Виды металлических материалов
Металлические материалы обычно делят на черные металлы, цветные металлы и специальные металлические материалы.

(1) Черный металл, также известный как стальные материалы, включает промышленное чистое железо с содержанием железа более 90%, чугун с содержанием углерода 2–4%, углеродистую сталь с содержанием углерода менее 2%, а также конструкционную сталь, нержавеющая сталь, жаропрочная сталь, жаропрочные сплавы, нержавеющая сталь, прецизионные сплавы и т.д. различного назначения.Вообще говоря, к черным металлам также относятся хром, марганец и их сплавы.

(2) К цветным металлам относятся все металлы и их сплавы, за исключением железа, хрома и марганца, которые обычно делятся на легкие металлы, тяжелые металлы, драгоценные металлы, полуметаллы, редкие металлы и редкоземельные металлы.Прочность и твердость цветных сплавов обычно выше, чем у чистых металлов, они обладают высоким сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления.

(3) Специальные металлические материалы, в том числе конструкционные и функциональные металлические материалы различного назначения.Среди них аморфные металлические материалы, полученные методом быстрой конденсации, а также квазикристаллические, микрокристаллические, нанокристаллические металлические материалы и т. д.;Существуют также специальные функциональные сплавы, такие как малозаметность, водородостойкость, сверхпроводимость, память формы, износостойкость, снижение вибрации и демпфирование, а также композиционные материалы с металлической матрицей.

Свойства металлических материалов
Обычно его разделяют на две категории: производительность процесса и производительность использования.Так называемая производительность процесса относится к работе металлических материалов в определенных условиях холодной и горячей обработки в процессе обработки и изготовления механических деталей.Качество технологического исполнения металлических материалов определяет их приспособляемость к обработке и формованию в процессе производства.Из-за различных условий обработки требуемые характеристики процесса также различаются, например, характеристики литья, свариваемость, ковкость, характеристики термообработки, характеристики резки и т. д.

Так называемые характеристики относятся к характеристикам металлических материалов, демонстрируемым механическими деталями в условиях использования, включая механические свойства, физические свойства, химические свойства и т. д. Характеристики металлических материалов определяют диапазон их использования и срок службы.В машиностроительной промышленности механические детали обычно используются при нормальной температуре, нормальном давлении и высококоррозионных средах, и каждая механическая деталь во время использования выдерживает разные нагрузки.Сопротивление металлических материалов разрушению под нагрузкой называется механическими свойствами (ранее также известными как механические свойства).Механические свойства металлических материалов являются основной основой проектирования и выбора материалов деталей.Механические свойства, необходимые для металлических материалов, также будут различаться в зависимости от характера приложенных нагрузок (таких как растяжение, сжатие, кручение, удар, циклическая нагрузка и т. д.).Общие механические свойства включают прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость, стойкость к многократному удару и предел выносливости.

Характеристики металлических материалов
1. Усталость
Многие механические детали и узлы техники работают под переменными нагрузками.Под действием знакопеременных нагрузок, хотя уровень напряжений ниже предела текучести материала, после длительного периода повторных циклов напряжений может произойти и внезапное хрупкое разрушение, называемое усталостью металлических материалов.Характеристиками усталостного разрушения металлических материалов являются:
(1) Нагрузка от нагрузки является переменной.
(2) Время действия нагрузки относительно велико.
(3) Разрушение происходит мгновенно.
(4) И пластические, и хрупкие материалы хрупкие в зоне усталостного разрушения.Итак, усталостное разрушение является наиболее распространенной и опасной формой разрушения в технике.

Явление усталости металлических материалов можно разделить на следующие типы в зависимости от различных условий:

№1.Высокая циклическая усталость
Это относится к усталостному разрушению с циклами напряжения более 100 000 в условиях низкого напряжения (рабочее напряжение ниже предела текучести материала или даже ниже предела упругости).Это наиболее распространенный тип усталостного разрушения.Многоцикловую усталость обычно называют усталостью.

