学习金属材料的性能认知

金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两类。所谓使用性能，是指机械零件在使用条件下金属材料表现出来的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。所谓工艺性能，是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在特定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成型的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。

1.2.1 使用性能

1.力学性能

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。衡量材料力学性能的主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。

1）强度和塑性

材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力称为强度。根据外力性质不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。当承受拉力时，强度性能指标主要表现为屈服强度和抗拉强度。塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率（延伸率）和断面收缩率。

材料的强度指标和塑性指标是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的试件要按国家标准规定的形状和尺寸，做成标准试样，以便比较不同材料的试验结果。对于金属材料，通常采用如图1-2所示的圆柱形标准试样。低碳钢是工程上使用最广泛的材料，同时，低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力间的关系也比较典型。下面就以低碳钢的拉伸试验为例，介绍材料的强度指标和塑性指标。

图1-2　标准拉伸试样

在拉伸试验机上夹紧试样两端，缓慢施加轴向载荷，使之发生变形直至断裂。通过试验可以得到拉力与试样伸长量之间的关系曲线（即拉伸图）。试样的拉伸图与试样的几何尺寸有关，为了消除试样几何尺寸的影响，将拉伸过程中试样所受的力转化为试样单位截面面积上所受的力（称为应力），试样伸长量转化为试样单位长度上的伸长量（称为应变），得到应力-应变曲线，如图1-3所示，其形状与拉伸图完全一致。

低碳钢的拉伸试验大致可分为以下4个阶段。

（1）弹性阶段。由图1-3可知，应力-应变曲线中OP段为一条倾斜直线，此时应力和应变成比例关系，P点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限，用RP表示。图中的PA段，应力超过比例极限RP，应力与应变不再是线性关系。但当应力不超过A点所对应的应力时，卸载后，变形仍可完全消失，这种变形为弹性变形，RA称为弹性极限。

图1-3　低碳钢的应力-应变曲线

低碳钢拉伸各阶段试样的变化

拉伸曲线

材料在OP段，其应力和应变成正比，其比值称为弹性模量，用E表示，单位符号为MPa。刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料产生弹性变形难易程度的表征。材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。弹性模量越大，材料产生一定量的弹性变形所需的应力就越大，表明材料越不易产生弹性变形，即材料的刚度大。如果材料的刚度不足，则易发生过大的弹性变形而产生失效。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，一些处理方法（如热处理、合金化、冷热加工等）对它影响很小。常见金属的弹性模量见表1-1。

表1-1　常见金属的弹性模量

（2）屈服阶段。当应力超过A点增加到某一数值时，在应力-应变曲线上出现锯齿形线段ZB，此时应力几乎不变，而应变却显著增大，暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服或流动。若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。在金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点称为屈服点，其所对应的强度称为屈服强度，屈服强度又分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，单位符号为MPa。

对没有明显屈服现象的材料，国家标准规定取试样产生0.2%的塑性应变时的应力值作为该材料的名义屈服强度，用RP0.2表示。机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是衡量材料强度的一个重要指标。

（3）强化阶段。屈服阶段后，材料抵抗变形的能力有所恢复，在应力-应变曲线上自B点开始继续升高到C点为止。这种材料又恢复抵抗变形的能力的现象称为材料的强化。曲线最高点C对应的应力值用Rm表示，称为材料的抗拉强度，单位符号为MPa，它是材料所能承受的最大应力。抗拉强度是衡量材料强度的另一个重要指标。

屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。其值越大，越能发挥材料的潜力，减小结构的自重，其值越小，零件工作时的可靠性越高；其值太小，材料强度的有效利用率就会降低。因此，低合金结构钢的屈强比一般取0.65～0.75。

（4）颈缩阶段。应力达到抗拉强度后，在试样的某一局部范围内，截面突然急剧缩小，这种现象称为颈缩。颈缩后，材料完全丧失承载能力，因而应力-应变曲线为一急剧下降的曲线CD，直至试样被拉断。试样拉断后，弹性变形消失，塑性变形保留下来。根据拉断后的有关尺寸，定义以下两个塑性指标：

