(tài)載荷,也可以就是動態(tài)載荷,包括單獨(dú)或同時(shí)承受 得拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲

12、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(jī)械性能得指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)：1、1、強(qiáng)度這就是表征材料在外力作用下反抗變形與破壞得最大水平,可分為抗拉強(qiáng)度極 限r(nóng)b、抗彎強(qiáng)度極限r(nóng)bb、抗壓強(qiáng)度極限r(nóng)bc等.由于金屬材料在外 力作用下從變形到破壞有一定得規(guī)律可循,因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定,即把金屬材料制成一定規(guī)格得試樣,在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸,直至試樣斷裂,測 定得強(qiáng)度指標(biāo)主要有：1 強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能反抗斷裂得最大應(yīng)力,一般指拉力作用下 得抗拉強(qiáng)度極限,以b表示,如拉伸試驗(yàn)曲線圖中最高點(diǎn) b對應(yīng)得強(qiáng)度極限, 常用單位為兆帕MPsj,換算關(guān)系有：1MPa4

13、N/m2=9 8-1kg f/mn2或 1kgf /mni =9、8MPk.2屈服強(qiáng)度極限：金屬材料試樣承受得外力超過材料得彈性極限時(shí),雖 然應(yīng)力不再增加,但就是試樣仍發(fā)生明顯得塑性變形,這種現(xiàn)象稱為屈服,即 材料承受外力到一定程度時(shí),其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯得塑性變 形.產(chǎn)生屈服時(shí)得應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限,用s表示,相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖 中得S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn).對于塑性高得材料,在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯得屈服 點(diǎn),而對于低塑性材料那么沒有明顯得屈服點(diǎn),從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)得外力求出 屈服極限.因此,在拉伸試驗(yàn)方法中,通常規(guī)定試樣上得標(biāo)距長度產(chǎn)生 0、2%塑 性變形時(shí)得應(yīng)力作為條件屈服極限,用6

14、0、2表示.屈服極限指標(biāo)可用于要求 零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形得設(shè)計(jì)依據(jù).但就是對于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比即6s/ 7 b要小,以提升其平安可靠性,不過此時(shí)材料得利用 率也較低了.3彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形,但就是去除外力后仍能恢復(fù) 原狀得水平稱為彈性.金屬材料能保持彈性變形得最大應(yīng)力即為彈性極限,相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中得c點(diǎn),以66表示,單位為兆帕MPaj :re=Pe/Fo式中 Pe為保持彈性時(shí)得最大外力或者說材料最大彈性變形時(shí)得載荷.4彈性模數(shù)：這就是材料在彈性極限范圍內(nèi)得應(yīng)力6與應(yīng)變6 與應(yīng)力 相對應(yīng)得單位變形量之比,用E表示,單位兆帕MPa :E=/ 6=tg

15、a式中 a為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x得夾角.彈性模數(shù)就是反映金屬材 料剛性得指標(biāo)金屬材料受力時(shí)反抗彈性變形得水平稱為剛性.1、2、塑性金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞得最大水平稱為塑性,通常 以拉伸試驗(yàn)時(shí)得試樣標(biāo)距長度延伸率6 %內(nèi)試樣斷面收縮率也延伸率6=L1-L0/L0 X100%,這就是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對合起來 后得標(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(shí)際試 驗(yàn)時(shí),同一材料但就是不同規(guī)格直徑、截面形狀一例如方形、圓形、矩形以及 標(biāo)距長度得拉伸試樣測得得延伸率會有不同,因此一般需要特別加注,例如最 常用得圓截面試樣,其初始標(biāo)距長度為試

16、樣直徑5倍時(shí)測得得延伸率表示為6 5 ,而初始標(biāo)距長度為試樣直徑10倍時(shí)測得得延伸率那么表示為6 10.斷面收縮 率巾=F 0-F 1 /F0x100 % ,這就是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積 F0 與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差斷面縮減量與F0之比.實(shí)用中對于最常用 得圓截面試樣通常可通過直徑測量進(jìn)行計(jì)算：巾=1- D1/D0 2 X100%式 中：D0-試樣原直徑；D 1 -試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑.6與巾值越大 ,表 明材料得塑性越好.1、3、韌性金屬材料在沖擊載荷作用下反抗破壞得水平稱為韌性.通常采用沖擊試驗(yàn), 即用一定尺寸與形狀得金屬試樣在規(guī)定類型得沖擊試驗(yàn)機(jī)上承受沖擊載荷而折

