全了！金屬材料的種類、特質和效能有哪些？
2015-01-18熱處理生態圈
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）不屬於金屬材料）
1.1意義
人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關係十分密切。繼石器時代之後出現的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標誌。現代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。
1.2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，含碳小於 2%的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不鏽鋼、耐熱鋼、高溫合金、不鏽鋼、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、***、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，並且電阻大、電阻溫度係數小。
（3）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、奈米晶金屬材料等；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複合材料等。
1.3效能
一般分為工藝效能和使用效能兩類。所謂工藝效能是指機械零件在加工製造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現出來的效能。金屬材料工藝效能的好壞，決定了它在製造過程中加工成形的適應能力。
由於加工條件不同，要求的工藝效能也就不同，如鑄造效能、可焊性、可鍛性、熱處理效能、切削加工性等。
所謂使用效能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現出來的效能，它包括力學效能、物理效能、化學效能等。金屬材料使用效能的好壞，決定了它的使用範圍與使用壽命。在機械製造業中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非常強烈腐蝕性介質中使用的，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。
金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的效能，稱為力學效能（過去也稱為機械效能）。金屬材料的力學效能是零件的設計和選材時的主要依據。外加載荷性質不同（例如拉伸、壓縮、扭轉、衝擊、迴圈載荷等），對金屬材料要求的力學效能也將不同。
常用的力學效能包括：強度、塑性、硬度、衝擊韌性、多次衝擊抗力和疲勞極限等。
金屬材料特質
2.1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，雖然應力水平低於材料的屈服極限，但經過長時間的應力反覆迴圈作用以後，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；
（3）斷裂是瞬時發生的；
（4）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：
（1）高周疲勞：指在低應力（工作應力低於材料的屈服極限，甚至低於彈性極限）條件下，應力迴圈週數在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。
（2）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，應力迴圈週數在10000~100000以下的疲勞。由於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：指由於溫度變化所產生的熱應力的反覆作用，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、鹼、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產生的疲勞破壞。
（5）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應力的反覆作用下，出現麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。
2.2塑性
塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產生永久變形（塑性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫截面積都要發生變化，因此，金屬的塑性可以用長度的伸長（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個指標來衡量。
金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大於百分之五的金屬材料稱為塑性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小於百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的巨集觀範圍內產生塑性變形，並在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強化，從而提高材料的強度，保證了零件的安全使用。
此外，塑性好的材料可以順利地進行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機械零件時，必須滿足一定的塑性指標。
2.3耐久性
建築金屬腐蝕的主要形態：
（1）均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚度減損值作為腐蝕性能的指標（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。
（2）孔蝕。金屬腐蝕呈點狀並形成深坑。孔蝕的產生與金屬的本性及其所處介質有關。在含有氯鹽的介質中易發生孔蝕。孔蝕常用最大孔深作為評定指標。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。
（3）電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產生的腐蝕。
（4）縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區域部常發生由於不同部位間介質的組分和濃度的差異所引起的區域性腐蝕。
（5）應力腐蝕。在腐蝕介質和較高拉應力共同作用下，金屬表面產生腐蝕並向內擴充套件成微裂紋，常導致突然破斷。混凝土中的高強度鋼筋（鋼絲）可能發生這種破壞。
2.4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效能指標之一。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。
1.布氏硬度（hb）：以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小（直徑一般為10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載後，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)。
2.洛氏硬度（hr）：當hb>450或者試樣過小時，不能採用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。
它是用乙個頂角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，可採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，每一種標尺用乙個字母在洛氏硬度符號hr後面加以註明。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：是採用60kg載荷鑽石錐壓入器求得的硬度，用於硬度極高的材料（如硬質合金等）。
hrb：是採用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用於硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。
hrc：是採用150kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度，用於硬度很高的材料（如淬火鋼等）。
3.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)。
硬度試驗是機械效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效能試驗，生產上需要乙個比較準確的硬度和強度的換算關係。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係。
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。
金屬材料的效能
金屬材料的效能決定著材料的適用範圍及應用的合理性。金屬材料的效能主要分為四個方面，即：機械效能、化學效能、物理效能、工藝效能。
3.1機械效能
（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於物體內部的應力稱為內應力（例如組織應力、熱應力、加工過程結束後留存下來的殘餘應力…等等）。
（二）機械效能,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效能（也稱為力學效能）。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、剪下應力、扭轉應力，以及摩擦、振動、衝擊等等，因此衡量金屬材料機械效能的指標主要有以下幾項：
3.1.1.強度
這是表徵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。由於金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規律可循，因而通常採用拉伸試驗進行測定，即把金屬材料製成一定規格的試樣，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：
（1）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），換算關係有：1mpa=1n/m2=(9.
8)-1kgf/mm2或1kgf/mm2=9.8mpa。
（2）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，相應於拉伸試驗曲線圖中的s點稱為屈服點。
對於塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點，而對於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。屈服極限指標可用於要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。但是對於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，但是去除外力後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，相應於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）。
（4）彈性模數：這是材料在彈性極限範圍內的應力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）。
3.1.2.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後將試樣斷口對合起來後的標距長度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註，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後原橫截面積f0與斷口細頸處最小截面積f1之差（斷面縮減量）與f0之比。
實用中對於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-試樣拉斷後斷口細頸處最小直徑。
δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。
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