常用金屬材料性能知識總結(jié)匯編1.引言金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)的基礎，廣泛應用于建筑、機械、航空航天、化工、電子等領域。其性能（如力學、物理、化學及工藝性能）直接決定了材料的適用場景與使用壽命。本文系統(tǒng)總結(jié)常用金屬材料的核心性能、影響因素及應用規(guī)律，旨在為材料選擇、設計與應用提供專業(yè)參考。2.金屬材料的核心性能分類及詳解金屬材料的性能可分為使用性能（滿足服役要求的性能，如力學、物理、化學性能）和工藝性能（材料加工成零件的難易程度）。2.1力學性能：材料抵抗外力作用的能力力學性能是金屬材料最核心的性能，直接決定了其承載能力與使用壽命。2.1.1強度：抵抗破壞的能力強度是材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力，常用指標包括：抗拉強度（σ?）：拉伸試驗中最大載荷對應的應力（σ?=F???/A?），反映材料抵抗斷裂的極限能力，單位MPa。*應用*：設計中確定材料承載上限（如橋梁鋼的σ?需滿足規(guī)范要求）。屈服強度（σ?/σ?.?）：材料開始發(fā)生塑性變形時的應力（σ?=F?/A?）；對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料（如鋁合金、不銹鋼），用規(guī)定塑性延伸強度（σ?.?）（塑性延伸率為0.2%時的應力）代替。*應用*：設計中作為材料的許用應力依據(jù)（如Q235鋼的σ?=235MPa，許用應力[σ]=σ?/安全系數(shù)）?？箟簭姸龋é??）：壓縮試驗中材料破壞時的應力，適用于脆性材料（如鑄鐵、混凝土）?？箯潖姸龋é??）：彎曲試驗中材料破壞時的最大彎曲應力（σ??=3FL/(2bh2)，F(xiàn)為破壞載荷，L為跨距，b、h為試樣截面尺寸），適用于受彎零件（如梁、齒輪齒）?？辜魪姸龋é?）：剪切試驗中材料破壞時的剪切應力（τ?=F/A），適用于受剪零件（如螺栓、鉚釘）。*影響因素*：碳含量（鋼中碳含量越高，強度越高）、合金元素（如鉻、鎳、錳提高強度）、熱處理（淬火+回火提高強度）、加工工藝（冷加工硬化提高強度）。2.1.2塑性：變形能力塑性是材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，常用指標：伸長率（δ）：拉伸試驗中試樣斷裂后長度增量與原始長度的比值（δ=(L?-L?)/L?×100%），L?為原始標距，L?為斷裂后標距。斷面收縮率（ψ）：拉伸試驗中試樣斷裂后橫截面積減少量與原始橫截面積的比值（ψ=(A?-A?)/A?×100%），A?為斷裂后最小橫截面積。*應用*：δ和ψ越大，材料的塑性越好，越易進行冷加工（如冷軋、冷彎）或熱加工（如鍛造、熱軋）。*影響因素*：碳含量（鋼中碳含量越高，塑性越低）、合金元素（如鎳、錳提高塑性）、熱處理（退火提高塑性）、溫度（高溫下塑性提高）。2.1.3硬度：抵抗局部變形的能力硬度是材料抵抗硬物壓入或劃痕的能力，常用指標：布氏硬度（HB）：用硬質(zhì)合金球（直徑D）在載荷F下壓入試樣，計算壓痕直徑d對應的硬度（HB=2F/(πD(D-√(D2-d2)))）。*適用*：軟鋼、鑄鐵、有色金屬（如鋁、銅），優(yōu)點是誤差小，缺點是壓痕大，不適合薄件。洛氏硬度（HR）：用金剛石圓錐（HRC）或鋼球（HRB、HRA）在載荷下壓入，測量壓痕深度對應的硬度（HR=K-h/C，K為常數(shù)，h為壓痕深度，C=0.002mm）。*適用*：HRC（硬鋼、熱處理零件，如刀具、模具）、HRB（軟鋼、鋁合金）、HRA（硬質(zhì)合金），優(yōu)點是快速，缺點是壓痕小，易受表面影響。