金属材料的性能及其应用分析

任务介绍

汽车工业中主要应用的材料是金属材料，故本模块主要介绍金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指金属材料在正常使用条件下所表现出来的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指金属材料在各种加工过程中表现出来的性能，主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能。

学习目标

1.了解金属材料物理、化学性能及工艺性能。

2.掌握金属材料的力学性能。

相关知识

一、金属的物理性能、化学性能及工艺性能

1.物理性能

金属材料的物理性能是指材料在物理方面的特性，主要包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、导磁性等。

金属材料的密度为单位体积金属的质量，单位是g/cm3。密度是金属的特性之一，不同金属材料的密度是不同的，根据密度的大小将金属分为轻金属和重金属。密度小于5g/cm3的为轻金属；密度大于5g/cm3的为重金属。在常用的金属材料中，铜的密度为8.96g/cm3，铁的密度为7.87g/cm3，属重金属。铝的密度为2.7g/cm3，属轻金属。

在汽车工业中，为了增加有效载荷质量，钢铁占整车质量的67％左右；而某些高速运动的零件（如活塞），要求尽量减少质量，以减少其惯性力，宜采用强度较高、密度较小的金属材料（如铝合金）来制造。

熔点是指金属或合金在加热过程中由固体熔化为液体的温度，常以摄氏度（℃）来表示。每种金属都有自己的熔点。常用金属材料中钨的熔点最高，铅、锡等金属熔点较低。熔点低的铅、锡可以制造熔丝等，熔点高的钨、钼则用于制造灯丝、加热元件等。

导电性是指金属能够传导电流的性能。所有金属都是导电体，其中以银的导电性最好，其次是铜和铝，而且铜和铝价格较低，因此常用铜或铝制作导线。合金的导电性比纯金属差，某些合金如镍-铬合金具有很高的电阻率，常用作轿车仪表中的电阻元件。

导热性是指金属传导热的性能。所有金属都是导热体，其中以银的导热性最好，铜、铝次之。导热性好并具有较好耐蚀性的材料（如铝）常用来制造轿车的热交换器和散热器中的零件。

热膨胀性是指金属在温度升高时体积胀大的现象，它也是金属的一个重要特性，但一般在常温下使用的金属材料可不予考虑；在某些情况下，如千分尺、块规等测量工具，以及有精度配合的零件，对热膨胀性都有严格要求。

2.化学性能

化学性能是指在室温或高温条件下发生或抵抗各种化学作用的能力，包括抗氧化性和抗腐蚀性和化学稳定性。

金属在各种介质中及不同的温度下工作，不可避免地受到腐蚀及氧化。腐蚀对金属材料的危害很大，不仅使金属材料本身受到损失，严重时还使轿车零部件遭到破坏。因此，提高金属材料的耐腐蚀性能，可以减少金属消耗、延长材料使用寿命。

3.工艺性能

工艺性能是指金属材料接受加工成形的能力，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能等。

铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到一定形状和性能的零件的方法。铸造性能是指浇注时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析性等。在常用的金属材料中，灰铸铁和青铜有良好的铸造性能。

锻造是一种利用锻压机械对金属材料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。可锻性好，表明容易进行锻造加工；可锻性差，表明该金属不宜选用锻压加工方法变形。与高碳钢和合金钢相比，低碳钢能承受锻造、轧制、冷拉、挤压等形变加工，表现出良好的可锻性。

焊接性能是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好的焊缝的性能。焊接性能好的材料，焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹等缺陷，其强度与母材接近。在常用的材料中低碳钢的焊接性能较好。

切削加工性能是指工件材料进行切削加工的难易程度。切削加工性能好的材料易于高效获得加工表面质量好的零件，且刀具寿命长；而加工性能不好的材料，不易获得高质量表面的工件，甚至不能切削加工。硬度过高或过低及韧性过大的材料，切削加工性能较差。

灰铸铁具有良好的切削加工性能。

二、材料的力学性能

汽车是用不同的材料制成各种零部件后组装而成的。这些零部件在使用过程中往往不可避免地受到各种外力的作用，这些外力作用对金属有一定的破坏性，因此要求材料具有抵抗外力作用而不被破坏的能力，这就是材料的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、硬度和韧性。

1.强度

汽车零件在使用时将受到各种外力的作用。例如，汽车吊车的钢丝绳，其承受拉力并非无限大，应低于某一数值，在这一数值范围内，钢丝绳有抵抗外力而不被破坏的能力，这种金属在载荷（外力）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

按载荷的不同，强度分为抗拉、抗压、抗剪、抗扭、抗弯等。其金属内部原子阻止变形的抗力称为内力，其大小和外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力大小又称应力。因此，根据载荷类型不同，金属强度指标也不同。但实际应用中最为广泛的是抗拉强度指标，因为其他强度指标与抗拉强度指标有一定的关系，知道抗拉强度就可以近似地预测其他强度指标，而且测定金属抗拉强度的方法——拉伸试验法也最为简单。

拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验前预先将退火状态的普通低碳钢，按国家标准（GB/T 228.1—2010）规定，制作成一定尺寸和形状的圆柱形标准试样，如图2-1所示。

试验时，将试样放到试验机上，匀速缓慢地向试样两端施加轴向静拉力，直至拉断。在整个过程中把外加载荷与试样的相应变形量画成曲线，如图2-2所示，这就是低碳钢的拉伸曲线图，又称应力-应变曲线。

图2-1　拉伸试样

图2-2　低碳钢的应力-应变曲线

该曲线实际分为4个阶段。

（1）oe——弹性变形阶段

这一阶段，试样变形量与载荷成正比。这时如果卸除载荷，试样便会恢复到试验前的原有状态，这种变形称为弹性变形。

（2）es——屈服阶段

在此阶段，尽管外载荷不增加或增加很少，但变形量仍继续增大，在拉伸图上出现水平线，这种现象称为屈服。

（3）sb——塑性变形阶段

当外载超过Fs后，尽管外载增加不大，但试样变形量却很大，直至b点，且b点的外载荷Fb为最大。

（4）bk——缩颈阶段

当载荷增大到Fb后，试样的某一部位截面面积开始急剧减小，产生“缩颈”现象，其抵抗外载的能力下降，此时再增加外载，试样可被拉断。工业上使用的金属材料多数是没有屈服现象的。有些脆性材料不仅没有屈服现象还不产生“缩颈”。

由上述各阶段的应力-应变关系，可以得出两个主要的力学性能的强度指标：屈服强度和抗拉强度。

在拉伸过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍继续伸长时的应力称为材料的屈服强度，用σs表示，单位为MPa。其计算公式如下：

式中：Fs——试样产生屈服现象时的载荷，N；

A0——试样原截面面积，mm2。

除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象。因此，对于这些材料，规定产生0.2％残余伸长时的应力作为条件屈服强度σ0.2可以替代σs，称为条件（名义）屈服强度。

屈服强度标志着材料对起始塑性变形的抗力，是工程技术中重要的力学性能指标之一，设计零件时常以σs或σ0.2作为选用金属材料的依据。

抗拉强度是材料在拉断前所承受的最大应力，用σb表示，单位为MPa。其计算公式如下：

式中：Fb——试样断裂前所承受的最大载荷，N；

A0——试样原截面面积，mm2。

抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表示材料抵抗在拉伸条件上下所能承受的最大的应力值，它是设计机械零件和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。

2.塑性

塑性是指材料在载荷作用下，产生不可逆、永久变形的能力。材料具有良好的塑性，有利于金属的冲压成形加工。例如，汽车驾驶室的外壳、车厢板、油箱等在成形过程中，若金属材料塑性不好，则容易开裂。

塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用断后伸长率δ和断面收缩率Ψ来表示。(www.xing528.com)

（1）断后伸长率

断后伸长率是指金属试样进行拉伸试验被拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度之比的百分数，用δ表示。其计算公式如下：

式中：l1——试样原始标距长度，mm；

l1——试样拉断后的标距长度。

（2）断面收缩率

断面收缩率是指金属试样进行拉伸试验拉断处横截面积缩小量与原始横截面积之比的百分数，用Ψ表示。

式中：A0——试样的原始横截面积，mm2；

A1——试样断口处的横截面积。

δ和Ψ越大，表示材料的塑性越好；反之，表示材料的塑性越差，脆性越大。

提 示：强度与塑性是矛盾的两个力学指标，一般强度高的材料，塑性较差。

3.硬度

硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力，它是金属材料的一个重要力学性能。

虽然硬度与强度间没有严格的对应关系，但是可以通过大量实验数据找出二者间粗略的换算关系。硬度试验设备简单，操作容易、迅速，性能测试时不损坏金属零部件，所以可以通过硬度试验来检验工具和零件的性能。

应用广泛的硬度试验有布氏硬度和试验洛氏硬度试验，此外，还有维氏硬度（HV）试验、肖氏硬度试验（弹性回跳法）、显微硬度试验和锤击式布氏硬度试验等。

（1）布氏硬度

布氏硬度试验原理如图2-3所示，采用直径为D的淬硬圆钢球以规定的载荷F压入被测试材料表面，保持一定时间后，卸除载荷，测量被测材料的表面压痕直径d和压痕表面积A，计算平均压力F/A的大小作为材料的布氏硬度指标。布氏硬度试验时，钢球的直径D和载荷F是根据被测试材料的种类、性质和厚度，按国家标准规定选择的，试验后用专门的刻度放大镜测出压痕直径D的大小，再查布氏硬度值表即可得到布氏硬度值。d越大，硬度越小；d越小，硬度值越大。

图2-3　布氏硬度试验原理

布氏硬度用符号HB表示。当用淬火钢球为压头时，符号为HBS，用于测量硬度值小于450的材料；当用硬质合金球为压头时，符号为HBW，用于测量硬度值小于650的材料。

