金属材料的性能

基于机械工业出版社，2001年6月份出版，2018年8月份重印版，《金属工艺》一书，第一章节，学习笔记。 （专科教材）

金属材料的性能

• 使用性能
  • 力学性能：材料在各种载荷作用下表现出的抵抗力
    • 力学性能指标
      • 强度：金属材料在载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力
        • 按载荷作用方式分类
          • 抗拉强度
          • 抗弯强度
          • 抗剪强度
        • 强度指标
          • 屈服点σb：材料产生屈服时的最小应力（MPa）
            • 公式：σb=Fs/A0
              • Fs：屈服时最小载荷(N)
              • A0：试样原始截面积(mm²)
          • 抗拉强度σb：材料在拉断前所承受的最大应力(MPa)
            • 公式：σb=Fb/A0
              • Fb：试样拉断前承受的最大载荷(N)
        • 拉伸曲线
          • OE——弹性变形阶段
            • F和∆l成正比
            • 此阶段内卸载，试样能完全恢复原状
            • Fe为能恢复原状的最大拉力
          • ES——屈服阶段
            • 除了弹性变形外，开始出现塑性变形（不明显）
            • 此阶段卸载，试样只能部分恢复
            • 当F增加到Fs时，载荷不增加，试样也会继续伸长，同时图像出现平台。
            • Fs被称为屈服载荷
          • SB——均匀塑性变形阶段
            • 开始出明显的现塑性变形（明显）
            • Fb为拉伸试验的最大载荷
          • BK——缩颈阶段
            • 试样局部开始急剧缩小（”缩颈“现象）
            • 截面积减小，变形所需载荷也随着降低，k点处断裂
      • 塑性：金属材料在载荷作用下产生塑性形变而不断裂的能力
        • 断后伸长率δ：试样拉断后，标距长度的相对伸长值
          • 公式：δ=（lk－l0）l0×100%
            • l0：试样原始标距长度(mm)
            • lk：试样别拉断是标距长度(mm)
        • 断面收缩率Ψ：试样拉断后，试样截面积的收缩率
          • 公式：Ψ=（A0－Ak）/A0×100%
            • Ak：试样被拉断是缩颈处的最小面积（mm²）
        • 双值↑ 材料越好
      • 硬度
        • 检测方法
          • 压入法（本章主要讲）
            • 表示象征：材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力
              • （反映：强度、疲劳强度）
            • 布氏试验
              • 原理：将一定直径的钢球压入被测材料，经规定时间后卸载，以压痕单位面积上，所受试验力，来确定材料硬度。
              • 公式：HB=F/S压=0.102×2F/πD（D－）
                • F：实验力（N）
                • S压：压痕表面积（mm²）
                • D：球体直径（mm）
                • d：压痕平均值（mm）
              • 表示方法：在表示数值的时候，同时说明所用压头。
                • HBS（淬硬钢球）HBW（硬质合金钢球）
              • 应用范围：压痕面积大，结果受硬度不均匀度影响小，具有较高精度。（但不能测成品或薄工件）
                • 布氏硬度﹤450，适用HBS
                  • 450﹤布氏硬度＜650，适用HBW
            • 洛氏硬度试验
              • 原理：将顶角为120°的金刚石或直径为1.588的淬火钢球压入被测材料，
                • 1、（压头位于a）施加初载荷，使压头和试样表面紧密接触。（压头位于b）
                • 2、施加主载荷（压头位于c），保持规定时间后，卸载主载荷，
                • 3、由于恢复弹性变形。（压头回到d）
              • 公式：HR=K-bd、0.002
                • K:常数（金刚石，K=100；钢球，K=130）
