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项目一
金属材料的性能
任务三 金属材料的力学性能
相关知识
金属材料的力学性能是指金属材料在承受外加载荷时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
一、强度
强度是指材料抵抗塑性变形或断裂的能力。
机械制造中常用抗拉强度作为材料力学性能的主要指标。
根据载荷性质的不同，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等。
1．拉伸试验和力—伸长曲线
抗拉强度可以通过拉伸试验进行测定。国家标准GB/T 228.1—2010中规定了拉伸试验的方法和拉伸试样的制作标准。
试验前，将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，如图1-3所示。
图1-3 圆形标准拉伸试样
图中， 为原始标距， 为圆形横截面试样平行长度的直径，
为原始横截面积， 为断后标距， 为圆形横截面试样断裂后缩颈处最小直径， 为断后最小横截面积。
试验时，将标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢进行拉伸。随着拉伸力的不断增加，试样将发生弹性变形、塑性变形直至断裂。试验机会自动记录拉伸过程中载荷与伸长量之间的关系，绘制出力—伸长曲线。
图1-4 低碳钢的力—伸长曲线图
如图1-4所示为低碳钢的力—伸长曲线图。由图可以看出，低碳钢试样的拉伸过程可以分为以下几个阶段。
① Oe段为弹性变形阶段。在这个阶段中，试样变形完全是弹性的，变形量与外加载荷成正比，去掉载荷后，变形完全消失，试样恢复到原来的形状和尺寸，这种变形称为弹性变形。
② eeL段为屈服阶段。在这个阶段中，试样不仅发生弹性变形，还发生塑性变形，即去掉载荷后，一部分变形恢复，还有一部分变形不能恢复，这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。载荷增大到 时，载荷保持不变而试样的变形继续增加，这种现象称为屈服。此时，在拉伸曲线上出现水平或锯齿形线段。
③ eLm段为强化阶段。在这个阶段中，为使试样继续发生塑性变形，载荷必须不断增加，直到 。
④ mz段为缩颈阶段。当载荷达到 后，试样开始发生局部收缩，称为缩颈。此时，变形所需的载荷逐渐降低。当变形达到z点时，试样在缩颈处断裂。
2．强度指标
金属材料的强度通常是用应力来度量的。应力是指试样单位横截面积上所受的力，用符号 R 表示。常用的强度指标有屈服强度、规定塑性延伸强度（旧国家标准中称为规定非比例延伸强度）、抗拉强度。
（1-2）
1）屈服强度
屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。屈服强度应区分为上屈服强度 和下屈服强度 ，一般用下屈服强度作为衡量指标，其计算公式为
屈服强度和规定塑性延伸强度是大多数机械零件设计计算时的主要依据之一，同时也是评定材料质量的重要指标。
有些材料（如铸铁、高碳钢等）没有明显的屈服现象，很难测出屈服强度数值，可用规定塑性延伸强度 来表示。使用 时，应附以下脚注说明所规定的百分率。例如，
表示规定非比例延伸率为0.2 %时的应力。
（1-3）
抗拉强度 是指相应最大力 的应力，其计算公式为
抗拉强度表明了材料在拉伸条件下单位截面积上所能承受的最大应力。
2）抗拉强度
机器零件工作时，所承受的拉应力不允许超过 ，否则就会产生断裂，所以，抗拉强度也是机械设计计算和选材的重要指标之一，特别是对于脆性材料，拉伸过程中几乎不发生塑性变形， 也常常难以测定，故脆性材料没有屈服强度指标，只有抗拉强度指标。
工程上，把 与 的比值称为屈强比。其值越高，材料强度的有效利用率越高，但会降低零件的安全可靠性。
断后伸长率A是指断后标距长度的残余伸长量
与原始标距 之比的百分率，其计算公式为
（1-4）
二、塑性
塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性性能指标包括断后伸长率和断面收缩率。
1．断后伸长率
（1-5）
2．断面收缩率
断面收缩率 Z 是指断裂后试样横截面积的最大缩减量 与原始横截面积 之比的百分率，即
金属材料的断后伸长率 A 和断面收缩率 Z 数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料，不仅可用轧制、锻造、冲压等方法加工成形，而且在工作时若超载，可因其发生塑性变形而避免突然断裂，提高了工作安全性。
三、硬度
硬度是指材料抵抗其他硬物压入的能力，或者说材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标。
由于硬度试验设备简单，操作迅速、方便，通常不会破坏零件或构件，而且大多数金属材料的硬度与其他的力学性能（如强度、耐磨性）及工艺性能（如可加工性、焊接性等）存在一定的对应关系，所以在工程上常被用来检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。
硬度的测定方法很多，常用的有布氏硬度测定法（主要用于检验原材料）、洛氏硬度测定法（主要用于检验热处理后的产品）、维氏硬度测定法（主要用于检验薄板材料及材料表层的硬度）、显微硬度（主要用于检验金属材料的显微组织及各组成相的硬度）等。在此主要介绍生产上常用布氏硬度和洛氏硬度。
图1-5 布氏硬度的测定
1．布氏硬度
布氏硬度的测定原理如图1-5所示。用一定直径的硬质合金球作为压头，施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。
