概述 金属资料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的资料的统 称。包含纯金属、合金、金属资料金属间化合物和特种金属资料等。（注：金 属氧化物（如氧化铝）不属于金属资料） 1.含义 人类文明的开展和社会的前进同金属资料联系十分亲近。继石器年代之后 呈现的铜器年代、铁器年代，均以金属资料的运用为其年代的明显标志。现代， 品种繁复的金属资料已成为人类社会开展的重要物质基础。 2.品种 金属资料一般分为黑色金属、有色金属和特种金属资料。 （1）黑色金属又称钢铁资料，包含含铁 90%以上的工业纯铁，含碳 2%～4% 的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用处的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温 合金、不锈钢、精细合金等。广义的黑色金属还包含铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的一切金属及其合金，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等。有色合金的强度和硬 度一般比纯金属高，而且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属资料包含不同用处的结构金属资料和功用金属资料。其间有 通过快速冷凝工艺取得的非晶态金属资料，以及准晶、微晶、纳米晶金属资料 等；还有隐身、抗氢、超导、形状回忆、耐磨、减振阻尼等特别功用合金以及 金属基复合资料等。 3.功能 一般分为工艺功能和运用功能两类。所谓工艺功能是指机械零件在加工制 造进程中，金属资料在所定的冷、热加工条件下表现出来的功能。金属资料工 艺功能的好坏，决议了它在制作进程中加工成形的适应才能。因为加工条件不 同，要求的工艺功能也就不同，如铸造功能、可焊性、可锻性、热处理功能、 切削加工性等。 所谓运用功能是指机械零件在运用条件下，金属资料表现出来的功能，它 包含力学功能、物理功能、化学功能等。金属资料运用功能的好坏，决议了它 的运用规模与运用寿命。在机械制作业中，一般机械零件都是在常温、常压和 十分激烈腐蚀性介质中运用的，且在运用进程中各机械零件都将接受不同载荷 的效果。金属资料在载荷效果下反抗损坏的功能，称为力学功能（过去也称为 机械功能）。金属资料的力学功能是零件的设计和选材时的首要依据。外加载 荷性质不同（例如拉伸、紧缩、改变、冲击、循环载荷等），对金属资料要求 的力学功能也将不同。常用的力学功能包含：强度、塑性、硬度、冲击耐性、 屡次冲击抗力和疲惫极限等。 金属资料特质 1.疲惫 许多机械零件和工程构件，是接受交变载荷作业的。在交变载荷的效果下， 尽管应力水平低于资料的屈从极限，但通过长时刻的应力重复循环效果今后， 也会发生忽然脆性开裂，这种现象叫做金属资料的疲惫。金属资料疲惫开裂的 特点是： （1）载荷应力是交变的； （2）载荷的效果时刻较长； （3）开裂是瞬时发生的； （4）无论是塑性资料仍是脆性资料，在疲惫开裂区都是脆性的。所以，疲 劳开裂是工程上最常见、最风险的开裂方式。 金属资料的疲惫现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲惫：指在低应力（作业应力低于资料的屈从极限，乃至低于弹 性极限）条件下，应力循环周数在 100000 以上的疲惫。它是最常见的一种疲惫 损坏。高周疲惫一般简称为疲惫。 （2）低周疲惫：指在高应力（作业应力挨近资料的屈从极限）或高应变条 件下，应力循环周数在 10000~100000 以下的疲惫。因为交变的塑性应变在这种 疲惫损坏中起首要效果，因而，也称为塑性疲惫或应变疲惫。 （3）热疲惫：指因为温度改变所发生的热应力的重复效果，所构成的疲惫 损坏。 （4）腐蚀疲惫：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活 性气体等）的一起效果下，所发生的疲惫损坏。 （5）触摸疲惫：这是指机器零件的触摸外表，在触摸应力的重复效果下， 呈现麻点脱落或外表压碎脱落，然后构成机件失效损坏。 2.塑性 塑性是指金属资料在载荷外力的效果下，发生永久变形（塑性变形）而不 被损坏的才能。金属资料在遭到拉伸时，长度和横截面积都要发生改变，因而， 金属的塑功能够用长度的伸长（延伸率）和断面的缩短（断面缩短率）两个指 标来衡量。 金属资料的延伸率和断面缩短率愈大，标明该资料的塑性愈好，即资料能 接受较大的塑性变形而不损坏。一般把延伸率大于百分之五的金属资料称为塑 性资料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属资料称为脆性资料 （如灰口铸铁等）。