№ 2. Малоцикловая усталость
Относится к усталости с циклами напряжений от 10 000 до 100 000 при высоком напряжении (рабочее напряжение, близкое к пределу текучести материала) или в условиях высокой деформации.Из-за значительной роли знакопеременной пластической деформации в этом типе усталостного разрушения ее также называют пластической усталостью или деформационной усталостью.

№3.Термическая усталость
Усталостные повреждения возникают в результате многократного действия термических напряжений, вызванных изменениями температуры.

#4 Коррозионная усталость
Усталостное разрушение деталей машин при совместном действии знакопеременных нагрузок и агрессивных сред (таких как кислоты, щелочи, морская вода, активные газы и др.).

#5 Контактная усталость
Имеется в виду возникновение питтингового отслаивания или поверхностного дробящего отслаивания на контактной поверхности деталей машин под многократным действием контактных напряжений, что приводит к выходу из строя и повреждению деталей.

2. Пластичность
Под пластичностью понимается способность металлического материала подвергаться остаточной деформации (пластической деформации) под действием внешних нагрузок, не разрушаясь.Когда металлические материалы подвергаются растяжению, изменяются как их длина, так и площадь поперечного сечения.Поэтому пластичность металлов можно измерить двумя показателями: удлинением по длине (удлинением) и усадкой поперечного сечения (уменьшением поперечного сечения).

Чем выше удлинение и поперечная усадка металлического материала, тем лучше его пластичность, а это означает, что материал может выдерживать значительные пластические деформации без повреждений.Металлические материалы с удлинением более 5 % обычно называют пластическими материалами (например, низкоуглеродистой сталью), а металлические материалы с удлинением менее 5 % — хрупкими материалами (например, серым чугуном).Материал с хорошей пластичностью может генерировать пластическую деформацию в большом макроскопическом диапазоне и в то же время упрочняет металлический материал за счет пластической деформации, тем самым повышая прочность материала и обеспечивая безопасную эксплуатацию деталей.Кроме того, материалы с хорошей пластичностью могут беспрепятственно подвергаться определенным процессам формования, например штамповке, холодной гибке, холодной вытяжке, правке и т. д. Поэтому при выборе металлических материалов в качестве механических деталей необходимо соблюдать определенные показатели пластичности.

3. Долговечность
Основные формы коррозии строительных металлов:
(1) Равномерная коррозия.Коррозия на поверхности металла вызывает равномерное утончение поперечного сечения.Поэтому среднегодовое значение потери толщины обычно используется в качестве показателя коррозионной активности (скорости коррозии).Сталь обычно подвергается равномерной коррозии в атмосфере.
(2) Эрозия пор.Металл корродирует точечно и образует глубокие ямки.Возникновение питтинговой коррозии связано с природой металла и его среды.Поровая коррозия склонна возникать в средах, содержащих хлоридные соли.Максимальная глубина отверстия обычно используется в качестве показателя оценки питтинговой коррозии.При коррозии трубопроводов часто рассматривается вопрос питтинговой коррозии.
(3) Гальваническая коррозия.Коррозия, вызванная разным потенциалом в местах контакта разных металлов.
(4) Щелевая коррозия.Локальная коррозия на металлических поверхностях часто возникает в щелях или других скрытых местах из-за различий в составе и концентрации сред между разными частями.
(5) Коррозия под напряжением.Под совместным действием агрессивных сред и высоких растягивающих напряжений поверхность металла подвергается коррозии и расширяется внутрь, образуя микротрещины, что часто приводит к внезапному разрушению.Высокопрочные стальные стержни (стальные проволоки) в бетоне могут подвергаться таким повреждениям.

4. Твердость
Твердость представляет собой способность материала противостоять давлению твердых предметов на его поверхность.Это один из важных показателей эффективности металлических материалов.Чем выше твердость, тем лучше износостойкость.Обычно используемые показатели твердости включают твердость по Бринеллю, твердость по Роквеллу и твердость по Виккерсу.

