金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)（一）

概述

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)稱呈队。包括純金屬住涉、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）

1.意義

　　人類文明的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切朽砰。繼石器時(shí)代之后出現(xiàn)的銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代晤锥，均以金屬材料的應(yīng)用為其時(shí)代的顯著標(biāo)志〗父螅現(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)含衔。

2.種類

　　金屬材料通常分為黑色金屬煎娇、有色金屬和特種金屬材料。

　√叭尽（1）黑色金屬又稱鋼鐵材料缓呛，包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵杭隙，含碳小于 2%的碳鋼哟绊，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼寺渗、耐熱鋼匿情、高溫合金兰迫、不銹鋼、精密合金等炬称。廣義的黑色金屬還包括鉻汁果、錳及其合金。

　×崆（2）有色金屬是指除鐵据德、鉻、錳以外的所有金屬及其合金跷车，通常分為輕金屬棘利、重金屬、貴金屬朽缴、半金屬善玫、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高密强，并且電阻大茅郎、電阻溫度系數(shù)小。

　』虿场（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系冗。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)晶薪鹦、微晶掌敬、納米晶金屬材料等；還有隱身池磁、抗氫奔害、超導(dǎo)、形狀記憶框仔、耐磨舀武、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

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

　　所謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下左腔，金屬材料表現(xiàn)出來的性能唧垦，它包括力學(xué)性能、物理性能液样、化學(xué)性能等振亮。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鞭莽。在機(jī)械制造業(yè)中坊秸，一般機(jī)械零件都是在常溫、常壓和非常強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用的澎怒，且在使用過程中各機(jī)械零件都將承受不同載荷的作用褒搔。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(jī)械性能）喷面。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)站超。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮乖酬、扭轉(zhuǎn)、沖擊融求、循環(huán)載荷等）咬像，對(duì)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(qiáng)度生宛、塑性县昂、硬度、沖擊韌性陷舅、多次沖擊抗力和疲勞極限等倒彰。

金屬材料特質(zhì)

1.疲勞

　　許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的莱睁。在交變載荷的作用下待讳，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后仰剿，也會(huì)發(fā)生突然脆性斷裂创淡，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(diǎn)是：

　∧纤薄（1）載荷應(yīng)力是交變的琳彩；

　　（2）載荷的作用時(shí)間較長(zhǎng)；

　÷斗Α（3）斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的碧浊；

　　（4）無論是塑性材料還是脆性材料瘟仿，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的箱锐。所以，疲勞斷裂是工程上最常見猾骡、最危險(xiǎn)的斷裂形式瑞躺。

　　金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

　⌒讼搿（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幢哨，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞嫂便。它是最常見的一種疲勞破壞捞镰。高周疲勞一般簡(jiǎn)稱為疲勞。

　”刑妗（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)變條件下岸售，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?cè)谶@種疲勞破壞中起主要作用厂画，因而凸丸，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

　「ぴ骸（3）熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用屎慢，所造成的疲勞破壞。

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

　「炊摺（5）接觸疲勞：這是指機(jī)器零件的接觸表面欣喧，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落或表面壓碎剝落寂恬，從而造成機(jī)件失效破壞续誉。

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）而不被破壞的能力初肉。金屬材料在受到拉伸時(shí)酷鸦，長(zhǎng)度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個(gè)指標(biāo)來衡量臼隔。

　　金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大嘹裂，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摔握。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）寄狼，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）。塑性好的材料氨淌，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形泊愧，并在塑性變形的同時(shí)使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化，從而提高材料的強(qiáng)度盛正，保證了零件的安全使用删咱。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工豪筝，如沖壓痰滋、冷彎、冷拔续崖、校直等敲街。因此，選擇金屬材料作機(jī)械零件時(shí)严望，必須滿足一定的塑性指標(biāo)多艇。

3.耐久性

　　建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)：

　　（1）均勻腐蝕像吻。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄墩蔓。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）萧豆。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。

　』杳（2）孔蝕涮雷。金屬腐蝕呈點(diǎn)狀并形成深坑∏峋郑孔蝕的產(chǎn)生與金屬的本性及其所處介質(zhì)有關(guān)洪鸭。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕÷仄耍孔蝕常用最大孔深作為評(píng)定指標(biāo)览爵。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。

　≌蛞（3）電偶腐蝕蜓竹。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的腐蝕。

　【慵谩（4）縫隙腐蝕嘶是。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。

　≈肼怠（5）應(yīng)力腐蝕聂喇。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(kuò)展成微裂紋蔚携，常導(dǎo)致突然破斷希太。混凝土中的高強(qiáng)度鋼筋（鋼絲）可能發(fā)生這種破壞酝蜒。

4.硬度

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

　　布氏硬度（HB）：以一定的載荷(一般3000kg)把一定大心纹（直徑一般為10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間躯护，去載后惊来，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)棺滞，單位為公斤力/mm2 (N/mm2)裁蚁。

　　洛氏硬度（HR）：當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量继准。它是用一個(gè)頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59枉证、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測(cè)材料表面移必，由壓痕的深度求出材料的硬度室谚。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗(yàn)壓力組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺崔泵，每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛氏硬度符號(hào)HR后面加以注明秒赤。常用的洛氏硬度標(biāo)尺是A,B,C三種（HRA、HRB憎瘸、HRC）入篮。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幌甘，用于硬度極高的材料（如硬質(zhì)合金等）潮售。

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

　　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）盆均。

　　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塞弊，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值(HV)泪姨。硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單易行的一種試驗(yàn)方法游沿。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)比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)系肮砾。實(shí)踐證明诀黍，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系仗处。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的眯勾，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高婆誓，硬度值也就越高吃环。

來源:熱處理生態(tài)圈公眾號(hào)