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金属材料的性能【技术分享精华版】

金属材料的性能分为使用性能和工艺性能

使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能,即在使用过程中所表现出的特性。金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等;

工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中,适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度,它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。


一、金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力──应变关系的性能,如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。

物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力,称为内力。

单位面积上的内力,称为应力σ(N/mm2)。

应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。

金属材料的力学性能主要有:强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

   

(一)强度与塑性

金属材料在力的作用下,抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。

   

1.拉伸试验

    拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸,测量拉伸力和相应的伸长,并测其力学性能的试验。

(1)拉伸试样。拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样,分为短试样和长试样两种。

长试样L0=10d0;短试样L0=5d0

    (2)试验方法。


2.力伸长曲线

在进行拉伸试验时,拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线,称为力伸长曲线。

试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。

           

  

    3强度指标

金属材料的强度指标主要有:屈服点σs、规定残余伸长应力σ0.2、抗拉强度σb等。

    (1)屈服点和规定残余延伸应力。

屈服点是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服点用符号σs表示。单位为N/mm2或MPa。

    规定残余延伸应力是指试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长与原始标距的百分比达到规定值时的应力,用应力符号σ并加角标“r和规定残余伸长率”表示,如σr0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力定为没有明显产生屈服现象金属材料的屈服点。

(2)抗拉强度。

抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力。用符号σb表示,单位为N/mm2或MPa。

    4.塑性指标

(1)断后伸长率。

试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率,用符号δ表示。

使用长试样测定的断后伸长率用符号δ10表示,通常写成δ;使用短试样测定的断后伸长率用符号δ5表示。

(2)断面收缩率。

断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

(二)硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标,也是指金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同,常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。

    1.布氏硬度

布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球,以相应的试验力压入试样表面,经规定的保持时间后,卸除试验力,测量试样表面的压痕直径d,然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法。

布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的,用符号HBW表示,上限为650HBW。

    布氏硬度的标注方法是:测定的硬度值应标注在硬度符号“HBW”的前面。除了保持时间为1015s的试验条件外,在其他条件下测得的硬度值,均应在硬度符号“HBW”的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。例如,150HBW10/1000/30。

2.洛氏硬度

洛氏硬度试验原理是以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球(淬火钢球或硬质合金球),压入试样表面,试验时先加初试验力,然后加主试验力,压入试样表面之后,去除主试验力,在保留初试验力时,根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。

测定的硬度数值写在符号“HR”的前面,符号“HR”后面写使用的标尺,如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。

    3维氏硬度

    维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似,是以面夹角为136°的正四棱锥体金刚石为压头,试验时,在规定的试验力F(49.03N~980.7N)作用下,压入试样表面,经规定保持时间后,卸除试验力,则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕,测量压痕两对角线d的平均长度,可计算出其硬度值。维氏硬度用符号“HV”表示。

    维氏硬度数值写在符号“HV”的前面,试验条件写在符号“HV”的后面。例如,640HV30表示用30kgf(294.2N)的试验力,保持10~15s测定的维氏硬度值是640;640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的试验力,保持20s测定的维氏硬度值是640。

(三)韧性

1.一次冲击试验

韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。

金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K(单位是焦尔)指标来衡量。

(1)夏比摆锤冲击试样。

夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种,如图1-11所示。带V型缺口的试样,称为夏比V型缺口试样;带U型缺口的试样,称为夏比U型缺口试样。


(2)夏比摆锤冲击试验方法。

夏比摆锤冲击试验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。计算公式是:

V型缺口试样:KV2或KV8=AKV1-AKV2(J)

U型缺口试样:KU2或KU8=AKU1-AKU2(J)

KV2或KU2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量;KV8或KU8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。

吸收能量大,表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。

吸收能量K对组织缺陷非常敏感,它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异,能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。

(3)吸收能量与温度的关系。

金属材料的吸收能量与温度之间的关系曲线一般包括高吸收能量区、过渡区和低吸收能量区三部分。

当温度降至某一数值时,吸收能量急剧下降,金属材料由韧性断裂变为脆性断裂,这种现象称为冷脆转变。

金属材料在一系列不同温度的冲击试验中,吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域,称为韧脆转变温度。

韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低,说明金属材料的低温抗冲击性愈好。

    2.多次冲击试验

    金属材料在多次冲击下的破坏过程是由裂纹产生、裂纹扩张和瞬时断裂三个阶段组成。其破坏是每次冲击损伤积累发展的结果,不同于一次冲击的破坏过程。

多次冲击弯曲试验在一定程度上可以模拟零件的实际服役过程,为零件设计和选材提供了理论依据,也为估计零件的使用寿命提供了依据。

在小能量多次冲击条件下,金属材料的多次冲击抗力大小,主要取决于金属材料强度的高低;在大能量多次冲击条件下,金属材料的多次冲击抗力大小,主要取决于金属材料塑性的高低。

 

    (四)疲劳

    1.疲劳现象

循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向,都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。

零件工作时在承受低于制作金属材料的屈服点或规定残余伸长应力的循环应力作用下,经过一定时间的工作后会发生突然断裂,这种现象称为金属的疲劳。

疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生,先形成微小的裂纹核心,即微裂源。随后在循环应力作用下,微小裂纹继续扩展长大。由于微小裂纹不断扩展,使零件的有效工作面逐渐减小,因此,零件所受应力不断增加,当应力超过金属材料的断裂强度时,则突然发生疲劳断裂,形成最后断裂区。金属疲劳断裂的断口由微裂源、扩展区和瞬断区组成。

      


2.疲劳强度

金属在循环应力作用下能经受无限多次循环,而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度。即循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值,称为疲劳强度。

在工程实践中,一般是求疲劳极限,即对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。对于钢铁材料其循环基数为107,对于非铁金属其循环基数为108。对于对称循环应力,其疲劳强度用符号σ-1表示。

金属材料在承受一定循环应力σ条件下,其断裂时相应的循环次数N可以用曲线来描述,这种曲线称为σ-N曲线。


二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能

1.金属材料的物理性能

    金属材料的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力(温度)等物理因素作用下,其所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

(1)密度。

金属的密度是指单位体积金属的质量。

一般将密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属,密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。

(2)熔点。

金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。

熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等),可以用来制造耐高温零件。

熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等),可以用来制造保险丝和防火安全阀等零件。

(3)导热性。

金属传导热量的能力称为导热性。

金属导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数)λ表示。金属材料的热导率越大,说明其导热性越好。一般来说,纯金属的导热能力比合金好。

(4)导电性。

金属能够传导电流的性能,称为导电性。

金属导电性的好坏,常用电阻率ρ表示,单位是Ω·m。金属的电阻率越小,其导电性越好。

(5)热膨胀性。

金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。

一般来说,金属受热时膨胀而且体积增大,冷却时收缩而且体积缩小。金属热膨胀性的大小用线胀系数αl和体胀系数αv来表示。

(6)磁性。

金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。

根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同,金属材料可分为铁磁性材料和非铁磁性材料。

2.金属材料的化学性能

金属的化学性能是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能,它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力,称为耐腐蚀性。

    金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力,称为抗氧化性。

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。

3.金属材料的工艺性能

   金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。

铸造性能包括流动性、充型能力吸气性、收缩性和偏析等。

金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。

锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好,变形抗力越小,金属的锻造性能越好。

焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件,并满足预定服役要求的能力。

焊接性能好的金属材料可以获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝,并且焊接接头具有良好的力学性能。低碳钢具有良好的焊接性能,而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。

切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。

切削加工性能好的金属对刀具的磨损小,可以选用较大的切削用量,加工表面也比较光洁。



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