1.1 金属材料的性能

金属材料是人类社会发展的重要物质基础，也是现代汽车技术发展的重要支柱之一。金属材料具备许多优异的性能。这些性能可分为两类：一类是使用性能，反映材料在使用过程中所表现出来的特性，如力学性能、物理性能和化学性能等；另一类是工艺性能，反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性，如铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性和热处理性等。

1.1.1 金属材料的力学性能

任何一台机器大都是由金属零件、部件所组成的，而零件在工作时将承受外力（载荷）的作用。金属材料在外力作用下所表现出来的特性即是力学性能，其主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。上述指标既是选材的重要依据，又是控制、检验材料质量的重要参数。

材料受外力作用时，会引起尺寸与形状的改变，材料尺寸或形状的改变称为变形。载荷与变形的关系可用试验的方法测定。

1. 强度与刚度

强度是材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的能力。抵抗外力的能力越大，则材料强度越高。抵抗塑性变形的能力称为屈服强度，抵抗破坏的能力称为破坏强度。材料一旦确定，则零件的相应强度极限也就确定了。

材料受到外力作用时，在材料内部将产生一个抵抗变形及破坏的力，由于该力的性质属于材料内部不同截面上的相互作用，故称为内力。需要说明的是，内力总是成对出现且等值、反向、共线，内力的合力恒为零。但内力与外力的划分又与所取对象有关。随所取对象的范围不同，内力与外力是可以互相转化的。

强度一般以应力的形式进行衡量和评判。在单位截面积上产生的内力称为应力，工程上应力单位常用MPa（兆帕）、GPa（吉帕），1MPa=1N/mm2，1GPa（吉帕）＝1000MPa。

一般地，把垂直于受力截面的应力分量称为正应力，用σ表示；相切于截面的应力分量称为剪应力或切应力，用τ表示。

刚度是指零件在载荷作用下，在材料弹性极限范围内抵抗变形的能力。抵抗变形的能力越强，则零件的刚度越高。零件的刚度与材料的性质及零件的形状尺寸有关。刚度有绝对值和相对值两种表示方法。

2. 硬度

硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料性能的一个综合的工程量。材料的硬度越高，耐磨性就越好。

测定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度测试法和洛氏硬度测试法。测定硬度的工具是硬度计，如图1-1所示。

（1）布氏硬度及其测定

布氏硬度试验原理如图1-2所示，将直径为D的硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定残留压痕直径d，求出压痕球冠形的表面积A，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，用符号HBW表示。在实际应用时，只要测出压痕直径d，就可在专用表中查出相应的布氏硬度值。

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。但压痕的面积较大，对金属表面的损伤也大，而且不易测定太薄零件的硬度，也不适合测定表面质量要求较高的成品件的硬度。布氏硬度多用于测定原材料、半成品及微小部分性能不均匀的材料硬度。

（2）洛氏硬度及其测定

洛氏硬度的测定与布氏硬度测定类似，将锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径1.5875mm的钢球作为压头，以一定的载荷压入被测金属材料的表层，然后根据压痕的深度来确定硬度值。在相同的试验条件下，压痕深度越小，则材料的硬度值越高。

洛氏硬度值没有单位，只是根据不同的试验材料、不同的压头和所加压力大小，分为HRA、HRB、HRC三种标记。其中HRA与HRC是用锥顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，采用的总载荷分别为588N与1471N；而HRB值的测定则采用直径1.5875mm的钢球作为压头，总载荷为980N。中等硬度材料可用HRC测量；软材料用HRB测量；较硬的材料用HRA测量，其中HRC应用最广。

与布氏硬度相比，洛氏硬度试验操作简单、方便、迅速，适用的硬度范围广，可用来测量薄片和成品。但洛氏硬度试验不宜用于测定各微小部分性能不均匀的材料，且测量结果不如布氏硬度精确，故至少需在试样上的不同部位测定三点，取其算术平均值。

（3）维氏硬度及其测定

维氏硬度的试验原理是：以顶角为1361的四棱金刚石，在较小的载荷（常用50～1000N）作用下压入被测材料表面，并按规定保持一定时间，然后用附在试验计上的显微镜测量压痕的对角线长度，以凹痕单位表面积上所承受的压力作为维氏硬度值，用符号HV表示。维氏硬度法所测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，测量范围广，采用较小的压力可以测量硬度高的薄件而不致将被测件压穿。

3. 塑性

塑性是指材料断裂前发生不可逆、永久变形的能力。材料断裂前的变形越大，表示它的塑性越好。衡量材料塑性的常用指标是断后伸长率和断面收缩率。拉伸试样如图1-3所示。

（1）断后伸长率

断后伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比，即标距的相对伸长，用符号δ表示，如图1-3所示。

式中 l0——试样的原始标距长度；

l1——试样断裂后的标距长度。

（2）断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。

式中 A0——试样的原始横截面积；

A1——试样拉断后缩颈处的最小横截面积。

拉伸试验是测定材料静态力学性能指标的常用方法。通常将材料制成标准试样，装在拉伸试验机上，如图1-4所示。对试样缓慢施加拉力，使之不断地产生变形，直到拉断试样为止。根据拉伸试验过程中的载荷和对应的变形量关系，可绘出材料的拉伸曲线。图1-5所示为塑性材料低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷F，横坐标表示变形量Δl。p点称为比例极限点，e点为弹性极限点，s点为屈服极限点，b点为强度极限点。通过拉伸曲线可测定材料的强度与塑性等指标，s点及b点的F/A0比值即为该材料的屈服强度σs及破坏强度（抗拉强度）σb。

工程上常将断后伸长率大于5%的材料称为塑性材料，而将断后伸长率小于5%的材料称为脆性材料。对于塑性材料，如低碳钢，常用的强度指标一般取其屈服强度σs（微量屈服材料为σ0.2）；对于脆性材料，如铸铁、混凝土等，因其拉伸曲线无明显的屈服变形阶段，故强度指标一般取其抗拉强度σb。

需要说明的是，受压零件的材料，需进行压缩试验。结果表明，塑性材料的抗压强度与抗拉强度值相差不大，而脆性材料的抗压强度比抗拉强度高出许多，故常选脆性材料作为受压零件的材料。

4. 疲劳强度

疲劳破坏是指材料在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然产生断裂的过程。引起疲劳破坏的循环应力最大值称为疲劳强度。

许多机械零件，如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，经常受到大小或方向周期性变化的载荷作用。这种交变载荷常会使材料在小于其破坏强度，甚至小于其屈服强度的情况下，经多次循环后，在没有明显的外观变形时，发生断裂。图1-6所示为疲劳破坏的齿轮。

疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳破坏都是突然发生的，常常会造成严重事故，具有很大的危险性。

金属零件的疲劳破坏与很多因素有关，人们可通过改善零件的结构形状，避免应力集中，改善表面粗糙度，进行表面强化处理等措施来提高其疲劳强度。

1.1.2 金属材料的物理性能

金属材料的物理性能指金属材料的熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。

1. 熔点

金属材料在缓慢加热的条件下，由固态开始熔化为液态时的温度，称为该金属的熔点，单位为摄氏度（℃）。在工业上常用的金属中，锡的熔点最低，为231.9℃；钨的熔点最高，为3410℃。但大多数合金材料在熔化时，其熔化过程是在一个温度范围内进行的，即它们没有一个固定的熔点。

了解各种金属材料和合金的熔点，对掌握铸造、焊接、镀锡以及配制合金等工艺都很重要。例如，熔点低的金属或合金可以用来制造焊锡、保险丝等，而熔点高的金属材料可以用来制造发动机高温部件、汽轮机叶片、电热丝等耐热零件。

2. 导热性

导热性是指金属材料传导热量的能力。金属的导热性越差，在加热或冷却时，部件表面和内部的温度差就越大，由此产生的内应力就越大，就越容易发生裂纹。导热性较好的常见金属材料有银、铜和铝。

3. 导电性

金属材料传导电流的能力称为材料的导电性。导电性以银最好，其次是铜和铝，合金的导电性一般比纯金属差。金属材料的导电性越差，则电阻越大，电流通过时所产生的热量就越大。利用这一特点，高电阻的金属材料常用来制造电热元件，最常用的金属电热材料有铬镍合金、铁铬铝合金等。

4. 热膨胀性

金属材料在加热时体积增大的性能称为热膨胀性。在生产实践中，必须考虑金属材料热膨胀性所产生的影响。例如，发动机转子与静子之间要留有足够的间隙，以防止机组启动加热时，因其膨胀的差异，产生转子与静子磨损的破坏事故。紧固件则要求与被紧固部件的膨胀系数相近。精密仪器的零件就要求采用膨胀系数小的材料来制造。在异种材料焊接时，也要考虑它们的膨胀系数是否相近，否则会因为热膨胀而使零件变形或损坏。

5. 磁性

金属被磁化或被磁力吸引的性能称为磁性。根据材料磁性的不同，通常将金属材料分为铁磁材料、顺磁材料和逆磁材料三种。铁磁材料有铁、钴、镍等，它们在外磁场中能强烈被磁化。顺磁材料有锰、铬、钨、钼等，它们在外加磁场中只是微弱地被磁化。逆磁材料有铜、锡、铅、锌等，它们能抵抗或削弱外加磁场对材料本身的磁化作用。铁磁性材料是制造电机、电器中不可缺少的材料，如变压器、电机及测量仪表的铁心都是用硅钢片、工业纯铁制造的。

1.1.3 金属材料的化学性能

金属材料在室温或高温下，抵抗介质对它化学侵蚀的能力，称为金属材料的化学性能。金属材料的化学性能一般包括抗氧化性和耐蚀性等。

抗氧化性是指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力。汽车中的高温部件，如过热器、水冷壁管、汽轮机的气缸和叶片等，长期在高温下工作，容易产生氧化腐蚀。许多金属都能与空气中的氧进行化合而形成氧化物，在金属表面形成一层氧化膜。如果金属表面形成的氧化物层比较疏松，这时外界氧气便可以继续与金属作用，使金属材料受到破坏，这种现象称为金属的氧化。如果金属表面形成的氧化物层比较致密，而且牢固地覆盖在金属表面上，相当于形成了一层保护层，使氧气不能再与金属接触，阻止了金属的继续氧化，金属就得到了保护，这样的金属抗氧化性高，如暴露在空气中的汽车铝轮毂。

金属材料抵抗各种介质（大气、酸、碱、盐）侵蚀的能力称为耐蚀性。汽车中的一些热力部件，长期接触高温烟气、水汽或一些腐蚀介质，使金属表面不断受到各种侵蚀，有时还会侵入金属内部，给安全运行带来不利影响，严重时甚至造成破裂损坏事故。因此，金属材料的耐蚀性是一个很重要的材料性能。

1.1.4 金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，它是力学、物理、化学性能的综合表现。它包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性和热处理性等。

1. 铸造性

铸造是将熔融金属浇入与工件形状相应的铸造型腔中，待其冷却后，得到毛坯或零件的成形方法，如图1-7所示。

铸造性是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能，如流动性、收缩性、偏析性以及吸气性等。如果某一金属材料在液态时流动能力大，不容易吸收气体，冷凝过程中收缩小，凝固后铸件的化学成分均匀，则认为这种金属材料具有良好的铸造性。在常用的金属材料中，灰铸铁和青铜有良好的铸造性。

2. 可锻性

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，如图1-8所示。

可锻性是指锻造金属材料的难易程度。若金属材料在锻造时塑性好，变形抗力小（锻造时消耗能量小），则称该金属的可锻性好；反之，则可锻性差。所以金属的可锻性是金属的塑性和变形抗力两者的综合。

钢的可锻性与化学成分有关，低碳钢的可锻性比中碳钢、高碳钢好；普通碳钢的可锻性比同样含碳量的合金钢好，铸铁则没有可锻性。

3. 焊接性

焊接是将被焊材料（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的键合而形成永久性连接的工艺，如图1-9所示。

焊接性是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。焊接性好的材料，可用一般的焊接方法和焊接工艺进行焊接，焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹等缺陷，其焊接接头强度与母材相近。焊接性差的金属材料要采用特殊的焊接方法和工艺才能进行焊接。

金属的焊接性很大程度上受金属本身材质（如化学成分）的影响。在常用金属材料中，低碳钢有良好的焊接性，而高碳钢和铸铁焊接性则较差。

4. 切削加工性

切削加工是一种用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法，如图1-10所示。

切削加工性是指金属材料被切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何参数等因素有关。通常可根据材料的硬度和韧性对材料的切削加工性做出大致判断。工件材料硬度过高，刀具易磨损，寿命短，甚至不能切削加工；硬度过低，容易粘刀，且不易断屑，加工后表面粗糙。所以硬度过高或过低、冲击韧度过大的材料，其切削性能较差。灰铸铁及硬度为150～250HBW的碳钢，具有较好的切削加工性。

关于金属材料的热处理性能将在1.3节进行分析。