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金属型材是通过轧制、挤出、拉拔、铸造等工艺制成的，具有 一定几何形状、一定强度和韧性的金属（铁、钢和有色金属等）物 体，由于具有易加工、切割，节约人力和资源等优点，故广泛应用 于国民经济建设和人们日常生活的各方面。一般把平板、圆棒、圆 管，角钢、槽钢、工字钢等称为普通型材，各种椭圆形管、波纹 板、C形、U形材等称为异形材。 按材料的类别，型材可分为钢铁型材和有色金属型材，前者包 括铸铁、铸钢，以及各种用途的结构钢、不镑钢、耐热钢、高温合 金、精密合金型材等；后者是指除铁、铬、锰以外的所有金属（如 铜、铝、锡、铅、锌）及其合金（黄铜、青铜、白铜、铝合金和轴 承合金等）型材。此外还有特种金属材料型材。 型材的性能一般分为使用性能和工艺性能两类。前者是指机械 零件在使用条件下表现出来的性能，如力学性能、物理性能、化学 性能等；后者则是指加工过程中在规定的冷、热加工条件下表现出 来的性能，如可铸性、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工 性等。 fl> 1J力学性能术语 ① 比例极限：在拉伸应力图上，材料的应力与变形完全为直线 关系（符合虎克定律）段的应力最髙点，即材料能够承受的没有偏 离应力-应变比例特性时的最大应力，一般用符号&表示，单位为 MPa (N/mm2)〇 ② 弹性极限：在拉伸外力消除后，不产生任何永久变形的条件 下，材料能承受的最大应力，一般用符号CTe表7K，单位为MPa (N/mm2) 〇 ③ 弹性模量：低于比例极限的应力与相应应变的比值，一般 用符号“E”表示，单位为MPa (N/mm2)。 ④ 剪切模量：切应力与切应变成线性比例关系范围内切应力 与切应变之比，一般用符号“G”表示，单位为MPa (N/mm2)。 ⑤ 泊松比：低于材料比例极限的轴向应力所产生的横向应变 与相应轴向应变的负比值，一般用符号表不。 ⑥ 最大扭矩：屈服阶段之后所能承受的最大扭矩，对于无明 显屈服（连续屈服）的金属材料，为试验期间的最大扭矩。 ⑦ 冲击韧度：是材料抵抗冲击载荷的能力。一般用外表示， 单位为J/cm2。 ⑧ 冲击吸收功：是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一 次作用下折断时所吸收的功。一般用Ak表示，单位为J。 ⑨ 屈服点：在拉伸时，当应力超过弹性极限后，即使应力不 再增加，而试样仍继续发生明显的塑性变形，产生此现象的最小应 力值即为屈服点。 S3]金属材料力学性能 力学性能是金属在一定温度条件下承受外力作用时，抵抗变形 和断裂的能力。其主要指标如下。 1. 2.1应力和强度 (1)应力 是试验期间任一时刻的作用力（Fm)除以试样原始横截面积 (S〇)之商，单位为 MPa (N/mm2)。 ① 正应力：垂直于给定平面的应力分量，有拉伸应力和压缩 应力之分，单位同应力。 ② 切应力：平行于给定平面的应力分量，单位同应力。 ③ 轴向应力：施加力方向上的应力分量，单位同应力。 ④ 横向应力：垂直于施加力方向的应力分量，单位同应力。 U)强度 表示材料在外力作用下抵抗变形和破坏的极限能力，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、屈服强度等。 ② 抗拉强度尺n:也叫强度极限，指材料在拉断前所能承受最 大应力值，其值为拉伸试验到断裂过程中的最大试验力除以试 样原始横截面积。单位同应力。 ③ 抗压强度指材料在压裂前所能承受最大应力值，其 值为压缩试验到压裂过程中的最大试验力Fm除以试样原始横截面 积，单位同应力。对于脆性材料，试样压至破坏过程中的最大压缩 应力；对于在压缩中不以粉碎性破裂而失效的塑性材料，则抗压强 度取决于规定应变和试样几何形状。 ④ 抗剪强度指材料在剪断前所能承受最大应力值，单位 同应力。 ⑤ 抗弯强度指材料在弯断前所能承受最大应力值，即弯 曲试验中试样破坏时拉伸侧表面的最大正应力，单位同应力。 ⑥ 抗扭强度rb:指材料在扭断前所能承受最大剪切应力值， 单位同应力。 ⑦ 屈服强度当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时的应力。有上屈服强度只eL和下屈服强度 之分：前者是试样发生屈服而首次下降前的最髙应力值，后者 是在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力值。 ⑧ 非比例延伸强度i?P:非比例延伸率等于规定的引伸计标距 百分率时的应力。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率, 例如i^pQ.2,表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 ⑨ 疲劳强度：很多机械零件在交变应力作用下工作一段时间 后会发生断裂，而交变应力大小和断裂循环次数之间有一定的关 系。在实际工作中，常把循环次数达到某一数值（常用钢材的循环 基数为1〇7,有色金属和某些超髙强度钢的循环基数为1〇8)时不 发生断裂的最髙应力称为疲劳强度。 1.2.2塑性和脆性 塑性表示金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大 能力，通常以伸长率A和试样断面收缩率Z表示。’ (1) 伸长率：指金属材料受拉力作用断裂时，试棒原始标距的伸长与原始标距（LQ)之比的百分率（％)。短试棒求得的伸长率 代号为灸（试棒的标距等于5倍直径）；长试棒求得的伸长率代号 为而。（试棒的标距等于10倍直径）。标距是用来测定试样应变或 长度变化的试样部分原始长度。 ① 断后伸长率A:断后标距的残余伸长（Lu—L。）