Твердость по Бринеллю (HB): закаленный стальной шарик определенного размера (обычно диаметром 10 мм) вдавливается в поверхность материала под определенной нагрузкой (обычно 3000 кг), выдерживается в течение определенного периода времени, и после разгрузки соотношение нагрузки на область вдавливания представляет собой значение твердости по Бринеллю (HB), измеряемое в килограммах на квадратный метр (Н/мм2).

Твердость по Роквеллу (HR): если HB>450 или образец слишком мал, испытание на твердость по Бринеллю невозможно использовать и вместо этого следует использовать измерение твердости по Роквеллу.Это алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,59 и 3,18 мм, вдавливаемый в поверхность испытуемого материала под определенной нагрузкой, при этом твердость материала рассчитывается по глубине отступ.В зависимости от твердости испытуемых материалов для формирования нескольких различных шкал твердости по Роквеллу можно использовать разные инденторы и общее испытательное давление.Каждая шкала обозначается буквой после символа твердости по Роквеллу HR.Обычно используемые шкалы твердости по Роквеллу — A, B и C (HRA, HRB, HRC).Среди них наиболее широко используется шкала C.

HRA: это твердость, полученная с помощью алмазного конусного индентора с нагрузкой 60 кг, используемого для материалов с чрезвычайно высокой твердостью (например, твердых сплавов).
HRB: это твердость, полученная с использованием нагрузки массой 100 кг и закаленного стального шарика диаметром 1,58 мм, используемого для материалов с более низкой твердостью (таких как отожженная сталь, чугун и т. д.).
HRC: это твердость, полученная с помощью нагрузки 150 кг и индентора с алмазным конусом, используемого для материалов с высокой твердостью (например, закаленной стали).

Твердость по Виккерсу (HV): для вдавливания в поверхность материала используется алмазный индентор с квадратным конусом с углом при вершине 136° и нагрузкой до 120 кг.Значение твердости по Виккерсу (HV) получается путем деления произведения поверхности ямок от вдавливания материала на значение нагрузки.Испытание на твердость — самый простой и наиболее осуществимый метод испытания механических характеристик.Чтобы заменить некоторые испытания на механические характеристики испытаниями на твердость, в производстве необходимо более точное соотношение преобразования между твердостью и прочностью.Практика доказала, что существует приблизительная соответствующая связь между различными значениями твердости металлических материалов, а также между значениями твердости и значениями прочности.Поскольку значение твердости определяется сопротивлением начальной пластической деформации и сопротивлением дальнейшей пластической деформации, чем выше прочность материала, тем выше сопротивление пластической деформации и тем выше значение твердости.

Свойства металлических материалов
Эксплуатационные качества металлических материалов определяют их применимость и рациональность применения.Характеристики металлических материалов в основном делятся на четыре аспекта, а именно: механические характеристики, химические характеристики, физические характеристики и технологические характеристики.

1. Механические свойства
Напряжение. Сила, действующая на единицу площади поперечного сечения внутри объекта, называется напряжением.Напряжение, вызванное внешними силами, называется рабочим напряжением, а напряжение, которое уравновешивается внутри объекта при условии отсутствия внешней силы, называется внутренним напряжением (например, напряжение ткани, термическое напряжение, остаточное напряжение, остающееся после завершения обработки).

Механические свойства: Способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил (нагрузок) при определенных температурных условиях называется механическими свойствами металлического материала (также известными как механические свойства).Существуют различные формы нагрузок, которые могут выдерживать металлические материалы, которые могут быть статическими нагрузками или динамическими нагрузками, включая растягивающее напряжение, сжимающее напряжение, изгибающее напряжение, сдвиговое напряжение, скручивающее напряжение, а также трение, вибрацию, удар и т. д. которые могут переноситься отдельно или одновременно.Поэтому основными показателями измерения механических свойств металлических материалов являются следующие.

