金屬材料的效能

金屬材料的效能分為使用效能和工藝效能。使用效能是指金屬材料在使用過程中反映出來的特性，它決定金屬材料的應用範圍、安全可靠性和使用壽命。使用效能又分為機械效能、物理效能和化學效能。

工藝效能是指金屬材料在製造加工過程中反映出來的各種特性，是決定它是否易於加工或如何進行加工的重要因素。

在選用金屬材料和製造機械零件時，主要考慮機械效能和工藝效能。在某些特定條件下工作的零件，還要考慮物理效能和化學效能。

1.1金屬材料的機械效能

各種機械零件或者工具，在使用時都將承受不同的外力，如拉力、壓力、彎曲、扭轉、衝擊或摩擦等等的作用。為了保證零件能長期正常的使用，金屬材料必須具備抵抗外力而不破壞或變形的效能，這種效能稱為機械效能。即金屬材料在外力作用下所反映出來的力學效能。

金屬材料的機械效能是零件設計計算、選擇材料、工藝評定以及材料檢驗的主要依據。

不同的金屬材料表現出來的機械效能是不一樣的。衡量金屬材料機械效能的主要指標有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

1.1.1 強度

金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。按外力作用的方式不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗扭強度等。一般所說的強度是指抗拉強度。

它是用金屬拉伸試驗方法測出來的。

1.1.2　剛性與彈性

金屬材料在外力作用下，抵抗彈性變形的能力稱為剛性。剛性的大小可用材料的彈性模量（e）表示。彈性模量是金屬材料在彈性變形範圍內的規定非比例伸長應力（σρ）與規定非比例伸長率（ερ）的比值。

所以材料的彈性模量（e）愈大，剛性愈大，材料愈不易發生彈性變形。但必須注意的是：材料的剛性與零件的剛度是不同的，零件的剛度除與材料的彈性模量有關外，還與零件的斷面形狀和尺寸有關。

例如，同一種材料的兩個零件，彈性模量e雖然相同，但斷面尺寸大的零件不易發生彈性變形，而斷面尺寸小的零件則易發生彈性變形。

零件在使用過程中，一般處於彈性變形狀態。對於要求彈性變形小的零件，如幫浦類主軸、往復機的曲軸等，應選用剛性較大的金屬材料。對於要求彈性好的零件，如彈簧則可通過熱處理和合金化的方法，達到提高彈性的目的。

1.1.3　硬度

金屬材料抵抗集中負荷作用的效能稱為硬度。換句話說，硬度是金屬材料抵抗硬物壓入的能力。材料的硬度是強度、塑性和加工硬化傾向的綜合反映。

硬度與強度之間往往有一定的概略比例關係，並在很大程度上反映出材料的耐磨效能。此外，硬度測定方法簡便，不需製備特殊的試樣，可以直接在零件上進行測定，而不損壞工件。所以硬度通常在生產上作為熱處理質量檢驗的主要方法。

1.1.4　衝擊韌性

有些機器零件在工作時，如齒輪換擋、裝置起動、剎車等，往往受到衝擊負荷的作用；還有一些機器，如鍛錘、沖床、鑿岩機、氣動舂砂錘等，它們本身就是利用衝擊能量來工作的。金屬抵抗衝擊負荷的能力稱為衝擊韌性。

對於承受小能量多次衝擊的機器零件，對材料要求高的強度，又要求過高的塑性和衝擊韌性，並不能提高零件的壽命，相反卻因犧牲了強度，不能發揮材料的潛力，反擊會降低零件的壽命。

1.1.5　疲勞強度

金屬材料在重複或交變負荷的作用下，迴圈一定周次ni後，斷裂時所能承受的最大應力稱為疲勞強度。材料的疲勞強度是通過各種條件下的疲勞試驗確定的。對稱應力迴圈下的疲勞極限通常是在旋轉彎曲疲勞試驗機上用光滑試樣測定。

材料的疲勞極限是材料機械效能中的乙個重要效能。凡承受交變負荷的機器零件在設計時需用疲勞極限進行強度計算。在斷裂的零件中，絕大多數是交變負荷下工作的，如往復機的曲軸，各種機器的主軸、齒輪、彈簧等。

