金属材料基础

概述

金属材料是指金属元素或主要由金属元素组成的具有金属特性的材料的总称。 包括纯银、合金、金属金属间化合物和特种金属等。（注：金属氧化物（如碳化硅）不属于金属材料。）

第 1 卷含义

人类文明的发展、社会的进步与金属材料密切相关。 石器时代之后出现的陶器时代和铁器时代，以金属材料的应用为标志。 近代以来，各种金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

Vol.2 类型

金属材料一般分为白色金属、有色金属和特种金属材料。

(1)白色金属，又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁、含碳2%-4%的铸铁、含碳2%以上的不锈钢以及结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的白色金属还包括铬、锰及其合金。

（二）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，一般分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属。 有色合金的硬度和强度通常比纯银高，且内阻大，电阻温度系数低。

(3)特种金属材料，包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。 其中有通过快速缩合工艺得到的非晶金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等； 还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振等特殊功能。 合金和金属基复合材料。

第三卷表演

通常分为工艺性能和使用性能两类。 所谓工艺性能是指金属材料在机械零件加工制造过程中，在预定的冷、热加工条件下所表现出的性能。 金属材料工艺性能的优劣决定了其在制造过程中对加工成型的适应性。 由于加工条件不同，所需的工艺性能也不同，如铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能等。

所谓使用性能是指金属材料在机械零件的使用条件下所表现出的性能，包括热性能、物理性能、化学性能等。金属材料性能的优劣决定了其使用范围和服役范围生活。 在机械制造行业中，机械零件通常在常温、常压和特别强的腐蚀性介质中使用，每个机械零件在使用过程中都会承受不同的载荷。 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能称为热性能（过去称为机械性能）。 金属材料的热性能是零件设计和选材的主要依据。 根据所施加载荷的性质（如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），金属材料所需的热性能也会有所不同。 常用的热性能包括：硬度、塑性、硬度、冲击硬度、多次冲击强度和疲劳极限。

金属材料特性

第一卷 疲劳

许多机械零件和工程预制构件都承受交变载荷。 在交变载荷作用下，虽然挠度水平高于材料的屈服极限，但经过长时间的重复挠度循环后，会发生突然的延性断裂。 这些现象称为金属材料的疲劳。 金属材料疲劳裂纹的特点是：

(1)荷载挠度是交变的；

(2)负载的动作时间较长；

(3) 破裂是瞬时发生的；

(4)无论是塑性材料还是延性材料，在疲劳断裂区都具有延性。 因此，疲劳开裂是工程中最常见、最危险的开裂方式。

金属材料的疲劳现象根据不同条件可分为以下几种：

高周疲劳

是指低挠度（工作挠度高于材料的屈服极限，甚至高于弹性极限）情况下，挠度循环次数超过10万次的疲劳。 这是最常见的疲劳损伤类型。 高周疲劳通常简称为疲劳。

低周疲劳

是指高挠度（工作挠度接近材料屈服极限）或高应变条件下的疲劳，挠度循环次数小于10000~100000次。 由于交变塑性应变在这些疲劳失效中起主要作用，因此也称为塑性疲劳或应变疲劳。

热疲劳

是指因温度变化引起的热变形反复作用而引起的疲劳失效。

腐蚀疲劳

是指机械零件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性二氧化碳等）的共同作用下产生的疲劳损伤。

接触疲劳

这是指机械零件的接触表面，在接触偏转的反复作用下，出现砂孔裂纹或表面压碎裂纹，从而导致机械零件的失效和损坏。

Vol.2 可塑性

塑性是指金属材料在外载荷作用下，形成永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。 当金属材料被拉伸时，宽度和横截面积都会发生变化。 因此，金属的塑性可以通过两个指标来判断：厚度的伸长率（伸长率）和截面的收缩率（断面收缩率）。

金属材料的伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好，即材料能承受较大的塑性变形而不损坏。 延伸率小于5%的金属材料通常称为塑性材料（如低碳钢等），而延伸率大于5%的金属材料称为韧性材料（如灰口铸铁、 ETC。）。 塑性好的材料可以在较大的宏观范围内产生塑性变形，同时使金属材料因塑性变形而强化，从而增加材料的硬度，保证零件的安全使用。 据悉，塑性好的材料可以通过单独的成形工艺成功加工，如注塑、冷弯、冷拔、矫直等。为此，在选择金属材料作为机械零件时，必须满足一定的塑性指标。

