钢材的力学性能指标：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限等特性

金属材料具有承受一定载荷而不被破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。金属表现出来的强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限等特性，就是力学性能指标。载荷会以不同的方式作用于金属材料，使材料发生各种变形（图1-56），所以材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗扭强度、抗剪强度、抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料的强度指标，它是用拉伸试验机对标准试样（图1-57）进行轴向拉伸，直至拉断，用测得的数据绘制出应力-应变曲线（图1-58），来计算材料的强度和塑性。用硬度试验机来检测硬度，冲击试验机检测韧度。

（1）强度

金属材料在静载荷（大小不变或变化很慢）的作用下，对变形和破坏的抵抗能力，称为强度。

1）屈服强度。屈服强度是指试验力不增加而试样变形增加的应力值。若材料无明显的屈服现象，规定试样产生永久残余塑性变形量为原长度的0.2%时的应力值作为条件屈服强度。

图1-56 金属材料的变形形式

图1-57 拉伸试样

图1-58 应力-应变曲线图

式中R_eL——试样的下屈服强度（MPa）；

F_eL——试样屈服时的最小载荷（N）；

S₀——试样原始横截面积（m²）。

2）抗拉强度。与材料断裂前所能承受最大力相对应的应力值称为抗拉强度。

式中R_m——试样的抗拉强度（MPa）；

F_m——试样在试验中承受的最大力（N）。

（2）塑性

材料受力后在断裂之前产生不可逆永久变形的能力称为塑性。

1）伸长率A。试样拉断后，原始标距的伸长量与原始标距之比的百分率。

式中A——伸长率；

L_u——试样拉断后的标距长度（m）；

L₀——试样原始标距长度（m）。

2）断面收缩率Z。试样拉断后，试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积比值的百分率。

式中Z——断面收缩率（%）；

S₀——试样原始横截面积（m²）；

S_u——试样拉断后缩颈处的横截面积（m²）。

例：有一直径d=10mm，L₀=100mm的低碳钢试样，拉伸试验时测得：

F_eL=2.1×10³N，F_m=2.9×10³N，d_u=5.65mm，L_u=138mm

求此试样的S₀、S_u、R_eL、R_m、A、Z。

解：1）计算S₀、S_u：

2）计算R_eL、R_m：(www.xing528.com)

3）计算A、Z：

（3）硬度

硬度是材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成的永久变形的能力。

硬度值用实验法得到，有布氏硬度实验法（图1-59）、洛氏硬度实验法（测量时洛氏硬度值直接在硬度计表盘读取）和维氏硬度实验法（图1-60）。常用五种硬度标尺的实验条件和适应范围见表1-1。

图1-59 布氏硬度实验原理

表1-1 常用的五种硬度标尺的实验条件和适用范围

例1：170 HBW10/1000/30表示用直径为10mm的压头，在1000kgf（9800N）实验力的作用下，保持30s时测得的布氏硬度值是170。

例2：600HBW1/30/20表示用直径为1mm的压头，在30kgf（294N）实验力的作用下，保持20s时测得的布氏硬度值是600（若保持时间10～15s可以不标）。

例3：45 HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为45。

例4：640 HV30表示用30kgf（2P4N）实验力，保持时间10～15s测得的维氏硬度值是640。

（4）冲击韧度

金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，称为冲击韧度。

1）一次性打击试验，如图1-61所示。

2）多次冲击试验。工件受大能量一次性冲击破坏的情况少，常用多次冲击试验来检验强度和塑性，如图1-62所示。

3）冲击试验的目的是检验材料的内部缺陷，温度对检测的数值有影响，低温时钢铁材料的韧性下降，容易变脆（碳钢的转变温度是-20℃），所以，材料的韧脆转变温度越低越好，如图1-63所示。

图1-60 维氏硬度实验原理

图1-61 冲击实验原理

1—支座 2—试样 3—指针 4—摆锤

图1-63 韧脆转变温度

（5）疲劳极限（σ_D）

工件在交变循环应力的作用下疲劳折断时累计的循环次数。如曲轴、连杆、齿轮、弹簧等工件受交变循环应力（图1-64），必须要检测疲劳极限的数值，提高工件疲劳极限的方法如下：

图1-64 对称交变循环应力

1）设计时工件的边缘有圆角，避免尖突，避免应力集中。

2）细化材料的内部晶粒、减少材料的内部缺陷。

3）加工时降低工件表面粗糙度、减少表面伤痕。

4）工件表面进行淬火、涂层等热处理。