它們的主要破壞形式是疲勞斷裂，而且疲勞斷裂中大多數是突然發生的，通常所承受的應力也小於材料的屈服強度。因此，疲勞斷裂具有很大的危險性。

材料的疲勞極限是材料機械效能中最敏感的效能之一。受各種內因和外因的影響。例如工作時的負荷性質、環境溫度和介質；零件的幾何尺寸、表面加工的質量及處理；材料的化學成分、內部組織及缺陷等，都顯著地影響疲勞極限。

為了提高機械零件的疲勞強度，除了根據強度要求正確選材外，合理地設計零件的結構形狀，避免應力集中，提高零件的表面質量，避免各種損傷，以及採用表面淬火、化學熱處理、噴丸處理等表面強化方法，都能不同程度地提高抗疲勞斷裂的能力。

1.1.6斷裂韌性

金屬材料抵抗裂紋擴充套件斷裂的韌性效能稱為斷裂韌性。斷裂韌性與其他韌性一樣，綜合地反映了材料的強度和塑性。

按傳統力學方法對零件進行強度設計時，以材料的屈服強度為依據，運用強度儲備法確定零件的許用應力和工作應力。照此設計的零件，一般認為是安全可靠的。但是，一些用高強度鋼和超高強度鋼製造的零件，以及中、低強度鋼製造的大型零件，在工作應力低於屈服強度的條件下，有時發生脆性斷裂。

這種在屈服強度以下產生的脆性斷裂稱為低應力脆斷。

大量斷裂事故分析表明：零件的低應力脆斷是由巨集觀裂紋失穩擴充套件引起的。為了防止低應力脆斷事故發生，在選用材料時，應根據材料的斷裂韌性指標，對零件允許的工作應力和裂紋尺寸進行定量計算，提出明確的資料要求。

1.2. 金屬材料的其他效能

1.2.1　物理效能

金屬材料的物理效能，有密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性等。

金屬材料密度大於5的稱為重金屬；小於5的稱為輕金屬。對於某些工業部門（如航空），密度對產品的重量具有重要的意義。

金屬材料的熔點影響到材料的使用和製造工藝。例如：電阻絲、鍋爐零件、燃氣輪機的噴嘴等，要求材料有高的熔點，保險絲則要求熔點低。

在製造工藝上，熔點低的共晶合金，流動性好，便於鑄造成形。

金屬材料的熱膨脹性主要是指它的線膨脹係數。熱膨脹性會帶來零件的變形、開裂及改變配合狀態，從而影響機器裝置的精度和使用壽命。高精度的工具機和儀器，要求在一定溫度下加工和測量產品，就是考慮了這個因素。

金屬材料的導熱性影響加熱和冷卻的速度。導熱性差的材料在加熱或冷卻時，工件內外溫差大，容易產生大的內應力。當內應力大於材料的強度時，則會產生變形或裂紋。

金屬材料的導電性和導磁性，對一些電機、電器產品是很重要的效能。如銅、鋁導線要求導電性好，鎳鉻合金的電阻絲則要求有大的電阻，變壓器和電機的鐵芯則採用磁性好的鐵磁材料。

1.2.2　化學效能

金屬材料的化學效能主要是指金屬抵抗活潑介質的化學侵蝕能力。

在室溫下金屬材料抵抗周圍介質（如大氣、水氣等）侵蝕的能力稱為耐蝕性。一般機器零件為了不被腐蝕，常用熱鍍或電鍍金屬、發蘭處理、塗油漆、燒搪瓷、加潤滑油等方法來進行保護。在易腐蝕環境工作的重要零件，有時需採用不鏽鋼製造。

金屬材料抵抗酸鹼侵蝕的能力稱為耐酸性。在化工機械中受到酸鹼鹽等化學介質侵蝕的零件，則需採用耐酸鋼製造。

金屬材料在高溫下保持足夠的強度，並能抵抗氧或水蒸氣侵蝕的能力稱為耐熱性。在鍋爐、汽輪機及化工、石油等裝置上的一些零件，為了滿足這一效能，需採用耐熱不鏽鋼製造。

1.2.3　工藝效能

金屬材料的工藝效能是反映金屬材料在各種加工過程中，適應加工工藝要求的能力。它是物理效能、化學效能和機械效能的綜合表現。工藝效能主要有鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理性等。

