金属材料的性能

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

3.1机械性能

（一）应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。

（二）机械性能,金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：

3.1.1.强度

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的 能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：

（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的 应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中 点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa。

（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用σ0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即σs/σb）要小，以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。

（3）弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的 应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的 外力（或者说材料 弹性变形时的载荷）。

（4）弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

3.1.2.塑性,

金属材料在外力作用下产生 变形而不破坏的 能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ（%）和试样断面收缩率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x，这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0之比。在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如最常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5，而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x，这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差（断面缩减量）与F0之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：ψ=[1-(D1/D0)2]x，式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ与ψ值越大，表明材料的塑性越好。

早在1925年人们就已经掌握，钢同有色金属一样可以用挤压法进行变形。由于设备和工具成本低、产品断面丰富，这种钢的热成型方法愈来愈受到人们的重视。1941年SejournetJ在于仁恩电炉公司的协助下，试验成功了玻璃润滑剂，使钢的热挤压的发展成为可能，并迅速在全世界范围推广。

传统钢挤压生产采用石墨(片状石墨与机油、焦油或油脂等混和成的涂料)作为润滑剂。但石墨润滑剂的缺点是：

①导热系数较大，隔热差、工模具温升大，磨损快，挤压长产品困难。

②容易引起产品增碳，当挤压不锈钢时容易产生晶间腐蚀，故挤压后必须去除渗碳层，结果增加了金属消耗。

③往往会使环境污染。

玻璃润滑剂与石墨相比，其优点是：

①玻璃导热系数小，能防止坯料表面过快冷却，同时也能起到保护工模具作用。

②具有良好的润滑性能，可采用大的挤压比和提高挤压速度，从而可扩大挤压机生产的产品范围。

③玻璃润滑剂化学稳定性好，不会引起组织缺陷。

④可以方便地改变玻璃润滑剂的配比，获得不同的物理性能(如软化点、粘度等)，以适应挤压不同材质的产品需要。

⑤使用玻璃作为润滑剂时可以保持清洁。总之，玻璃润滑剂优点显著。国外许多研究结果指明，挤压钢时采用玻璃润滑剂效果 。

挤压钢管时必须进行润滑的部位有：挤压模、挤压筒和芯棒三个部位。

(1)挤压模的润滑：模子的润滑常用将玻璃粉压制成玻璃垫的方法，即在挤压前把玻璃垫置于模子与坯料之间。为了保证玻璃垫能连续软化在摩擦表面上，要求玻璃垫的形状与模孔入口锥和坯料端部形状相吻合。玻璃垫外径一般比挤压筒直径小3～5mm。玻璃垫内孔直径小于或等于模孔直径。玻璃垫的厚度一般取坯料长度的4%～8%。

(2)挤压筒和芯棒的润滑：挤压筒和芯棒的润滑应选用软化点低、粒度小的玻璃粉涂敷在钢坯内孔和外表面。此外，也可以用玻璃布缠包绕在坯料表面上和将玻璃布条绕在芯棒上的方法。

(3)钢管表面玻璃膜的去除：由于挤压时采用了玻璃润滑剂，挤压钢管内外表面上残留一层厚度20～50μm的玻璃膜，其性质硬而脆，有害于以后的加工和使用，必须清除。清除方法有机械法和化学法。机械法有喷丸、水冷和拉伸矫直等方法。应用化学法清除玻璃膜时，由于在钢管表面上残留的玻璃润滑剂具有较高的化学稳定性，清除它需要采用碱溶液或酸溶液。酸洗法的不足之处在于对各种钢管材质的侵蚀性大，可能使钢管表面产生过酸洗，尤其对碳钢的侵蚀性更大，因此应用上受到限制。目前采用酸碱联合清除法。