金屬是一種具有光澤(即對(duì)可見(jiàn)光強(qiáng)烈反射)、富有延展性、容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)的物質(zhì)。金屬在自然界中廣泛存在，在生活中應(yīng)用極為普遍，是在現(xiàn)代工業(yè)中非常重要和應(yīng)用最多的一類物質(zhì)。

金屬的物理性質(zhì)包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。各種機(jī)械零件由于用途不同，對(duì)材料的物理性能要求也有所不同。

1、金屬的密度

金屬的密度是指某種材料單位體積的質(zhì)量。

金屬的密度是工程材料的重要特性之一，工程上通常用密度來(lái)計(jì)算零件毛坯的質(zhì)量。金屬材料的密度直接關(guān)系到由它所制成的零件或構(gòu)件的重量或緊湊程度，這點(diǎn)對(duì)于要求減輕機(jī)件自重的航空和宇航工業(yè)制件具有特別重要的意義，如飛機(jī)、火箭等。用密度小的鋁合金制作零件，比用鋼材制造的同種零件重量可減輕1/4～1/3。

2、金屬的熔點(diǎn)

金屬的熔點(diǎn)是指材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的熔化溫度。

金屬都有固定的熔點(diǎn)，而合金的熔點(diǎn)取決于成分。例如，鋼是鐵和碳組成的合金，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，熔點(diǎn)也不同。根據(jù)熔點(diǎn)的不同，金屬材料又分為低熔點(diǎn)金屬和高熔點(diǎn)金屬。

熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬(如W、Mo、V等)，可用來(lái)制造耐高溫零件。例如，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室需用高熔點(diǎn)合金來(lái)制造。熔點(diǎn)低的金屬(如Sn、Pb等)，可用來(lái)制造印刷鉛字和電路上的熔絲等。對(duì)于熱加工材料，熔點(diǎn)是制定熱加工工藝的重要依據(jù)之一。例如，鑄鐵和鑄鋁熔點(diǎn)不同，它們的熔煉工藝有較大區(qū)別。

3、金屬的導(dǎo)熱性

金屬的導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力。

金屬的導(dǎo)熱性能是工程上選擇保溫或熱交換材料的重要依據(jù)之一，也是確定機(jī)件熱處理保溫時(shí)問(wèn)的一個(gè)參數(shù)。如果熱處理件所用材料的導(dǎo)熱性差，則在加熱或冷卻時(shí)，表面與心部會(huì)產(chǎn)生較大的溫差，造成不同程度的膨脹或收縮，導(dǎo)致機(jī)件破裂。

一般來(lái)說(shuō)，金屬材料的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于非金屬材料，而合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。例如，合金鋼的導(dǎo)熱性較差，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行鍛造或熱處理時(shí)，加熱速度應(yīng)慢一些，否則會(huì)形成較大的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。

4、金屬的導(dǎo)電性

金屬的導(dǎo)電性是指材料傳導(dǎo)電流的能力。

金屬的電導(dǎo)率是表示材料導(dǎo)電能力的性能指標(biāo)。在金屬中，以銀的導(dǎo)電性為最好，其次是銅和鋁，合金的導(dǎo)電性比純金屬差。導(dǎo)電性好的金屬適于制作導(dǎo)電材料(如純鋁、純銅等)，導(dǎo)電性差的材料適于制作電熱元件。

5、金屬的熱膨脹性

金屬的熱膨脹性是指材料隨溫度變化體積發(fā)生膨脹或收縮的特性。

一般材料都具有熱脹冷縮的特點(diǎn)。在實(shí)際工程中，許多場(chǎng)合要考慮熱膨脹性。例如，相互配合的柴油機(jī)活塞和缸套之間間隙很小，既要允許活塞在缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)又要保證氣密性，這就要求活塞與缸套材料的熱膨脹性要相近，才能避免二者卡住或漏氣;鋪設(shè)鐵軌時(shí)，兩根鋼軌銜接處應(yīng)留有一定空隙，讓鋼軌在長(zhǎng)度方向有伸縮的余地;制定熱加工工藝時(shí)，應(yīng)考慮金屬材料的熱膨脹影響，盡量減小工件的變形和開(kāi)裂等。

金屬的化學(xué)性質(zhì)主要指它們?cè)谑覝鼗蚋邷貢r(shí)抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)侵蝕的能力，主要有耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。

1、金屬的耐腐蝕性

耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。腐蝕對(duì)金屬的危害很大。

2、金屬的抗氧化性

幾乎所有的金屬都能與空氣中的氧作用形成氧化物，這稱為氧化。如果氧化物膜結(jié)構(gòu)斂密(如Al2O3)，則可保護(hù)金屬表層不再進(jìn)行氧化，否則金屬將受到破壞。

