本刊編輯| 王元

 

　　金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。（注：金屬氧化物（如氧化鋁）不屬于金屬材料）
 

金屬材料
 

　　一、種類

 

　　金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

 

　　（1）黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90% 以上的工業純鐵，含碳2% ～ 4% 的鑄鐵，含碳小于 2% 的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、不銹鋼、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。

 

　　（2）有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數小。

 

　?。?）特種金屬材料包括不同用途的結構金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態金屬材料，以及準晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復合材料等。

 

　　二、金屬材料特質

 

　　1.疲勞

 

　　許多機械零件和工程構件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應力水平低于材料的屈服極限，但經過長時間的應力反復循環作用以后，也會發生突然脆性斷裂，這種現象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的特點是：

 

　　（1）載荷應力是交變的；

 

　　（2）載荷的作用時間較長；

 

　?。?）斷裂是瞬時發生的；

 

　?。?）無論是塑性材料還是脆性材料， 在疲勞斷裂區都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。

 

　　金屬材料的疲勞現象，按條件不同可分為下列幾種：

 

　?。?）高周疲勞：指在低應力（工作應力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應力循環周數在100000 以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

 

　?。?）低周疲勞：指在高應力（工作應力接近材料的屈服極限）或高應變條件下， 應力循環周數在10000~100000 以下的疲勞。由于交變的塑性應變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應變疲勞。

 

　　（3）熱疲勞：指由于溫度變化所產生的熱應力的反復作用，所造成的疲勞破壞。

 

　　（4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質（如酸、堿、海水、活性氣體等） 的共同作用下，所產生的疲勞破壞。

 

　?。?）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應力的反復作用下，出現麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

 

　?。?）載荷應力是交變的；

 

　　（2）載荷的作用時間較長；

 

　　（3）斷裂是瞬時發生的；

 

　?。?）無論是塑性材料還是脆性材料， 在疲勞斷裂區都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。

 

　　金屬材料的疲勞現象，按條件不同可分為下列幾種：

 

　?。?）高周疲勞：指在低應力（工作應力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應力循環周數在100000 以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

 

　?。?）低周疲勞：指在高應力（工作應力接近材料的屈服極限）或高應變條件下， 應力循環周數在10000~100000 以下的疲勞。由于交變的塑性應變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應變疲勞。

 

　?。?）熱疲勞：指由于溫度變化所產生的熱應力的反復作用，所造成的疲勞破壞。

 

　　（4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質（如酸、堿、海水、活性氣體等） 的共同作用下，所產生的疲勞破壞。

 

　?。?）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應力的反復作用下，出現麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

 

　?。?）應力腐蝕。在腐蝕介質和較高拉應力共同作用下，金屬表面產生腐蝕并向內擴展成微裂紋，常導致突然破斷?；炷林械母邚姸蠕摻睿ㄤ摻z）可能發生這種破壞。

 

　　4.硬度

 

　　硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

 

　　布氏硬度（HB）： 以一定的載荷（一般3000kg）把一定大?。ㄖ睆揭话銥?0mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與其壓痕面積之比值， 即為布氏硬度值（HB），單位為公斤力/ mm2（N/mm2）。

 

　　洛氏硬度（HR）：當HB>450 或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm 的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗壓力組成幾種不同的洛氏硬度標尺，每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR 后面加以注明。常用的洛氏硬度標尺是A,B,C 三種（HRA、HRB、HRC）。其中C 標尺應用最為廣泛。

 

　　HRA：是采用60kg 載荷鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質合金等）。

 

　　HRB：是采用100kg 載荷和直徑1.58mm 淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。

 

　　HRC：是采用150kg 載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。

 

　　維氏硬度（HV）：以120kg 以內的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值（HV）。硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關系。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。

 

　　三、金屬材料的性能

 

　　金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機械性能、化學性能、物理性能、工藝性能。

 

　　1.機械性能

 

　　（一）應力的概念，物體內部單位截面積上承受的力稱為應力。由外力作用引起的應力稱為工作應力，在無外力作用條件下平衡于物體內部的應力稱為內應力（例如組織應力、熱應力、加工過程結束后留存下來的殘余應力…）。

 

