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材料的分类金属材料的性能

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    • 1、职业院校教学用书(汽车运用与维修专业), 材料的分类 金属材料的性能,第1章 金属的基本知识,Publishing House of Electronics Industry 北京 BEIJING,汽 车 机 械 基 础,姜雁雁 主编,制造一辆汽车,需要使用大量的各种工程材料,其中以金属材料为主,作为一名汽车专业的学员,今后,要经常接触汽车上的各种材料,因此,要掌握有关金属材料与热处理的基本知识,为以后的工作打下基础。,第1章 金属的基本知识,1 材料的分类,材料可分为金属材料和非金属材料两大类,其中使用最广泛的是金属材料;金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性、并具有光泽的物质,如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料组成的,并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。金属材料,尤其是钢铁材料在国民经济及其它方面都有重要作用,这是由于它具有比其它材料优越的性能,如物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。它能够适应生产和科学技术发展的需要。,. 金属材料的性能,金属材料是现代汽车制造业的基本材料,如发动机的曲轴、活塞等都需要用金属材料来制造,金属材料之

      2、所以在汽车制造业中获得广泛的应用,是因为它具有许多优良的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的特性,它包括力学性能、物理性能、化学性能等;工艺性能是指金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性,金属材料的工艺性能主要有锻造性能、铸造性能、焊接性能、切削性能、热处理性能及冷变形性能等。,(操作说明:鼠标点击相应概念进入相应页面,点击右下方按钮返回),. 金属材料的性能,121 金属材料的物理和化学性能 、物理性能 金属的物理性能是指金属固有的属性,包括密度、熔点、导热性、导电 性、热膨胀性和磁性等。 )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金属的质量。在体积相同的情况下,金属材料的密度越大,其质量也越大。 )熔点 金属或合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属,可用来制造耐高温零件。熔点低的金属称为易熔金属,可用来制造熔断丝和防火安全阀等零件。,. 金属材料的性能,)导热性 金属材料传导热量的性能称为导热性。金属的导热能力以银为最好,铜、铝次之。导热性是金属材料的重要性能之一,在制订焊接、

      3、铸造和热处理工艺时必须考虑材料的导热性,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开裂。导热性好的金属散热也好,因此在制造散热器、热交换器与活塞等零件时要选用导热性好的金属材料。 )导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。金属的导电性以银为最好,铜、铝次之。导电性好的金属,如纯铜、纯铝适于做导电材料,导电性差的金属如铁铬铝合金适于做电热元件。 )热膨胀性 金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说金属受热时膨胀而体积增大,冷却时收缩而体积缩小。在实际工作中考虑热膨胀性的地方很多,例如轴与轴瓦之间要根据热膨胀性来控制其间隙尺寸,在制定焊接、热处理、铸造等工艺时,必须考虑材料热膨胀的影响,以减少工件的变形和开裂;测量工件的尺寸时也要注意热膨胀的影响,以减少测量误差。,. 金属材料的性能,)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不同,可分为铁磁性材料(如铁、钴等)、顺磁性材料(如锰、铬等)、抗磁性材料(如铜、锌等)三类。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化;顺磁性材料在外磁场中,只能微弱地被磁化;抗磁性材料能抗拒

      4、或削弱外磁场对材料本身的磁化作用。工程上使用的强磁性材料是铁磁性材料。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。铁磁性材料当温度升高到一定数值时,磁畴被破坏,变为顺磁体,这个转变温度称为居里点,如铁的居里点是770C。 2、化学性能 金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现出的性能,如耐腐 蚀性、氧化性和化学稳定性等。 )耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。腐蚀对金属材料的危害很大。它不仅使金属材料本身受到损伤,严重时还会使金属构件遭到破坏,引起重大的伤亡事故。因此,提高金属材料的耐蚀性能,对于节约金属、延长金属材料的使用寿命,具有现实的经济意义。,. 金属材料的性能,)抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度的升高而加速,例如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工过程中,氧化比较严重。这不仅造成材料过量的损耗,也可形成各种缺陷。为此,常在工件的周围造成一种保护气氛,避免金属材料的氧化。 )化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐蚀性和抗氧化性

      5、的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的零部件,需要选择热稳定性好的材料来制造。 122 材料的工艺性能 工艺性能直接影响零件加工后的工艺质量,是选材和制订零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。 1、铸造性能 金属材料利用铸造的方法获得完好铸件的能力称为铸造性能。其优劣表现在以下三个方面:,. 金属材料的性能,)流动性 流动性是铸造金属在浇注时本身的流动能力或充填铸型的能力。它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属液体能浇铸出外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 )收缩性 是指金属液在铸型内的全部冷却过程中,其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸,还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故用于铸造的金属其收缩率越小越好。 )偏析 是液态金属凝固后化学成分不均匀的现象。偏析严重时可使铸件各部分的力学性能有很大的差异,降低了铸件的质量。 2、焊接性能 是指被焊接金属在一般的焊接工艺条件下,获得优质焊缝的能力。对碳钢和低合金钢,焊接性能主要与金属材料的化学成分有关,其中碳的影响最大,含碳量越高其焊接性越差。例如低碳钢具有良