布氏硬度值与试验力除以压痕表面积所得的商成正比，即
（1-6）
式中：F——试验力，N；
D——球体直径，mm；
d——压痕平均直径，mm。
由式（1-6）可以看出，当 F 和 D 一定时，布氏硬度仅与 d 有关。d 越小，布氏硬度值越大，材料的硬度越高；反之，材料的硬度越低。在实际测定时，应根据被测金属材料的种类和试件厚度，按规范正确选择压头直径、试验力和保持时间。只要先测出 d，即可根据 d 值查表得出布氏硬度值，不需进行计算。
布氏硬度用符号HBW表示，其表示方法为：硬度数值位于符号前面，符号后面的数值依次是球体直径（mm）、试验力（kgf）和试验力保持时间（10～15 s不标注）。例如，“350 HBW5/750”表示用直径为5 mm的硬质合金球在750 kgf试验力下保持10～15 s测定的布氏硬度值为350；“600 HBW1/30/20”表示用直径为1 mm的硬质合金球在30 kgf试验力下保持20 s测定的布氏硬度值为600。
布氏硬度值的测量稳定、准确，常用于各种退火状态下的钢材、铸铁及有色金属等，也可用于调质处理的机械零件。但因测量费时，压痕较大，不适合测量成品零件，特别是有较高精度要求配合面的零件、小件和薄件，也不适合测量太硬的材料。
图1-6 洛氏硬度的测定
2．洛氏硬度
洛氏硬度的测定原理如图1-6所示。在初试验力 和主试验力 的先后作用下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经过规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h，用 h 的大小判断材料的硬度。h 越大，硬度越低；反之，硬度越高。实际测定时，可在硬度计上的表盘读出硬度值的大小。
为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可采用不同类型的压头、试验力和硬度公式，组成不同的洛氏硬度标尺来测量。常用的洛氏硬度标尺有HRA，HRB，HRC，其中HRC在生产中应用最多。洛氏硬度的表示方法为：硬度值标在硬度符号前，如50 HRC，60 HRA等。三种常用洛氏硬度的试验规范如表1-3所示。
表1-3 三种常用洛氏硬度的试验规范
洛氏硬度标尺 硬度符号 压头类型 初试验力 F0/N 主试验力 F1/N 总试验力 F/N 适用范围 应用举例
A HRA 金刚石圆锥 98.07 490.3 588.4 20～88 硬质合金、表面淬火层、渗碳层等
B HRB 直径
1.587 5 mm球 98.07 882.6 980.7 20～100 有色金属，退火、正火钢等
C HRC 金刚石圆锥 98.07 1 373 1 471 20～70 淬火钢、调质钢等
洛氏硬度测定简单，方便快捷，压痕小，对工件表面损伤小，适宜大量生产中的成品件检验。同时由于压痕小，易受金属表面不平或材料内部组织不均匀的影响，因此，测量时需在被测表面的不同部位测量数点，取平均值。洛氏硬度没有单位，各个标尺之间没有直接的对应关系。
韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。韧性的常用指标是冲击吸收能量K（J）。冲击吸收能量采用夏比摆锤冲击试验测定。
四、韧性
式中： ——试样缺口横截面积，mm2。
1．冲击韧度
冲击韧度是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。夏比摆锤冲击试验的原理如图1-8所示。摆锤一次冲断试样所消耗的能量用 表示，它可从试验机刻度盘上直接读出。材料的冲击韧度的计算公式为
图1-8 夏比摆锤冲击试验原理
对于一般的钢材，测得的吸收能量 越大，材料的韧性越好。但由于吸收能量 还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织、缺陷以及环境温度有关，由 及该值计算出的冲击韧度不能真正反映材料的韧脆性质。因此， 一般只用于选材参考，并不直接用于强度计算。
2．断裂韧度
低应力脆断是指金属材料在远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂。这种情况可能发生在高强度材料的机件，中、低强度的重型机件、大型构件等。突然折断类事故大多都属于低应力脆断。
研究和试验表明，低应力脆断与材料内部的裂纹及其扩展有关。衡量材料是否容易断裂的一个重要指标就是裂纹是否容易扩展。如图1-9所示，裂纹扩展可以分为三种基本形式：张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型），其中张开型最容易引起脆性断裂，也就最危险。
（a）张开型 （b）滑开型 （c）撕开型
图1-9 裂纹扩展的三种基本形式
如果材料中存在裂纹，在外力的作用下，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加的应力F（称为名义应力）、裂纹长度 a 以及距裂纹尖端的距离有关，该应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场。应力场的应力值随着名义应力 F 和裂纹长度 a 的增大而增大，裂纹也会随之自动扩展。
在零（构）件安全设计上，断裂韧度可为其提供重要的力学性能指标，它是强度和韧性的综合体现。断裂韧度主要取决于材料的成分、内部组织和结果，而与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。
五、疲劳