17、 斷時(shí),斷口上單位橫截面積上所消耗得沖擊功表征材料得韌性：ak=Ak /F單位J/cm2或K g - m/cm2,1Kg - m/cm2 = 9、8J/cm 2 a k 稱作金屬材料得沖擊韌 性,Ak為沖擊功,F為斷口得原始截面積.5、疲勞強(qiáng)度極限金屬材料在長期得 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(qiáng)度6S,未經(jīng)顯 著變形就發(fā)生斷裂得現(xiàn)象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂 ,這就是由于多種原因使得零 件外表得局部造成大于7 S甚至大于7 b得應(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)得增加,使裂紋逐漸擴(kuò)展加深裂 紋尖端處應(yīng)力集中導(dǎo)致該局部處承受應(yīng)力得實(shí)際截面積減

18、小,直至局部應(yīng)力大 于7 b而產(chǎn)生斷裂.在實(shí)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)定得周期數(shù)內(nèi)一般對鋼取1 0610 7次,對有色金屬取108次不發(fā)生斷裂所能承受得最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度極 限,用6一1表示,單位M Pa.除了上述五種最常用得力學(xué)性能指標(biāo)外,對一些 要求特別嚴(yán)格得材料,例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用得金屬材料,還會要求下述一些力學(xué)性能指標(biāo)：蠕變極限：在一定溫度與恒定拉伸載荷下,材料 隨時(shí)間緩慢產(chǎn)生塑性變形得現(xiàn)象稱為蠕變.通常采用高溫拉伸蠕變試驗(yàn),即在恒定溫度與恒定拉伸載荷下,試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)得蠕變伸長率總伸長或剩余伸 長或者在蠕變伸

19、長速度相對恒定得階段,蠕變速度不超過某規(guī)定值時(shí)得最大 應(yīng)力,作為蠕變極限,以表示,單位MP a,式中為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,t為溫度, 6為伸長率,6為應(yīng)力；或者以表示,V為蠕變速度.高溫拉伸持久強(qiáng)度極限： 試樣在恒定溫度與恒定拉伸載荷作用下,到達(dá)規(guī)定得持續(xù)時(shí)間而不斷裂得最大應(yīng) 力,以表示,單位MPa式中為才!續(xù)時(shí)間,t為溫度,為應(yīng)力.金屬缺口敏感 性系數(shù)：以Kp表示在持續(xù)時(shí)間相同高溫拉伸持久試驗(yàn)時(shí),有缺口得試樣與無 缺口得光滑試樣得應(yīng)力之比：式中為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,為缺口試樣得應(yīng)力,為光滑試樣得應(yīng)力.或者用：表示,即在相同得應(yīng)力作用下 ,缺口試樣持續(xù)時(shí)間與 光滑試樣持續(xù)時(shí)間之比.抗熱性：在高溫下材料對機(jī)

20、械載荷得抗力.2、化學(xué)性能金屬與其她物質(zhì)引起化學(xué)反響得特性稱為金屬得化學(xué)性能.在實(shí)際應(yīng)用中主 要考慮金屬得抗蝕性、抗氧化性又稱作氧化抗力,這就是特別指金屬在高溫時(shí) 對氧化作用得反抗水平或者說穩(wěn)定性,以及不同金屬之間、金屬與非金屬之 間形成得化合物對機(jī)械性能得影響等等.在金屬得化學(xué)性能中,特別就是抗蝕 性對金屬得腐蝕疲勞損傷有著重大得意義.3、物理性能金屬得物理性能主要考慮：1密度比重：P =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(shí)際應(yīng)用中,除了根據(jù)密度計(jì)算金屬零件得重量外,很重要得一點(diǎn) 就是考慮金屬得比強(qiáng)度強(qiáng)度b與密度P之比來幫助選材,以及與無損檢測 相關(guān)得聲學(xué)檢測中得聲阻抗密度p與聲速C得乘積與射線檢測中密度不同 得物質(zhì)對射線能量有不同得吸收水平等等.2熔點(diǎn)：金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時(shí)得溫度,對金屬材料得熔煉、熱加工 有直接影響,并與材料得高溫性能有很大關(guān)系.3熱膨脹性.隨著溫度變化,材料得體積也發(fā)生變化膨脹或收縮得現(xiàn)象 稱為熱膨脹,多用線膨脹系數(shù)衡量,亦即溫