塑性好的资料，它能在较大的微观规模内发生塑性变形， 并在塑性变形的一起使金属资料因塑性变形而强化，然后进步资料的强度，保 证了零件的安全运用。此外，塑性好的资料能够顺畅地进行某些成型工艺加工， 如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因而，挑选金属资料作机械零件时，有必要满意 必定的塑性目标。 3.耐久性 修建金属腐蚀的首要形状： （1）均匀腐蚀。金属外表的腐蚀使断面均匀变薄。因而，常用年平均的厚 度减损值作为腐蚀功能的目标（腐蚀率）。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。 （2）孔蚀。金属腐蚀呈点状并构成深坑。孔蚀的发生与金属的赋性及其所 处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为鉴定指 标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。 （3）电偶腐蚀。不同金属的触摸处，因所具不同电位而发生的腐蚀。 （4）缝隙腐蚀。金属外表在缝隙或其他荫蔽区域部常发生因为不同部位间 介质的组分和浓度的差异所引起的部分腐蚀。 （5）应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力一起效果下，金属外表发生腐蚀 并向内扩展成微裂纹，常导致忽然破断。混凝土中的高强度钢筋（钢丝）或许 发生这种损坏。 4.硬度 硬度标明资料反抗硬物体压入其外表的才能。它是金属资料的重要功能指 标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度目标有布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度。 布氏硬度（HB）：以必定的载荷(一般 3000kg)把必定巨细（直径一般为 10mm）的淬硬钢球压入资料外表，坚持一段时刻，去载后，负荷与其压痕面积 之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 洛氏硬度（HR）：当 HB450 或许试样过小时，不能选用布氏硬度实验而改 用洛氏硬度计量。它是用一个顶角 120°的金刚石圆锥体或直径为 1.59、 3.18mm 的钢球，在必定载荷下压入被测资料外表，由压痕的深度求出资料的硬 度。依据实验资料硬度的不同，可选用不同的压头和总实验压力组成几种不同 的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号 HR 后边加以注明。常 用的洛氏硬度标尺是 A,B,C 三种（HRA、HRB、HRC）。其间 C 标尺运用最为广泛。 HRA：是选用 60kg 载荷钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的资料 （如硬质合金等）。 HRB：是选用 100kg 载荷和直径 1.58mm 淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬 度较低的资料（如退火钢、铸铁等）。 HRC：是选用 150kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的资料 （如淬火钢等）。 维氏硬度（HV）：以 120kg 以内的载荷和顶角为 136°的金刚石方形锥压 入器压入资料外表，用资料压痕凹坑的外表积除以载荷值，即为维氏硬度值 (HV)。硬度实验是机械功能实验中最简单易行的一种实验办法。为了能用硬度 实验替代某些机械功能实验，生产上需求一个比较精确的硬度和强度的换算关 系。实践证明，金属资料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的 相应联系。因为硬度值是由开始塑性变形抗力和持续塑性变形抗力决议的，材 料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。 金属资料的功能 金属资料的功能决议着资料的适用规模及运用的合理性。金属资料的功能 首要分为四个方面，即：机械功能、化学功能、物理功能、工艺功能。 1.机械功能 （一）应力的概念,物体内部单位截面积上接受的力称为应力。由外力效果 引起的应力称为作业应力，在无外力效果条件下平衡于物体内部的应力称为内 应力（例如安排应力、热应力、加工进程完毕后留存下来的剩下应力…）。 （二）机械功能,金属在必定温度条件下接受外力（载荷）效果时，反抗变 形和开裂的才能称为金属资料的机械功能（也称为力学功能）。金属资料接受 的载荷有多种方式，它能够是静态载荷，也能够是动态载荷，包含独自或一起 接受的拉伸应力、压应力、曲折应力、剪切应力、改变应力，以及冲突、振荡、 冲击等等，因而衡量金属资料机械功能的目标首要有以下几项： 1.1.