许多零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧等）都是在交变应力（循环应力）作用下工作的。在交变应力作用下，虽然零件所承受的最大应力通常都低于材料的屈服强度，但经过一定时间的工作后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂的现象，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂前，零件无明显塑性变形，具有很大的危险性，常常会造成严重事故。据统计，大部分机械零件的损坏都是由疲劳引起的。
图1-10 疲劳曲线
材料在循环应力作用下经受无数次循环而不断裂的最大应力值称为材料的疲劳极限或疲劳强度。由疲劳曲线示意图（见图1-10）可知，应力值 R 越低，断裂前的循环次数越多。
实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。通常规定，钢铁材料的 N 取107次，有色金属的 N 取108次，不锈钢及腐蚀介质作用下的 N 取106次。
影响疲劳极限的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度和进行表面热处理（表面淬火、化学热处理、表面复合强化等）也可提高材料的疲劳极限。
任务四 金属材料的工艺性能
相关知识
用金属材料制造各种零件和构件时，首先需要对其进行各种加工。因此，在了解金属材料力学性能的同时，还必须了解其各种加工工艺性能。根据不同的工艺方法，金属材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。
一、铸造性能
铸造性能是指金属材料铸造成形获得优良铸件的能力，它主要取决于材料的流动性、收缩性和偏析倾向。
1．流动性
流动性是指熔融金属的流动能力。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。流动性的好坏主要与金属材料的化学成分、浇注温度和熔点有关。同一种金属材料，浇注温度越高，流动性越好。
2．收缩性
收缩性是指铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象。铸件收缩不仅会影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、缩松、内应力等缺陷，在冷却过程中容易产生变形，甚至开裂，因此，铸造用金属材料的收缩率越小越好。
3．偏析倾向
偏析是指金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织不均匀的现象。偏析现象会使铸件各部分的组织和性能不一致，从而引起强度、塑性和抗蚀性等下降，降低铸件质量。
二、锻造性能
锻造性能是指金属材料用锻压加工方法成形的能力。它主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。
金属材料的化学成分与加工条件对锻造性能的影响很大。例如，铜合金和铝合金在室温下就具有良好的锻造性能；碳钢在加热状态下锻造性能较好；合金钢的锻造性能比碳钢差；铸铁不能锻造。
焊接性能是指金属材料能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性。焊接性能的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。
钢材中对焊接性能影响最大的是碳，碳质量分数越高，其焊接性能越差。一般来说，低碳非合金钢的焊接性能优良，高碳非合金钢的焊接性能较差，铸铁的焊接性能很差。合金元素对焊接性能也有影响，所以合金钢的焊接性能比非合金钢差。
三、焊接性能
三、焊接性能
焊接性能是指金属材料能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性。焊接性能的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。
钢材中对焊接性能影响最大的是碳，碳质量分数越高，其焊接性能越差。一般来说，低碳非合金钢的焊接性能优良，高碳非合金钢的焊接性能较差，铸铁的焊接性能很差。合金元素对焊接性能也有影响，所以合金钢的焊接性能比非合金钢差。
四、切削加工性能
切削加工性能是指切削加工金属材料的难易程度。它一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度和塑性等。改变钢的化学成分（如加入少量铅、磷等元素）和进行适当的热处理（如低碳钢进行正火、高碳钢进行球化退火等）可提高钢的切削加工性能。金属材料具有适当的硬度和足够的脆性时切削加工性能良好。
切削加工性能是指切削加工金属材料的难易程度。它一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度和塑性等。改变钢的化学成分（如加入少量铅、磷等元素）和进行适当的热处理（如低碳钢进行正火、高碳钢进行球化退火等）可提高钢的切削加工性能。金属材料具有适当的硬度和足够的脆性时切削加工性能良好。
四、切削加工性能
五、热处理工艺性能
热处理工艺性能是指金属材料经热处理可使性能顺利改善的性质。对于钢而言，热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂等，它与材料的化学成分紧密相关。常见的热处理方法有退火、正火、淬火、回火及表面热处理等。
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