      6、好的焊接性能,高碳钢、铸铁的焊接性能较差。,. 金属材料的性能,3、锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。其优劣取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性好的金属变形时不易开裂;变形抗力小的金属,锻压时省力,而且工具、模具不易磨损。例如碳钢在加热状态下锻造性能较好,铸铁则不能锻造。 4、切削加工性能 是指金属被切削加工时的难易程度。一般认为金属材料具有适当硬度(170230HBS)和足够的脆性时,较易切削。所以灰铸铁比钢切削加工性能好,一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理,是改善钢切削加工性能的重要途径。 5、冷变形工艺性能 各种钢板和各种管路在施工和安装中,有时需要进行各种冷变形,所以要求这些材料具有良好的冷变形工艺性能。 6、热处理性能 金属材料热处理性能的好坏是根据其淬透性、淬硬性、晶粒长大倾向、回火脆性倾向等来评价的。,. 金属材料的性能,123 力学性能 金属材料在外力作用下所表现出来的特性叫力学性能或称机械性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不

      7、同,它可以分为静载荷、冲击载荷、及疲劳载荷三种:静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷;冲击载荷是指突然增加的载荷;疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的载荷(也称循环载荷)。 金属材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。金属材料在外力作用下而发生变形,当外力去除后,能够消失的变形叫弹性变形,不能消失的变形叫塑性变形,也叫残余变形。 金属受外力作用后,为保持其不变形,在材料内部产生与外力相对抗的力称为内力。单位截面积上的内力称为应力。将材料制作成拉伸试样,在专用拉伸试验机进行拉伸试验,可测得金属材料的强度和塑性。,. 金属材料的性能,1、强度 强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力,衡量强度的指标主要是屈服强度和抗拉强度。 )屈服强度(也叫屈服点或屈服极限) 材料开始发生塑性变形时的应力,叫屈服强度,以符号s表示。例如45号钢的s=360MPa,当用45号钢制成的零件在工作时受的应力低于360MPa,就不会发生塑性变形,高于360MPa就会发生塑性变形。 有些材料,如退火状态下的低碳钢,屈服强度的测定是比较容易的,但是工程上使用的

      8、多数金属材料,要想测定其屈服强度是很困难的。所以人为地规定:将试样的残余变形量相当于试样原始标距长的0.2%时的应力,称为条件屈服强度,并以符号表示。 屈服强度代表材料抵抗微量塑性变形的能力。它是设计零件时选用材料的重要依据。例如,为了保证气缸盖和气缸体之间的密封性,缸盖螺栓是不允许发生塑性变形的,所以设计缸盖螺栓时就以屈服强度作为计算依据。,. 金属材料的性能,)抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度,用符号b表示。例如45号钢的b=610MPa,当用45号钢制成的零件在工作时受的应力低于610MPa,就不会发生断裂,高于610MPa就会发生断裂,抗拉强度是机械零件设计和选材的主要依据之一。 2、塑性 金属材料在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。 )伸长率 材料拉断后,单位长度上产生的塑性变形量称为伸长率,用符号表示。 用长、短试样测得的伸长率分别用符号和表示。习惯上也常写成。 )断面收缩率 材料拉断后,单位横截面积上产生的塑性变形量称为断面收缩率,用符号表示。 金属材料的伸长率()和断面收缩率()数值越大,表示材料的塑性越好。工程上

      9、常按伸长率的大小把材料分为两大类:5%的材料称为塑性材料,如钢、铝和铜等;5%的材料称为脆性材料,如铸铁等。具有良好塑性的材料,可使冷加工成型工艺如冷拉、冷变形等顺利进行。,. 金属材料的性能,3、硬度 硬度是金属表面抵抗局部塑性变形(压陷、划痕、摩擦、切削等)的能力。或者说是衡量金属软硬程度的指标。常用的硬度测定方法是压入硬度测验法。 )布氏硬度 布氏硬度是用一定直径的球体(钢球或硬质合金球),以相应的试验力压入试样表面,经规定的保持时间后卸除试验力,用测量表面压痕深度来计算硬度的一种压痕硬度试验方法。压痕越深,被测材料就越软,反之被测材料就越硬。布氏硬度用HB表示。当压头为钢球时其硬度符号表示为HBS,当压头为硬质合金球时,其硬度符号用HBW表示。布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强,常用于测定灰口铸铁、结构钢、有色金属等材料的硬度。其缺点是压痕较大,易损坏成品的表面,也不能检验薄片材料。,. 金属材料的性能,)洛氏硬度 洛氏硬度试验,是用顶角为120的金刚石圆锥压头或直径为1.588mm的淬火钢球做压头,在先后施加两个载荷(初载荷和主载荷)的作用下,压入金属表面,测量其压痕深度来确定硬度的一种试验方法。洛氏硬度用HR表示。为了便于洛氏硬度计测定从软到硬较大范围的材料硬度,可采用不同的压头和载荷,组成各种不同的洛氏硬度标度、每种标度用一字母在HR字样后加以注明,以作区别。如HRA、HRB、HRC等,其中HRA与HRC是用顶角为120的金刚石圆锥体为压头,采用的总载荷分别为600N与1500N,而HRB值的测定则采用直径为1.588mm的钢球为压头,总载荷为1000N。洛氏硬度试验方法的优点是操作迅速、简便、压痕小,不损伤试样表面,硬度值的测量范围也较大,故应用范围很广,可用于测定从很软到很硬的材料。其缺点是由于压痕小,其准确性也不如布氏硬度高,所测硬度值的重复性差,也易受试样微小区域的影响。 )维氏硬度 试验原理与布氏硬度相同,只是采用顶角

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