1.1金属材料的力学性能

1.1金属材料1.1.1金属材料的力学性能金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。一、强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。二、塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。三、硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种。（1）布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料，如淬火钢等。布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。（2）洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为f1.558mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，以一不定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。采用120°金刚石圆锥体为压头，施加压为600N时，用HRA表示。其测量范围为60～85，适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件。采用f1.588mm淬火钢球为压头，施加压力为1000N时，用HRC表示，其测量硬度值范围为25～100，适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等。采用120°金刚石圆锥体为压头，施加压力为1500N时，用HRC表示，其测量硬度值范围为20～67，适于测量淬火钢、调质钢等。洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。四、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。五、疲劳强度疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受10ˇ7次、非铁（有色）金属材料经受10ˇ8次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ–1表示。许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。六、蠕变强度和持久强度材料抗蠕变的性能用蠕变极限来衡量，它表示在一定温度下，于规定时间内，钢材发生一定量总变形的最大应力值。持久强度是在高温条件下，经过规定时间发生蠕变破裂时的最大应力。