3、金屬的化學(xué)穩(wěn)定性

化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。在高溫下工作的熱能設(shè)備(如鍋爐、氣輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等)上的零件應(yīng)選擇熱穩(wěn)定性好的材料制造;在海水、酸、堿等腐蝕環(huán)境中工作的零件，必須采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的材料，例如，化工設(shè)備通常采用不銹鋼來(lái)制造。

金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力的作用方式不同，材料的強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。在使用中一般多以抗拉強(qiáng)度作為基本的強(qiáng)度指標(biāo)，常簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度。強(qiáng)度單位為MPa。

金屬材料的強(qiáng)度、塑性是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB6397-1986)通過(guò)靜拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。它是把一定尺寸和形狀的試樣裝夾在拉力試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣逐漸施加拉伸載荷，直至把試樣拉斷為止。拉伸前后的試樣如下圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)試樣的截面有圓形和矩形兩種。其中圓形試樣用得較多，圓形試樣有長(zhǎng)試樣(l0=10d0)和短試樣(l0=5d0)兩種。一般拉伸試驗(yàn)機(jī)上都帶有自動(dòng)記錄裝置，可繪制出載荷(F)與試樣伸長(zhǎng)量(Δl)之間的關(guān)系曲線，并據(jù)此可測(cè)定應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系：

σ=F/S(S為試樣原始截面)，ε=[(l-l0)/l0]×100%。

下圖為低碳鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(σ-ε曲線)。研究表明，低碳鋼在外加載荷作用下的變形過(guò)程一般可分為三個(gè)階段，即彈性變形、塑性變形和斷裂。

(1)彈性極限

在上圖中，OE段為彈性階段，即去掉外力后，變形立即恢復(fù)，這種變形稱為彈性變形，其應(yīng)變值很小，E點(diǎn)的應(yīng)力σE稱為彈性極限。OE線中OP部分為一斜直線，因?yàn)閼?yīng)力與應(yīng)變始終成比例，所以P點(diǎn)的應(yīng)力σP稱為比例極限。由于P點(diǎn)和E點(diǎn)很接近，一般不作區(qū)分。

在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為材料的彈性模量E(MPa)。彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，工程上常把它叫做金屬材料的剛度。E值越大，則使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也越大，亦即材料的剛度越大，說(shuō)明材料抵抗產(chǎn)生彈性變形的能力越強(qiáng)，越不容易產(chǎn)生彈性變形。

(2)屈服點(diǎn)

在S點(diǎn)附近，曲線較為平坦，不需要進(jìn)一步的增大外力，便可以產(chǎn)生明顯的塑性變形，該現(xiàn)象稱為材料的屈服現(xiàn)象，S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，σS稱為屈服強(qiáng)度。

工業(yè)上使用的某些材料(如高碳鋼、鑄鐵和某些經(jīng)熱處理后的鋼等)在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，故無(wú)法確定屈服強(qiáng)度σS。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可用試樣在拉伸過(guò)程中標(biāo)距部分產(chǎn)生0.2%塑性變形量的應(yīng)力值來(lái)表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力，稱為屈服強(qiáng)度，即所謂的“條件屈服強(qiáng)度”，記為函σ0.2。

(3)抗拉強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)一定的塑性變形后，必須進(jìn)一步增加應(yīng)力才能繼續(xù)使材料變形。當(dāng)達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，σB為材料能夠承受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限。超過(guò)B點(diǎn)后，試樣的局部迅速變細(xì)，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，迅速伸長(zhǎng)，應(yīng)力明顯下降，達(dá)到K點(diǎn)后斷裂。

鑄鐵、陶瓷等脆性材料只有彈性變形階段，中、高碳鋼沒(méi)有屈服階段。

σE、σS、σB是機(jī)械零件、構(gòu)件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。

塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，通常以伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。

(1)伸長(zhǎng)率

在拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長(zhǎng)率，用符號(hào)δ表示。

式中：δ——伸長(zhǎng)率(%);

l——試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度(mm);

l0——試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度(mm);

△l——最大伸長(zhǎng)量(mm)。

(2)斷面收縮率

試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大收縮量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號(hào)ψ表示。

式中：ψ——斷面收縮率(%);

A0——試樣原始截面積(mm2);

A——試樣受拉伸斷裂后的截面積(mm2)。

δ或ψ數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。

長(zhǎng)試樣(l0=10d0)的伸長(zhǎng)率寫成δ或δ10，短試樣(l0=5d0)的伸長(zhǎng)率須寫成δ5。同一種材料δ5 d，對(duì)不同材料，δ值δ5值不能直接比較。一般把δ 5%的材料稱為塑性材料，δ 5%的材料稱為脆性材料。

