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知识点34：金属材料的机械性能金属材料的机械性能也称金属材料的力学性能，它反映出金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。金属零件或构件在工作时通常承受不同性质的外力作用，相应地在零件或构件中往往同时存在着多种应力。在不同应力作用下就需要不同的力学性能指标，而各种力学性能指标都是通过相应的试验测定的。根据零件的使用温度不同，有室温和高温机械性能指标。1．室温下的机械性能金属材料的室温机械性能指标绝大部分都是在实验室通过各种实验获得的，常用的有拉伸试验、硬度试验、冲击试验和疲劳试验等。室温下的机械性能指标包括刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度。a)拉伸前b)拉伸后图1-1标准拉伸试样图1-2低碳钢的应力－应变图图1-2横坐标是应变，纵坐标为应力，构成了应力应变图。对应力应变图分析：（1）oa——弹性变形阶段。（2）ak——从弹性阶段后到断裂前，为塑性变形阶段。其中分为：sc——屈服阶段；cb——强化阶段；bk——劲缩阶段。（3）k点——试样断裂。图1-2中几个重要的参数：σp——比例极限；σs——屈服极限；σb——强度极限。不同的金属材料，其试样得到的拉伸曲线（即应力应变）曲线是不同的；塑性好的材料，在断裂前有明显的塑性变形，其断裂被称为韧性断裂；塑性差的材料断裂前没有明显的塑性变形称为脆性断裂。根据材料的应力－应变曲线，可以归纳以下的力学性能。1）刚度（rigid）刚度是指金属材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。衡量材料刚度的指标是指材料的弹性模量Ｅ。Ｅ的大小反映材料弹性变形的难易程度，材料的弹性模量值可以在相关的手册中查取。在弹性变形阶段内，弹性模量E为应力与应变之比，即E=σ/ε。Ｅ越大，材料的刚度越大，即在相同的应力作用下，产生的弹性变形越小。一般机械零件大都在弹性变形状态下工作，故应具有一定刚度。材料如果刚度不足，在使用中将会由于发生过大的弹性变形而失效。材料的Ｅ值取决于材料的本性，而构件或零件的刚度除与采用的材料刚度有关外，还与构件或零件的截面积有关，截面积大，刚度大，截面积小，刚度小。2）强度（strength）强度是材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的能力。零件承受拉力时的强度指标有屈服强度s和抗拉强度b。（1）屈服强度（yieldlimit）屈服强度又称屈服极限，它是屈服阶段内的最低应力，用s表示。屈服强度是材料抵抗微量塑性变形的能力，也是材料在外力作用下刚刚开始产生塑性变形的应力。0FPss(MPa)式中：Ps——材料产生屈服时的外力，Ｎ。Fo——标准试样的原始截面积，mm2。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢有屈服现象外，大多数金属材料都没有屈服点和屈服现象。图1-3为铸铁的应力－应变图，它表示铸铁没有屈服和颈缩现象。对于这些没有屈服点和屈服现象的材料，工程中通常以卸载后产生数值为0.2%的残余应变所对应的应力值作为屈服强度或名义屈服极限，并用0.2表示。0.2和s都是表征金属材料产生微量塑性变形的抗力，是机械设计和选材的主要依据。（2）抗拉强度（tensilestrength）抗拉强度又称强度极限，用b表示。抗拉强度是表示材料抵抗断裂的能力，也就是材料从开始受力到断裂为止所能承受的最大应力值。在图1-2表现为b点相应的应力。0FPbb(MPa)式中：Pb——试样从开始受力到断裂为止所能承受的最大拉力，Ｎ。F0——标准试样的原始截面积，mm2。工程上将bs/称为屈强比。屈强比越小，表示材料达到s时还有比较大的储备强度，可以避免由于超载而突然断裂，因此工作可靠性越大，但是材料潜力未能充分发挥。一般制造弹性零件的材料应具有较高的屈强比，通常8.0/bs。3）塑性（plasticity）塑性是材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的衡量材料塑性的指标有延伸率和断面收缩率。