强度 这是表征资料在外力效果下反抗变形和损坏的最大才能，可分为抗拉强度 极限（σ b）、抗弯强度极限（σ bb）、抗压强度极限（σ bc）等。因为金属材 料在外力效果下从变形到损坏有必定的规则可循，因而一般选用拉伸实验进行 测定，即把金属资料制成必定标准的试样，在拉伸实验机上进行拉伸，直至试 样开裂，测定的强度目标首要有： （1）强度极限：资料在外力效果下能反抗开裂的最大应力，一般指拉力作 用下的抗拉强度极限，以σ b 标明，如拉伸实验曲线图中最高点 b 对应的强度 极限，常用单位为兆帕（MPa），换算联系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2 或 1kgf/mm2=9.8MPa。 （2）屈从强度极限：金属资料试样接受的外力超越资料的弹性极限时，虽 然应力不再添加，可是试样仍发生显着的塑性变形，这种现象称为屈从，即材 料接受外力到必定程度时，其变形不再与外力成正比而发生显着的塑性变形。 发生屈从时的应力称为屈从强度极限，用σ s 标明，相应于拉伸实验曲线图中 的 S 点称为屈从点。关于塑性高的资料，在拉伸曲线上会呈现显着的屈从点， 而关于低塑性资料则没有显着的屈从点，然后难以依据屈从点的外力求出屈从 极限。因而，在拉伸实验办法中，一般规则试样上的标距长度发生 0.2%塑性变 形时的应力作为条件屈从极限，用σ 0.2 标明。屈从极限目标可用于要求零件 在作业中不发生显着塑性变形的设计依据。可是关于一些重要零件还考虑要求 屈强比（即σ s/σ b）要小，以进步其安全可靠性，不过此刻资料的利用率也较 低了。 （3）弹性极限：资料在外力效果下将发生变形，可是去除外力后仍能康复 原状的才能称为弹性。金属资料能坚持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相 应于拉伸实验曲线图中的 e 点，以σ e 标明，单位为兆帕（MPa）：σ e=Pe/Fo 式中 Pe 为坚持弹性时的最大外力（或许说资料最大弹性变形时的载荷）。 （4）弹性模数：这是资料在弹性极限规模内的应力σ 与应变δ （与应力相 对应的单位变形量）之比，用 E 标明，单位兆帕（MPa）：E=σ /δ =tgα 式中α 为拉伸实验曲线上 o-e 线与水平轴 o-x 的夹角。弹性模数是反映金属资料刚性 的目标（金属资料受力时反抗弹性变形的才能称为刚性）。 1.2.塑性 金属资料在外力效果下发生永久变形而不损坏的最大才能称为塑性，一般 以拉伸实验时的试样标距长度延伸率δ （%）和试样断面缩短率ψ （%）延伸率 δ =[(L1-L0)/L0]x100%，这是拉伸实验时试样拉断后将试样断口对合起来后的 标距长度 L1 与试样原始标距长度 L0 之差（增长量）与 L0 之比。在实践实验时， 同一资料可是不同标准（直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度） 的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因而一般需求特别加注，例如最常用的圆 截面试样，其初始标距长度为试样直径 5 倍时测得的延伸率标明为δ 5，而初始 标距长度为试样直径 10 倍时测得的延伸率则标明为δ 10。断面缩短率ψ =[(F0F1)/F0]x100%，这是拉伸实验时试样拉断后原横截面积 F0 与断口细颈处最小截 面积 F1 之差（断面缩减量）与 F0 之比。有用中关于最常用的圆截面试样一般 可通过直径丈量进行核算：ψ =[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-试样原直径； D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ 与ψ 值越大，标明资料的塑性越好。 1.3.耐性 金属资料在冲击载荷效果下反抗损坏的才能称为耐性。一般选用冲击实验， 即用必定尺度和形状的金属试样在规则类型的冲击实验机上接受冲击载荷而折 断时，断口上单位横截面积上所耗费的冲击功表征资料的耐性：α k=Ak/F 单位 J/cm2 或 Kg·m/cm2，1Kg·m/cm2=9.8J/cm2α k 称作金属资料的冲击耐性，Ak 为冲击功，F 为断口的原始截面积。5.疲惫强度极限金属资料在长时刻的重复应 力效果或交变应力效果下（应力一般均小于屈从极限强度σ s），未经明显变形 就发生开裂的现象称为疲惫损坏或疲惫开裂，这是因为多种原因使得零件外表 的部分构成大于σ s 乃至大于σ b 的应力（应力会集），使该部分发生塑性变形 或微裂纹，跟着重复交变应力效果次数的添加，使裂纹逐步扩展加深（裂纹尖 端处应力会集）导致该部分处接受应力的实践截面积减小，直至部分应力大于 σ b 而发生开裂。