① 断后伸长率。断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比，用A表示，即

式中，L0为试样原始标距长度（mm）；Lu为试样拉断后最终标距长度（mm）。

断后伸长率的数值和试样标距长度有关。短试样的断后伸长率大于长试样的断后伸长率，所以相同试样的断后伸长率才能进行比较。

② 断面收缩率。断面收缩率是指断后试样横截面面积最大缩减量与原始横截面面积的百分比，用Z表示，即

式中，S0为试样原始横截面面积（mm2）；Su为试样拉断后最终截面面积（mm2）。

断后伸长率A和断面收缩率Z越大，材料的塑性越好。两者相比，用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。

金属材料具有一定的塑性才能进行各种变形加工。另一方面，材料具有一定的塑性，可以提高零件的使用可靠性，防止零件突然断裂破坏。

2）硬 度

材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。硬度分为以下3种：

（1）划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。

（2）压入硬度：主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

（3）回跳硬度：主要用于金属材料，方法是使一个特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。

硬度试验设备简单，操作方便，一般不需要破坏零件或构件，而且对于大多数金属材料，硬度与其他力学性能（如强度等）以及工艺性能（如切削加工性、焊接性等）之间存在着一定的对应关系。因此，在工程上，硬度被广泛用以检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。

① 布氏硬度。布氏硬度的试验原理如图1-4所示。用一定大小的载荷F将直径为D的硬质合金球压入被测材料的表面，保持规定时间后卸去载荷，测量被测试样表面上所形成的压痕直径d，用载荷值和压痕面积（mm2）之比定义硬度值，用符号HB表示。布氏硬度HB的计算式为

图1-4　布氏硬度试验原理

布氏硬度测量过程

布氏硬度试验原理

布氏硬度试验的优点是具有较高的测量精度，数据重复性好，与强度之间存在一定的换算关系。缺点是不能测试较硬的材料；压痕较大，不适于成品检验。布氏硬度通常用来检验铸铁、有色金属、低合金钢等原材料和调质件的硬度。

② 洛氏硬度。洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标，以0.002 mm作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力，会产生不同的组合，对应于洛氏硬度不同的标尺。常用的有3个标尺，其应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。

洛氏硬度（HR）测试，当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。洛氏硬度的试验原理如图1-5所示。用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875 mm/3.175 mm/6.35 mm/12.7 mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。最常用的三种标尺为A、B、C，即HRA、HRB、HRC，要根据试验材料硬度的不同，选用不同硬度范围的标尺来表示。

图1-5　洛氏硬度试验原理

洛氏硬度测量过程

洛氏硬度试验原理

HRA：是采用60 kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料，如钢材薄板、硬质合金。

HRB：是采用100 kg载荷和直径1.5875 mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料，如软钢、有色金属、退火钢等。

HRC：是采用150 kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料，如淬火钢、铸铁等。

洛氏硬度试验操作简便、迅速，测量硬度值范围大，压痕小，可直接测量成品和较薄工件。但由于试验载荷较大，洛氏硬度试验不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度。而且由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，其测定结果波动较大，故需在不同位置测试多点的硬度值，最后取其算术平均值。洛氏硬度无单位，各标尺之间没有直接的对应关系。

③ 维氏硬度。维氏硬度的试验原理（见图1-6）与布氏硬度基本相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验所用压头是一个相对面夹角为136°的金刚石四棱锥体，在规定载荷F作用下压入被测试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量压痕对角线长度d，进而计算出压痕表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力，即为金属的维氏硬度值，用符号HV表示。在实际测量中，维氏硬度并不需要进行计算，而是根据所测d值，直接进行查表得到所测硬度值。

图1-6　维氏硬度试验原理

维氏硬度试验原理

维氏硬度试验对试样表面质量要求较高，测试方法较为麻烦，但因所施加的试验载荷小，压入深度较浅，故可测定较薄或表面硬度值较大的材料的硬度。维氏硬度试验测定的硬度为0～1000 HV，且连续性好，准确性高，弥补了布氏硬度因压头变形不能测高硬度材料及洛氏硬度受试验载荷与压头直径比的约束而硬度值不能换算的不足。

3）冲击韧性(www.xing528.com)

强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测量的静态力学性能指标。许多零部件和工具在使用中要受到冲击载荷的作用，冲击载荷是在很短的时间内以很大的速度作用在构件上的载荷。材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为冲击韧性，用ak表示，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，试验原理如图1-7所示。

图1-7　摆锤式冲击试验原理

摆锤式冲击试验原理

试验时，将试样放在试验机两支座上。将质量为m的摆锤升至一定高度H，使它获得的位能为mgH；再将摆锤释放，冲断试样后摆锤在另一边的高度为h，相应位能为mgh。冲断试样前后的能量差即为摆锤对冲击试样所做的功，称为冲击吸收功Ak，即Ak＝mgH－mgh，单位符号为J。试验时，冲击吸收功的数值可从冲击试验机的指示盘上直接读出。冲击韧性是指冲断试样时，在缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功，即ak＝Ak/S0，单位符号为J/cm2或kJ/m2。

实践表明，冲击韧性对材料的一些缺陷很敏感，能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，是生产上用来检验冶炼、热加工得到的半成品和成品质量的有效方法之一。

材料的ak值越大，韧性就越好；材料的ak值越小，脆性就越大。研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而减小。当温度降至某一数值或范围时，ak值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应的温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此，对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件所用材料，必须进行低温（一般为－40 °C）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂。

4）疲 劳

（1）疲劳的概念。许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化。这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，因此，对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件，要选择疲劳强度较好的材料来制造。

疲劳断裂的过程是一个损伤积累的过程。起初，在零件的表面或内部存在一些薄弱环节（如微裂纹），随着交变应力循环次数的增加，裂纹沿零件的某一截面向深处扩展，至某时刻剩余截面承受不了所受的应力，便会突然断裂。即零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。

（2）疲劳强度。在测定材料的疲劳强度时要用较多的试样，在不同循环应力作用下进行试验，做出疲劳曲线（材料所受交变应力S与其断裂前的应力循环次数Nf的关系曲线），如图1-8所示。

图1-8　疲劳曲线

由图1-8可以看出，交变应力值越低，断裂前的循环次数越多；当应力降低到某一值后，曲线近乎水平直线，这表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不断裂。试样承受无数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力称为材料的疲劳强度。在疲劳强度的试验中，循环次数不可能无穷大，因此规定以一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢材的循环基数为108。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减小零件应力集中外，改善零件表面粗糙度和进行热处理（如高频淬火、表面形变强化、化学热处理以及各种表面复合强化等）也是提高疲劳强度的方法。钢的疲劳强度为抗拉强度的40%～50%，有色金属的疲劳强度为抗拉强度的25%～50%。

2.物理性能和化学性能

为了保证机械零件能正常工作，金属材料除了具备相应的力学性能外，还应具备一定的物理性能和化学性能。

1）物理性能

金属材料的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

（1）密度。材料单位体积的质量称为密度。密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。工程上通常用密度来计算零件毛坯的质量。金属材料的密度直接关系到由它所制成的零件或构件的质量或紧凑程度，这对要求减轻机件自重的航空和宇航工业制件（如飞机、火箭）具有特别重要的意义。用密度小的铝合金制作的零件质量比钢材制作的同样零件的质量轻1/4～1/3。

（2）熔点。金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，而合金的熔点取决于它的化学成分。如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于含碳量不同，其熔点也不同。熔点是金属和合金冶炼、铸造、焊接时的重要工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属（如钨、钼、钒等），可用来制造耐高温零件，它们在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用；熔点低的金属称为易熔金属（如锡、铅等），它们可用来制造印刷铅字（铅与锑的合金）、熔丝（铅、锡、铋、镉的合金）和防火安全阀等。

（3）导热性。金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率（也称导热系数）λ表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，金属越纯，其导热能力越强。合金的导热能力比纯金属要差。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。

导热性好的金属，其散热性也好。如在制造散热器、热交换器及活塞等时，就要注意选用导热性好的金属。在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑金属材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成较大的内应力，以免金属材料发生变形或开裂。

（4）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，体积增大；冷却时收缩，体积减小。

在实际工作中，考虑热膨胀性的地方很多，如铺设钢轨时，在两根钢轨衔接处应留有一定的空隙，以使钢轨在长度方向有膨胀的余地；在制定焊接、热处理、铸造等工艺时也必须考虑材料热膨胀的影响，尽量减少工件的变形与分裂；测量工件的尺寸时也要注意热膨胀因素，尽量减小测量误差。

（5）导电性。金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏常用电阻率ρ表示。电阻率越小，导电性就越好。导电性和导热性一样，是随合金化学成分的复杂化而降低的。纯金属的导电性总比合金要好。因此，工业上常用纯铜、纯铝作导电材料，而用导电性差的镍铬合金和铁铬铝合金作电热元件。

（6）磁性。金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性，通常用磁导率μ表示。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为：

铁磁性材料——在外加磁场中能强烈地被磁化到很大程度的材料，如铁、镍、钴等。

顺磁性材料——在外加磁场中呈现十分微弱磁性的材料，如锰、铬、钼等。

抗磁性材料——能够抗拒或减弱外加磁场的磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。

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。

2）化学性能

化学性能是指反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数，主要有耐腐蚀性和抗氧化性。

（1）耐腐蚀性。金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其是在腐蚀介质（如酸、碱、盐、有毒气体等）中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。因此，在选择金属材料制造这些零件时，应特别注意金属材料的耐腐蚀性，并合理使用耐腐蚀性良好的金属材料来进行制造。一般来说，非金属材料的耐腐蚀性高于金属材料。在金属材料中，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，而不锈钢、铝合金、铜合金、钛及其合金的耐腐蚀性较好。

（2）抗氧化性。金属材料抵抗高温氧化的能力称为抗氧化性。抗氧化性强的金属材料常在表面形成一层致密的保护性氧化膜，阻碍氧的进一步扩散，这类材料的氧化随时间的变化一般遵循抛物线规律，而多孔疏松或挥发性氧化物材料的氧化则遵循直线规律。氧化不仅会造成材料过量损耗，还会形成各种缺陷，为此应采取措施，避免金属材料发生氧化。

耐腐蚀性和抗氧化性统称为金属材料的化学稳定性。高温下的化学稳定性称为热化学稳定性。在高温下工作的热能设备（如锅炉、汽轮机、喷气发动机等）上的零件应选择热稳定性好的材料制造；在海水、酸、碱等腐蚀环境中工作的零件，必须采用化学稳定性良好的材料，如化工设备通常采用不锈钢来制造。

1.2.2 工艺性能

金属材料的一般加工过程如图1-9所示。

图1-9　金属材料的一般加工过程

金属材料的工艺性能是指金属材料对不同加工工艺的适应能力，它包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。工艺性能直接影响零件制造的工艺、质量及成本，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的重要因素。

1.铸造性能

铸造性能是指铸造成型过程（见图1-10）中获得外形准确、内部完好的铸件的能力。对于金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有金属液体的流动性、收缩特性、偏析倾向等。

图1-10　齿轮毛坯的砂型铸造过程

1）流动性

熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属充型能力强，能获得轮廓清晰、尺寸精确、外形完整的铸件，不易产生冷隔、浇不足等铸造缺陷，并对防止其他类缺陷（如缩孔、夹渣、气孔等）的产生也较为有利。在设计铸件的结构形状和轮廓尺寸时，尤其在确定铸件壁厚时要充分考虑金属材质的流动性。影响流动性的因素主要是化学成分和浇注的工艺条件。受化学成分的影响，通常各元素比例能达到同时结晶的成分（共晶成分）的合金的流动性最好。常用铸造合金中，灰铸件的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。浇注的工艺条件包括浇注温度、浇注压力、铸型的热导率及铸件复杂程度等。在已定金属成分的情况下，可通过调整这些工艺条件达到改善流动性的目的。

2）收缩特性

铸造合金由液态凝固及冷却至室温的过程中体积和尺寸减小的现象，称为收缩。合金从浇注温度冷却至常温的收缩共分为三个阶段：由浇注温度至凝固温度期间的收缩称为液态收缩，凝固温度范围内的收缩称为凝固收缩，从凝固终了温度冷却至常温阶段的收缩称为固态收缩。液态和凝固收缩通常以体收缩表示，其收缩值大小对铸件产生缩孔和缩松起决定性影响，而固态收缩通常以线收缩表示，又称为收缩率，它对铸件的尺寸精度、变形和铸件残留应力及冷裂纹的形成起主要作用。不同化学成分的合金所表现出的收缩倾向不同，如普通碳素钢的体收缩值为10%～14.5%，线收缩率为2%。而灰铸铁的体收缩率为5%～8%，线收缩率约为1%。合金的收缩特性除与化学成分有关外，还主要与铸件的结构形状、浇注温度、浇注速度、冷却方式等工艺条件有关。因此，在选择零件的合金时，要充分考虑它的收缩特性，优先选用收缩倾向小的合金。在设计铸件结构时，也要避免采用厚大截面，或局部凸厚、热节集中的结构，以减少缩孔、缩松等铸造缺陷的产生。

3）偏析倾向

铸件凝固后，在截面上各个部分及晶粒内部往往出现化学成分和组织不均匀的现象称为偏析。偏析可分为晶内偏析、区域偏析和比重偏析三种类型，后两者为宏观偏析。偏析使铸件的各部分性能不一致，严重影响铸件质量，往往使铸件报废。偏析的产生主要与合金的化学成分有关。不同化学成分的合金，其结晶温度范围不同，范围越宽，越容易产生区域偏析。此外，偏析倾向还与冷却凝固速度和凝固时所受压力等工艺因素有关。在确定铸件材质时应认真考虑材质的偏析特性，若必须采用易产生偏析的合金时，则应在铸件断面结构设计和选择铸造方法时充分注意，采取措施减少偏析的产生。

2.锻压性能

用锻压成型方法（见图1-11）获得优良锻件的难易程度称为锻压性能，常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的锻压性能越好。化学成分会影响金属的锻压性能，纯金属的锻压性能优于一般合金。铁碳合金中，含碳量越低，锻压性能越好；合金钢中，合金元素的种类和含量越多，锻压性能越差。钢中的硫会降低锻压性能，金属组织的形式也会影响锻压性能。

图1-11　水压机锻造

3.焊接性能

焊接（见图1-12）性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。对于碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分有关（其中碳的影响最大）。如低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢和铸铁的焊接性能则较差。

图1-12　手工电弧焊焊接

4.切削加工性能

切削金属材料的难易程度称为金属材料的切削加工性能，一般用工件切削时的切削速度、切削抗力的大小、断屑能力、刀具的耐用度及加工后的表面粗糙度来衡量。影响切削加工性能的因素主要有化学成分、组织状态、硬度、韧性、导热性等。硬度低、韧性好、塑性好的材料，切屑黏附于刀刃而形成积屑瘤，切屑不易折断，致使表面粗糙度变差，并降低刀具的使用寿命；而硬度高、塑性差的材料，消耗功率大，产生热量多，并降低刀具的使用寿命。一般认为材料具有适当的硬度（160～230 HBW）和一定的脆性时，其切削加工性能较好，如灰铸铁比钢的切削加工性能好。

5.热处理性能

热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善材料力学性能的重要途径。热处理性能包括淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。碳钢热处理变形的程度与其含碳量有关。一般情况下，含碳量越高，变形与开裂倾向越大，而碳钢又比合金钢的变形开裂倾向严重。钢的淬硬性也主要取决于含碳量。含碳量高，材料的淬硬性好。

在金属材料的性能中，力学性能往往是选材的主要标准。但对于某些有特殊性能要求的零件，物理、化学性能又可能成为主要考虑的因素。材料的工艺性能往往也会影响到材料的选择，故在选材时要综合考虑。

案例释疑

造成德国高速列车事故的原因是车轮“内部疲劳断裂”，属于金属疲劳现象。由于金属材料表面或内部微观组织在冶炼、轧制或机械加工过程中，往往会产生一些气孔、砂眼、夹渣和划痕等缺陷。缺陷使金属组织不均匀，形成所谓应力集中。显然，在应力集中区，金属的承载能力最小，缺陷处会最先出现裂纹。裂纹使一部分金属失去承载能力，余下部分的应力将随之增加。由于金属还有一定的剩余强度，所以，出现裂纹后并不会立刻破坏。但是，在裂纹的端头，必定有尖锐的切口，于是这里又形成了新的应力集中区，在连续使用下，又继续裂开。这样，裂纹越来越大，金属能够传递应力的部分越来越少，直到剩余部分不足以传递载荷时，金属构件就全部彻底崩溃了。因此疲劳是一个应力集中→裂缝→新的应力集中→裂纹扩大→构件破坏的恶性循环过程。

随着科学技术的发展，现已出现了一种金属“免疫疗法”的新技术，即引入残余压应力，如喷丸、表面冷滚压、干涉配合、预应力涂层以及应力挤压等方法，预先增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳破坏。此外，应用无损探伤技术检查零部件表面和内部的显微裂纹、气孔、砂眼等缺陷，对防止疲劳也很有好处。

技能提升