第三卷 耐久性

建筑物金属腐蚀的主要形式：

(1)均匀腐蚀。 金属表面的腐蚀导致截面均匀变薄。 为此，常采用年平均长度损失值作为腐蚀性能（腐蚀率）的指标。 钢通常在大气中均匀腐蚀。

(2)点蚀。 金属腐蚀剥落并形成凹坑。 点蚀的形成与金属及其介质的性质有关。 在富含氯化物盐的介质中容易发生点蚀。 最大孔深常被用作点蚀的评价指标。 管道的腐蚀更多的是关注点腐蚀问题。

(3)电偶腐蚀。 不同金属接触处由于电位不同而产生腐蚀。

(4)缝隙腐蚀。 由于不同部位介质成分和含量的差异，空隙或其他隐蔽区域的金属表面常发生局部腐蚀。

(5)挠度腐蚀。 在腐蚀介质和高拉伸挠度的共同作用下，金属表面形成腐蚀并向内扩展成微裂纹，常常引起突然断裂。 混凝土中的高硬度钢筋（钢丝）可能会发生这些故障。

第4卷 实力

强度表示材料抵抗硬物压入其表面的能力。 它是金属材料的重要性能指标之一。 通常强度越高，耐磨性越好。 常用的强度指标有布氏强度、洛氏强度和维氏韧性。

布氏强度（HB）：在一定的载荷（通常为3000kg）下，将一定尺寸（通常半径为10mm）的淬火钢球压入材料表面，并保持一段时间。 去除载荷后，载荷与压痕面积的比值，即为布氏强度值（HB），单位为kgf/mm2（N/mm2）。

洛氏强度（HR）：当HB>450或试样太小时，不能采用布氏强度试验，可用洛氏强度测量代替。 它是用内角为120°的金刚石圆柱体或半径为1.59mm和3.18mm的钢球在一定载荷下压入被测材料表面，由下式求得材料的强度压痕的深度。 根据试验材料的强度，可以采用不同的压头和总试验压力，形成几种不同的洛氏强度标度，每个标度在洛氏强度符号HR前面标有字母。 常用的洛氏强度标度有A、B、C（HRA、HRB、HRC）。 其中以C音阶应用最为广泛。

HRA：是用60kg载荷砌体圆锥压头获得的强度，用于极高强度材料（如硬质合金等）。

HRB：是使用100kg的载荷和半径为1.58mm的淬火钢球所获得的强度。 用于强度较低的材料（如固溶钢、铸铁等）。

HRC：是采用150kg载荷，砌体圆锥压头所获得的强度，用于强度较高的材料（如渗碳钢等）。

维氏强度（HV）：用小于120kg的载荷和内角136°的金刚石圆锥压头压入材料表面，将材料压痕的表面积乘以载荷值，即维氏强度值 (HV)。 强度试验是机械性能试验中最简单、最可行的试验方法。 为了用强度测试代替单独的机械性能测试，生产中需要更准确的强度和硬度之间的换算关系。 实践证明，金属材料的各种强度值之间、强度值与硬度值之间都存在近似的对应关系。 由于强度值是由初始塑性变形抗力和持续塑性变形抗力决定的，因此材料的硬度越高，塑性变形抗力越高，强度值也越高。

金属材料的性能

金属材料的性能决定了材料的应用范围和应用的合理性。 金属材料的性能主要分为四个方面，即：热性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

第 1 卷热性能

偏转：物体内部单位横截面积的力称为偏转。 由外力引起的挠度称为工作挠度，不受外力作用而在物体内部平衡的挠度称为内部挠度（如组织挠度、热挠度、加工后剩余的挠度）。

热性能：金属在一定湿度条件下受到外力（载荷）时，抵抗变形和开裂的能力称为金属材料的力学性能（也称热性能）。 金属材料承受载荷的方式有很多种，可以是静载荷，也可以是动载荷，包括拉伸挠度、压缩挠度、弯曲挠度、剪切挠度、扭转挠度、摩擦、振动、冲击等，因此指标为判断金属材料的力学性能主要包括以下几项。

1.1 硬度

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为伸长硬度极限（σb）、弯曲硬度极限（σbb）、压缩硬度极限（σbc）等。因为金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律，一般采用拉伸试验进行测量，即将金属材料制成一定尺寸的试样，在拉伸试验机上拉伸直至测试将样品破碎，需要测量的硬度指标主要包括：

