金属材料力学性能简析

一、强度

金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。它是通过拉伸试验测得的。构件在载荷的作用下，可发生形状和尺寸的变化，称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。

（一）拉伸试验

1.拉伸试样

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1-33所示。图中d0为试样原始直径（mm），l0为试样原始标距长度（mm）。按照GB6397—86《金属拉伸试验试样》规定：试样分为长试样和短试样。对圆形拉伸试样，长试样l0=10d0；短试样l0=5d0。

2.拉伸试验

试验时，将标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地进行拉伸，使试样受轴向拉力，直至拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸力和伸长量描绘在以拉伸力F为纵坐标，伸长量Δl为横坐标的图上，即得到力-伸长量曲线，如图1-34所示。

图1－33　圆形标准拉伸试样

图1－34　低碳钢力－伸长量曲线

现分析如下：

OE——弹性变形阶段。试样变形完全是弹性变形。此时如果卸载，试样即恢复原状。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。

ES——屈服阶段。当载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。当载荷增加到Fs时，图上出现平台（或锯齿状），这种在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。Fs称为屈服载荷。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

SB——强化阶段。在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化，此阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。

BK——缩颈阶段。当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。由于试样缩颈处横截面积的减小，试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中在缩颈部位，直至断裂。

有些脆性材料，拉伸时不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”，如铸铁等。

（二）强度指标

1.弹性极限

弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号σe表示，单位为MPa。

式中　Fe——试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力，N；

S0——试样原始横截面积，mm2。

2.屈服点

屈服点是指试样在拉伸过程中，力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力，用符号σs表示，单位为MPa。

式中　Fs——试样产生屈服时的拉伸力，N。

对于无明显屈服现象的金属材料，无法测定σs。因此，按照GB10623—89规定，以试样去掉拉伸力后，其标距部分的残余伸长量达到规定原始标距长度0.2%时的应力，为该材料的条件屈服点，用符号σr0.2表示。

σs和σr0.2是表示材料抵抗微量塑性变形的能力。零件工作时一般不允许产生塑性变形。因此，σs是设计和选材的主要参数。

3.抗拉强度

抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力，用符号σb表示，单位为MPa。

σb表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。σs与σb的比值称为屈强比，其数值越小，零件工作的安全性越高，但数值太小，材料的强度得不到充分利用。

式中　Fb——试样被拉断前的最大拉伸力，N。

二、塑性

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性也是通过拉伸试验测得的。

塑性指标：

1.伸长率

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，用δ表示。

式中　L1——为试样拉断后标距的长度；

L0——为试样的原始标距的长度。

同一材料长试样和短试样测得的断后伸长率是不相等的，测得的结果分别用δ10和δ5表示，且δ5＞δ10，但不能直接比较。长试样的断后伸长率也可以不加下标。

2.断面收缩率

试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用ψ表示

式中　S1——试样拉断后断裂处的最小横截面积。

断面收缩率不受试样尺寸的影响，能较准确地反映出材料的塑性。

通常δ或ψ值越大，材料的塑性越好。塑性的好坏，直接影响其使用效果。塑性好的材料便于通过轧制、锻造、冲压、冷拔等方法加工成复杂形状的零件；零件工作若受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安全。

三、硬度

材料抵抗局部变性，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。

硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，通常材料的硬度越高，耐磨性越好。硬度经常作为技术条件标注在零件图样或写在工艺文件中。用压入法测试硬度的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。

1.布氏硬度

测试布氏硬度时，在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图1-35所示。实际测试布氏硬度时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查表即可查出硬度值。

图1－35　布氏硬度测试原理示意图

测试时，选择淬火钢球压头时，用符号HBS表示；选择硬质合金球压头时，用符号HBW表示。布氏硬度表示方法为硬度值+符号+试验力+试验力保持时间（保持时间10～15s时不标明）。例如150HBS10／1000／30表示用直径为10mm的淬火钢球做压头，在1000kgf（9.807kN）试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为150。

布氏硬度试验法压痕面积较大，能反映出较大范围内材料的平均硬度，测得结果较准确、稳定，但操作不够简便。又因压痕大，故不宜测试薄件或成品件。HBS适于测量硬度值小于450的材料；HBW适于测量硬度值小于650的材料。目前，大多用淬火钢球做压头测量材料硬度，主要用来测量灰铸铁、有色金属及退火、正火和调质的钢材等。