与原始标 距（L〇)之比的百分率，对于比例试样，若原始标距不为5.65 # (=5 为平行长度的原始横截面积），符号应附以下脚注说明所使用的比例系数。例如：An.3表示原始标距（L〇) 为11.3 的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚 注说明所使用的原始标距，mm。例如，A8Qmm表示原始标距（L〇) 为80mm的断后伸长率。 ② 断面收缩率Z:材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积 («S〇—Su)与原始断面积（SQ)的百分比（％)。 ③ 脆性断裂百分率.·断口脆性部分的面积占试样断口总面积 的百分率。 ④ 塑性断裂百分率：断口塑性部分的面积占试样断口总面积 的百分率。 1.2.3硬度 硬度是材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成的永久变形的能力。 常用的有布氏硬度（HB)、洛氏硬度（HR)和维氏硬度（HV)。 布氏硬度HB 布氏硬度有HBS或HBW两种表示方法。 HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下 的材料，如软钢、灰铸铁和有色金属等。 HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下 的材料。 布氏硬度的表示方法：HBS或HBW之前的数字为硬度值， 后面按顺序用数字表示试验条件：压头的球体直径；试验载荷；试 验载荷保持的时间（10〜15s不标注）。 例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N (lOOOkgf)的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为 170。而530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N (750kgf)的试验载荷作用下，保持10〜15s时测得的布氏硬度值 为 530。 洛氏硬度HR 材料抵抗通过硬质合金或钢球压头，或对应某一标尺的金刚石 圆锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量，其值没有单 位。洛氏硬度有三种：HRA (金刚石圆锥压头），适用范围为20〜 88; HRB (01.588mm钢球压头），适用范围为20〜100; HRC (金刚石圆锥压头），适用范围为20〜70。 维氏硬度HV 材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头施加试验力所产生永久压 痕变形的度量单位[HV=0. 102X试验力（N)/永久压痕的表面积 (mm2)]0 这种方法可用于测定很薄金属材料的表面层硬度，测量范围为 5〜1000。例如 640HV30/20 表示用 30kgf (294. 2N)保持 20s, 测定的维氏硬度值为640MPa。它具有布氏、洛氏法的主要优点， 而克服了它们的基本缺点，但不如洛氏法简便。 1.2.4冲击韧度 冲击韧度表示金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，用 摆锤弯曲冲击试验测定。将质量为m的摆锤提升到/u髙度，摆锤 由此高度下落时将试样冲断，并升到如髙度，冲断试样所消耗的 功Ak (J)为Ak=?^ (Ai—/i2)。金属的冲击初度ak (J/cm2)就 是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功，即ak=Ak/A (A为 试样缺口处原始截面积，cm2)。 - 11>3；物理性能 金属的物理性能主要指密度、熔点、线胀系数、磁性和电导 率等。 表1.1 一些金属的物理性能
[ID化学性能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在 实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性，以及不同金属之间、 金属与非金属之间形成的化合物对力学性能的影响等。 LL5J工艺性能 金属的工艺性能是指金属的可铸性、可锻性、可切削性、可焊 性、热处理性等。 可铸性：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能， 主要包括流动性、收缩性和偏析。 可锻性：指金属材料在压力加工（锤锻、轧制、拉伸、挤 压等）时，能改变形状而不产生裂纹的性能。 可切削性：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件 的难易程度。其指标有加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度 以及刀具的磨损程度等。 可焊性：主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊 接接头的难易程度。它包括焊接后材料的结合性能和使用性能。 可热处理性：主要项目有淬透性、二次硬化和回火脆性等。 fl6l热处理 热处理是通过对金属加热、保温和冷却，改变固态金属的组 织，以得到所需要的组织结构和性能的一种工艺。它只改变材料的 使用性能和工艺性能，而不改变零件的形状和尺寸。有常规热处理 和化学热处理两大类。 1.6.1常规热处理 退火指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间， 然后缓慢冷却的热处理工艺。其目的主要是降低金属材料的硬度, 提髙塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提髙组织和 成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。 