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技術文章

金屬材料性能的基礎知識

金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機械性能、化學性能、物理性能、工藝性能。
一.機械性能
（一）應力的概念
物體內部單位截面積上承受的力稱為應力。由外力作用引起的應力稱為工作應力，在無外力作用條件下平衡于物體內部的應力稱為內應力（例如組織應力、熱應力、加工過程結束后留存下來的殘余應力…等等）。
（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（也稱為力學性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜態載荷，也可以是動態載荷，包括單獨或同時承受的拉伸應力、壓應力、彎曲應力、剪切應力、扭轉應力，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主要有以下幾項：
1.強度
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的*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，測定的強度指標主要有：

（1）強度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的*大應力，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*高點b對應的強度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa   σb=Pb/Fo
式中：Pb–至材料斷裂時的*大應力（或者說是試樣能承受的*大載荷）；Fo–拉伸試樣原來的橫截面積。

（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，雖然應力不再增加，但是試樣仍發生明顯的塑性變形，這種現象稱為屈服，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生明顯的塑性變形。產生屈服時的應力稱為屈服強度極限，用σs表示，相應于拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。


金屬材料的拉伸試驗曲線

σs=Ps/Fo  單位：兆帕（MPa） 式中：Ps –達到屈服點S處的外力（或者說材料發生屈服時的載荷）。
對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點，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，通常規定試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。

屈服極限指標可用于要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。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**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生變形，但是去除外力后仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的*大應力即為彈性極限，相應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*大外力（或者說材料*大彈性變形時的載荷）。

（4）彈性模數：這是材料在彈性極限范圍內的應力σ與應變δ（與應力相對應的單位變形量）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。
彈性模數是反映金屬材料剛性的指標（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。
2.塑性
金屬材料在外力作用下產生長久變形而不破壞的*大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）表示：
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距長度L1與試樣原始標距長度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格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標距長度）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*常用的圓截面試樣，其初始標距長度為試樣直徑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與斷口細頸處*小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實用中對于*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-試樣拉斷后斷口細頸處*小直徑。
δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。
3.硬度
金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，或者說是材料對局部塑性變形的抵抗能力。因此，硬度與強度有著一定的關系。根據硬度的測定方法，主要可以分為：
（1）布氏硬度（代號HB）
用一定直徑D的淬硬鋼球在規定負荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負荷的大小表示該試件的硬度：HB=P/F。在實際應用中，通常直接測量壓坑的直徑，并根據負荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。
布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定關系：σb≈KHB，K為系數，例如對于低碳鋼有K≈0.36，對于高碳鋼有K≈0.34，對于調質合金鋼有K≈0.325，…等等。
（2）洛氏硬度（HR）
用有一定頂角（例如120°）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負荷P作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下某個深度的壓痕。由 洛氏硬度機自動測量壓坑深度并以硬度值讀數顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根據壓頭與負荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種，其中以HRC為*常用。
洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下換算關系：HRC≈0.1HB。

除了*常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外，還有維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、顯微硬度以及里氏硬度（HL）。

這里特別要說明一下關于里氏硬度，這是目前*新穎的硬度表征方法，利用里氏硬度計進行測量，其檢測原理是：
里氏硬度計的沖擊裝置將沖頭從固定位置釋放，沖頭快速沖擊在試件表面上，通過線圈的電磁感應測量沖頭距離試件表面1毫米處的沖擊速度與反彈速度（感應為沖擊電壓和反彈電壓），里氏硬度值即以沖頭反彈速度和沖擊速度之比來表示：HL=(Vr/Vi)·1000
式中：HL-里氏硬度值；Vr-沖頭反彈速度；Vi-沖頭沖擊速度（注：實際應用裝置中是以沖擊裝置中的閉合線圈感應的沖擊電壓和反彈電壓代表沖擊速度和反彈速度）。