100100%lll%100010FFF式中：10,ll——分别为试样的原始标准长度和拉断后的标准长度，mm。F0,F1——分别为试样的原始截面积和拉断之后的截面积，mm2。显然，材料的δ和越大，其塑性越好。塑性材料的%5。脆性材料的%5。塑性好的材料，在轧制或冷压成型时不易断裂，并能承受较大的冲击载荷。结构钢与硬铝等位塑性材料；而工具钢、灰口铸铁与陶瓷等则属于脆性材料。对于标距长度为其截面直径５倍的短试样，测得的结果用5表示，一般51.2~1.5，是用标距长度为其直径10倍的长试样测得。4）硬度（hardness）硬度金属表面抵抗局部塑性变形（压痕、划痕、擦伤或划破）的能力。是衡量金属材料软硬程度的指标。通常硬度越高，耐磨性越好。材料硬度的测量方法都是采用一定形状和材质的压头，在一定力的作用下压入材料表面，测定压痕面积或深度，通过计算获得硬度值。压痕越大或越深，材料的硬度值越低。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。（1）布氏硬度（brinellhardness）布氏硬度值在布氏硬度计上测定。布氏硬度是把一定直径（一般为10mm）的淬火钢球或硬质合金球，图1-3铸铁的应力－应变图在一定压力P的作用下压入金属表面，以单位面积上的压力作为硬度值，用HB来表示，即)(204.022dDDDPFPHB(MPa)式子中：P——作用于压头的力，N；F——压痕面积，mm2；D——压头球体直径，mm；d——压痕直径，mm。国标（GB231-84）规定，布氏硬度值＜450时，采用淬火钢球压头，测定值用HBS表示；布氏硬度值≥450，选用硬质合金球压头，测定值用HBW表示。机械行业常用HBS测定普通碳钢、铸铁及有色金属等材料。布氏硬度测量精度较高，但因压痕较大不宜在零件工作表面或有外观要求的成品零件表面上测定。金属材料的硬度和抗拉强度之间有一定的关系，故可根据布氏硬度近似地估算出材料的抗拉强度。在一定的范围内，可以用下列经验公式换算：低碳钢HBSb36.0高碳钢HBSb34.0合金调质钢HBSb325.0灰铸铁HBSb1.0（2）洛氏硬度（rockwellhardness）洛氏硬度法测硬度以HR来表示，是根据零件表面上的压痕深度来确定硬度值的。试验时，可以通过洛氏硬度计上的刻度盘直接读出洛氏硬度值。依据压头材质、形状和所加外力的不同，分别有HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度。各种洛氏硬度所用的压头、载荷及测量的范围如表1-1所示。表1-1各种洛氏硬度的压头、载荷及适用范围符号压头类型初载荷（kgf）主载荷（kgf）测量范围HRA顶角120°金刚石圆锥体1060硬质合金、渗碳工件等硬质材料HRB1.588淬火钢球10100退火钢、灰铸铁、有色金属、正火钢等较软材料HRC顶角120°金刚石圆锥体10150淬火钢、白口铸铁、调质钢等较硬材料以上三种洛氏硬度测量简便、压痕小，适用范围广，以HRC应用为最普遍，但不宜测定硬脆薄层，如渗氮层、渗碳层等。由于压痕小，只表示试样局部的硬度，当材质在偏析或不均匀时，测量结果重复性较差，但可以通过在不同的地方多次测量来避免。三种洛氏硬度之间不能互相比较。在中等硬度的情况下，HRC与布氏硬度之间的关系为1:10，如40HRC相当于400HRB左右。（3）维氏硬度测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，即求出单位压痕面积上的力，用HV表示，区别在于压头采用锥面夹角为136°的正四棱锥体金刚石，压痕是四方锥形。测量维氏硬度所用载荷小，压痕浅，适用于测量零件薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度，对软、硬材料均使用，测量范围0~1000HV，但操作较麻烦。5）冲击韧性（impacttoughness）冲击韧性也称为冲击强度，是金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，并用ak表示。冲击韧性的测量是在摆锤试冲击试验机上利用冲击试验来测定的。冲击韧性值ak是冲断试样时，断口单位面积所消耗的功。ak值越大，材料的韧性越好。