金属材料的机械性能的分析介绍

材料的机械性能也称为力学性能。金属材料的机械性能是指材料在外力作用下表现出来的变形、破坏等方面的特性，它包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、疲劳性等。材料受外力作用时，为保持自身形状尺寸不变，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。内力的大小与外力相等，方向则与外力相反，和外力保持平衡。单位面积上的内力称为应力。材料在载荷作用下发生的尺寸和形状的变化称为变形，通常包括弹性变形和塑性变形。随力的去除而消失的变形称为弹性变形；在外力去除后不能回复的那部分变形称为塑性变形。

1.强度

金属材料在外力的作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。材料强度越高，可承受的载荷越大。金属材料的强度可以通过拉伸试验获得。拉伸试验是在室温下，以缓慢平稳的加载方式进行的试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性能的基本试验。

(1)拉伸试验及应力—应变曲线　拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，被测试的金属材料按国家标准制成如图2－1所示的光滑圆棒拉伸试样。在试样上取长为l的一段作为试验段，l称为标距。对圆截面试样，标距l与直径d有两种比例，即l＝5d或l＝10d。试样的两端放在拉伸试验机的夹头内夹紧，然后缓慢而均匀地施加轴向载荷，直至试验被拉断。通过试验可以得到拉伸力与伸长量之间的关系曲线，这就是拉伸曲线。将试样拉伸过程中的拉伸力转化为单位面积上的内力，即应力；试样的伸长量转化为单位长度的伸长量，即应变。从而得到应力—应变曲线，其形状与拉伸曲线完全一致。如图2－2所示为低碳钢的应力—应变曲线。

图2－1　拉伸试样

图2－2　低碳钢的应力—应变曲线

由图2－2可知，拉伸过程可分为如下几个阶段。

①OB(弹性阶段)在拉伸的初始阶段OA，σ与ε的关系为直线，这表明在这一阶段内，应力σ与应力ε成正比，即σ＝Eε，这就是拉伸或压缩的胡克定律。E为与材料有关的比例常数，称为弹性模量。直线部分的最高点A所对应的应力σp称为比例极限。超过比例极限后，从A点到B点，σ与ε之间的关系不再是直线，但卸除拉伸力后变形仍然能完全消失，这种变形称为弹性变形。B点所对应的应力σe是材料只出现弹性变形的极限，称为比例极限。由于A、B两点非常接近，所以一般不做区分。

②BD(屈服阶段)在应力超过B点增加到某一值时，材料除了产生弹性变形外，开始出现塑性变形，应变有明显的增大，而应力基本保持不变。这种应力基本保持不变而应变明显增大的现象称为屈服。在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。下屈服极限能够反映材料的性能。所以把下屈服极限称为屈服极限，用σs来表示。

③DE(强化阶段)在这一阶段试样的变形又开始随着载荷的增大而增大，强化阶段的最高点E所对应的应力是材料能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。

④EF(局部变形阶段)在这一阶段试样的直径突然急剧地变细，形成“缩颈”现象。由于缩颈，试样横截面积快速减小，试样继续伸长所需要的拉力也在逐渐下降，直至试样在F点断裂。

(2)屈服强度　屈服强度是指材料在外力的作用下不发生塑性变形的极限应力，也就是屈服阶段的下屈服极限，用σs表示。

(3)抗拉强度　抗拉强度是指材料在外力的作用下而不发生断裂所能够承受的最大应力，也就是强化阶段的最高点E所对应的应力，用σb表示。抗拉强度是材料机械性能的重要指标之一。

2.塑性

塑性是指材料在一定的外力下所能承受的最大塑性变形的能力。评价材料塑性的指标是伸长率和断面收缩率。

(1)伸长率　伸长率是指试样标距的改变量与原始标距长度的百分比，拉断后试样的标距变为l1，则伸长率δ的计算公式为

(2)断面收缩率　断面收缩率是指拉断后试样横截面积的最大缩减量与试样原始横截面积的百分比，试样的原始横截面积为S，拉断后试样的横截面积为S1，则断面收缩率Ψ的公式为

金属材料的伸长率和断面收缩率的数值越高时，材料的塑性越好。金属材料的塑性有利于进行各种变形加工，而且可以提高零件的可靠性，避免突然断裂破坏。

工程上所使用的金属材料的拉伸曲线并非都如图2－2所示的，有些金属拉伸时就没有明显的屈服现象，如铝、铜以及它们的合金；而有的脆性材料，不但没有屈服现象，而且也没有缩颈，如铸铁等。

3.硬度

硬度是指金属材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，也就是材料抵抗局部塑性变形的能力。它是表征金属材料软硬程度的力学性能指标。一般来说，材料的硬度越高，耐磨性就越好。根据测量方法的不同，工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。用不同方法测量得到的硬度值不能直接比较，要通过硬度对照表进行换算。

(1)布氏硬度　布氏硬度是在布氏硬度机上测得的，用符号HB表示，布氏硬度机的压头是硬质合金钢球，直径规格有2.5mm、5.0mm和10mm三种。布氏硬度的试验方法是在载荷P的作用下，把直径为D的硬质合金钢球压入试样中，如图2－3所示。材料的布氏硬度值是载荷除以球形压痕的面积，即

式中，P为载荷；D为硬质合金钢球直径；d为压痕的直径。

布氏硬度测量的优点是测量精度高，数据稳定，重复性强。缺点是压痕面积大，不适用于太薄件和成品件。

(2)洛氏硬度　洛氏硬度是在洛氏硬度机上测得的，用符号HR表示，洛氏硬度机的压头是顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的硬质合金球。洛氏硬度的试验方法是对试样先加载初始载荷F0，使试样与压头良好的接触，然后再加载主载荷F1，保持一定的时间后卸掉主载荷F1，用试样表面压痕的深度来测量金属材料的洛氏硬度，如图2－4所示。洛氏硬度试验的相关试验参数和使用范围如表2－1所示。

