熟悉金属材料性能原理与应用

【情境导入】

请讨论：如图2-1所示，为什么发动机外壳采用铸铁材料?为什么家用电线采用铜线?为什么车床车刀采用合金钢?

图2-1　金属材料制品

(a)铸铁发动机外壳；(b)电线；(c)车刀

以上两种机械零件及家用电线为什么采用了不同的金属材料?因为不同的金属材料在使用过程中表现出不同的性能，选用材料必须符合机件的使用要求，才能发挥机件机械的性能及特性。所以，了解金属材料的性能不仅是选材、验收、鉴定的需要，也是合理进行产品加工的需要。为此，作为一名机械技术人员必须了解技术材料性能的内涵。

金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是金属材料在制造工艺过程中所表现出来的适应加工性能；使用性能是金属材料在使用条件下表现出来的性能，包括物理性能、化学性能和力学性能。

【讲一讲】

一、工艺性能

金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下5个方面：

1.铸造性能

铸造性能反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度(图2-2)，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。铸造性能通常指流动性、收缩性、铸造应力、偏析、吸气倾向和裂纹敏感性。

2.锻造性能

锻造性能反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度(图2-3)，如将材料加热到一定温度时其塑性的高低(表现为塑性变形抗力的大小)，允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限，热变形时金属的流动性、导热性能等。

图2-2　铸件

图2-3　锻件

3.焊接性能

焊接性能反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化(需加压)，从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度(图2-4)，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附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。

4.切削加工性能

切削加工性能反映用切削工具(例如车削、铣削、刨削、磨削等)对金属材料进行切削加工的难易程度(图2-5)。

图2-4　焊接件

图2-5　切削加工

5.热处理性能

热处理是通过改变金属材料的组织或改变表面成分及组织，使其性能发生变化的一种加工工艺。热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能(图2-6)。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。热处理是决定产品性能、寿命和可靠性的关键，热处理水平是制造业竞争力的核心要素之一。利用热处理技术优势，充分发挥材料潜力，引领新产品的开发是装备制造业自主创新的重要途径。

图2-6　热处理产品

二、使用性能

1.物理性能

物理性能是指金属材料本身所固有的属性，包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性6个指标。

·密度(比重)：密度的公式见式(2-1)。

式中　ρ——密度，单位为g/cm3或t/m3；

P——质量；

V——体积。

在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的质量外，很重要的一点是考虑金属的比强度(强度σb与密度ρ之比)来帮助选材，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能力等。

·熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。

·导电性：金属材料传导电流的能力，如铜丝和铝丝各具有不同的导电性。

·导热性：金属材料在单位时间内，当沿热流方向的单位长度上温度降低(1℃)时，单位面积所通过的热量。

·热膨胀性：随着温度变化，材料的体积也发生变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，即温度变化1℃时，材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。(www.xing528.com)

·磁性：能吸引铁磁性物体(铁、钴、镍)的性质即为磁性，它反映在磁导率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

2.化学性能

化学性能是指金属材料在化学作用下所表现出来的性能，主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性3个指标。

·耐腐蚀性：在常温下，金属材料抵抗周围介质腐蚀破坏作用的能力。它主要由材料的成分、化学性能、组织形态等决定。

·抗氧化性：金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力。

·化学稳定性：是耐腐蚀性和抗氧化性的总成。

3.力学性能

力学性能是指金属材料在外力(外载荷)的作用下，所表现出来的抵抗变形或断裂的能力。衡量金属材料强度的指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。

·强度：金属材料在静荷作用下抵抗破坏(过量塑性变形或断裂)的能力。通常采用静拉伸实验测量材料的屈服强度(ReL)抗拉强度(Rm)。

·塑性：金属材料在静载荷作用下，产生塑性变形(永久变形)而不破坏的能力。通过经拉伸试验测得的塑性指标有断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)。

·硬度：金属材料抵抗其他更硬的物体压入其表面的能力。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。常用的方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV)等方法。

·冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，也称冲击韧度。采用冲击试验进行测量，测得的冲击吸收功分别根据缺口的形状(U形和V形缺口)不同用Aku和Akv表示，数值越大，韧性越好。

·疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的作用而不产生破坏的能力。采用疲劳试验测得的疲劳强度用符号R-1表示。

【议一议】

活动一：连连看，试将金属性能与常见表现形式连线匹配。

热处理性能　　　　　铣削

焊接性能　　　　　　氧化性

铸造性能　　　　　　塑性和变形抗力

切削加工性能　　　　金属晶相组织

锻造性能铸造应力

活动二：分组讨论下列3种金属材料的物理性能指标的差异。

铜铝铁

活动三：连连看，试将下列金属性能与其所属属性连线匹配。

化学性能　　　　　锻造性能

物理性能　　　　　塑性

力学性能　　　　　抗氧化性

工艺性能　　　　　密度

【做一做】

一、判断题(正确的打√，错误的打×)

1.铸造性能属于金属的工艺性能。(　)

2.车削属于金属的铸造性能。(　)

3.金属的力学性能包括强度、塑性、硬度、疲劳、冲击韧性。(　)

4.抗腐蚀性属于金属材料的物理性能。(　)

5.密度、熔点、磁性都属于金属材料的物理性能。(　)

二、简答题

1.简述金属材料工艺性能、力学性能包含的内容。

2.列举两种生活中常见金属材料对比分析两种金属材料的物理化学性能。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________