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第 5 章金属材料及热处理概论 一 79 一 第 5 章金属材料及热处理概论 金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛应用于制造生产及生活用品。金属材料 之所以获得广泛应用，是由于它具有许多良好的性能。 金属材料分为黑色金属和有色金属两类。 黑色金属包括铸铁和钢。碳的质量分数超过 2% 的铁碳合金称为铸铁；碳的质量分数 小于 2%的铁碳合金称为钢。 钢铁以外的金属材料称为有色金属材料或非铁金属材料。当前，在全世界的金属材料 总产量中，钢铁占 95% ，是金属材料的主体F 有色金属材料约占 5% ，处于补充地位，但它 的作用却是钢铁材料无法代替的。 有色金属材料与钢铁材料相比较，其突出的优良性能主要在物理性能和化学性能两方 面。铁和铁合金的耐蚀性优于不锈钢z 铜及铝的导电和导热性明显高于铁合金；镰铝合金 的电阻率高，同时还有高的抗氧化性和塑性p 铅具有高的抗 x 射线和 Y 射线穿透的能力； 铅、锡基合金和某些铝基、铜基合金具有优良的减摩性能等。关于力学性能，一般来说，钢 铁强度高，而多数有色金属塑性好。若考虑到铝及铝合金的相对密度低于钢，并且比强度 是用材料的相对密度除以强度得出的，则铝或铝合金的比强度和比刚度均比钢铁成倍地 提高。 热处理是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却的方法改变金属 或合金的内部组织，从而得到所需性能的一种工艺操作。 5. 1 金属及合金的主要性能 金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。当外界条件发生变 化时，同一种材料的某些性能也会随之变化。通常所指金属材料的性能包括以下两个 方面t (1 ）使用性能。使用性能是为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应 第二篇机械制造基础 一 80 一 具备的性能，包括物理性能（如熔点、导热性、热膨胀性等〉、化学性能（如耐腐蚀性、抗氧 化性等）、力学性能等。金属材料的使用性能决定了其应用范围、安全可靠性和使用寿 命等。 (2）工艺性能。工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能，即反映金 属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要 包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。 s. 1.1 金属及合金的物理、化学性能 1. 金属材料的物理性能 金属材料的本质不发生变化所表现的性能称为物理性能，包括密度、熔点、导热性、 导电性、磁性等。涉及到金属加工的主要物理性能有如下几种。 (1 ）密度及熔点。金属的密度就是单位体积金属的质量F 金属的熔点用温度来衡量。 不同用途的机器零件，对金属材料的密度和熔点要求也不同。如飞机和汽车上的许多零件 和构件，要选用密度比较小的铝、镜合金来制造，而重型机器上的许多构件，则必须用密 度较大的钢铁材料来制造。又如铸钢、铸铁和铸造铝合金的熔点各不相同，在铸造时三者 的熔炼工艺就有很大的差别。 (2 ）导热性。金属传导热的性能称为导热性，一般用热导率 k 来衡量金属导热性的好 坏， λ 值越大，导热性越好。在热加工时，若金属的导热性很差，在加热或冷却时，尤其以 较快的速度加热或冷却时，会在金属中产生较大的温度差而引起较大的热应力，从而导致 工件变形甚至产生裂纹。因而对导热性差的材料，应减慢其加热或冷却速度。例如，高速 钢的导热性较差，在锻造时就应该用很慢的速度进行加热，否则易产生裂纹。 (3 ）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数α 表 示，其单位是 1 ／℃或 1/K，即温度每升高 1 ℃，其单位长度的膨胀量。 α 值越大，金属的尺 寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。 2. 金属材料的化学性能 金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下抵抗各种腐蚀介质对其化学侵 蚀的能力，一般包括耐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 由于金属材料的氧化和腐蚀不仅破坏零件的表面质量，而且还会降低零件的精度，严 重的局部腐蚀和应力共同作用，还