1. Сила
Это максимальная способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил, которую можно разделить на пределы прочности на растяжение（ σ б) Предел прочности на изгиб（ σ Bb) Предельную прочность на сжатие（ σ BC) и т.д. В связи с определенными Для измерения закономерности деформации до разрушения металлических материалов под действием внешних сил обычно применяют испытания на растяжение.То есть из металлических материалов изготавливают образцы определенных характеристик и растягивают на машине для испытания на растяжение до тех пор, пока образец не сломается.К измеряемым показателям прочности в основном относятся:

(1) Предел прочности: максимальное напряжение, которому материал может сопротивляться разрушению под действием внешних сил, обычно относится к пределу прочности при растяжении под действием растягивающей силы σ B представляет собой предел прочности, соответствующий самой высокой точке b на кривой испытания на растяжение, обычно измеряемой в мегапаскали (МПа).Соотношение преобразования: 1МПа=1Н/м2=(9,8)-1кгс/мм2 или 1кгс/мм2=9,8МПа.

(2) Предел текучести: когда внешняя сила, действующая на образец металлического материала, превышает предел упругости материала, хотя напряжение больше не увеличивается, образец все равно подвергается значительной пластической деформации.Это явление называется текучестью, что означает, что когда материал в определенной степени подвергается воздействию внешней силы, его деформация перестает быть пропорциональной внешней силе и происходит значительная пластическая деформация.Напряжение, при котором возникает текучесть, называется пределом текучести, который определяется σ S представляет собой предел текучести, соответствующий точке S на кривой испытания на растяжение.Для материалов с высокой пластичностью на кривой растяжения имеется четкий предел текучести, а для материалов с низкой пластичностью четкий предел текучести отсутствует, что затрудняет определение предела текучести на основе внешней силы в пределе текучести.Поэтому в методе испытаний на растяжение напряжение, при котором измерительная длина образца вызывает пластическую деформацию 0,2%, обычно указывается как условный предел текучести, используя σ = 0,2.Индекс предела текучести можно использовать в качестве основы для проектирования, требуя от деталей не подвергаться значительной пластической деформации во время эксплуатации.Однако для некоторых важных деталей также считается, что требуется соотношение прочности на изгиб (т. е. σ S/ σ b). Оно должно быть небольшим для повышения безопасности и надежности, но в настоящее время коэффициент использования материалов также низок.

(3) Предел упругости: способность материала деформироваться под действием внешних сил, но при этом восстанавливаться в исходное состояние после устранения внешней силы, называется эластичностью.Максимальное напряжение, при котором металлические материалы могут поддерживать упругую деформацию, представляет собой предел упругости, соответствующий точке e на кривой испытания на растяжение. σ E представляет собой в мегапаскалях (МПа): σ В уравнении e=Pe/Fo Pe представляет максимальную внешнюю сила при сохранении упругости (или нагрузка при максимальной упругой деформации материала).

(4) Модуль упругости: это напряжение материала в пределах диапазона упругости σ и деформация δ. Коэффициент единичной деформации, соответствующей напряжению, выраженный в E, в мегапаскалях (МПа): E = σ/δ = TG α。 В формуле α Угол между линией oe на кривой испытания на растяжение и горизонтальной осью ox.Модуль упругости — показатель, отражающий жесткость металлических материалов (способность металлических материалов сопротивляться упругим деформациям при воздействии силы называется жесткостью).

2. Пластичность
Максимальная способность металлических материалов подвергаться остаточной деформации без повреждения под действием внешних сил называется пластичностью, обычно измеряемой по удлинению расчетной длины образца при испытании на растяжение δ (%) и степени уменьшения площади образца ψ Степень удлинения (%) δ = [(L1-L0)/L0] x 100%, что представляет собой отношение разницы (увеличения) между расчетной длиной L1 и исходной расчетной длиной L0 образца после выравнивания поверхности излома образца во время испытания на растяжение. .При реальных испытаниях удлинение, измеренное на образцах на растяжение из одного и того же материала, но с разными характеристиками (диаметр, форма поперечного сечения, например квадратная, круглая, прямоугольная и расчетная длина), может различаться, поэтому обычно необходимы специальные примечания.Например, удлинение, измеренное, когда исходная расчетная длина наиболее часто используемого образца круглого сечения в 5 раз превышает диаметр образца, выражается как: δ 5, а удлинение, измеренное, когда начальная расчетная длина в 10 раз превышает диаметр образца. площади образца выражается как δ 10. Уменьшение площади ψ= [(F0-F1)/F0] x 100%, которое представляет собой отношение разности (уменьшения поперечного сечения) между исходной площадью поперечного сечения F0 образца. образец после разрушения и минимальная площадь поперечного сечения F1 в шейке разрушения при испытании на растяжение до F0.На практике наиболее часто используемые образцы круглого сечения обычно можно рассчитать путем измерения диаметра: ψ= [1- (D1/D0) 2] x 100 %, где: D0 – исходный диаметр образца;D1- Минимальный диаметр шейки трещины после разрыва образца.δ Связано с ψ Чем больше значение, тем лучше пластичность материала.