在实践运用中，一般把试样在重复或交变应力（拉应力、压 应力、曲折或改变应力等）效果下，在规则的周期数内（一般对钢取 106~107 次，对有色金属取 108 次）不发生开裂所能接受的最大应力作为疲惫强度极限， 用σ -1 标明，单位 MPa。除了上述五种最常用的力学功能目标外，对一些要求 特别严厉的资料，例如航空航天以及核工业、电厂等运用的金属资料，还会要 求下述一些力学功能目标：蠕变极限：在必定温度和稳定拉伸载荷下，资料随 时刻缓慢发生塑性变形的现象称为蠕变。一般选用高温拉伸蠕变实验，即在恒 定温度和稳定拉伸载荷下，试样在规则时刻内的蠕变伸长率（总伸长或剩下伸 长）或许在蠕变伸长速度相对稳定的阶段，蠕变速度不超越某规则值时的最大 应力，作为蠕变极限，以标明，单位 MPa，式中τ 为实验持续时刻，t 为温度， δ 为伸长率，σ 为应力；或许以标明，V 为蠕变速度。高温拉伸耐久强度极限： 试样在稳定温度和稳定拉伸载荷效果下，到达规则的持续时刻而不开裂的最大 应力，以标明，单位 MPa，式中τ 为持续时刻，t 为温度，σ 为应力。金属缺口 敏感性系数：以 Kτ 标明在持续时刻相同（高温拉伸耐久实验）时,有缺口的试 样与无缺口的润滑试样的应力之比：式中τ 为实验持续时刻，为缺口试样的应 力，为润滑试样的应力。或许用：标明，即在相同的应力σ 效果下，缺口试样 持续时刻与润滑试样持续时刻之比。抗热性：在高温下资料对机械载荷的抗力。 2.化学功能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学功能。在实践运用中 首要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温 时对氧化效果的反抗才能或许说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属 之间构成的化合物对机械功能的影响等等。在金属的化学功能中，特别是抗蚀 性对金属的腐蚀疲惫损害有着严重的含义。 3.物理功能 金属的物理功能首要考虑： （1）密度（比重）：ρ =P/V 单位克/立方厘米或吨/立方米，式中 P 为重 量，V 为体积。在实践运用中，除了依据密度核算金属零件的分量外，很重要 的一点是考虑金属的比强度（强度σ b 与密度ρ 之比）来协助选材，以及与无 损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度ρ 与声速 C 的乘积）和射线检测中密 度不同的物质对射线能量有不同的吸收才能等等。 （2）熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属资料的熔炼、热加工 有直接影响，并与资料的高温功能有很大联系。 （3）热胀大性。跟着温度改变，资料的体积也发生改变（胀大或缩短）的 现象称为热胀大，多用线胀大系数衡量，亦即温度改变 1℃时，资料长度的增 减量与其 0℃时的长度之比。热胀大性与资料的比热有关。在实践运用中还要 考虑比容（资料受温度等外界影响时，单位分量的资料其容积的增减，即容积 与质量之比），特别是关于在高温环境下作业，或许在冷、热替换环境中作业 的金属零件，有必要考虑其胀大功能的影响。 （4）磁性。能招引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损 耗、剩下磁感应强度、矫顽磁力等参数上，然后能够把金属资料分红顺磁与逆 磁、软磁与硬磁资料。 （5）电学功能。首要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流 损耗等都有影响。 4.工艺功能 金属对各种加工工艺办法所表现出来的适应性称为工艺功能，首要有以下 四个方面： （1）切削加工功能：反映用切削东西（例如车削、铣削、刨削、磨削等） 对金属资料进行切削加工的难易程度。 （2）可锻性：反映金属资料在压力加工进程中成型的难易程度，例如将材 料加热到必定温度时其塑性的凹凸（表现为塑性变形抗力的巨细），答应热压 力加工的温度规模巨细，热胀冷缩特性以及与显微安排、机械功能有关的临界 变形的边界、热变形时金属的流动性、导热功能等。 （3）可铸性：反映金属资料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状 态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微安排的均匀性、细密性，以 及冷缩率等。 （4）可焊性：反映金属资料在部分快速加热，使结合部位敏捷熔化或半熔 化（需加压），然后使结合部位牢固地结合在一起而成为全体的难易程度，表 现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接 缝部位和邻近用材显微安排的相关性、对机械功能的影响等。