金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能

一、金屬材料的物理性能和化學(xué)性能

金屬材料的物理性能主要是指其密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)、磁性、熱膨脹性等性能特征，化學(xué)性能主要是指其抗氧化性和耐腐蝕性等性能特征。

1.密度

物質(zhì)單位體積所具有的質(zhì)量稱為密度，用符號(hào) p表示。利用密度的概念可以幫助我們解決一系列實(shí)際問(wèn)題，如計(jì)算毛坯的質(zhì)量、鑒別金屬材料等。常用金屬材料的物理性能見(jiàn)表 2-2-1。

2. 導(dǎo)電性

金屬傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性。各種金屬的導(dǎo)電性各不相同，通常銀的導(dǎo)電性最好，其次是銅和鋁。

3.導(dǎo)熱性

金屬傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小通常用熱導(dǎo)率來(lái)衡量，熱導(dǎo)符號(hào)是λ，熱導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)熱性越好。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電性好的材料，其導(dǎo)熱也好。

4.熔點(diǎn)

純金屬和合金從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的熔化溫度稱為熔點(diǎn)。純金屬有固定的熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)取決于它的成分。熔點(diǎn)對(duì)金屬和合金的冶煉、鑄造和焊接等都是重要參數(shù)

5.磁性

金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化的性能稱為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化程度的不同，可分為鐵磁材料（如鐵、鈷等）、順磁材料（如錳、鉻等）和抗磁材料（如銅、鋅等）三類。

6. 熱膨脹性

金屬受熱時(shí)體積發(fā)生脹大的現(xiàn)象稱為金屬的熱膨脹。衡量熱膨脹性的指標(biāo)稱為熱膨脹系數(shù)。例如，被焊的工件由于受熱不均勻而產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，就會(huì)導(dǎo)致焊件的變形和焊接應(yīng)力。

7.抗氧化性

金屬材料在高溫時(shí)抵抗氧化性氣氛腐蝕作用的能力稱為抗氧化性。熱力設(shè)備中的高溫部件，如鍋爐的過(guò)熱器、水冷壁管、汽輪機(jī)的氣缸、葉片等，易產(chǎn)生氧化腐蝕。

8.耐腐蝕性

金屬材料抵抗各種介質(zhì)（大氣、酸、堿、鹽等）侵蝕的能力稱為耐腐蝕性�；�工熱力設(shè)備中許多部件是在腐蝕條件下長(zhǎng)期工作的，所以選材時(shí)必須考慮鋼材的耐腐蝕性。

二、金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料受外部負(fù)荷時(shí)，從開(kāi)始受力直至材料破壞的全部過(guò)程中所呈現(xiàn)的力學(xué)特征，稱為力學(xué)性能。它是衡量金屬材料使用性能的重要指標(biāo)。力學(xué)性能主要包括強(qiáng)度、塑性、硬度和沖擊韌度等。

1. 強(qiáng)度

強(qiáng)度表示金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，它用單位截面上所受的力（稱為應(yīng)力）來(lái)表示。材料的強(qiáng)度越高，其抵抗變形和斷裂的能力越強(qiáng)。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。

（1）屈服強(qiáng)度

鋼材在拉伸過(guò)程中，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值而不再增加時(shí)，其變形卻繼續(xù)增加，這個(gè)拉應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度，以R。表示。R。值越高，材料的強(qiáng)度越高。

（2）抗拉強(qiáng)度

金屬材料在破壞前所承受的最大拉應(yīng)力，以R，表示。R，值越大，金屬材料抵抗斷裂的能力越大，強(qiáng)度越高。

強(qiáng)度的單位是 Pa、MPa。它們之間的換算關(guān)系∶1MPa=1×10°Pa。

2.塑性

塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的能力。表示金屬材料塑性性能的指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及冷彎角等。

（1）斷后伸長(zhǎng)率

金屬材料受拉力作用破斷時(shí)，斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)（L-L。）與原始標(biāo)距L。之比的百分率稱為斷后伸長(zhǎng)率，以 A表示。

式中  L₀--原始標(biāo)距，mm; 

     L_u--斷后標(biāo)距，mm.

（2）斷面收縮率

金屬材料受拉力作用破斷時(shí)，斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量（S-S，）與原始橫截面積 S。之比的百分率稱為斷面收縮率，以Z表示。

式中    S_O--原始橫截面積，mm²;

           S_u--斷后最小橫截面積，mm²。

（3）冷彎角

冷彎角也稱彎曲角，一般是用長(zhǎng)條形試件，根據(jù)不同的材質(zhì)、板厚，按規(guī)定的可曲半徑進(jìn)行彎曲，在受拉面出現(xiàn)裂紋時(shí)，試件與原始平面的夾角，稱為冷彎角，以表示。冷彎角越大，說(shuō)明金屬材料的塑性越好。

3.硬度

金屬材料抵抗表面變形的能力稱為硬度。根據(jù)測(cè)量方法不同，可分為布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、維氏硬度（HV）三種。生產(chǎn)中常用的是布氏硬度和洛氏硬度，維氏硬度試驗(yàn)是用來(lái)測(cè)定顯微組織的硬度。圖 2-2-1 所示為三種硬度試驗(yàn)機(jī)。

（1）布氏硬度試驗(yàn)

將一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑可測(cè)得布氏硬度值，

表示方法∶布氏硬度用硬度值、硬度符號(hào)、壓頭直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為 10～15s時(shí)可不標(biāo)。

例1∶170HBW10/1000/30表示直徑10 mm的壓頭，在9 807 N（1000 kg）的試驗(yàn)力作用下，保持 30 s 時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為 170。

（2）洛氏硬度試驗(yàn)

將壓頭（金剛石圓錐體壓頭、硬質(zhì)合金球或淬火鋼球）按圖2-2-3 所示分兩個(gè)步驟壓人試樣表面、經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，測(cè)量在初試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度h來(lái)鑒定材料的硬度大小。壓入越深，硬度越低;反之，硬度越高。

表示方法∶符號(hào)HR 前面的數(shù)字表示硬度值，HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標(biāo)尺

例 2∶45HRC 表示用 C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為 45。

4. 韌度

韌度，也稱沖擊韌度，是衡量金屬材料抵抗動(dòng)載荷或沖擊力的能力，沖擊試驗(yàn)可以測(cè)定材料在突加載荷時(shí)對(duì)缺口的敏感性，沖擊試驗(yàn)原理如圖 2-2-4所示。

Ak=GH₁-GH₂=G(H₁-H₂)

式中  A_{k---沖擊吸收能量，J:}