金属材料的分类及表示方法.doc

第一讲：金属材料分类及性能【学 习 目 标】1、掌握金属材料的性能2、掌握金属材料力学性能主要指标3、掌握硬度的主要指标【知 识 解 析】在机械制造中，大多数的零件都是由各种金属材料制成的。随着零件的工作条件和加工方法的不同，必然会对金属材料提出各种不同的性能要求。例如，弹簧需要材料具有良好的弹性；刀具要求材料硬且耐磨；飞机零件要求材料强度高、质量轻；制造容器的材料要求良好的焊接性能和压延性能等。为了合理地使用和加工金属材料以及充分发挥其性能潜力，必须充分了解和掌握金属材料的基本性能。一、金属材料介绍金属材料具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有表面光泽的物质。一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有70多种纯金属，其中常见的有铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅、锌等等。而合金常指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成,且具有金属特性的材料。1、铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。2、铝银白色轻金属，有延性和展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，不溶于水。相对密度2.70。熔点660。沸点2327。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素， 应用极为广泛。是国民经济中不可缺少的基础原材料，广泛用于建筑、包装、交通运输、电力等领域。新中国成立60年来，从勘探、采选、冶炼到加工，中国铝工业上下游齐全、产业链完整，能充分发挥整体的优势。3、锡是一种化学元素，其化学符号是Sn，它的原子序数是50。它是一种主族金属。纯的锡有银灰色的金属光泽，它拥有良好的伸展性能，它在空气中不易氧化，它的多种合金有防腐蚀的性能，因此它常被用来作为其它金属的防腐层。锡的主要来源是它的一种氧化物矿物锡石（SnO2），盛产于中国云南、马来西亚等地。5、镍是化学元素之一，化学符号为Ni，具磁性，属过渡金属。银白色金属，密度8.9克/厘米3。熔点1455，沸点2730。化合价2和3。质坚硬，具有磁性和良好的可塑性。二、金属材料的分类金属材料按其化学性质分为：1、黑色金属通常以铁、锰、铬为主形成的物质称黑色金属。包括碳素钢、合金钢和铸铁等。2、有色金属除黑色金属以外的其他金属，称为有色金属。有色金属通常按其元素名称命名。如铝及铝合金，铜及铜合金。有色金属分为重金属（指比重大于5的金属，包括金、银、铜、铁、铅等，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒。相对密度在4.5g/cm3以上的金属，称作重金属。铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋）、轻金属（比重小于5，（又有一说是密度小于4.5克/立方厘米），包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。如铝的比重是2.7，镁的比重是1.7倍，而钾的比重只有0.87，钠只有0.97）、贵金属、半金属和稀有金属五类。三、金属材料的物理性能材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。其物理性能包括1、 密度 金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为3。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.5k3 的金属叫做轻金属，如铝，钛等。密度公式：=m/V式中 m物质的质量（kg或g） V物质的体积（m3或 cm3）2、熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（）表示。各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ，钢的熔点为1538。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合 金等都很重要。 熔点低于1000的金属称为低熔点金属，熔点在10002000的金属称为中熔点金属，熔点高于2000的金属称为高熔点金属。 3、 导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）或K表示金属材料导热性能的优劣。，单位瓦特米开尔文（W/m·k），物质的密度大，其热导率通常也较大。 热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性 以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，也可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。 4、热膨胀性 金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。 在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。5、 导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。6、 磁性 金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768以上就表现为没有磁性或顺磁性。 铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。表11 常用金属材料的物理性能金属名称符号密度kg/m3熔点热导率W/m·k银Ag10.49×103960.8418.6铜Cu8.96×1031083393.5铝Al2.7×103660221.9镁Mg1.74×103650153.7钨W19.3×1033380166.2镍Ni4.5×103145392.1铁Fe7.87×103153875.4锡Sn7.3×103231.962.8铬Cr7.19×103190367钛Ti4.508×103167715.1锰Mn7.43×10312444.98表12 常用希腊字母的读音希腊字母英文注音中文读音希腊字母英文注音中文读音Alpha阿尔法Delte德尔塔Beta贝塔Epsilon艾普西龙Gamma伽玛Omega欧米伽Psi普赛Thete西塔Sigma西格玛Lambda兰布达四、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。1、耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。2、 抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会 发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其 周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。3、化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学 稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。 五、金属的力学性能金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。1、强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。根据外力作用方式的不同，强度有多种指标，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等，通常多以抗拉强度为代表对材料进行分析。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线。1）拉伸曲线图1-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量L，单位为mm。 从图1-1中可以看出下面几个变形阶段：（1）Oe弹性变形阶段 （2）es屈服阶段 （3）sb强化阶段 图11低碳钢的拉伸曲线（4）bk缩颈阶段2）强度指标材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用 MPa (兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。屈服强度 s （也称屈服极限） 金属材料产生屈服现象时的最小应力。单位为MPa。 s = Fs/SO 式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；S0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。 0.2= F0.2/SO 抗拉强度b 材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。 b= Fb/SO 式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。总结：s /b称为屈强比。工程上所用的金属材料，一般希望具有比较高的s 、b值，而且希望有一定的屈强比。s /b越小，零件的安全可靠性就越高； s /b越大，材料强度的有效利用率就越高。