　?。ǘC械性能，金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機械性能（也稱為力學性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜態載荷，也可以是動態載荷，包括單獨或同時承受的拉伸應力、壓應力、彎曲應力、剪切應力、扭轉應力， 以及摩擦、振動、沖擊等等，因此衡量金屬材料機械性能的指標主要有以下幾項：

 

　　1.1. 強度

 

　　這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強度極限（σb）、抗彎強度極限（σbb）、抗壓強度極限（σbc）等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規律可循， 因而通常采用拉伸試驗進行測定，即把金屬材料制成一定規格的試樣，在拉伸試驗機上進行拉伸，直至試樣斷裂，測定的強度指標主要有：

 

　?。?）強度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應力，一般指拉力作用下的抗拉強度極限，以σb 表示，如拉伸試驗曲線圖中最高點b 對應的強度極限， 常用單位為兆帕（MPa），換算關系有： 1MPa=1N/m2=（9.8）-1kgf/mm2 或1kgf/ mm2=9.8MPa。

 

　?。?）屈服強度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖然應力不再增加，但是試樣仍發生明顯的塑性變形，這種現象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產生明顯的塑性變形。產生屈服時的應力稱為屈服強度極限，用σs 表示，相應于拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點，而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點，從而難以根據屈服點的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常規定試樣上的標距長度產生0.2% 塑性變形時的應力作為條件屈服極限，用σ0.2 表示。屈服極限指標可用于要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強比（即σs/σb）要小，以提高其安全可靠性，不過此時材料的利用率也較低了。

 

　　（3）彈性極限：材料在外力作用下將產生變形，但是去除外力后仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應力即為彈性極限，相應于拉伸試驗曲線圖中的e 點，以σe 表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo 式中Pe 為保持彈性時的最大外力（或者說材料最大彈性變形時的載荷）。

 

　?。?）彈性模數：這是材料在彈性極限范圍內的應力σ 與應變δ（與應力相對應的單位變形量）之比，用E 表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα 式中α 為拉伸試驗曲線上o-e 線與水平軸o-x 的夾角。彈性模數是反映金屬材料剛性的指標（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。

 

　　1.2. 塑性

 

　　金屬材料在外力作用下產生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標距長度延伸率δ （%）和試樣斷面收縮率ψ（%）延伸率δ=[（L1-L0）/L0]x100%，這是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標距長度L1 與試樣原始標距長度L0 之差（增長量）與L0 之比。在實際試驗時，同一材料但是不同規格（直徑、截面形狀- 例如方形、圓形、矩形以及標距長度）的拉伸試樣測得的延伸率會有不同，因此一般需要特別加注，例如最常用的圓截面試樣，其初始標距長度為試樣直徑5 倍時測得的延伸率表示為δ5，而初始標距長度為試樣直徑10 倍時測得的延伸率則表示為δ10。斷面收縮率ψ=[（F0-F1）/F0]x100%， 這是拉伸試驗時試樣拉斷后原橫截面積F0 與斷口細頸處最小截面積F1 之差（斷面縮減量） 與F0 之比。實用中對于最常用的圓截面試樣通常可通過直徑測量進行計算：ψ=[1- （D1/D0）2]x100%， 式中：D0- 試樣原直徑；D1- 試樣拉斷后斷口細頸處最小直徑。δ 與ψ 值越大，表明材料的塑性越好。

 

　　1.3. 韌性

 

