常用金属材料

(一)金属材料的种类

金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类。钢、生铁及铁合金(合金钢)称为黑色金属;除此之外的所有其他金属及合金称为有色金属,如铜、铝、镁、钛……以及其合金。

(二)金属材料的性能

金属材料的性能包括物理性能、力学性能及其切削加工性能等。在地勘钻探施工使用的机具中,对金属材料的力学性能和切削加工性能涉及考虑较多;特作如下介绍。

1.金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

(1)强度

金属抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度,强度大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同,强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度共5种。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

(2)硬度

材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。

硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。钻探用钻头、切削具、管材等,都必须具备足够的强度,才能保证其使用性能和寿命。

(3)塑性

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性,塑性指标由拉伸试验测得,金属材料拉伸时最大的相对塑性变形用拉断后的伸长率和断面收缩率来表示。

(4)韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为韧性。

(5)疲劳强度

许多机械零件(如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等)在工作过程中会受到交变应力的作用。虽然零件所受应力大小未超过材料的屈服点,但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。对于黑色金属,一般规定应力循环10⁷周次而不断裂的最大应力称为疲劳强度。有色金属、不锈钢等取10⁸周次。

2.金属材料的切削加工性能

切削加工性能又称为机械加工性能或可切削性,是指刃具对金属材料切削加工成符合要求的工件的难易程度。一般通过零件切削加工后的表面粗糙度、允许的切削速度、切削刀具的磨损程度等来衡量金属材料的切削加工性能。

切削加工性能与金属的化学成分、硬度、韧性、导热性、金相组织和加工硬化程度等许多因素有关,还与切削刀具的几何形状、耐磨程度、切削速度等因素有关,因此评价金属的切削加工性能较为复杂。一般来说,金属材料硬度越高,切削难度越大。此外,硬度不高但韧性优良的金属(如含Ni25%～30%的钢)也难以切削。铸铁、铜合金、铝合金等均有较好的切削加工性能,相对而言,钢的切削加工性能较差,特别是一些不锈钢。有的钢材在切削加工时会产生很长的切屑,影响加工。为改善此类材料的切削性能,可在钢中加入少量S、Se、Pb等元素。