2、塑性金属材料在静载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。1）断后伸长率试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比 =(L1L0)/L0×100式中：L1试样拉断后的长度，mm L0试样的初始长度。mm必须说明，铜一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的，长、短试样的伸长率分别用符号10和5表示，习惯上10也常写成。拉伸前，用刻痕机或是刻刀，标注一段距离，测出长度。即为原始标距。要保证断点在标注距离内，然后进行拉伸试验，拉断后，把两截拼在一起，用直尺再次测出两刻痕间的距离。即为断后标距。2）断面收缩率试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比的百分数。= （S0 S1）/S0 ×100 式中：S0试样的原始横截面积，mm2；S1试样断裂后断口处最小的横截面积（2）。 材料的塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义，和愈高，材料的塑性愈好。塑性好的金属可以发生在大量的塑性变形而不被破坏。许多零件在成形过程中要求材料有较好的塑性，例如，汽车外壳、柴油机油箱及家用电器的外壳等，一般都是利用金属塑性变形而加工成形的。工业纯铁的可达50%，可达80%，可以拉制细丝、轧制薄板等。铸铁的几乎为零，所以不能进行塑性变形加工。良好的塑性使零件在使用时超载，也能由于塑性变形使材料强度提高而避免断裂，故在静载荷下使用的机械零件都要求有一定的塑性。一般来说，=5%，=10%就能满足大多数零件对于塑性的要求了。3、硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。1）硬度分为：划痕硬度主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。压入硬度主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。回跳硬度主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。（2）硬度分类金属硬度(Hardness)的代号为H。按硬度试验方法的不同，常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。 1）布氏硬度试验法（HB）如图1-2所示采用直径为D的火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下，压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，压头为淬火钢球时用HBS表示，压头为硬质合金球用时HBW表示。例如：120HBS，450HBW图12布氏硬度试验原理示意图 图13 洛氏硬度试验原理示意图2）洛氏硬度试验法（HR）采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头如图1-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。材料越硬，压痕深度越浅，所测得的硬度值越大。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。HRC含意是洛式硬度C标尺，HRC和HB在生产中的应用都很广泛。HRC适用范围HRC 2067，相当于HB225650，若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA；若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB；布式硬度上限值HB650,不能高于此值。 3）维氏硬度（HV）维氏硬度用HV表示，维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同。4）上述几种硬度在测试和应用上各有不同的特点：布氏硬度试验的特点 数据准确、稳定。缺点是呀痕比较大，易损伤零件表面，因此不能用于检测太薄太硬的零件硬度。一般常常用来测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。洛氏硬度试验特点操作简便，压痕小，对工件表面损伤小，缺点是精度比较差，硬度值重复性差。测试时要选择材料的不同部位进行多次测定，然后取其平均值作为材料的硬度值。维氏硬度试验特点压痕轮廓清晰，精确，载荷可以任意选择，所以适合测定软硬金属。特别是测定极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度。4、冲击韧度 对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。冲击韧度的测定方法，如图1-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。 图14 冲击韧度的测定方法5、疲劳强度在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。六、金属材料工艺性能 1、铸造性（可铸性）指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括 流动性，收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指铸件凝固时，体 积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部化学成分 和组织的不均匀性。 2、可锻性指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。 3、切削加工性（可切削性， 机械加工性）指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件 的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常是用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。 4、焊接性（可焊性）指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺 条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。5：热处理 课堂练习一、填空题（每空1分，共计25分）1、金属材料的使用性能包括_、_、_和_等；工艺性能包括_、_、_ 、_和_等。2、材料的力学性能包括_ 、_ 、_、_和_ 等。3、强度是指金属材料在_作用下，抵抗_和_的能力。4、断裂前金属材料_材料的能力称为塑性。金属材料的_和_的数值越大，表示材料的塑性越好。5、金属材料抵抗_作用而不破坏的能力，称为冲击韧度。6、比重大于5的金属称为_；比重小于5的金属称为_7、金属的力学性能是指在力的作用下，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗_或_的能力。二、选择题（每题2分，共计20分）1、拉伸试验时，试样拉断前所能够承受的最大应力称为材料的（ ）。A、弹性极限B、抗拉强度C、屈服点2、用拉伸试验可测定材料的（ ）性能指标。A、强度B、韧性C、硬度3、金属材料在静载荷作用下抵抗破坏的能力称为（ ） A、塑性 B、硬度 C、强度 D、刚度 4、硬度是衡量金属材料软硬的一个指标，它常用三种方法，其中（ ）应用最广。 A、HB B、HRC C、HV 5、金属材料抵抗其他更硬的物体压入其表面的能力称为（ ） A、塑性 B、硬度 C、强度 D、刚度 6、在测量疲劳强度的试验中，有色金属须经受（ ）次交变载荷作用而不产生断裂。钢须经受（ ）次交变载荷作用而不产生断裂。 A、无数 B、106 C、107 D、1087、塑性的主要判断标准是( )。 A、强度 B、延伸率 C、硬度 D、断面收缩率 8、材料的（ ）越好，则可锻性越好。 A、强度 B、塑性 C、硬度 9、轻金属的密度界限（ ）。A、<4.5g/m3 B、=4.5g/cm3 C、>4.5g/cm3 D、< 4.5g/cm310、铜.铝.银金属的导电强弱顺序正确的是（ ）。 A、铝>铜>银 B、铝<铜<银 C、银>铜>铝 D、银<铜<铝三、判断题（每题2分，共计20分）1、强度极限b表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。 （ ）2、值越大、表示材料的塑性越好。 （ ）3、塑性好的材料制成的零件在使用时也较安全。 （ ）4、在一般情况下，材料塑性好锻压性也好。 （ ）5、密度小于4.5g/cm3物质叫做轻金属。（ ）6、熔点低于2000的金属称为低熔点金属。（ ）7、金属材料的伸长率、断面收缩率数值越大，表明其塑性越好。（ ）8、金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，叫做韧性。 （ ）9、硬度是金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力。（ ）10、金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。（ ）四、连线题，连出下列力学性能指标的符号：（14分）屈服点 b抗拉强度 s冲击韧度 伸长率 断面收缩率HRC疲劳极限 ak洛氏硬度C标尺 -1五、名词解释（1题5分，2题6分，共计11分）1、导热性2、熔点及分类