金属材料基本特点

疲劳

许多机械零件和工程构件,是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下,虽然应力水平低于材料的屈服极限,但经过长时间的应力反复循环作用以后,也会发生突然脆性断裂,这种现 象叫做金属材料的疲劳。

金属材料疲劳断裂的特点是:

⑴载荷应力是交变的;

⑵载荷的作用时间较长;

⑶断裂是瞬时发生的;

⑷无论是塑性材料还是脆性材料,在疲劳断裂区都是脆性的。

所以,疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。

金属材料的疲劳现象,按条件不同可分为下列几种:

⑴高周疲劳:指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限,甚至低于弹性极限)条件下,应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。

⑵低周疲劳:指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下,应力循环周数在10000~100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用,因而,也称为塑性疲劳或应变疲劳。

⑶热疲劳:指由于温度变化所产生的热应力的反复作用,所造成的疲劳破坏。

⑷腐蚀疲劳:指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同作用下,所产生的疲劳破坏。

⑸接触疲劳:这是指机器零件的接触表面,在接触应力的反复作用下,出现麻点剥落或表面压碎剥落,从而造成机件失效破坏。

塑性

塑性是指金属材料在载荷外力的作用下,产生永久变形(塑性变形)而不被破 坏的能力。金属材料在受到拉伸时,长度和横截面积都要发生变化,因此,金属的塑性可以用长度的伸长(延伸率)和断面的收缩(断面收缩率)两个指标来衡量。

金属材料的延伸率和断面收缩率愈大,表示该材料的塑性愈好,即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料(如低碳钢等),而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料(如灰口铸铁等)。塑性好的材料,它能在较大的宏观范围内产生塑性变形,并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化,从而提高材料的强度,保证了零件的安全使用。此外,塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工,如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此,选择金属材料作机械零件时,必须满足一定的塑性指标。

耐久性

建筑金属腐蚀的主要形态

①均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此,常用年平均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标(腐蚀率)。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。

②孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。

③电偶腐蚀。不同金属的接触处,因所具不同电位而产生的腐蚀。

④缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域部常发生由于不同部位间介质的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀。

⑤应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下,金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂纹,常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋(钢丝)可能发生这种破坏。

硬度

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高,耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

⒈布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。

⒉洛氏硬度(HR)当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,可采用不同的压头和总试验压力组成几种不同的洛氏硬度标尺,每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A,B,C三种(HRA,HRB,HRC)。其中C标尺应用最为广泛。

HRA:是采用60kg载荷钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。

3 维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)。

硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验,生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。

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一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏,决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同,要求的工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中,一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的,且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为力学性能(过去也称为机械性能)。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

金属材料基本种类

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

①黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳 2%~4%的铸铁,含碳小于 2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金 、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。

③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。

金属材料基本特点常见问题

  • 金属材料的基本力学性能包括哪些?

    一:弹性指标 1.正弹性模量 2.切变弹性模量 3.比例极限 4.弹性极限 二:强度性能指标 1.强度极限 2.抗拉强度 3.抗弯强度 4.抗压强度 5.抗剪强度 ...

  • 非金属材料基本有啥性质

    非金属材料分为两类:一类是高分子材料,如塑料、橡胶和纤维塑料按其热熔性能又可分为热塑性塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯等)和热固性塑料(如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等)两大类。前者为线型结构的高分子,...

  • 金属材料有哪些,金属材料价格

    有黑色金属与有色金属。

金属材料一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有70多种纯金属,其中常见的有铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅、锌等等。而合金常指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成,且具有金属特性的材料。常见的合金如铁和碳所组成的钢合金;铜和锌所形成的合金为黄铜等。

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黑色金属

黑色金属一般是指钢铁材料,钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料,它们是以铁为基的合金。含碳量小于2.11%(重量)的合金称为钢;而含碳量大于2.11%(重量)的合金称为生铁。工程实际中用的钢和铸铁除含铁、碳以外,还含有其他元素,其中一类是杂质元素,如硫、磷、氢等;另一类是根据使用性能和工艺性能的需要,有意加入的合金元素,常见的有铬、镍、锰和钛等。

钢中主要化学元素为铁,另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等,这些少量元素对钢材性质影响很大。钢中的碳的含量对钢的性质有决定性的影响,含碳量低,钢的强度较低,但塑性大,延伸率和冲击韧性高钢质较软,易于冷加工、切削和焊接;含碳量高,钢的强度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。

硫、磷为钢中的有害元素,含量稍多会严重影响钢的塑性和韧性,磷使钢显著产生冷脆性,硫则产生热脆性。

钢及其合金的分类和牌号表示方法。钢材具有很多重要的优良特性,如材质均匀、性能可靠;有高的强度和较好的塑性、韧性,可承受各种性质的载荷;具有优良的可加工性,可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件。

钢的力学性能(如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等)决定于钢的成分和金相组织。钢的成分一定时,其金相组织主要决定于钢的热处理,如退火、正火、淬火加回火等,其中淬火加回火的影响最大。

在工程中更通用的分类为:

按化学成分分类:可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。

按主要质量等级分类:

普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢;

普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢;

普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。

非金属材料

非金属材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀(酸)非金属材料和陶瓷材料等。

耐火材料的主要性能指标和分类:

耐火材料的主要性能指标:

抗压强度要好;

荷重软化温度;

热导率要小,隔热性能要好,电绝缘性能要好;

耐火度。耐火度是耐火材料受热后软化到一定程度的温度;

抵抗温度变化的能力越好,则耐火材料在经受温度急剧变化时越不易损坏。

耐火材料的分类:

耐火水泥及混凝土

耐火混凝土具有施工简便、价廉和炉衬整体密封性强等优点,但强度较低。按照胶结料的不同,耐火混凝土分为水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和气硬性耐火混凝土;按照密度的高低,可分为重质耐火混凝土和轻质耐火混凝土两类。

耐火砌体材料

按材质高低,分为普通耐火材料和特种耐火材料;按材料密度分为重质耐火材料和轻质耐火材料;按耐火材料的主要化学成分分为粘土砖、高铝砖、硅砖、氧化铝砖、石墨和碳制品以及碳化硅制品等。

耐火隔热材料

耐火隔热材料,又称为耐热保温材料。它是各种工业用炉(冶炼炉、加热炉、锅炉炉膛)的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维(又称矿渣棉)、石棉,以及它们的制品如板、管、砖等。

耐蚀(酸)非金属材料

石墨按照来源不同可分为天然石墨和人造石墨。它不仅具有高度的化学稳定性,还具有极高的导热性能。

按形成玻璃的氧化物可分为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等,其中硅酸盐玻璃是应用最为广泛的玻璃品种。

铸石是以辉绿岩、玄武岩、页岩等天然岩石为主要原料,经熔化、浇注、结晶、退火而成的一种硅酸盐结晶材料。铸石具有极优良的耐磨与耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍。

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