(1)硬度极限：材料在外力作用下能抵抗破裂的最大挠度，通常是指在拉力作用下的伸长硬度极限，用σb表示，如最低点b对应的硬度极限拉伸试验曲线中，常用的单位是兆帕（MPa），换算关系为：1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2 或 1kgf/mm2=9.8MPa。

(2)屈服硬度极限：当金属材料试样所受的外力超过材料的弹性极限时，虽然挠度不再减小，试样仍发生显着的塑性变形，这些现象称为屈服，即屈服硬度。材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成反比，而形成显着的塑性变形。 屈服时的挠度称为屈服硬度极限，用σs表示，拉伸试验曲线对应的点S称为屈服点。 对于塑性高的材料，拉伸曲线上会有显着的屈服点，而对于塑性低的材料则没有显着的屈服点，因此无法根据屈服点的外力来求得屈服极限。 因此，在拉伸试验方法中，一般规定试样标距上形成0.2%塑性变形时的挠度为条件屈服极限，用σ0.2表示。 屈服极限指标可作为要求零件在工作时不形成明显塑性变形的设计依据。 而对于一些重要零件，也认为屈服强度比（即σs/σb）应较小，以提高其安全可靠性，但此时材料的利用率也较低。

(3)弹性极限：材料在外力作用下发生变形并在外力去除后恢复到原来形状的能力称为弹性。 金属材料能维持弹性变形的最大挠度为弹性极限，对应拉伸试验曲线中的e点，用σe表示，单位为MPa：σe=Pe/Fo 其中Pe为维持时间弹性 最大外力（或材料最大弹性变形时的载荷）。

(4)弹性模量：这是材料在弹性极限范围内的挠度σ与应变δ(挠度对应的单位变形)的比值，用E表示，单位为兆帕(MPa)：E =σ/δ=tgα。 式中，α为拉伸试验曲线上的oe线与水平轴ox之间的倾角。 弹性模量是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

1.2 可塑性

金属材料在外力作用下形成永久变形而不损坏的最大能力称为塑性。 一般情况下，拉伸试验时试样标距宽度的伸长率δ(%)与试样断面收缩率ψ(%)伸长δ=[(L1-L0)/L0]x100%，这就是拉伸试验（跌落）过程中，试样发生扭转且试样断裂闭合后，标距宽度L1与试样原始标距宽度L0之差与L0相比。 在实际测试中，相同材料、不同尺寸（半径、截面形状——如长方形、圆形、矩形和标距宽度）的拉伸试件测得的伸长率会有所不同，因此通常需要非常特殊，如对于最常用的圆形断面试样，初始标距宽度为试样半径5倍时测得的伸长率表示为δ5，初始标距宽度为试样半径10倍时测得的伸长率表示为作为 δ10 。 断面减少量ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，即断面窄颈处原始截面积F0与最小截面积F1（断面减少量）与F0之差在拉伸试验过程中样品被扭曲后的比率。 实际中，最常用的圆形截面样品一般可以通过半径检测来估计：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，其中：D0-样品的原始半径； D1——样品扭转后断口窄颈处的最小半径。 δ和ψ值越大，材料的塑性越好。

1.3 硬度

金属材料在冲击载荷作用下抵抗损坏的能力称为硬度。 一般采用冲击试验，即一定尺寸和形状的金属试样在规定型号的冲击试验机上，在冲击载荷作用下扭转时，材料的硬度用单位消耗的冲击能来表示。断口横截面积：αk=Ak/F。 单位为J/cm2或Kg·m/cm2，1Kg·m/cm2=9.8J/cm2。 αk称为金属材料的冲击硬度，Ak为冲击功，F为断口原始横截面积。

1.4 疲劳性能

疲劳硬度极限金属材料在反复挠度或交变挠度作用下（挠度通常大于屈服极限硬度σs），在没有明显变形的情况下发生破裂的现象称为疲劳破坏或疲劳开裂，因为各种。原因是在零件表面引起小于σs甚至小于σb的局部挠度（挠度集中），使该零件产生塑性变形或微裂纹，并且随着反复交变弯曲次数的减少，裂缝逐渐扩大、加深。 挠度集中）使局部承受挠度的实际截面积减小，直至局部挠度小于σb，形成破裂。 在实际应用中，通常使试样在规定的循环次数（钢材通常为106~107次，有色金属为106次）内承受重复或交替的挠曲（拉伸挠曲、压缩挠曲、弯曲或扭转挠曲等）。金属）。 取108倍）不开裂时可容许的最大挠度作为疲劳硬度极限，用σ-1表示，单位为MPa。

除了上述最常用的热性能指标外，对于一些要求非常严格的材料，如民用航空航天、核工业、发电厂使用的金属材料，还需要满足以下热性能指标。

膨胀极限：在一定的湿度和恒定的拉伸载荷下，材料随时间发生塑性变形的现象称为膨胀。 一般采用低温拉伸溶胀试验，即在恒温、恒定拉伸载荷下，在规定时间内或溶胀伸长率达到一定阶段时，测定样品的弯曲模量（总伸长率或残余伸长率）。蠕变速率相对恒定，蠕变速率不超过一定值时的最大挠度，称为膨胀极限，单位为MPa，其中τ为试验持续时间，t为温度，δ为泊松比，σ为挠度； 或用 表示，V 是蠕变速度。

低温拉伸持久硬度极限：试样在恒温、恒定拉伸载荷下，在规定时间内不断裂的最大挠度。

金属缺口敏感性系数：Kτ表示在持续时间相同的情况下（低温拉伸耐久试验），有缺口的样品与无缺口的光滑样品的挠度之比。

耐光性：材料在低温下对机械载荷的抵抗力。

Vol.2物理特性

金属与其他物质发生物理反应的特性称为金属的物理性质。 在实际应用中，主要考虑金属的耐腐蚀性和抗氧化性（又称抗氧化性，是指金属在低温下对氧化的抵抗力或稳定性），以及不同金属之间以及金属与金属之间的关系。金属。 非金属之间产生的化合物对机械性能的影响等。 金属的物理性能中，尤其是耐腐蚀性能对于金属的腐蚀疲劳损伤具有重要意义。

Vol.3 化学性质

金属的化学性质主要考虑：

（1）密度（比重）：ρ=P/V，单位：g/dm3或吨/立方米，其中P为重量，V为体积。 在实际应用中，不仅要根据密度来估算金属零件的重量，考虑金属的比硬度（硬度σb与密度ρ之比）以帮助材料选择也非常重要，声学中的声学测量与无损测量相关的测量。 射线探伤中的阻抗（密度ρ与波速C的乘积）以及不同密度的材料对射线能量的吸收能力不同等。

(2)熔点：金属由固态转变为液态的温度，对金属材料的熔化和热加工有直接影响，与材料的低温性能有很大关系。

(3)热膨胀：材料的体积随温度变化而变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀。 °C 下的厚度比。 热膨胀与材料的比热有关。 在实际应用中，还应考虑比容（当材料受湿度等外界影响时，单位重量材料体积的增加或减少，即体积与质量的比值），特别是对于在低温环境下工作，或在寒冷、严寒等环境下工作。对于在热交变环境下工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

（4）磁性：能够吸引铁磁物体的性质就是磁性，体现在磁导率、磁滞损耗、剩磁感应硬度、矫顽力等参数上。 因此，金属材料可分为顺磁和反磁、软磁和硬磁材料。

(5)热性能：主要考虑浊度率，其影响其内电阻率和涡流损耗，在电磁无损检测中。

Vol.4过程性能

金属对各种加工工艺的适应性称为工艺性能，主要包括以下四个方面：

(1)磨削性能：反映用铣削刀具(如工件、铣、刨、磨等)磨削金属材料的难易程度。

(2)可锻性：反映金属材料在压力加工过程中成形的难易程度，如材料加热到一定湿度时的塑性(表示为塑性变形抗力的大小)，以及温度范围允许热压力加工的尺寸、热膨胀和收缩特性，以及与显微组织和机械性能、热变形过程中金属的流动性、导热性等相关的临界变形边界。

(3)铸造性：反映金属材料熔炼铸造成毛坯的难易程度，表现为流动性、吸气性、氧化性、熔融状态下的熔点、毛坯显微组织的均匀性和致密性、冷度等。 收缩等

(4)可焊性：反映金属材料局部快速加热，使接合部位迅速熔化或半熔化(需加压)，使接合部位牢固结合，形成整体。 表现为熔点、熔化时的气体吸收、氧化、热导率、热胀冷缩特性、塑性以及与接头及附近材料显微组织的相关性以及对力学性能的影响等。