正火指将钢材或钢件加热到一定温度，保持适当时间后, 在静止的空气中冷却的热处理工艺。其目的主要是提髙低碳钢的力 学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处 理作好组织准备等。 淬火指将钢件加热到Ad3或Adl (钢的下临界点温度）以 上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏 第1章基础资料7 体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火、 马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、火焰淬火和感应淬火等。淬火 的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度、强度和 耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。 回火指钢件经淬硬后，再加热到某一温度，保温一定时 间，然后冷却到室温的热处理工艺。其目的主要是消除钢件在淬火 时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性，并具有所需要的 塑性和韧性等。 调质指将钢材（一般是中碳结构钢和中碳合金结构钢）进 行淬火+高温回火的复合热处理工艺，可获得回火索氏体组织。其 目的主要是使钢铁零件获得一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性。 固溶处理指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩 相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理 工艺。其目的主要是改善材料的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好 准备等。 沉淀硬化指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和 (或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理 工艺。其目的主要是获得很髙的强度。 时效处理指合金工件经固溶处理、冷塑性变形或铸造、 锻造后，放在较高温度（或室温）下的热处理工艺。将工件放在较 .髙温度下、处理较长时间的称为人工时效处理；在室温或自然条件 下长时间存放的称为自然时效处理。其主要目的是消除工件的内应 力，稳定组织和尺寸，改善力学性能等。 振动时效通过专业的振动时效设备，使被处理的工件产 生共振，将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发 生微观的塑性变形，被歪曲的晶格逐渐回复平衡状态，从而消除和 均化工件内部的残余应力。'"防止工件在加工和使用过程中变形和开 裂，保证工件尺寸精度的稳定性。 深冷处理指工件放在一100〜一200°C的低温环境中的处理 方法，主要目的是促使淬火后的钢中残留奥氏体转变为马氏体，使 残留奥氏体量减到最小，提高工件的耐磨性和尺寸稳定性以及使用 寿命。最常采用深冷处理的是髙碳髙铬工具钢和髙速工具钢。 1.6.2化学热处理 化学热处理是将金属工件置于一定温度的活性介质中保温，渗 入一种或几种元素，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工 艺。常见的化学热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铝、渗硼 等。其目的主要是提高钢件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性、抗疲劳 强度和抗氧化性等。 气体渗碳是指使气体碳原子渗入到钢表面层的过程，可 使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使 工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着 低碳钢的韧性和塑性。 液体渗碳介质以氰化钠（NaCN)为主成分，所以既能渗 碳又能氰化。 固体渗碳是将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行 渗碳的工艺。它不需要专用设备，但周期长、能耗大、劳动条件 差、渗碳质量较难控制、难以采用直接淬火。通常只用于小批量、 小零件、渗碳层要求薄的工件。 碳氮共渗（氙化）是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程， 可在气体、液体或固体中进行。目前以中温气体碳氮共渗和低温气 体碳氮共渗（气体软氮化）应用较广。中温气体碳氮共渗的主要目 的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度；低温气体碳氮共渗以渗氮 为主，主要目的是提髙钢的耐磨性和抗咬合性。 离子渗氮在低真空（2kPa)含氮气氛中，利用工件（阴 极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。适用于合金结构 钢、不锈耐酸钢、耐热钢、合金工具钢、高速工具钢和球墨铸铁等。 117；金属材料的交货状态 表1.2钢铁材料的交货状态
续表
表1.3有色金属及其合金压延材的交货状态
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