維氏硬度（HV）：用金剛石四棱錐（頂角136°）在載荷F下壓入，計算壓痕對角線d對應的硬度（HV=2Fsin(θ/2)/d2=1.8544F/d2）。*適用*：各種材料（如金屬、陶瓷），優(yōu)點是精度高，缺點是測試時間長。*規(guī)律*：硬度與強度正相關（如鋼的σ?≈3.3~3.5HB），可通過硬度快速估算強度。2.1.4韌性：吸收能量的能力韌性是材料在沖擊或循環(huán)載荷下抵抗斷裂的能力，常用指標：沖擊韌性（α?）：沖擊試驗中試樣吸收的能量與試樣橫截面積的比值（α?=W/A，W為沖擊功，A為試樣缺口處橫截面積），單位J/cm2。*應用*：評價材料的抗沖擊能力（如橋梁鋼、汽車保險杠鋼需高α?）。斷裂韌性（K??）：材料抵抗裂紋擴展的能力（K??=Yσ√a，Y為形狀因子，σ為應力，a為裂紋長度），單位MPa·m1/2。*應用*：用于含裂紋零件的安全設計（如壓力容器、航空發(fā)動機零件）。*影響因素*：溫度（低溫下韌性下降，如鋼材的“冷脆”現(xiàn)象）、缺口（缺口越尖銳，韌性越低）、組織（馬氏體組織韌性低，珠光體組織韌性高）、合金元素（鎳提高韌性，如低溫鋼含鎳）。2.1.5疲勞性能：抵抗循環(huán)載荷的能力疲勞是材料在循環(huán)載荷（應力大小或方向周期性變化）下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，常用指標：疲勞強度（σ-?）：材料在無限次循環(huán)載荷下不發(fā)生斷裂的最大應力（通常以10?次循環(huán)為基準），單位MPa。*應用*：設計循環(huán)載荷零件（如曲軸、齒輪、彈簧）的關鍵指標（如汽車發(fā)動機曲軸的σ-?需滿足使用要求）。疲勞壽命（N）：材料在一定循環(huán)應力下發(fā)生斷裂的循環(huán)次數(shù)。*影響因素*：應力幅（應力幅越大，壽命越短）、表面狀態(tài)（表面粗糙度越低，壽命越長；表面裂紋會大幅降低壽命）、熱處理（調(diào)質(zhì)處理提高疲勞強度）、工藝（噴丸強化（表面壓應力）提高疲勞壽命）。2.2物理性能：材料的自然屬性物理性能決定了材料在熱、電、磁等環(huán)境中的表現(xiàn)。2.2.1密度（ρ）單位體積材料的質(zhì)量（ρ=m/V），單位kg/m3。*應用*：輕量化設計（如航空航天用鋁（ρ=2.7×103kg/m3）、鈦（ρ=4.5×103kg/m3）代替鋼（ρ=7.85×103kg/m3））；配重設計（如鉛（ρ=11.3×103kg/m3）、鎢（ρ=19.3×103kg/m3）用于平衡塊）。2.2.2熔點（T?）材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，單位℃。*應用*：高溫環(huán)境材料選擇（如鋼的熔點≈1500℃，鎢的熔點≈3410℃，用于燈絲、高溫爐管）；鑄造工藝（澆注溫度需高于熔點）。2.2.3熱膨脹性（α）材料溫度升高時體積膨脹的能力（α=ΔV/(V?ΔT)，ΔV為體積變化，V?為原始體積，ΔT為溫度變化），單位℃?1。*應用*：設計熱交換器、高溫管道時需考慮熱膨脹（如不銹鋼的α≈17×10??℃?1，與碳鋼接近，可焊接）。2.2.4導熱性（λ）材料傳遞熱量的能力（λ=Qd/(AΔTt)，Q為熱量，d為厚度，A為面積，ΔT為溫度差，t為時間），單位W/(m·℃)。*應用*：導熱材料（如銅（λ≈400W/(m·℃)）、鋁（λ≈237W/(m·℃)）用于散熱器、電線）；隔熱材料（如鑄鐵（λ≈50W/(m·℃)）、不銹鋼（λ≈16W/(m·℃)）用于高溫設備外殼）。2.2.5導電性（σ?）材料傳遞電流的能力（σ?