金屬材料是指具有金屬特性的金屬元素或材料的總稱。包括純金屬、合金、金屬材料、金屬間化合物和特殊金屬材料。(注:金屬氧化物(如氧化鋁)不屬于金屬材料)

1.意義
人類文明的發展和社會的進步與金屬材料密切相關。繼石器時代之后,銅器時代和鐵器時代都以金屬材料的應用作為其時代的重要標志。在現代,各種金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。
2.種類
金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特殊金屬材料。
(1)黑色金屬又稱鋼材,包括含鐵90%以上的工業純鐵、含碳2%——4%的鑄鐵、含碳量小于2%的碳鋼、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。有色合金的強度和硬度一般高于純金屬,電阻大,電阻溫度系數小。
(3)特殊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,通過快速冷凝工藝獲得的非晶體金屬材料,以及準晶體、微晶體、納米晶體金屬材料等。;以及隱形、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、阻尼等特殊功能合金和金屬基復合材料。
3.性能
一般分為工藝性能和使用性能。所謂工藝性能,是指在加工制造過程中,金屬材料在一定的冷熱加工條件下的性能。金屬材料的工藝性能決定了其在制造過程中對加工成型的適應性。由于加工條件不同,所需的工藝性能也不同,如鑄造性能、焊接性能、鍛造性能、熱處理性能、切割性能等。
所謂的使用性能是指金屬材料在機械零件使用條件下的性能,包括機械性能、物理性能、化學性能等。金屬材料的使用性能決定了其使用范圍和使用壽命。在機械制造業中,一般機械零件用于常溫、常壓和非常強的腐蝕性介質,每個機械零件在使用過程中都會承受不同的負荷。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能稱為機械性能(過去也稱為機械性能)。金屬材料的機械性能是零件設計和選材的主要依據。外加載荷性能不同(如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等。),對金屬材料的機械性能也會不同。常用的機械性能包括:強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞*限。
金屬材料特性
1.疲勞
許多機械部件和工程部件都承受著交變載荷。在交變載荷的作用下,雖然應力水平低于材料的屈服*限,但經過長時間的反復應力循環,也會出現突然的脆性斷裂,稱為金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的特點是:
(1)載荷應力交變;
(2)載荷作用時間長;
(3)斷裂是瞬時發生的;
(4)塑性材料和脆性材料在疲勞斷裂區都是脆性的。因此,疲勞斷裂是工程中*常見、*危險的斷裂形式。
根據條件不同,金屬材料的疲勞現象可分為:
(1)高周疲勞:指在低應力(工作應力低于材料屈服*限,甚至低于彈性*限)條件下,應力周期超過1萬周的疲勞。這是*常見的疲勞損傷。高周疲勞通常被稱為疲勞。
(2)低周疲勞:指在高應力(工作應力接近材料屈服*限)或高應變條件下,應力周期為1萬——1萬以下的疲勞。由于交變的塑性應變在這種疲勞損傷中起著重要作用,因此又稱塑性疲勞或應變疲勞。
(3)熱疲勞:指溫度變化引起的熱應力的反復作用。
(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)的共同作用下產生的疲勞損傷。
(5)接觸疲勞:指機器部件的接觸表面,在接觸應力的反復作用下,出現麻點剝落或表面壓碎剝落,導致部件故障損壞。
2.塑性
塑性是指金屬材料在載荷外力作用下永久變形(塑性變形)而不被破壞的能力。當金屬材料被拉伸時,長度和橫截面積會發生變化。因此,金屬的塑性可以用兩個指標來衡量伸長率)和斷面的收縮(斷面的收縮率)來衡量。
金屬材料的延伸率和截面收縮率越大,材料的塑性越好,即材料能承受較大的塑性變形而不受損傷。一般來說,延伸率大于5%的金屬材料稱為塑料材料(如低碳鋼等),而延伸率小于5%的金屬材料稱為脆性材料(如灰鑄鐵等)。塑性好的材料可以在較大的宏觀范圍內產生塑性變形,同時由于塑性變形而強化金屬材料,從而提高材料的強度,保證零件的安全使用。此外,塑性好的材料可以順利進行沖壓、冷彎、冷如沖壓、冷彎、冷藝。因此,在選擇金屬材料作為機械零件時,必須滿足一定的塑性指標。
3.耐久性
建筑金屬腐蝕的主要形式:
(1)均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此,年平均厚度損失值作為腐蝕性能的指標(腐蝕率)。鋼在大氣中通常是均勻腐蝕的。
(2)孔蝕。金屬腐蝕呈點狀,形成深坑。孔蝕的產生與金屬的性質及其介質有關。在含氯鹽的介質中容易發生孔蝕。*大孔深通常用作孔蝕的評價指標。管道腐蝕多考慮孔蝕。
(3)電偶腐蝕。不同金屬的接觸,由于電位不同而產生的腐蝕。
(4)間隙腐蝕。由于介質組分和濃度的差異,金屬表面在間隙或其他隱蔽區域經常發生局部腐蝕。
(5)應力腐蝕。在腐蝕介質和高拉應力的共同作用下,金屬表面腐蝕并向內擴展成微裂紋,常導致突然斷裂。這種損壞可能發生在混凝土中的高強度鋼筋(鋼絲)。
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*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*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*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。
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