图2－3　布氏硬度示意图(www.xing528.com)

图2－4　洛氏硬度示意图

表2－1　洛氏硬度试验的相关参数和适用范围

洛氏硬度测定的优点是可用于测定硬度很高的材料，测定设备简单，操作迅速方便，应用范围非常广泛，压痕小，可在工件上进行试验，因此可用于成品件硬度的测量。但不适用于测量硬而脆的薄层工件，因工件硬而脆容易被压头压穿，使测量值不准确。还有由于测量的压痕小，数据的可重复性差，分散度大。

(3)维氏硬度　维氏硬度是在维氏硬度机上进行测量的，用符号HV表示，它的压头为锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体。维氏硬度的试验方法与布氏硬度相同，都是用压痕单位面积上的压力来计算硬度值。在载荷P的作用下，压头在试样表面压出一个压痕，保持规定的时间后卸除载荷，测量压痕对角线的长度，计算压痕的面积，如图2－5所示。维氏硬度值是载荷除以压痕面积，即

式中，P为作用在压头上的载荷；d为压痕两对角线的长度。

图2－5　维氏硬度示意图

维氏硬度试验的优点是维氏硬度机的压头是金刚石四棱锥体，所用载荷比较小，压痕深度浅，可以根据试样硬层的厚薄，任意选定施加载荷的大小，所以硬层薄的工件常采用维氏硬度试验来测量。压头为金刚石四棱锥体，载荷可调范围大，因此维氏硬度可用于测量从软到硬的各种金属工程材料，测量范围大，测量精度比布氏硬度和洛氏硬度都要高，精确可靠，硬度值误差小。但是维氏硬度值在计算时需要先测量压痕对角线的长度，然后再通过计算得出，操作没有洛氏硬度方便。

4.韧性

金属材料的韧性是指材料从塑性变形到断裂整个过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。它也是金属材料机械性能的重要指标之一。金属材料的韧性分为冲击韧性和断裂韧性。

(1)冲击韧性　在机械生产实践中，有许多机械零件和工件是要在冲击载荷下工作的，因此金属材料必须具备足够的冲击韧性，才能保证生产实践有效地完成。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷的作用下抵抗变形和断裂的能力，是衡量金属材料韧性的性能指标。金属材料的冲击韧性是通过冲击试验来测定的，它是以金属材料在冲击载荷作用下，破坏时单位面积所吸收的能量，用αk来表示的，单位为J/m2，常用一次摆锤冲击试验测定，如图2－6所示。试验时，把标准冲击试样背向摆锤放在冲击试验机上，将摆锤提升到规定的高度，然后对缺口试样做一次冲断试验，从冲击试验机上直接读出冲击吸收功K。冲击韧性等于冲击吸收功与试样缺口处横截面积之比，即

式中，S为试样缺口处的横截面积。

冲击韧性αk的大小反映了金属材料韧性的好坏，αk越大，说明材料的韧性越好，抵抗冲击载荷的能力越强。冲击韧性能够很好地反映出材料抵抗冲击载荷的能力，所以，对与长期处于冲击载荷作用下的零件，需要进行冲击韧性试验。

图2－6　冲击试验示意图

(2)断裂韧性　金属材料的断裂韧性是以断裂力学为基础的材料韧性指标，断裂韧性是指金属材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。近代断裂力学认为，材料或者构件本身不可避免地存在这各种缺陷，而常见的缺陷就是裂纹。在外力的作用下，这些裂纹会发生扩展，扩展失稳材料就会发生低应力脆性断裂。当材料中存在裂纹时，材料的各部分的应力分布就会不均匀，在裂纹尖端就必然存在应力集中，就会形成应力场。表征裂纹尖端应力场强弱的力学参量称为应力场强度因子，用KI表示。计算公式为

式中，Y是与裂纹形式、加载方式以及材料几何尺寸有关的系数，可查手册得到；σ为外加应力；a为材料内部裂纹的半长。

KI越大就说明裂纹尖端的应力场越强，随着外应力σ的增大，KI也会随之变大，当KI增大到临界值时，该金属材料内部裂纹发生失稳扩散，导致材料断裂，KI的该临界值被称为断裂韧性，用KI C表示计算公式为

式中，σC为材料内部裂纹失稳扩散时的应力，即断裂应力。

5.疲劳强度

实际工作过程中，大多数机械构件各点的应力的大小和方向是随时间做周期性变化的，这种应力叫作交变应力。在交变应力的作用下，材料也会发生断裂，且断裂时材料所承受的应力低于材料的屈服强度，断裂也没有明显的塑性变形，因此具有很大的危险性。

这种在交变应力作用下，经过长时间的工作而产生裂纹或发生断裂的过程称为金属的疲劳。金属材料所受的交变应力σ与材料断裂时的应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来表示，如图2－7所示。纵坐标为应力σ，横坐标为应力循环次数N，随着σ的下降，应力循环次数N逐渐变大，当应力低于某一数值时，材料经过无数次应力循环也不会发生疲劳断裂，此时的应力称为材料的疲劳极限，记为σ－1。实际上，金属材料并不可能承受无限次应力循环。对于一般的钢铁材料，规定疲劳极限对应的应力循环次数为107次，有色金属、不锈钢以及某些高强度钢的应力循环次数为108次。

图2－7　材料的疲劳特性曲线

在机械零件中，大约有80%的断裂是疲劳断裂。影响金属材料疲劳强度的因素有很多，除了选用合理的材料之外，还可以采取合理的结构设计、降低零件的表面粗糙度、表面强化等措施来提高金属材料的抗疲劳强度。