3. Устойчивость
Способность металлических материалов сопротивляться разрушению при ударных нагрузках называется ударной вязкостью.Обычно применяют испытания на удар, характеризующие вязкость материала по энергии удара, затраченной на единицу площади поперечного сечения на поверхности излома, когда металлический образец определенных размеров и формы подвергается ударной нагрузке и разрушается по заданной тип машины для испытаний на удар α K=Ak/F.Единица Дж/см2 или кг · м/см2, 1 кг · м/см2 = 9,8 Дж/см2.α K — ударная вязкость металлических материалов, Ak — энергия удара, F — исходная площадь поперечного сечения излома.

4. Усталостная производительность
Предел усталостной прочности металлических материалов, как правило, ниже предела текучести при длительном многократном напряжении или знакопеременном напряжении σ с) Явление разрушения, протекающее без значительной деформации, называется усталостным разрушением или усталостным разрушением, которое вызывается различными причинами, которые вызвать локальное повреждение поверхности детали σ S даже больше, чем σ. Напряжение b (концентрация напряжений) вызывает пластическую деформацию или возникновение микротрещин на локальном участке.По мере увеличения количества повторяющихся знакопеременных напряжений трещины постепенно расширяются и углубляются (концентрация напряжений в вершине трещины), что приводит к уменьшению фактической площади поперечного сечения зоны, несущей напряжения в локальной области, до тех пор, пока локальное напряжение не станет больше. чем σ B вызывает перелом.В практических приложениях максимальное напряжение, которое образец может выдержать без разрушения в течение заданного числа циклов (обычно 106-107 раз для стали и 108 раз для цветных металлов) при повторяющихся или знакопеременных напряжениях (таких как растягивающее напряжение, сжимающее напряжение). , напряжение изгиба или кручения и т. д.) обычно принимают за предел усталостной прочности σ-1, выражаемый в МПа.

Помимо наиболее часто используемых показателей механических характеристик, упомянутых выше, для некоторых материалов, к которым предъявляются особенно строгие требования, например металлических материалов, используемых в аэрокосмической, атомной промышленности, электростанциях и т. д., также потребуются следующие показатели механических характеристик.

Предел ползучести: явление, при котором материал медленно подвергается пластической деформации с течением времени при определенной температуре и постоянной растягивающей нагрузке, называется ползучестью.Обычно используется испытание на ползучесть при высокотемпературном растяжении, которое относится к максимальному напряжению, при котором удлинение ползучести (общее удлинение или остаточное удлинение) образца в течение определенного времени при постоянной температуре и постоянной растягивающей нагрузке или на стадии, когда удлинение при ползучести скорость относительно постоянна и не превышает определенного заданного значения, как предел ползучести, выраженный в МПа, где τ – продолжительность эксперимента, t – температура, δ – удлинение, σ – напряжение;Альтернативно, V представляет скорость ползучести.
Предел прочности на растяжение при высокой температуре: максимальное напряжение, при котором образец достигает заданного срока службы без разрушения при постоянной температуре и постоянной растягивающей нагрузке.

Коэффициент чувствительности металла к надрезам: в К τ Отношение напряжений между образцом с надрезом и гладким образцом без надрезов за одну и ту же продолжительность (испытание на выносливость при высокотемпературном растяжении).

Жаростойкость: устойчивость материала к механическим нагрузкам при высоких температурах.

2. Химические свойства
Свойство металла, вызывающее химические реакции с другими веществами, называется его химическими свойствами.В практических применениях основными соображениями являются коррозионная стойкость и стойкость к окислению металлов (также известная как стойкость к окислению, которая конкретно относится к устойчивости или стабильности металлов к окислению при высоких температурах), а также влияние соединений, образующихся между различными металлов и между металлами и неметаллами по механическим свойствам.Химические свойства металлов, особенно их коррозионная стойкость, имеют важное значение для коррозионно-усталостных повреждений металлов.

3. Физическая собственность
Физические свойства металлов в основном учитывают:
(1) Плотность (удельный вес): ρ = P/V, в граммах на кубический сантиметр или тоннах на кубический метр, где P — вес, а V — объем.В практических приложениях, помимо расчета веса металлических деталей по плотности, важно учитывать удельную прочность металла (прочность σ B и плотность ρ). Для помощи в выборе материала и акустическом импедансе (плотности) при неразрушающем контроле акустическое испытание ρ Произведение скорости звука С и того факта, что вещества с разной плотностью при радиографических испытаниях обладают разной способностью поглощения энергии излучения и т. д.

(2) Температура плавления: температура, при которой металл превращается из твердого состояния в жидкость, что оказывает непосредственное влияние на плавление и горячую обработку металлических материалов и тесно связано с высокотемпературными характеристиками материала.

(3) Тепловое расширение: явление, при котором объем материала также изменяется (расширяется или сжимается) при изменении температуры, называется тепловым расширением, которое часто измеряется коэффициентом линейного расширения, то есть соотношением увеличения или уменьшения в длине материала при изменении температуры на 1 ℃ до его длины при 0 ℃.Тепловое расширение связано с удельной теплоемкостью материала.В практических применениях также необходимо учитывать удельный объем (увеличение или уменьшение объема на единицу веса материала из-за внешних воздействий, таких как температура, т. е. соотношение объема к массе), особенно для металлических деталей, работающих в высокотемпературных средах. или чередование холодных и горячих сред, необходимо учитывать влияние их расширения.

(4) Магнетизм: свойство, которое может притягивать ферромагнитные объекты, называется магнетизмом, что отражается в таких параметрах, как проницаемость, потери на гистерезис, остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила и т. д. Следовательно, металлические материалы можно разделить на парамагнитные и демагнитные. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

(5) Электрические характеристики: в основном учитывается его проводимость, которая влияет на его удельное сопротивление и потери на вихревые токи при электромагнитном неразрушающем контроле.

4. Производительность процесса
Приспособляемость металлов к различным методам обработки называется производительностью процесса, которая в основном включает в себя следующие четыре аспекта:
(1) Производительность резки: отражает сложность использования режущих инструментов (таких как токарные, фрезерные, строгальные, шлифовальные и т. д.) для резки металлических материалов.

(2) Ковка: отражает сложность формовки металлических материалов при обработке давлением, например, уровень пластичности материала при нагреве до определенной температуры (проявляется как устойчивость к пластической деформации), диапазон температур, допускаемый для обработки горячим давлением, характеристики термического расширения и сжатия, а также границы критической деформации, связанные с микроструктурой и механическими свойствами, а также текучестью и теплопроводностью металла при горячей деформации.

(3) Литейные качества: отражает сложность плавления и отливки металлических материалов в отливки, проявляющуюся в текучести, газопоглощении, окислении, температуре плавления в расплавленном состоянии, однородности и плотности микроструктуры отливки, а также скорости холодной усадки.

(4) Свариваемость: отражает трудность быстрого локального нагрева металлических материалов, вызывающего быстрое плавление или полуплавление области соединения (требующее давления), тем самым прочно соединяя области соединения вместе и образуя единое целое.Оно проявляется в температуре плавления, поглощении газов при плавлении, окислении, теплопроводности, характеристиках теплового расширения и сжатия, пластичности, корреляции с микроструктурой соединения и близлежащих материалов, влиянии на механические свойства.