臺式硬度計
（照片來源：時代集團）
沖擊裝置的構造主要有內置彈簧（加載套管，不同型號的沖擊裝置有不同的沖擊能量）、導管、釋放按鈕、內置線圈與骨架、支撐環以及沖頭，沖頭主要采用金剛石、碳化鎢兩種極高硬度的球形（不同型號的沖擊裝置其沖頭直徑有不同）。
里氏硬度計的主機接收到沖擊裝置獲得的信號進行處理、計算，然后在屏幕上直接顯示出里氏硬度值，并且可以換算為常用的布氏、洛氏、維氏、肖氏硬度值，還可折算出材料的抗拉強度σb，還可以將測量結果儲存、直接打印輸出或傳送給計算機作進一步的數據處理。

應用范圍：里氏硬度計是一種便攜袖珍裝置，可應用于各種金屬材料、工件的表面硬度測量，特別是大型鍛鑄件的測量，其*大的特點是可以任意方向檢測，免去了普通硬度計對工件大小、測量位置等的限制。


時代集團里氏硬度計

 

4.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/cm2，1 Kg•m/cm2=9.8 J/cm2
αk稱作金屬材料的沖擊韌性，Ak為沖擊功，F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應力作用或交變應力作用下（應力一般均小于屈服極限強度σs），未經顯著變形就發生斷裂的現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的應力（應力集中），使該局部發生塑性變形或微裂紋，隨著反復交變應力作用次數的增加，使裂紋逐漸擴展加深（裂紋**處應力集中）導致該局部處承受應力的實際截面積減小，直至局部應力大于σb而產生斷裂。
在實際應用中，一般把試樣在重復或交變應力（拉應力、壓應力、彎曲或扭轉應力等）作用下，在規定的周期數內（一般對鋼取106~107次，對有色金屬取108次）不發生斷裂所能承受的*大應力作為疲勞強度極限，用σ-1表示，單位MPa。
除了上述五種*常用的力學性能指標外，對一些要求特別嚴格的材料，例如航空航天以及核工業、電廠等使用的金屬材料，還會要求下述一些力學性能指標：
蠕變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時間緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。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，試樣在規定時間內的蠕變伸長率（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定值時的*大應力，作為蠕變極限，以 表示，單位MPa，式中τ為試驗持續時間，t為溫度，δ為伸長率，σ為應力；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，達到規定的持續時間而不斷裂的*大應力，以  表示，單位MPa，式中τ為持續時間，t為溫度，σ為應力。
金屬缺口敏感性系數：以Kτ表示在持續時間相同（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力之比：   式中τ為試驗持續時間， 為缺口試樣的應力， 為光滑試樣的應力。
或者用： 表示，即在相同的應力σ作用下，缺口試樣持續時間  與光滑試樣持續時間  之比。
抗熱性：在高溫下材料對機械載荷的抗力。
……等等。
二.化學性能
金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際應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。
三.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。
在實際應用中，除了根據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的聲學檢測中的聲阻抗（密度ρ與聲速C的乘積）和射線檢測中密度不同的物質對射線能量有不同的吸收能力等等。
（2）熔點：
金屬由固態轉變成液態時的溫度，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系。
（3）熱膨脹性
隨著溫度變化，材料的體積也發生變化（膨脹或收縮）的現象稱為熱膨脹，多用線膨脹系數衡量，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。在實際應用中還要考慮比容（材料受溫度等外界影響時，單位重量的材料其容積的增減，即容積與質量之比），特別是對于在高溫環境下工作，或者在冷、熱交替環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即為磁性，它反映在導磁率、磁滯損耗、剩余磁感應強度、矯頑磁力等參數上，從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。
（5）電學性能
主要考慮其電導率，在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響。
四.工藝性能
金屬對各種加工工藝方法所表現出來的適應性稱為工藝性能，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、機械性能有關的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。
（3）可鑄性：反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現為熔化狀態時的流動性、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，使結合部位迅速熔化或半熔化（需加壓），從而使結合部位牢固地結合在一起而成為整體的難易程度，表現為熔點、熔化時的吸氣性、氧化性、導熱性、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性、對機械性能的影響等。
 
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