金工实习：金属材料性能全揭秘

材料是人类生产和生活所必需的物质基础。人们将工程上广泛使用的材料称为工程材料。按材料的化学成分，可将工程材料分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。

金属材料是目前应用最广泛的工程材料，它包括纯金属及其合金。

金属材料分为黑色金属与有色金属两大类：黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，其中以铁碳合金（钢、铸铁）的应用最广；有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金。

金属材料的力学性能是指材料克服外加载荷作用，抵抗变形和断裂的能力。金属材料的力学性能是设计零件及选择材料的重要依据。金属材料常用的力学性能指标有：强度、硬度、塑性、冲击韧度、疲劳强度等。

1．强度

强度是指材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度的主要指标是屈服强度（σs）和抗拉强度（σb），单位为MPa。

屈服强度是指拉伸试样产生屈服现象时所对应的应力值，以符号σs表示。屈服强度是绝大多数零件设计时的选材依据，对于工作中不允许发生塑性变形的机械零件和金属结构，均应按屈服强度进行设计计算。

抗拉强度是指材料在被拉断破裂前所能承受的最大应力值，以符号σb表示，它也是工程设计和选材时的主要依据之一。

2．塑性

塑性是指材料在静载荷作用下产生永久变形而不发生断裂破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率（δ）和断面收缩率（ψ），它们均以百分数表示。

良好的塑性是材料进行成形加工的必要条件，也是零件工作时保证安全、不发生突然脆断的必要条件。伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好，所制作的零件也就越不容易发生突然脆断。

3．硬度

硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，硬度也是衡量材料耐磨性能的重要指标。在生产中硬度通常采用压入法进行测量。根据测试方法的不同，对应有许多种不同的硬度指标，常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。

1）布氏硬度（HB）　布氏硬度测定原理如图1-1所示：用一直径为D的淬硬钢球（或硬质合金球）作为压头，在一定的载荷F的作用下压入被测材料表面，停留一段时间后卸载，用读数显微镜测量试件表面残留凹坑的压痕直径d并进行计算，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测材料的布氏硬度值。布氏硬度试验法测量准确、稳定，常用于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁、有色金属等毛坯件的硬度；但因压痕较大，不宜测试成品零件或薄片金属的硬度。由于布氏硬度值需要进行计算，布氏硬度实验法的操作稍显复杂。

图1-1　布氏硬度测定原理

2）洛氏硬度（HR）　洛氏硬度测定原理如图1-2所示：用锥顶角为120°的金刚石圆锥体（或直径为1/16英寸的淬硬钢球）作为压头，在规定载荷（初载荷F0与总载荷F0＋F1）的分别作用下压入被测工件表面，保压稳定后卸除主载荷F1保留初载荷F0，根据压痕深度的残余增量e在洛氏硬度计的刻度盘上直接读出硬度值。根据试验时所用的压头和载荷不同，洛氏硬度指标有HRA、HRB、HRC三种。

图1-2　洛氏硬度测定原理

洛氏硬度试验法的操作迅速简便，测试范围较大，压痕较小，可以直接测定成品零件的硬度。但压痕较小容易受到工件材质不均匀的影响，单次测量的准确度较差，故须在不同部位重复测量三点以上，取多次测量的平均值作为被测工件的洛氏硬度值，且允许该硬度值有一定的波动范围，如40~45 HRC等。

4．冲击韧度

金属材料受冲击载荷作用，在断裂前吸收变形能量抵抗破坏的能力，称作冲击韧性。冲击韧性的常用指标为冲击韧度。(www.xing528.com)

冲击韧度（αk）是指材料在冲击载荷作用下抵抗断裂破坏的能力，αk的数值常用摆锤式冲击试验机测定，单位为J/cm2。一般将αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。

韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽；脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整，呈晶状或瓷状，有金属光泽。工作中受冲击载荷作用的零件，如锻锤的锻杆、锻模，内燃机的连杆等，应按冲击韧度值αk进行设计计算。

5．疲劳强度

曲轴、连杆、齿轮、弹簧等交变载荷作用下工作的机械零件，即使所受应力大大低于材料的强度极限，经较长时间工作后也容易发生断裂，这种断裂现象称为疲劳破坏。材料承受无数次循环交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，称为疲劳强度。疲劳强度以σ-1来表示，疲劳强度也是材料重要的强度指标之一。

在机械设计与制造中，金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能也都具有重要的意义，同样需要高度重视。

1．物理性能

金属材料的物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。在制造航空航天机械零件时，主要采用密度较小的轻金属；在制造锅炉管道或加热炉底板等零件时，需要选用熔点较高的金属；用于制造变阻器电阻丝的材料要求其电阻率较大，制造导线和电缆则要求材料的导电性能优良，等等。

2．化学性能

金属材料的化学性能，主要是指其抵抗活泼介质化学侵蚀的能力，包括耐蚀性、耐酸碱性和抗高温腐蚀性等。

耐蚀性是指金属材料在常温下抵抗大气、水、水蒸气等介质侵蚀的能力。为了提高零件表面的耐蚀性，工程上常常采用表面镀层、涂刷油漆、发蓝处理等方法，对零件和金属制品的表面进行保护。有些零件，甚至采用不锈钢制造，以抵抗腐蚀性环境的侵蚀。

耐酸碱性指的是金属抵抗酸碱侵蚀的能力。设计制造化工、石油等工程机械设备时，需要选用耐酸钢，以抵抗酸、碱、盐等化学介质的侵蚀。

耐热性是指金属材料在高温下能保持足够强度并能抵抗氧或其他介质侵蚀的能力。锅炉、汽轮机等在高温条件下工作的机械设备，其受热结构及受热零件必须采用耐热钢制造，以适应高温工作环境的需要。

3．工艺性能

金属材料的工艺性能是指材料在加工过程中是否易于被加工成零件的性质。工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能与热处理性能等。材料的工艺性能与材料的化学成分、内部组织及加工条件有关，它们是材料的力学性能、物理性能和化学性能在加工过程中的综合表现。金属材料工艺性能的优劣不仅影响产品的生产效率和成本，而且影响产品的质量和使用。

铸造成形的零件，要求所选用金属材料的铸造性能良好，能够使液态金属顺利地充满铸型，得到尺寸准确、轮廓清晰、力学性能合格的铸件，并且能够减少和避免产生应力、变形、裂纹、缩孔、气孔、化学成分偏析、内部组织不均匀等缺陷，以提高铸件的使用可靠性。

锻压成形的零件应该选用锻造性能良好的金属材料，即要求材料的塑性好、变形抗力小，可锻温度范围较宽，锻压成形时不易产生裂纹，易于获得高质量的锻件。

焊接件主要是应该获得优质的焊接接头。焊接性能良好的金属，其焊接接头强度高，焊缝及焊缝邻近部位不易产生过大的焊接应力而引起变形与裂纹，焊缝中也不易出现气孔、夹渣与其他焊接缺陷。

需要进行表面切削加工的零件，要求材料的切削加工性能良好，即切削时的能耗低、对刀具的磨损小，加工表面光洁，切屑排除容易、加工面的表面质量高，并且刀具寿命长，切削工效高。

需要进行热处理的零件，要求材料具有良好的热处理性能，即经过热处理之后金属零件必须是内部晶粒细小、组织均匀、性能合格，尽量避免出现过大的热处理应力，防止产生变形与开裂等缺陷。