              • 应用范围：压痕面积小，结果受硬度不均匀影响小，精度不高，测试时需测定三个点，求平均值。（可测成品或薄工件）
          • 刻画法
          • 弹性回跳法
      • 冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破会的能力
        • 测定：一次摆锤实验
          • 原理：
          • 公式：ak=Ak/S0=G(H1-H2)/S0
            • Ak:冲击吸收功（J）
            • G:摆锤重力（N）
            • H1：摆锤举起高度（cm）
            • H2：冲断试样后，摆锤的高度
            • ak：冲击韧度（J/cm²）
            • S0:试样断口处截面积（cm²）
          • 注意
            • 使用不同类型的标准试样（U型缺口，V型缺口），冲击韧度表示也不同（aKu、aKv）
            • aK越大，材料韧度越好，越不易断裂
            • 小能量多次冲击：工作中，在冲击载荷作用下的零件，很少会因为一次冲击而失效，大都是经过多次冲击后报废。 因此用aK来衡量材料冲击抗性并不准确。
              • 试验结论：多次冲击抗性，取决于材料强度和塑性的综合性
                • 冲击能量高时，抗冲击性主要取决于塑性
                • 冲击能量低时，抗冲击性主要取决于强度
      • 疲劳强度：材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力
        • 疲劳产生原因：
          • 内部缺陷：气孔、疏松、夹杂物等
          • 引起应力集中的缺陷：表面划痕、残余应力等（导致微裂纹产生）
        • 提高疲劳强度的途径
          • 避免应力集中的设计
          • 减少内部组织缺陷的加工工艺
          • 降低零件表面粗糙度和表面强化（表面淬火、表面滚压、喷丸处理等）
    • 按实验温度分类
      • 高温力学性能
      • 常温力学性能（本章主要介绍）
      • 低温力学性能
  • 物理性能
    • 密度：某种金属单位体积的质量
      • 直接关系到所制成零件的重量和紧凑程度
      • 应用：在对于要求减轻自重的宇航工业中与特别意义
    • 熔点：金属材料有固态转化转变成液态时的融化温度
      • 金属都有固定的熔点
      • 合金熔点取决于成分
    • 导热性：金属材料传导热量的能力
      • 性能指标：导热率
      • 合金的导热性比纯金差
      • 应用：金属锻造和热处理时，应考虑导热性，来制定加工工艺
    • 导电性：金属材料传导电流的能力
      • 性能指标：导电率
      • 银＞铜＞铝
      • 合金的导电性比纯金差
      • 应用：导电性好的金属适用于做导电材料，导电性差的材料适用于做电热元件
    • 热膨胀性：金属材料随着温度变化，体积发生膨胀或收缩的特性
      • 一般材料都具有热胀冷缩的特点
      • 应用：制作内燃机活塞的材料就要求热膨胀系数要小；铁轨铺设时就要为热胀冷缩留出一定的空间；制定热加工工艺时，也要注意热胀冷缩
  • 化学性能:金属材料在室温下或高温下，抵抗各种介质的化学侵蚀能力
    • 耐腐蚀性：金属材料在常温下，抵抗氧、水蒸气等化学介质腐蚀破坏作用的能力。（危害大，每年都会因此消耗掉大量金属材料）
    • 抗氧化性：金属材料在高温下，抵抗氧化作用的能力。
    • 化学稳定性：金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
      • 高温下工作的热能设备，制造材料热稳定性要好
      • 腐蚀环境中工作的设备，制造材料化学稳定性要好
• 工艺性能
  • 铸造性能
  • 锻造性能
  • 焊接性能
  • 切削加工性能
  • 热加工性能
  • 后续章节有详细介绍
• 此处理解不足，需要再看看书
• 过载后，产生塑性行变形而不是突然断裂，避免事故发生
• 对无明显屈服现象的金属（铸铁、高碳钢等）
  • 通常认为发生0.2%的塑性变形时的引力，为条件屈服点
• 并非所有金属材料都存在明显的四个阶段。 例如：脆性材料，弹性变形后就马上发生断裂。
• 材料失去抵抗变形的能力（即，屈服）
• 强度↑ 能承受载荷↑
• 载荷：材料在加工及使用过程中受到的外力
  • 静态载荷：大小不变或变动很慢的载荷
  • 冲击载荷：突然增加或消失的载荷
  • 疲劳载荷：周期性的变动载荷