金属材料的性能分析

金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性质。它包括物理、化学、力学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了机械零件的使用范围和使用寿命。工艺性能是指金属材料在加工制造过程中表现出的难易程度。它的好坏决定了它在加工过程中成形的适应能力。

5.2.1　物理、化学性能

金属材料的物理、化学性能主要有密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、耐热性、耐蚀性等。根据机械零件用途的不同，对材料的物理、化学性能要求亦有不同。例如飞机上的一些零件要选用相对密度小的材料，如铝合金等。

金属材料的物理、化学性能对制造工艺也有影响。例如凡是导热性差的材料，进行切削加工时刀具的温升就快，其耐用度很低；膨胀系数的大小会影响金属热加工后工件的变形与开裂；而进行锻压或热处理时，加热速度应慢些，以免产生裂纹。

5.2.2　力学性能

金属材料受到外力作用时所表现出来的特性称为力学性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料的力学性能是选材、零件设计的重要依据。

1.强度和塑性

强度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。屈服点和抗拉强度可用拉伸实验来测定。

屈服点是指材料在拉伸过程中，载荷不增大而试样的伸长量（变形）却在继续增加时的应力，用符号σs表示。机械零件在工作时如受力过大，则会因过量的塑性变形而失效。当零件工作时所受的力低于材料的屈服点时，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，材料的屈服点是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。

抗拉强度是指试样在拉断前所能承受的最大应力，用符号σb表示。抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大破坏抗力。它是机械零件设计和选材的重要依据。

塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标有延伸率δ（%）和断面收缩率ψ（%），这两项指标可在拉伸实验时同时测得，δ和ψ愈大，材料的塑性就愈好。

2.硬度(www.xing528.com)

硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此硬度是金属材料重要的力学性能之一。硬度试验在实际生产中是机械零件力学性能检查的最常用的重要试验方法。生产中应用较多的有洛氏硬度和布氏硬度法。

（1）洛氏硬度 其测定是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为ϕ1.588mm的淬硬钢球作压头，以相应的载荷压入试样表面，由压痕深度确定其硬度值。洛氏硬度可以从硬度计读数装置上直接读出。洛氏硬度有三种常用标度，分别以HRC、HRB、HRA表示。硬度值数字写在字母前面，如60 HRC、85 HRB等。三种洛氏硬度的符号、试验条件和应用范围如表5-2所示。

表5-2　三种洛氏硬度的符号、实验条件及应用范围

（2）布氏硬度 用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，在规定的载荷F作用下压入试样表面，保持一定时间后，卸除载荷，取下试件，用读数显微镜测出表面压痕直径d，根据压痕直径、压头直径及所用载荷查表，可求出布氏硬度值。用钢球作压头时，用HBS表示，适用于硬度小于450HBS的退火钢、灰铸铁、有色金属等。用硬质合金球作压头时，用HBW表示，适用于硬度小于650HBW的淬火钢等。

3.韧性

材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。常把材料受到冲击破坏时，单位横断面上消耗能量的数值称为冲击韧性，用αkv（J/cm2）表示。冲击韧性的测定在冲击试验机上进行。

4.疲劳强度

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产生周期性的变化，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而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效统计中大约有80%以上属于疲劳破坏。而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。所以，疲劳破坏经常造成重大事故。

疲劳破坏可用疲劳极限来衡量，疲劳极限是指在交变载荷作用下，材料经受无限周期循环（一般规定，黑色金属为107周次，有色金属、不锈钢等取108周次）而不断裂的最大应力。金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如工作条件、表面状态、材料状态及残余内应力等。改善零件的结构和表面状态以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。