鑄鐵是典型的脆性材料，而低碳鋼是黑色金屬中塑性最好的材料。金屬材料良好的塑性使其在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。首先，其具有良好的成形性，可以進(jìn)行軋制、鍛造、沖壓等，可以獲得形狀復(fù)雜的零件;其次，在使用過(guò)程中，如果超載也可通過(guò)塑性變形來(lái)提高材料的強(qiáng)度，不至于造成突然斷裂，材料安全性較好。

金屬材料受壓時(shí)抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，即抵抗更硬的外物壓人其內(nèi)的能力，稱為硬度(綜合性能指標(biāo))。硬度試驗(yàn)方法很多，常用的有布氏硬度、洛氏硬度等幾種。

(1)布氏硬度(HBS)

式中：P——加載力(kN);

D——鋼球壓頭直徑(m);

d——凹陷壓痕直徑(m)。

這種方法適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。

下圖為布氏硬度測(cè)試原理圖。將一定直徑的球體(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)在一一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量其壓痕直徑，通過(guò)查表或計(jì)算得到硬度值。

布氏硬度因壓痕面積較大，其硬度值比較穩(wěn)定，故測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較高。缺點(diǎn)是測(cè)量費(fèi)時(shí)，壓痕面積大，不適合成品零件的測(cè)量。

(2)洛氏硬度(HRC)

下圖為洛氏硬度測(cè)試原理圖。將錐角為120°的金剛石壓頭，在先后施加兩個(gè)載荷(預(yù)載荷和總載荷)的作用下壓入金屬表面?？傒d荷為預(yù)載荷和主載荷之和。卸去主載荷后，測(cè)量其殘余壓痕深度來(lái)計(jì)算洛氏硬度值。

洛氏硬度測(cè)試簡(jiǎn)單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)是測(cè)量的硬度值代表性差，必須多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)求其平均值。這對(duì)于組織不均勻或存在偏析的材料尤為重要。

以很大速度作用于機(jī)件上的載荷稱為沖擊載荷，許多機(jī)器零件和工具在工作過(guò)程中，往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如蒸汽錘的錘桿、沖床上的一些部件、柴油機(jī)曲軸、飛機(jī)的起落架等。瞬時(shí)沖擊的破壞作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜載荷的破壞作用，所以在設(shè)計(jì)受沖擊載荷件時(shí)還要考慮抗沖擊性能。材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為沖擊韌度(ak)，常采用一次沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)量。

沖擊韌性是在沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)得的。在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，使處于一定高度的擺錘自由落下，將帶有缺口的試樣沖斷，并以試樣缺口處單位面積上所吸收的沖擊功表示沖擊韌性，如上圖所示。

ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無(wú)明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無(wú)光澤，為韌性材料。

沖擊韌性值的大小與很多因素有關(guān)。它不僅受試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織的影響，還與實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度有關(guān)。因此，沖擊韌性值一般作為選擇材料的參考，不直接用于強(qiáng)度計(jì)算。

必須強(qiáng)調(diào)的是，沖擊試驗(yàn)是在一次大能量沖擊下的破壞性的試驗(yàn)。而生產(chǎn)中絕大多數(shù)零件承受的是無(wú)數(shù)次小能量的重復(fù)沖擊，此時(shí)材料的韌性用沖擊韌性值表示就不太合適，而是取決于材料的強(qiáng)度值。

沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，它能反映出材料的品質(zhì)、宏觀缺陷和纖維組織等方面的變化，因此，沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。

(1)疲勞

材料承受載荷的大小和方向隨時(shí)問(wèn)作周期性變化，即材料在交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。而且材料斷裂前沒(méi)有預(yù)兆，突然斷裂，非常危險(xiǎn)。生活中80%的材料斷裂由疲勞造成。

如下圖所示，當(dāng)材料所受載荷不超過(guò)材料的疲勞極限時(shí)，可認(rèn)為能夠無(wú)限循環(huán)下去，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。但應(yīng)注意不得隨意提高一定疲勞極限下材料所受的應(yīng)力，否則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)會(huì)急劇下降。

(2)疲勞極限

疲勞極限是材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。

(3)條件疲勞極限

條件疲勞極限是材料經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。

陶瓷、高分子材料的疲勞強(qiáng)度很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。

一般認(rèn)為，產(chǎn)生疲勞破壞的原因是材料的某些缺陷，如夾雜物、氣孔等所致。交變應(yīng)力作用下，缺陷處首先形成微小裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，導(dǎo)致金屬零件的受力截面減小，以致突然產(chǎn)生破壞。金屬零件表面的機(jī)械加工刀痕和構(gòu)件截面突然變化部位，均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中處易于產(chǎn)生顯微裂紋，也是產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。為了防止或減少金屬零件的疲勞破壞，除應(yīng)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)防止應(yīng)力集中外，還要盡量減小金屬零件表面粗糙度值，采取表而硬化處理等措施來(lái)提高材料的抗疲勞能力。