金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。（注：金屬氧化物（如氧化鋁）不屬于金屬材料）

種類

金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

（1）黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵，含碳小于 2%的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、不銹鋼、精密合金（精密合金是立承德的特色產(chǎn)品，廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金）等。

（2）有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強度和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的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(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。

性能

一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。

所謂使用性能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。在機械制造業(yè)中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非常強烈腐蝕性介質(zhì)中使用的，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為力學(xué)性能（過去也稱為機械性能）。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計和選材時的主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等），對金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。

金屬材料特質(zhì)

1.疲勞

許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的特點是：

（1）載荷應(yīng)力是交變的；

（2）載荷的作用時間較長；

（3）斷裂是瞬時發(fā)生的；

（4）無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

（1）高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破

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)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000~100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(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)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，所造成的疲勞破壞。

（4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

（5）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

2.塑性

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形（塑性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長度的伸長（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個指標(biāo)來衡量。

金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的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的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強化，從而提高材料的強度，保證了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機械零件時，必須滿足一定的塑性指標(biāo)。

3.耐久性

建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)：

（1）均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚度減損值作為腐蝕性能的指標(biāo)（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。

（2）孔蝕。金屬腐蝕呈點狀并形成深坑?？孜g的產(chǎn)生與金屬的本性及其所處介質(zhì)有關(guān)。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕?？孜g常用最大孔深作為評定指標(biāo)。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。

（3）電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的腐蝕。

（4）縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位間介質(zhì)的組分和濃度的差異所引起的局部腐蝕。

（5）應(yīng)力腐蝕。在腐蝕介質(zhì)和較高拉應(yīng)力共同作用下，金屬表面產(chǎn)生腐蝕并向內(nèi)擴展成微裂紋，常導(dǎo)致突然破斷?；炷林械母邚姸蠕摻睿ㄤ摻z）可能發(fā)生這種破壞。

4.硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

布氏硬度（HB）：以一定的載荷（一般3000kg）把一定大?。ㄖ睆揭话銥?0mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，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/mm2）。

洛氏硬度（HR）：當(dāng)HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗壓力組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。常用的洛氏硬度標(biāo)尺是A,B,C三種（HRA、HRB、HRC）。其中C標(biāo)尺應(yīng)用最為廣泛。

HRA：是采用60kg載荷鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質(zhì)合金等）。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。

維氏硬度（HV）：以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值（HV）。硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產(chǎn)上需要一個比較準(zhǔn)確的硬度和強度的換算關(guān)系。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。

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。

1.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…）。

（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：

1.1.強度

這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，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最大應(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最高點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。

（2）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限時，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最大應(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為保持彈性時的最大外力（或者說材料最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）。

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的最大能力稱為塑性，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，例如最常用的圓截面試樣，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與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實用中對于最常用的圓截面試樣通常可通過直徑測量進行計算：ψ=[1-（D1/D0）2]x100%，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑。δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。

1.3.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（裂紋尖端處應(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)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力作為疲勞強度極限，用σ-1表示，單位MPa。除了上述五種最常用的力學(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)定值時的最大應(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，達到規(guī)定的持續(xù)時間而不斷裂的最大應(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?；蛘哂茫罕硎?，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。

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.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。

（3）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。

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小），允許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。

（3）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。

（4）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。

金屬材料、金屬制品行業(yè)發(fā)展前景

金屬制品行業(yè)包括結(jié)構(gòu)性金屬制品制造、金屬工具制造、集裝箱及金屬包裝容器制造、集裝箱、不銹鋼及類似日用金屬制品制造，船舶及海洋工程制造等。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的生活各個領(lǐng)域的運用越來越廣泛，也給社會創(chuàng)造越來越大的價值。

金屬制品行業(yè)在發(fā)展過程中也遇到一些困難，例如技術(shù)單一，技術(shù)水平偏低，缺乏先進的設(shè)備，人才短缺等，制約了金屬制品行業(yè)的發(fā)展。為此，可以采取提高企業(yè)技術(shù)水平，引進先進技術(shù)設(shè)備，培養(yǎng)適用人才等提高中國金屬制品業(yè)的發(fā)展。

（文章來源于：熱處理生態(tài)圈）