金属材料的工艺性能

下图梳理了金属材料的工艺性能的内容，包含金属材料的力学性能、切削加工性能、焊接性能、塑性加工性能、铸造性能等。

金属材料的工艺性能

• 金属材料的力学性能
  • 强度
    • 抵抗塑性变形或断裂的能力
      • 抗拉强度
      • 屈服强度
      • 疲劳强度
      • 蠕变强度
  • 韧性
    • 塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力
      • 冲击韧性
        • 抵抗冲击载荷作用的能力
      • 断裂韧性
        • 抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力
  • 刚度
    • 在载荷下维持材料本身形状的能力
      • 体模量
        • 总应力比体积的总应变
      • 杨氏模量
      • 剪切模量
  • 塑性
    • 断裂前产生永久塑性变形的能力
      • 断后伸长率
      • 断面收缩率
• 钢的热处理工艺性能
• 切削加工性能
  • 用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示
  • 金属材料具有适当的硬度和足够的脆性时切削性良好
  • 改变钢的化学成分（加少量铅，磷）和进行适当的热处理（低碳钢正火，高碳钢球化退火）可以提高切削加工性
  • 铜具有良好的切削加工性
• 焊接性能
  • 焊接是一种以加热，高温或者高压的方式接合金属的制造工艺及技术
  • 焊接性: 获得优质焊接接头的难易程度
  • 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素
  • 低碳钢和质量分数低于0.18%的合金钢焊接性能较好。碳含量和合金元素达到含量越高，焊接性能越差
• 塑性加工性能
  • 塑性加工手段
    • 锻造
    • 轧制
    • 挤压
    • 拉拔
    • 冲压
  • 塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化
    • 金属进行塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化：滑移，孪生，晶粒变形，形变织构，位错，空位等晶体缺陷增多，产生残余应力，加工硬化
    • 随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复，再结晶和晶粒长大的过程
  • 金属的回复
    • 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程
    • 组织变化：晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化
    • 性能：材料的强度和硬度略有降低，塑性有增高，残余应力大大降低
    • 工程应用：对变形金属进行去应力退火，降低残余内应力，保留加工硬化效果。
  • 金属的再结晶
    • 变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁），破碎的晶粒通过重新生核，长大变成新的均匀，细小的等轴晶，这个过程叫做再结晶
    • 性能: 变形金属再结晶后，强度硬度明显降低，塑性，韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失。物理，化学性能基本上恢复到变形以前的水平。
    • 再结晶温度：最低再结晶温度 T再=（0.35~0.4）T熔
  • 金属的热加工和冷加工
    • 热加工
      • 在再结晶温度以上的塑性变形加工
        • 热锻，热轧，热挤压，热拔
    • 冷加工
      • 在再结晶温度以下的塑性变形加工
        • 冷镦，冷轧，冷挤压，冷冲
  • 金属热加工及其对组织，性能的影响
    • 热加工由于温度处于再结晶温度以上，金属塑性变形后，随即发生再结晶，加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。
    • 热加工能使铸态金属中的气孔，疏松，微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻或消除枝晶偏析和改善夹杂物，第二相的分布等。
    • 热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒。
    • 热加工提高金属的强度，塑性和韧性，使金属的力学性能全面提高
  • 金属的冷加工及其对组织，性能的影响
    • 冷加工加工温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形使不发生再结晶过程。冷加工发生塑性变形，金属晶粒变形，组织细化，缺陷增加。
    • 金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象
    • 加工硬化在实际工程中的应用
      • 加工硬化是强化金属（提高强度）的方法之一，对纯金属以及不能用热处理方法强化的金属来说尤其重要。例如可以用冷拉、滚压和喷丸等工艺，提高金属材料、零件和构件的表面强度；或者零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；
      • 坏处：加工硬化提高了变形抗力，给金属的继续加工带来困难。如冷拉钢丝，由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中会使工件表层脆而硬，在切削时增加切削力，加速刀具磨损等。
  • 锻造性能
    • 热锻
      • 高于800℃
    • 温锻或半热锻
      • 300~800℃
    • 冷锻
      • 室温
    • 优点： 锻造可以使粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细，大小均匀的等轴再结晶组织，使偏析，疏松，气孔，夹渣等压实和焊合，组织变得紧密，提高了金属的塑性和力学性能。
    • 锻造用料： 碳素钢，合金钢，其次是镁，铜，钛等及其合金
    • 锻造性: 金属材料用锻压加工方法成型的适应能力
    • 金属的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好
• 铸造性能
  • 流动性
  • 收缩性
    • 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象
  • 偏析
    • 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象