=1/ρ?，ρ?為電阻率），單位S/m（西門子/米）。*應用*：導電材料（如銅（σ?≈5.8×10?S/m）、鋁（σ?≈3.8×10?S/m）用于電線、電纜）；絕緣材料（如不銹鋼（σ?≈1.4×10?S/m）用于電器外殼）。2.2.6磁性（μ）材料在外磁場中被磁化的能力（μ=B/H，B為磁感應強度，H為磁場強度），單位H/m（亨利/米）。*分類*：鐵磁性（μ遠大于1，如鐵、鈷、鎳）：用于變壓器、電機鐵芯；順磁性（μ略大于1，如鋁、銅）：無實用價值；抗磁性（μ略小于1，如金、銀）：無實用價值。2.3化學性能：材料與介質(zhì)的反應能力化學性能決定了材料在腐蝕、氧化環(huán)境中的使用壽命。2.3.1耐腐蝕性材料抵抗介質(zhì)（如酸、堿、鹽、海水）腐蝕的能力，分為：均勻腐蝕：整個表面均勻損耗（如鋼在稀硫酸中腐蝕），可通過腐蝕速率（mm/年）評價；局部腐蝕：局部區(qū)域損耗（如點腐蝕（不銹鋼在氯離子中）、縫隙腐蝕（螺栓與鋼板間隙）、應力腐蝕（鋼在拉應力+腐蝕介質(zhì)中）），危害更大。*測試*：鹽霧試驗（GB/T____，模擬海洋環(huán)境）、腐蝕速率試驗（GB/T____，測量重量變化）。*提高方法*：合金化（如不銹鋼含鉻≥12%，形成鈍化膜）、表面處理（如鍍鋅、鍍鉻）、選用耐蝕材料（如銅合金、鈦合金）。2.3.2抗氧化性材料在高溫下抵抗氧氣氧化的能力（如鋼在高溫下形成氧化皮）。*提高方法*：合金化（如耐熱鋼含鉻、鋁、硅，形成致密氧化膜）、表面涂層（如陶瓷涂層）。2.3.3化學穩(wěn)定性材料在常溫下抵抗介質(zhì)反應的能力（如銅、鋁在空氣中不易氧化）。2.4工藝性能：材料加工的難易程度工藝性能決定了材料能否通過鑄造、鍛造、焊接、切削等工藝制成零件。2.4.1鑄造性能流動性：熔融金屬填充鑄型的能力（如灰鑄鐵流動性好，鋁合金流動性次之）；收縮性：金屬凝固時體積收縮的能力（如鑄鋼收縮率大，易產(chǎn)生縮孔）；偏析：金屬凝固時成分不均勻的現(xiàn)象（如合金鋼易產(chǎn)生枝晶偏析）。*改善方法*：提高澆注溫度（改善流動性）、設置冒口（補縮收縮）、均勻化退火（減輕偏析）。2.4.2鍛造性能塑性：材料鍛造時的變形能力（如低碳鋼塑性好，易鍛造）；變形抗力：材料鍛造時抵抗變形的能力（如高碳鋼變形抗力大，需高溫鍛造）。*改善方法*：熱加工（提高塑性，降低變形抗力）、合金化（如錳鋼提高塑性）。2.4.3焊接性能材料焊接時形成優(yōu)質(zhì)焊縫的能力（如焊縫無裂紋、氣孔、夾渣）。*評價指標*：碳當量（Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15），Ceq≤0.4%時焊接性能好（如Q235鋼Ceq≈0.22%，焊接性能好；45鋼Ceq≈0.45%，焊接需預熱）。*改善方法*：選用低合金元素鋼（如低合金鋼）、預熱（降低冷卻速度，防止裂紋）、焊后熱處理（消除焊接應力）。2.4.4切削加工性能材料切削時的難易程度，評價指標：刀具壽命（刀具磨損到一定程度的切削時間）；表面粗糙度（切削后零件表面的光潔度）；切削力（切削時的阻力）。*改善方法*：合金化（如易切削鋼含硫、磷，降低切削力）、熱處理（退火降低硬度，改善切削性能）。3.常用金屬材料的性能對比與典型應用3.1黑色金屬（鋼、鑄鐵）材料類型典型牌號關鍵性能（σ?/MPa，δ/%，HB）應用場景低碳鋼Q235____，≥26，____建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、容器中碳鋼45鋼650（調(diào)質(zhì)），≥16，____軸、齒輪、連桿高碳鋼T10800（淬火+低溫回火），≥10，60-65HRC刀具、模具、彈簧不銹鋼304（1Cr18Ni9Ti）520，≥40，____食品設備、化工容器、醫(yī)療器械灰鑄鐵HT200200，≤3，____機床床身、發(fā)動機缸體球墨鑄鐵QT____400，≥15，____曲軸、凸輪軸、閥門3.2有色金屬（鋁、銅、鈦合金）材料類型典型牌號關鍵性能（σ?