布氏硬度只适用于硬度较低、尺寸较大的金属材料，广泛应用于退火或调质后的钢件、灰铸铁和非铁合金等较软的材料。

因为布氏硬度是材料局部范围抵抗变形的能力，所以布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定的换算关系，对一般的碳钢有如下近似关系：

当HBS值<175时，σb≈0.36HBS。

当HBS值>175时，σb≈0.35HBS。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验和布氏硬度试验一样，也采用压入法测定硬度。两者的区别是洛氏硬度试验用的压头是一个120°的圆锥形金刚石或淬火钢球压头，施加相应载荷后，测定金属材料压痕的深度，以压痕深度来表示硬度值。洛氏硬度用HR表示，如图2-4所示。

图2-4　洛氏硬度试验原理

在初试验力和总试验力的作用下，先后压入金属表面，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。洛氏硬度试验操作简单、迅速，无损于工件表面，可以直接从刻度盘上读取硬度值；压痕小，可测定成品及薄的工件；测量的硬度范围大，可以测极软或极硬的金属材料。但有时洛氏硬度的测量值不够准确，所以，同一试样应测3点以上，取其平均值。洛氏硬度用实际压入试件产生塑性变形的压痕深度bd来表示。bd越大，硬度越低；bd越小，硬度越高。

根据试验材料硬度的不同，可分为以下3种不同标度来表示：

1）HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料，如硬质合金。

2）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。

3）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。

洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为3种不同的标准，称为标尺A、标尺B、标尺C。3种标尺的初始压力均为98.07N（10kgf），最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头，加压至588.4N（60kgf）；标尺B使用的是直径为1.588mm（1/16in）的钢球作为压头，加压至980.7N（100kgf）。

标尺C用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。标尺B用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。标尺A用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。尽管标尺A也可用于大多数黑色金属，但是在 实际应用时其一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。

提示：布氏硬度和洛氏硬度的试验原理不同，其大小不能直接进行比较。

4.冲击韧性

以上讨论的是在静载荷作用下的力学性能指标，对于承受冲击载荷的材料，如汽车运行时，许多零件要受到一些突然施加的外力作用，如发动机曲轴、弹簧钢板、大梁、前工字梁等在汽车起动、制动及速度突然改变时，都会受到突然施加的力的作用。这种突然作用的力称为冲击载荷。

冲击载荷作用的零件不仅要有较高的强度和一定的硬度，还要有足够的韧性，以防止零件受冲击载荷作用而破坏。韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示了金属材料抗冲击的能力。韧性的判据是通过冲击试验确定的。目前，衡量材料韧性的常用方法是摆锤式一次能量冲击试验。

把带有缺口的试样放在一次摆锤试验机上，测定金属承受冲击载荷的能力，如图2-5所示。在实际应用中，直接从试验机上读出摆锤打断试样所做的冲击功Ak，然后将冲击功Ak的值除以试样缺口处的横截面积A便得到冲击韧性αk。

图2-5　冲击试验原理示意图

冲击吸收功越大，材料韧性越好，在受到冲击时越不容易断裂。冲击韧度不能真正代表材料的韧性，而用冲击吸收功Ak作为材料韧性判据更为适宜。

任务小结

1）金属材料的工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能。

2）力学性能包括强度、塑性、硬度和韧性。

3）强度：金属在载荷（外力）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。

塑性：材料在载荷作用下，产生不可逆、永久变形的能力。

硬度：金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力。

韧 性：金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示了金属材料抗冲击的能力。

拓展提高

疲劳强度

许多汽车零件，如齿轮、钢板弹簧、曲轴等在工作时承受的载荷所产生应力的大小和方向呈周期性变化，此应力称为交变应力。在这种应力作用下，零件在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为金属的疲劳或疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形，因此，具有更大的危险性。

材料产生疲劳破坏的因素很多，大量疲劳破坏的分析和研究表明：疲劳断裂主要是材料的表面或内部的缺陷造成的。另外，疲劳断裂与零件受到交变应力的大小、应力循环次数和应力特性有关系，图2-6所示是实验测得的疲劳断裂前应力循环次数N与交变应力σ的关系曲线——疲劳曲线。

从曲线可以看出，应力值越低，则断裂前的循环次数越多。当应力降到一定值时，疲劳曲线与横轴平行，应力低于此值时，材料经无数次应力循环而不断裂，此应力值称为疲劳极限，又称疲劳强度。

图2-6　金属材料疲劳曲线示意图

要提高零件的疲劳强度，除改善结构形状，避免内外部应力集中外，还可以通过提高零件表面加工质量或采取各种表面强化的方法来达到，如在零件表面进行喷丸、滚压、抛光及表面热处理等。

一般，交变应力越小，断裂前所能承受的循环次数越多；交变应力越大，可循环次数越少。工程上常用的疲劳强度是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。

疲劳强度与抗拉强度有一定联系，抗拉强度高，疲劳强度也高。