金属材料主要性能指标解析

（一）金属材料的性能指标简介

金属材料的主要性能，包括使用性能和工艺性能，这些指标是满足各种机械的使用和加工的依据。

金属材料的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力。

1.物理性能

金属材料的物理性能，是指不发生化学反应就能表现出来的一些本征性能，包括材料与热、电、磁等现象相关的性能。金属材料物理性能的有关名词术语，见表2-9。

表2-9　金属材料物理性能的有关名词术语

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2.化学性能

金属材料的化学性能是指发生化学反应时才能表现出来的性能，包括抗氧化性、耐蚀性和化学稳定性等。金属材料化学性能的有关名词术语，见表2-10。

表2-10　金属材料化学性能的有关名词术语

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3.力学性能

力学性能主要指金属在不同环境因素（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所表现的行为，这种行为通常表现为变形和断裂。通常的力学性能包括强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧性和疲劳性能等。常用力学性能，见表2-11。

表2-11　常用力学性能

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4.工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力。在设计机械零件和选择其加工方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。一般地，按成型工艺方法不同，工艺性能有铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性能等。另外，常把与材料最终性能相关的热处理工艺性也作为工艺性能的一部分。

（1）铸造性：金属材料的铸造性是指金属熔化成液态后，再铸造成型时所具有的一种特性。通常衡量金属材料铸造性的指标有流动性、收缩率和偏析倾向，见表2-12。

表2-12　衡量金属材料铸造性的主要指标名称、含义和表示方法

（2）锻造性：锻造性是指金属材料在锻造过程中承受塑性变形的性能。如果金属材料的塑性好，易于锻造成型而不发生破裂，就认为锻造性好。铜、铝的合金在冷态下就具有很好的锻造性；碳钢在加热状态下，锻造性也很好，而青铜的可锻性就差些。至于脆性材料的锻造性就更差，如铸铁就几乎不能锻造。为了保证热压加工能获得好的成品质量，必须制订科学的加热规范和冷却规范，见表2-13。

表2-13　锻件加热和冷却规范的内容、含义和使用说明

（3）焊接性：用焊接方法将金属材料焊合在一起的性能，称为金属材料的焊接性。用接头强度与母材强度相比来衡量焊接性，如接头强度接近母材强度则焊接性好。一般说来，低碳钢具有良好的焊接性，中碳钢中等，高碳钢、高合金钢、铸铁和铝合金的焊接性较差。各种金属材料的焊接难易程度，见表2-14。

表2-14　各种金属材料的焊接难易程度

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注：☆—通常采用 ★—有时采用 ○—很少采用 ●—不采用

（4）切削加工性：金属材料的切削加工性是指金属在切削加工时的难易程度。加工性如何是与多种因素有关的，诸如材料的组织成分、硬度、强度、塑性、韧性、导热性、金属加工硬化程度及热处理等。具有良好切削性能的金属材料，必须具有适宜的硬度（一般希望硬度控制在170～230HBS）和足够的脆性。在切削过程中，由于刀具易于切入，切屑易碎断，就可减少刀具的磨损，降低刃部受热的温度，使切削速度提高，从而降低工件加工表面的粗糙度。

一般说来，有色金属材料比黑色金属材料的加工性好，铸铁比钢的加工性好，中碳钢比低碳钢的可加工性要好，热轧低碳钢加工表面精度差，切削加工中易出现“黏刀”现象，这是由于它的硬度、强度低而塑性、韧性高的缘故。难切削金属材料，不锈钢和耐热钢是由于它们的强度、硬度（特别是高温强度、硬度）和塑性、韧性都偏高，所以难于加工。

金属材料的加工性很难用一个指标来评定，可切削性能的好坏，通常用“切削率”或“切削加工系数”来相对地表示，亦即“相对切削加工性”。这种表示方法，对于加工部门来说是比较实用的，因而使用较为广泛。

所谓“切削率”或“切削加工系数”，是指选用某一钢种作为标准材料（一般选用易切结构钢——Y12，也有采用其他钢种的），取其在切削加工精度、粗糙度相同和刀具寿命一致的情况下，用被试材料与标准材料的最大切削速度之比值来表示。比值以百分数表示的，称为“切削率”（标准材料的切削率规定为100％）；比值以整数或小数表示的，称为“切削加工系数”（标准材料的切削加工系数规定为1）。凡切削率高或切削加工系数大的，这种材料的加工性就较好；反之，就不好。

各种金属材料的可加工性，按其相对切削加工性的大小，可分为8级，见表2-15。

表2-15　金属材料的加工性级别及其代表性材料举例

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注：本表所列各类材料的切削率，由于资料来源不一，仅供参考。

（5）热处理工艺性能：热处理是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却方法，以改变金属或合金的内部组织，而得到所需性能的一种工艺操作。

衡量金属材料热处理工艺性能的指标有：淬硬性、淬透性、淬火变形及开裂趋势、表面氧化及脱碳趋势、过热及过烧敏感趋势、回火稳定性、回火脆性等，见表2-16。

表2-16　衡量金属材料热处理工艺性能的主要指标名称、含义和评定方法

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（6）金属材料的工艺性能试验，见表2-17。

表2-17　金属材料的工艺性能试验

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（二）常用金属材料的主要性能

1.常用金属材料力学性能术语

常用金属材料力学性能术语，见表2-18。

表2-18　常用金属材料力学性能术语

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注：本表摘自（GB／T 10623—2008）

2.钢铁材料的铸造收缩率(www.xing528.com)

钢铁材料的铸造收缩率，见表2-19。

表2-19　钢铁材料的铸造收缩率

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注：①此表适合于砂型铸造。
②通常简单厚实件的收缩可视为自由收缩，除此之外均视为受阻收缩。
③湿砂型、水玻璃砂型的铸造收缩率应比干砂型大些。油砂芯的收缩率介于湿型和干型之间。

3.常用钢铁材料的熔点、热导率及比热容

常用钢铁材料的熔点、热导率及比热容，见表2-20。

表2-20　常用钢铁材料的熔点、热导率及比热容

注：表中的热导率及比热容数值指在0℃～100℃范围内。

4.常用钢铁材料的弹性模量与泊松比

常用钢铁材料的弹性模量与泊松比，见表2-21。

表2-21　常用钢铁材料的弹性模量与泊松比

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5.常用钢材的线胀系数

常用钢材的线胀系数，见表2-22。

表2-22　常用钢材的线胀系数（单位：×10-6/℃）

6.结构钢的线胀系数

结构钢的线胀系数，见表2-23。

表2-23　结构钢的线胀系数（单位：×10-6/℃）

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7.常用钢铁材料的密度

常用钢铁材料的密度，见表2-24。

表2-24　常用钢铁材料的密度

8.不锈钢和工具钢的线胀系数

不锈钢和工具钢的线胀系数，见表2-25。

表2-25　不锈钢和工具钢的线胀系数（单位：×10—6/℃）

注：括号中的牌号为旧牌号。

9.铁合金的密度及堆密度

铁合金的密度及堆密度，见表2-26。

表2-26　铁合金的密度及堆密度

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（三）新旧标准拉伸性能指标名称和符号对照

新旧标准拉伸性能指标名称和符号对照，见表2-27。

表2-27　新旧标准拉伸性能指标名称和符号对照

（四）各种硬度间的换算关系

各种硬度间的换算关系，见表2-28。

表2-28　各种硬度间的换算关系

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（五）有色金属硬度与强度的换算关系

有色金属硬度（HBW）与抗拉强度Rm（N／mm2）的关系，可按关系式Rm=K HBW计算，其中强度-硬度系数K值按表2-29取值。

表2-29　有色金属强度-硬度系数K值

（六）钢铁材料硬度与强度的换算关系

为了能用硬度试验代替某些力学性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。布氏硬度与抗拉强度的换算关系近似为：

（1）低碳钢：Rm≈3.53 HBW。

（2）高碳钢：Rm≈3.33 HBW。

（3）合金钢：Rm≈3.19 HBW。

（4）灰铸铁：Rm≈0.98 HBW。

钢铁材料硬度与强度的换算关系，见表2-30。

表2-30　钢铁材料硬度与强度的换算关系

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注：①HBS为采用钢球压头所测布氏硬度值，在GB／T231.1—2009中已取消了钢球压头。
②HBW为采用硬质合金球压头所测布氏硬度值。
本表摘自GB／T1172—1999。