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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(lèi)。
6. 熱膨脹性
金屬受熱時(shí)體積發(fā)生脹大的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的熱膨脹。衡量熱膨脹性的指標(biāo)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為耐腐蝕性;崃υO(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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為斷后伸長(zhǎng)率,以 A表示。
式中 L0--原始標(biāo)距,mm;
Lu--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(chēng)為斷面收縮率,以Z表示。
式中 SO--原始橫截面積,mm2;
Su--斷后最小橫截面積,mm2。
(3)冷彎角
冷彎角也稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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 Ak---沖擊吸收能量,J: