第二章常用金属材料的一般知识

在机械制造中，大量的零件是用金属材料制造的。由于各种零件的工作条件不同要求合理地选择使用材料，了解各种材料的性能，达到既节约金属又保证产品质量的

一、常用金属材料的物理性能

1.密度某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。金属的密度即是单位体积质量。表达式如下：式中p——物质的密度，kg/m;物质的质量，kgm——V——物质的体积，m。

密度是金属材料的特性之一.金属材料的密度直接关系到由它所制成设备的自重和一般密度小于5×10kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×kg/m3的金属称为属。常见金属的密度见表2-1。

2.熔点纯金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的烧如表2-1所示。合金的熔点决定于它的成分，例如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但含碳量不同，熔点也不同。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造和焊接都是重要的工艺参

3.导热性金属材料传导热量的性能称为导热性。

导热性的大小通常用热导率来衡量。热导率符号是A,热导率越大，金属的导热性越银的导热性最好，铜、铝次之。常见金属导热性见表2-1。合金的导热性比纯金属差。导热性是金属材料的重要性能之一，在制订焊接、铸造和热处理工艺时，必须考虑的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免金属材料变形或破

4.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说金受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。

热膨胀的大小用线胀系数a1和体胀系数av表示。计算公式如下：

l2-l1a1=式中a1——线胀系数，1/K或1/℃；l1——膨胀前长度，m;l2——膨胀后长度，m;△-温度变化量△t=t2-t1,K或℃。体胀系数近似为线胀系数的3倍。常用金属的线胀系数如表2-1所示。

在实际工作中考虑热胀性的地方很多，例如异种金属焊接时要考虑它们的热胀系数是接近，否则会因热胀系数不同，使金属构件变形，甚至损坏。

5.导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。

衡量金属材料导电性的指标是电阻率p,电阻率越小，金属导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之，常见金属的电阻率见表2-1.合金的导电性比纯金属差。

6.磁性金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁材料（如：铁、钻等）、顺磁材料（如：锰、铬等）、抗磁性材料(如：铜、锌等）三类，铁磁材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁材料在外磁场中，只能微弱地被磁化；抗磁材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用。工程上实用的强磁性材料磁性与材料的成分和温度有关，不是固定不变的。当温度升高时，有的铁磁材料会消失是铁磁材料。

二、常用金属材料的力学性能

所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及表示金属材料各项力学性能的具体数据是通过在专门试验机上试验和测定而获得的。疲劳强度等。

1.强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破裂的能力。抵抗能力越大，金属材料的强度越高。强度的大小通常用应力来表示，根据载荷性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度，在机械制造中常用抗拉强度作为金属材料性能的主要指标。

(1)屈服强度钢材在拉伸过程中当载荷不再增加甚至有所下降时，仍继续发生明显的塑性变形现象，称为屈服现象。材料产生屈服现象时的应力，称为屈服强度，用符号a,表示。其计算方法如下：

(N/mm2)os""So式中F1-材料屈服时的载荷，N;FsS.--试样的原始截面积，mm2.

有些金属材料（如高碳钢、铸钢等）没有明显的屈服现象，测定a,很困难，在此规定以试样长度方向产生0.2%塑性变形时的应力作为材料的“条件屈服强度”，或限，用a:表示。

愿服强度标志着金属材料对微量变形的抗力，材料的屈服强度越高，表示材料型性变形的能力越大，允许的工作应力也越高，因此，材料的屈服强度是机械设计计主要依据之一，评定金属材料质量的重要指标。

(2)抗拉强度钢材在拉伸时，材料在拉断前所承受的最大应力，称为抗拉强度。。表示，其计算方法如下：(N/mm2)式中F,——试样破坏前所承受的最大拉力，N;S。——试样原始横截面积，mm?。抗拉强度是材料在破坏前所能承受的最大应力。a的值越大，表示材料抵抗拉断的越大，它也是衡量金属材料强度的重要指标之一，其实用意义是：金属结构件所承受的应力不能超过材料的抗拉强度，否则会产生断裂，甚至造成严重事故。

2.塑性断裂前金属材料产生永久变形的能力，称塑性，一般用拉伸试棒的延伸率面收缩率来衡量。

(1)延伸率试样拉断后的标距长度伸长量与试样原始标距长度的比值的百分率，延伸率，用符号。来表示，其计算方法如下：

8-L1-L×%式中L1-试样拉断后的标距长度，mm;L。——试样原始标距长度，mm,

(2)断面收缩率试样拉断后载面积的减小量与原截面积之比值的百分率，用符号；示，其计算方法如下：

So-S1p=×%So式中S--试样原始截面积，mm;S1——试样拉断后断口处的截面积，mm。和的值越大，表示金属材料的塑性越好，这样的金属可以发生大量塑性变形而不坏。

(3)冷弯试验在船舶、锅炉、压力容器等工业部门，由于有大量的弯曲和冲压等冷形加工，因此常用冷弯试验来衡量材料在室温时的塑性，将试样在室温下按规定的弯曲半进行弯曲，在发生断裂前的角度，叫做冷弯角度，用a表示，其单位为度。

冷弯角度越大，则钢材的塑性越好，弯曲试验在检验钢材和焊接接头性能、质量方面重要意义，它不仅能考核钢材和焊接接头的塑性，而且还可以发现受拉面材料中的缺陷以焊缝、热影响区和母材三者的变形是否均匀一致，钢材和焊接接头的弯曲试验，根据其受面所处位置不同，有面弯、背弯和侧弯试验。材料抵抗局部变形，特别是型性变形、压痕或加痕的能力称为硬度。硬度是衡量钢材软硬的一个指标，根据测量方法不同，其指标可分为布氏硬度（HBS)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度（HV),依据硬度值可近似地确定抗拉强度值。

4.冲击切性金属材料抗冲击载荷不致被破坏的性能，称为切性，它的衡量指标是冲击韧性值，冲击韧性值指试样冲断后缺口处单位面积所消耗的功，用符号。表示，a,值越大，材料的韧性越好；反之，施性越大，材料的冲击轻性值与温度有关，温度越低，冲击韧性值越小，

5.疲劳强度金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不致破坏的最大应力，称为痕劳强度。实际上并不可能作无数次交变载荷试验，所以一般试验时规定，钢在经受10~~10次，有色金属经受10~~次交变载荷作用时不产生破裂的最大应力，称为疲劳强度，符号是

6.端变在长期固定载荷作用下，即使载荷小于屈服强度，金属材料也会逐渐产生塑性变形的现象称端变，端变极限值越大，材料的使用越可靠，温度越高或端变速度越大，端变极限就越小。

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