/MPa，δ/%，ρ/kg/m3）應用場景鋁合金6061-T6310，≥12，2.7×103航空航天、汽車零件、散熱器鋁合金7075-T6500，≥8，2.8×103飛機結(jié)構(gòu)件、運動器材銅合金H62（黃銅）360，≥30，8.5×103閥門、管件、電器接頭銅合金QSn4-3（青銅）400，≥15，8.8×103軸承、齒輪、彈簧鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）900，≥10，4.5×103航空發(fā)動機、航天器、醫(yī)療器械3.3稀有金屬（鎢、鉬）材料類型典型牌號關鍵性能（σ?/MPa，T?/℃，ρ/kg/m3）應用場景鎢W11500，3410，19.3×103燈絲、高溫爐管、硬質(zhì)合金鉬Mo11000，2623，9.3×103電子管電極、高溫結(jié)構(gòu)件4.材料性能的主要影響因素4.1化學成分碳：鋼中碳含量越高，強度、硬度越高，塑性、韌性越低；合金元素：鉻（提高耐腐蝕性、硬度）、鎳（提高韌性、耐腐蝕性）、錳（提高強度、硬度）、鋁（細化晶粒、提高抗氧化性）；雜質(zhì)：硫（降低塑性、韌性，導致熱脆）、磷（降低塑性、韌性，導致冷脆），需嚴格控制。4.2熱處理退火：加熱至奧氏體化溫度，緩慢冷卻，降低硬度，提高塑性（用于冷加工前）；正火：加熱至奧氏體化溫度，空冷，細化晶粒，提高強度（用于結(jié)構(gòu)鋼）；淬火：加熱至奧氏體化溫度，快速冷卻（油冷、水冷），獲得馬氏體，提高硬度、強度（用于工具鋼、模具鋼）；回火：淬火后加熱至低于奧氏體化溫度，冷卻，降低應力，調(diào)整硬度和韌性（如調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）獲得綜合性能好的珠光體）。4.3顯微組織鐵素體（F）：軟（HB≈80）、塑性好（δ≈30%），是低碳鋼的主要組織；珠光體（P）：層片狀（鐵素體+滲碳體），強度中等（σ?≈700MPa）、塑性好（δ≈15%），是中碳鋼的主要組織；馬氏體（M）：針狀，硬（HRC≈60）、脆（δ≈5%），是淬火鋼的主要組織；奧氏體（A）：高溫相，塑性好（δ≈40%），是不銹鋼的主要組織（如304不銹鋼）。4.4加工工藝冷加工（冷軋、冷拔）：提高強度、硬度（加工硬化），降低塑性（如冷軋鋼板σ?比熱軋鋼板高20%-30%）；熱加工（熱軋、鍛造）：細化晶粒（再結(jié)晶），提高塑性、韌性（如鍛造齒輪比鑄造齒輪強度高30%-50%）。5.實用指南：材料選擇與性能應用技巧5.1根據(jù)使用環(huán)境選擇材料高溫環(huán)境：選耐熱鋼（如1Cr18Ni9Ti，高溫強度≥400MPa）或鎢合金（如W-10Cu，熔點≥3000℃）；腐蝕環(huán)境：選不銹鋼（如316L，耐氯離子腐蝕）或銅合金（如黃銅，耐海水腐蝕）；沖擊載荷：選韌性好的材料（如45鋼調(diào)質(zhì)，δ≥16%）或球墨鑄鐵（如QT____，δ≥15%）；輕量化要求：選鋁或鈦合金（如6061鋁合金，比強度（σ?/ρ）≈115MPa·m3/kg，是鋼的2倍）。5.2性能測試注意事項試樣制備：符合標準（如拉伸試樣GB/T228中的圓形試樣，直徑10mm，標距50mm）；測試環(huán)境：穩(wěn)定（溫度20±2℃，濕度≤60%）；儀器校準：萬能試驗機、硬度計需定期校準（如每