金属材料的基本知识及性能 - 图文

材料与工艺 第二章 金属材料

第二章 金属材料

2.1、金属材料的基本知识

一、 金属材料的主要性能

材料的性能直接影响到（材料加工成）产品的质量、寿命和加工成本，它是产品设计时选材与拟定加工工艺方案的重要依据。

金属的性能分：使用性能（机械性能、物理和化学性能等）、加工工艺性能（铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等）。

1、 金属材料的机械性能

金属材料的机械性能时指：金属材料在外力作用下表现出来的变形和抗变形特性，是材料抵抗外力作用的性能。故又称力学性能。它是金属材料的主要性能指标，是评价材料质量的重要参数，也是选用材料的主要依据。

1）、静载荷下金属材料的机械性能：在缓慢加载条件下测得的金属材料抗变形和抗断裂的能力，称为金属材料的静力强度。有：拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、扭曲强度。通常以拉伸强度为最基本的强度值。 ? 弹性：拉伸曲线上OE段是一条

直线，表明变形与拉力成正比，试样受力产生变形，在外力去除后迅速恢复原来的形状和尺寸。

为材料的弹性极限，单位为Mpa； 为材料的弹性极限载荷，单位为N；Fo为试样的原始横截面面积，单位为mm2。

? 刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。

E为弹性模量，相当于直线OE的斜率，单位为Mpa， 为应力， 为单位长度的变形量。E越大，表示材料的刚度越好，材料抵抗变形的能力越大，在一定的范围内材料的

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退火低碳钢的拉伸图

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弹性变形就越小。

? 塑性：金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。塑性变形是指材料在受力超过弹性

极限直到断裂前所产生的变形，是不能完全恢复到原始尺寸的变形。 分析拉伸图的ES段曲线，屈服现象。

? 强度：在外力作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力。工程上最常用的是：屈服

强度和抗拉强度。 屈服强度：

为屈服极限，单位为Mpa，Ps为屈服载荷，Fo为原始断面面积。 抗拉强度：

为抗拉强度，单位为Mpa，Pb为最大载荷，Fo为原始断面面积。

? 硬度：是金属材料抵抗外物压入的能力，也是材料抵抗局部变形的能力，是衡量材

料软硬的性能指标。有三种测量方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度（略）。

2）、动载荷下金属材料的机械性能：

一般来说，随着载荷速度的增加，材料的塑性下降，脆性增大，因此，通常不能简单地用静态载荷的机械性能指标来衡量材料。在工程上，冲击载荷是一类重要的动载荷形式，常用冲击韧性或冲击强度作为评价材料抵抗冲击载荷能力的指标。 3）、交变载荷下金属材料的机械性能：

常用疲劳强度来表示材料在交变载荷下的性能指标。疲劳强度：材料或构件在无数次重复交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。

国家规定：钢材经受106~107次，有色金属经受107~108次循环而不发生疲劳断裂的最大应力，即为该材料的疲劳强度。

2、金属材料的物理和化学性能

1）、物理性能：比重、导热性、导电性、热膨胀性和磁性（铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料）等。

2）、化学性能：抵抗腐蚀和抗氧化性。

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3、金属材料的工艺性能

工艺性能：材料适应各种加工和工艺处理要求的能力。

加工工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能。 如铸造性能包含：液体的流动性、冷却时的收缩、结晶时的偏析等。

二、 金属及合金的结构与结晶

金属材料是金属及其合金的总称。各种金属材料的性能于其内部组织结构的特征有着直接的内在联系。 1、金属的结构和合金 1）、金属的晶体结构

体心立方晶格：（铬、钼、钨、钒等）

面心立方晶格：（铝、铜、镍、铅）质地软、延展性好、塑性好 密排六方晶格：（铍、镁、锌、镉）

2）、结晶的过程

结晶：金属及其合金从液态转变为固体状态并形成结晶结构的过程。

结晶的过程：晶核 长大 晶粒的粗细影响到金属材料的各种性能，晶粒越细，则金属的强度越高，综合性能越好。

3）、金属的同素异构转变：因温度的变化出现晶体结构的转变。（体心、面心、密排） 2、合金的结构

? 合金的概念：以一种金属为基础，加入一种或多种金属或非金属元素，经过熔合而

组成的具有金属特性的材料。 ? 合金的结构：

? 固溶体：合金由液态结晶为固态时，由于各组元之间相互溶解而形成的一种成分

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和性质均匀的新晶体。

? 金属化合物：固液合金中，由于各组元之间相互作用而形成的一种具有特殊晶格

和明显金属特征的物质。

? 机械混合物：由纯金属、固溶体、金属化合物混合而成。 3、铁碳合金的结构和状态图

以铁为基础，由铁和碳两个组元组成的合金为铁碳合金。 1）、铁碳合金的基本组织

? 铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称为铁素体，又称α固溶体，体心立方晶格，于

工业纯铁接近，因此很少单独作为工程材料使用，而是钢的基本相。

? 奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体称为奥氏体，又称γ固溶体，面心立方晶格，稳

定的奥氏体只存在于723度以上的高温合金中。含碳量高，具有一定的强度和硬度，塑性也很好，适合压力加工成型。

? 渗碳体：是由铁和6.67%的碳形成的金属化合物，分子式为Fe3C。晶格复杂，硬

而脆，是铁碳合金的重要强化相，是一个亚稳定化合物，在一定条件下可分解为铁素体和石墨。

? 珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体组织致密，具有较高的强度、硬

度和一定的塑性和韧性，是铁碳合金的重要组织。 ? 莱氏体：奥氏体和渗碳体的机械混合物。 2）、铁碳合金状态图 合金状态图又称为合金相图，是表示平衡状态下，合金相或组织的组成与温度、成分之间关系的图形。

（分析和解释铁碳合金相图）

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