淺析金屬材料的種類及特殊性質(zhì)

一、金屬材料的種類

金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

（一）黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括雜質(zhì)總含量<0.2%及含碳量不超過0.0218%的工業(yè)純鐵，含碳0.0218%~2.11%的鋼，含碳大于 2.11%的鑄鐵。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。

（二）有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等，有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。

二、金屬材料的特殊性質(zhì)

（一）疲勞

許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。

金屬材料疲勞斷裂的特點是：

⑴載荷應(yīng)力是交變的；

⑵載荷的作用時間較長；

⑶斷裂是瞬時發(fā)生的；

⑷無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。

所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

⑴高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

⑵低周疲勞：指在高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000~100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

⑶熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，所造成的疲勞破壞。

⑷腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

⑸接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

二、塑性

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形（塑性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長度的伸長（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個指標來衡量。

金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的金屬材料稱為塑性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小于百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強化，從而提高材料的強度，保證了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機械零件時，必須滿足一定的塑性指標。

三、耐久性

建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)

①均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚度減損值作為腐蝕性能的指標（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。

②孔蝕。金屬腐蝕呈點狀并形成深坑。孔蝕的產(chǎn)生與金屬的本性及其所處介質(zhì)有關(guān)。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕。孔蝕常用最大孔深作為評定指標。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。

③電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的腐蝕。

④縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區(qū)域部常發(fā)生由于不同部位間介質(zhì)的組分和濃度的差異所引起的局部腐蝕。

⑤應(yīng)力腐蝕。在腐蝕介質(zhì)和較高拉應(yīng)力共同作用下，金屬表面產(chǎn)生腐蝕并向內(nèi)擴展成微裂紋，常導(dǎo)致突然破斷。混凝土中的高強度鋼筋（鋼絲）可能發(fā)生這種破壞。

硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標之一。一般硬度越高，耐磨性越好。

常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

1.布氏硬度（HB）以一定的載荷（一般3000kg）把一定大小（直徑一般為10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HB），單位為公斤力/mm2 (N/mm2）。

2.洛氏硬度（HR）當HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗壓力組成幾種不同的洛氏硬度標尺，每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。常用的洛氏硬度標尺是A、B、C三種（HRA、HRB、HRC）。其中C標尺應(yīng)用最為廣泛。

HRA：是采用60kg載荷鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質(zhì)合金等）。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。

3.維氏硬度（HV）以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值(HV）。

硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產(chǎn)上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關(guān)系。實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。