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第1章金属材料的性能

1.1金属的力学性能

一般机器零件常以力学性能作为设计和选材的依据，金属材料的力学性能指金属材料在载荷（外力）作用下抵抗变形或破坏的能力，主要有强度、刚度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。

1.1.1强度和刚度

1强度

强度是指材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。金属材料受外力作用时，会引起其形状和尺寸的改变，称为变形。如果去掉外力后材料能恢复原来的形状和尺寸，则称为弹性变形；如果去掉外力材料不能恢复原来的形状和尺寸，则称为塑性变形。

材料受外力作用时，在其内部产生一个与外力相平衡的抵抗力，称为内力。材料单位面积上的内力称为应力，用符号“”表示，有如下关系：

式中，F—外加载荷，单位为N；

A0—受力截面积，单位为mm2。

;强度可以通过材料拉伸试验来测定。把标准拉伸试样（见图1.1）装夹在试验机上，对试样逐渐施加拉力载荷，直至试样被拉断。根据试样在拉伸过程中所受载荷F和伸长量?l的关系，测出该金属的拉伸曲线，见图1.2所示。在拉伸曲线上可确定以下性能指标：;2刚度

在工程上，材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力称为刚度。刚度大小可以用弹性模量来衡量。材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值称为弹性模量，弹性模量反映了材料弹性变形的难易程度，用“”表示：

弹性模量越大，弹性变形越不容易进行。设计机械零件时，要求刚度大的零件，应选弹性模量高的材料。;2．断面收缩率

即试样断裂后断口处的横截面积与原始横截面积的百分比，用“”表示：

式中，A0—试样原始横截面积，单位为mm2；

A1—试样断口处的横截面积，单位为mm2。;1．布氏硬度

布氏硬度的试验原理如图1.3所示。将直径为D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测材料表面，经规定保压时间后，卸除压力，然后测量压痕直径d，压痕单位表面积上所承受的平均压力即为布氏硬度值，用符号“HBS（压头为钢球）”或“HBW（压头为硬质合金球）”表示。

2．洛氏硬度

洛氏硬度试验原理如图1.4所示。用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm（1/16英寸）的淬硬钢球压头，在初载荷和主载荷的作用下压入被测材料表面，经规定保压时间，卸除主载荷，测得压痕深度来计算硬度值。洛氏硬度用每0.002mm压痕深度为一硬度单位，用符号“HR”表示。;3．维氏硬度

维氏硬度试验原理与布氏硬度试验基本相同，不同点在于维氏硬度的压头为136°金刚石正四棱锥体，所加载荷较小（10～1000N）。试验时压头在被测件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线的平均长度d，即可求出硬度值，用符号“HV”表示。;1.1.5疲劳强度

疲劳强度是指材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。

1.1.6材料的物理性能

材料的物理性能属于材料的固有属性，主要包括材料的熔点、密度、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。

1.熔点

材料在缓慢加热时由固态转变为液态时的熔化温度称为熔点。熔点低的金属可以用来制造焊接用钎料、印刷用铅字及电源上的保险丝等。熔点高的金属可以用来制造高温零件。

2.密度

密度指某种材料单位体积的质量。对要求减轻机械自重的航空和宇航工业制件，常用密度小的钛合金和铝合金等制作。在非金属材料中，陶瓷密度较大，塑料密度较小。

3.导电性

导电性指材料传导电流的能力。工程中常采用纯铜或纯铝制作导电材料，导电性差的材料制作电热元件。;4.导热性

导热性是指材料传导热量的能力。材料导热性能的好坏用热导率衡量，热导率越大，导热性越好。合金的导热性比纯金属差，纯金属中银和铜的导热性最好，铝次之。

5.热膨胀性

热膨胀性指材料随温度变化而产生的体积膨胀或收缩的现象。

6.磁性

磁性指材料在磁场中导磁或被磁化的能力。磁性材料从材质和结构上分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类，电机的铁芯所用的磁性材料一般用硬磁铁氧体，磁化后不易退磁。对磁通的阻力小。;1.2金属的晶体结构与结晶

固态物质按其原子排列的特征分为晶体和非晶体两大类。非晶体的原子呈不规则排列，如松香、玻璃等；晶体的原子呈规则排列，如固态金属，其特点是具有一定熔点、规则的几何外形和各向异性。

1.2.1纯金属的晶体结构

晶体结构是晶体内部原子排列的方式及特征。

1．体心立方晶格

如图1.6（a）所示。在立方体的中心及八个角上各分布一个原子，属于这种晶格的金属有?-Fe、Cr、Mo、W、V等。

2．面心立方晶格

如图1.6（b）所示。立方体的八个角上及六个面的中心各分布一个原子，属于这种晶格的金属有?-Fe、Al、Cu、Ni、Ag等。

3．密排六方晶格

如图1.6（c）所示。在正六方柱体的十二个角上和上、下正六边形底面中心各分布一个原子，另外柱体的中间还有三