2.洛氏硬度

图1－36　洛氏硬度试验原理示意图(www.xing528.com)

洛氏硬度试验原理如图1-36所示。洛氏硬度试验时以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球做压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。测量时，先加初试验力F0，压入深度为h1，目的是为消除因零件表面不光滑而造成的误差。然后再加主试验力F1，在总试验力（F0＋F1）的作用下，压头压入深度为h2。

卸除主试验力，由于金属弹性变形的恢复，使压头压痕深度e=h3-h1。显然，e值越大，被测金属的硬度越低，为了符合数值越大，硬度越高的习惯，将一个常数K减去e来表示硬度的大小（每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位），直接由硬度计表盘上读出。洛氏硬度用符号HR表示。

金刚石做压头，K为100；淬火钢球做压头，K为130。洛氏硬度无单位。

洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-13。

表1－13　常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

3.维氏硬度

维氏硬度试验原理与布氏硬度的基本相同，维氏硬度也是用试验力与压痕面积的比值反映材料的硬度，如图1-37所示。用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。实际测定时，测出压痕对角线长度，然后通过查表即可查出维氏硬度值。

图1－37　维氏硬度试验原理示意图

维氏硬度的表示方法是HV前面为硬度值，HV后面的数字按试验力、试验力保持时间（10～15s不标注）顺序表示试验条件。例如：640HV，30表示用294.2N试验力，测定的维氏硬度值为640。维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。维氏硬度广泛用于测量金属镀层、薄片材料和化学热处理后的表面硬度。

四、韧性

许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、飞机的起落架等。制造这类零件所用的材料，不仅要满足在静载荷作用下的强度、塑性、硬度等性能指标，还应具有足够的韧性。

韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，即材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

材料的韧性是通过在专门的摆锤试验机上经过一次破断冲击试验测定的。为了使试验结果可以互相比较，必须采用标准试样。常用的试样有10mm×10mm×55mm的U形缺口和V形缺口试样，如图1-38所示。冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。

图1－38　V形缺口冲击试样

冲击试验过程：将冲击试样放在试验机的支座上（放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向），如图1-39（a）所示。再将具有一定重量G的摆锤升至一定的高度H1［图1-39（b）］，使其获得一定的势能（GH1），然后使摆锤自由落下，将试样冲断。摆锤的剩余势能为GH2。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功，用符号Ak表示，其计算公式如下

式中　Ak——冲击吸收功，J；

G——摆锤的重量，N；

H1——摆锤初始的高度，m；

H2——冲断试样后，摆锤回升的高度，m。

图1－39　冲击试验示意图

1—摆锤；2—机架；3—试样；4—刻度盘；5—指针

Ak值不需计算，可由冲击试验机刻度盘上直接读出。冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度，用符号ak表示。

式中　ak——冲击韧度，J／cm2；

S0——试样缺口处截面积，cm2。

冲击吸收功与温度有关，Ak值随温度降低而减小。金属材料在低温下工作，有脆性增大的倾向。

五、疲劳强度

像轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等类零件，在工作过程中零件上各点承受的应力随时间作周期性的变化，此种应力称为交变应力。在交变应力作用下，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会产生裂纹或突然发生完全断裂，即产生疲劳现象。

疲劳断裂具有突然性，危害很大。疲劳断裂的特点如下：

（1）疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限。

（2）断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此。

（3）疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成。

金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余压应力等。提高疲劳强度有以下途径：

（1）合理地选择材料。实践证明，金属材料在其他条件相同的情况下，疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。因此，那些能提高金属材料抗拉强度的因素，一般也能提高疲劳强度。例如，结构钢中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉强度越高；结构钢中合金元素主要通过提高淬透性和改善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体组织等也可以提高疲劳强度。

（2）零件设计时形状、尺寸合理。尽量避免尖角、缺口和截面突变，这些地方容易引起应力集中从而导致疲劳裂纹；另外，伴随着尺寸的增加，材料的疲劳强度降低，强度越高，疲劳强度下降越明显。

（3）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，应尽量减少表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面加工损伤（刀痕、磨痕、擦伤等）。

（4）采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。这是因为表面强化处理不仅提高了表面疲劳强度，而且还在材料表面形成一定深度的残余压应力；在工作时，这部分压应力可以抵消部分拉应力，使零件实际承受的拉应力降低，提高了疲劳强度。