　　金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用沖擊試驗，即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規定類型的沖擊試驗機上承受沖擊載荷而折斷時， 斷口上單位橫截面積上所消耗的沖擊功表征材料的韌性：αk=Ak/F 單位J/cm2 或Kg·m/cm2，1Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk 稱作金屬材料的沖擊韌性，Ak 為沖擊功， F 為斷口的原始截面積。5. 疲勞強度極限金屬材料在長期的反復應力作用或交變應力作用下（應力一般均小于屈服極限強度σs），未經顯著變形就發生斷裂的現象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂，這是由于多種原因使得零件表面的局部造成大于σs 甚至大于σb 的應力（應力集中），使該局部發生塑性變形或微裂紋，隨著反復交變應力作用次數的增加，使裂紋逐漸擴展加深（裂紋尖端處應力集中）導致該局部處承受應力的實際截面積減小，直至局部應力大于σb 而產生斷裂。在實際應用中，一般把試樣在重復或交變應力（拉應力、壓應力、彎曲或扭轉應力等）作用下，在規定的周期數內（一般對鋼取106~107 次， 對有色金屬取108 次）不發生斷裂所能承受的最大應力作為疲勞強度極限，用σ-1 表示，單位MPa。除了上述五種最常用的力學性能指標外，對一些要求特別嚴格的材料，例如航空航天以及核工業、電廠等使用的金屬材料，還會要求下述一些力學性能指標：蠕變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時間緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變試驗，即在恒定溫度和恒定拉伸載荷下， 試樣在規定時間內的蠕變伸長率（總伸長或殘余伸長）或者在蠕變伸長速度相對恒定的階段，蠕變速度不超過某規定值時的最大應力，作為蠕變極限，以表示，單位MPa，式中τ 為試驗持續時間，t 為溫度， δ 為伸長率，σ 為應力；或者以表示，V 為蠕變速度。高溫拉伸持久強度極限：試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷作用下，達到規定的持續時間而不斷裂的最大應力， 以表示，單位MPa，式中τ 為持續時間，t 為溫度，σ 為應力。金屬缺口敏感性系數： 以Kτ 表示在持續時間相同（高溫拉伸持久試驗）時，有缺口的試樣與無缺口的光滑試樣的應力之比：式中τ 為試驗持續時間，為缺口試樣的應力，為光滑試樣的應力。或者用：表示，即在相同的應力σ 作用下， 缺口試樣持續時間與光滑試樣持續時間之比?？篃嵝裕涸诟邷叵虏牧蠈C械載荷的抗力。

 

　　2.化學性能

 

　　金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際應用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性（又稱作氧化抗力，這是特別指金屬在高溫時對氧化作用的抵抗能力或者說穩定性），以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機械性能的影響等等。在金屬的化學性能中，特別是抗蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。

 

　　3.物理性能

 

　　金屬的物理性能主要考慮：

 

　?。?）密度（比重）：ρ=P/V 單位克/ 立方厘米或噸/ 立方米，式中P 為重量， V 為體積。在實際應用中，除了根據密度計算金屬零件的重量外，很重要的一點是考慮金屬的比強度（強度σb 與密度ρ 之比）來幫助選材，以及與無損檢測相關的聲學檢測中的聲阻抗（密度ρ 與聲速C 的乘積）和射線檢測中密度不同的物質對射線能量有不同的吸收能力等等。

 

　?。?）熔點：金屬由固態轉變成液態時的溫度，對金屬材料的熔煉、熱加工有直接影響，并與材料的高溫性能有很大關系。

 

　?。?）熱膨脹性。隨著溫度變化，材料的體積也發生變化（膨脹或收縮）的現象稱為熱膨脹，多用線膨脹系數衡量，亦即溫度變化1℃時，材料長度的增減量與其0℃ 時的長度之比。熱膨脹性與材料的比熱有關。在實際應用中還要考慮比容（材料受溫度等外界影響時，單位重量的材料其容積的增減，即容積與質量之比），特別是對于在高溫環境下工作，或者在冷、熱交替環境中工作的金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影響。

 

　　（4）磁性。能吸引鐵磁性物體的性質即為磁性，它反映在導磁率、磁滯損耗、剩余磁感應強度、矯頑磁力等參數上，從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。

 

　?。?）電學性能。主要考慮其電導率， 在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響。

 

　　4.工藝性能

 

　　金屬對各種加工工藝方法所表現出來的適應性稱為工藝性能，主要有以下四個方面：

 

　?。?）切削加工性能：反映用切削工具（例如車削、銑削、刨削、磨削等）對金屬材料進行切削加工的難易程度。

 

　?。?）可鍛性：反映金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度，例如將材料加熱到一定溫度時其塑性的高低（表現為塑性變形抗力的大?。?，允許熱壓力加工的溫度范圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機械性能有關的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。

 

　?。?）可鑄性：反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現為熔化狀態時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點，鑄件顯微組織的均勻性、致密性，以及冷縮率等。

 

　?。?）可焊性：反映金屬材料在局部快速加熱，使結合部位迅速熔化或半熔化（需加壓），從而使結合部位牢固地結合在一起而成為整體的難易程度，表現為熔點、熔化時的吸氣性、氧化性、導熱性、熱脹冷縮特性、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關性、對機械性能的影響等。