在機械設計和製造中，以及選擇材料和工藝方法時，必須考慮材料的工藝效能。

1.2.4 鑄造效能

金屬材料的鑄造效能主要是指流動性、收縮性和產生偏析的傾向。流動性是流體金屬充滿鑄型的能力。流動性好能鑄出細薄精緻的複雜鑄件，能減少缺陷。

收縮性是指金屬材料在冷卻凝固中，體積和尺寸縮小的效能。收縮是使鑄件產生縮孔、縮松、內應力、變形、開裂的基本原因。偏析是指金屬材料在凝固時造成零件內部化學成分不均勻的現象。

它使零件各部分機械效能不一致，影響零件使用的可靠性。

1.2.5 可鍛性

金屬材料的可鍛性是指它是否易於鍛壓的效能。可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。可鍛性好的金屬材料，不但塑性好，可鍛溫度範圍寬，再結晶溫度低，變形時不易產生加工硬化，而且所需的變形外力小。

如中、低碳鋼，低合金等都有良好的可鍛性，高碳鋼、高合金鋼的可鍛性較差，而鑄鐵則根本不能鍛造。

1.2.6 可焊性

金屬材料的可焊性是指金屬在一定條件下獲得優質焊接接頭的難易程度。對於易氧化、吸氣性強、導熱性好（或差）、膨脹係數大、塑性低的材料，一般可焊性差。可焊性好的金屬材料，在焊縫內不易產生裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，同時焊接接頭強度高。

如低碳鋼具有良好的可焊性，而鑄鐵、高碳鋼、高合金鋼、鋁合金等材料的可焊性則較差。

1.2.7 切削加工性

金屬材料的切削加工性是指它被切削加工的難易程度。切削加工性好的材料，切削時消耗的能量少，刀具壽命長，易於保證加工表面的質量，切削易於折斷和脫落。金屬材料的切削加工性與它的強度、硬度、塑性、導熱性等有關。

如灰口鑄鐵、銅合金及鋁合金等均有較好的切削加工性，而高碳鋼的切削效能則較差。

1.2.8 熱處理性

金屬材料在進行熱處理時反映出來的效能，稱為熱處理性，如淬透性、淬硬性、淬火變形開裂的傾向、氧化脫碳的傾向等。這些熱處理效能將在本書有關章節中討論。

1.3.　零件失效與金屬材料效能的關係

金屬材料製造的各種機器零件（或構件）都具有一定的功能。若在服役條件下失去了最初規定的功能，則稱為失效。零件失效是由於外界損害作用超過了材料抵抗損害能力的結果。

下面分別討論零件失效的主要形式與金屬材料效能之間的關係。

1.3.1　過量變形

各種機器零件受力後總要產生變形。當變形量超過允許限度時，就會影響零件之間的配合關係，嚴重時可使零件最終失效，這種現象稱為過量變形。過量變形有下面兩種情況：

過量的彈性變形

機器零件受力後發生的變形，總是存在彈性變形。在多數情況下，機器零件的彈性變形不能太大，一般要限制過量的彈性變形，要求零件有足夠的剛度。如果零件的彈性變形超過了設計所允許的範圍，將影響零件的使用，以致失效。

例如，鏜床的鏜杆發生過量的彈性變形，將影響加工的精度。此外，零件有過量的彈性變形，還可能與其他零件相碰，或引起震動，對於薄壁零件甚至使整個結構喪失穩定。

實際生產中，製造彈簧等零件則要選用彈性材料，並要求材料的彈性模量小，彈性極限高，使之能產生較大的彈性變形。

材料彈性模量與比重的比值稱為比模量。是近代工程材料的乙個重要引數。例如鋁的彈性模量小於鋼，但它的比模量大於鋼，因此被大量用作航空材料。

過量塑性變形

零件解除安裝後不能恢復的變形都是塑性變形。塑性變形產生後，零件在不受力的狀態下，也會偏離設計的形狀，這對一般機器來說是不允許的。因此，過量塑性變形是機器零件失效的一種形式。

例如，齒輪發生塑性變形後，會嚙合不好，甚至卡死、斷齒。

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