ak由下式求得/kkaAF（J/cm2）式子中：ka——冲击韧性值，J/cm2；kA——冲断试样所做的功，J；F——试样端口截面积，cm2。某些材料的ak值与温度有关，ak值随温度降低而减小，并在某一温度或温度范围时ak显著降低，这种现象称为冷脆（或脆性转变），使ak值显著减小的温度称为脆性转变温度。在脆性转变温度以下材料韧由性状态转变为脆性状态。材料的脆性转变温度越低，说明材料的低温冲击韧性越好。因此，应对在低温和严寒地区工作的构件（如船体、桥梁）或零件材料的脆性转变温度和在最低温度下应具有的最低韧性值作出规定。6）疲劳强度许多机械零件或构件（如柴油机的曲轴、连杆、弹簧、齿轮）在工作中承受大小和方向呈周期性变化的交变应力作用，虽然所承受的应力小于b，甚至小于s，但使用一段时间后零件会突然断裂，这种破坏现象称为疲劳破坏。材料在交变应力作用下，经过较长时间的工作而产生裂纹或突然断裂的过程称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，机械零件失效中大约80%以上属于疲劳破坏。材料在无限多次交变应力作用下而不致引起破坏的最大应力称为材料的疲劳强度，通过疲劳试验来测定。实际上，材料不可能进行无限次重复试验，但从图1-7可以看出，材料承受的交变应力越小，断裂时应力循环次数越多，寿命越长，当应力小到图示s时曲线接近水平，可视为试验经受无限次周期循环也不会被破坏。因此，工程上规定黑色金属在经受710次，有色金属及其合金承受810次的交变应力作用而不发生断裂的最大应力为疲劳强度，或称为疲劳极限。当应力是对称循环时疲劳强度用1表示。通常金属材料的b越高，它的疲劳强度也越高，大致具有112b的关系。2．高温下的机械性能有些船机零件或构件长期在高温下工作（如柴油机的排气阀、涡轮增压器的涡轮叶片），仅仅满足室温下的机械性能，并不能满足他们在高温下的工作要求。工作温度越高，材料的强度越低。此外，高温下材料的强度与力的作用时间长短也有关。材料长时间在高温下工作，承受一定的载荷，即使所承受的应力小于s，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。蠕变的一般规律是温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，产生断裂的时间越短。通常当材料工作温度超过0.3Tm（Tm－以绝对温度表示的熔点）时，蠕变表现显著。金属材料高温下的机械性能指标包括高温强度（又称热强度）和热硬性。1）高温强度高温强度是应力、应变、温度和时间综合作用的反应。其指标有蠕变极限和持久强度。（1）蠕变极限（也称蠕变强度）蠕变极限是金属材料长期在高温和载荷的作用下抵抗塑性变形的能力，用tT表示，单位为MPa。意思是金属材料在一定温度T下，一定时间t内，产生一定塑性变形量δ时所能承受的最大应力。例如，用113rC制造的涡轮叶片，其蠕变极限为5000.11000057MPa，表示在500℃的工作温度下，工作10000小时，允许产生0.1%的变形量所能承受的最大应力值为MPa57。（2）持久强度（也称持久极限）持久强度是金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力，用Tt表示，单位MPa。意思是金属材料在一定温度T下，一定时间t内不至于断裂所能承受的最大应力。例如500100000190MPa，表示在500℃温度下工作100000小时所能承受的最大断裂应力为190MPa。2）热硬性热硬性又称红硬性或高温硬度，是金属材料在高温下保持较高硬度的能力。热硬性是高温下工作的机器零件和高速切削刀具的重要机械性能指标。【习题】1．测定金属材料的力学性能，常用的试验有＿＿＿＿。A．拉伸试验、硬度试验、再结晶试验、冲击试验B．拉伸试验、硬度试验、再结晶试验、疲劳试验C．拉伸试验、硬度试验、冲击试验、疲劳试验D．拉伸试验、疲劳试验、再结晶试验、冲击试验2．零件在工作状态中承受载荷作用不会发生破坏，但不允许产生过量的弹性变形的衡量指标是＿＿＿＿。A．硬度B．塑性C．强度D．刚度3．＿＿＿＿是金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力。A．强度B．塑性C．刚度D．冲击韧性4．金属材料的塑性指标