汽车机械基础：金属力学性能及应用

汽车是用不同的材料制成各种零部件后组装而成的。这些零部件在使用过程中，往往不可避免地受到各种外力的作用，这些外力的作用对金属有一定的破坏性，这就要求材料具有既能抵抗外力作用又不被破坏的能力，这就是材料的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、硬度和韧性。

1.强度与塑性

强度是抵抗永久变形和断裂的能力。按载荷的作用形式分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪及抗扭等几种。载荷的作用形式不同，金属的强度判据也不同。抗拉强度的判据应用最普遍，测试方法最简单，通常采用拉伸试验法，在拉伸试验机上进行。

（1）常用强度判据主要有屈服点和抗拉强度。

1）屈服点和规定残余伸长应力。在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点，以σ_s表示，单位为MPa。

σ_s=F_S/A₀

式中 F_S——材料屈服时的拉伸力（N）；

A₀——试样拉伸前d₀处横截面积（mm²）。

屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服点外，大多数合金都没有屈服现象，因此提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定：当试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，作为规定残余伸长应力σ_r。表示此应力的符号应附以角标说明，例如σ_r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

式中 F_r——产生规定伸长时的拉力。

2）抗拉强度。拉伸过程中最大力F_b所对应的应力称为抗拉强度，以σ_b表示。

抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受的最大力的应力值。它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。

（2）塑性判据断裂前材料发生不可逆永久变形的能力叫塑性。常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断后收缩率。

1）断后伸长率。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以δ表示。

式中 L₁——试样拉断后的标距（mm）；

L₀——试样原始标距（mm）。

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，以ψ表示。

式中 A₀——试样原始截面积（mm²）；

A₁——试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm²）。

δ和ψ越大，表示材料的塑性越好；反之，表示材料的塑性越差，脆性越大。

小提示：

强度与塑性是矛盾的两个力学指标；一般强度高的材料，塑性较差。

2.硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量金属软硬程度的判据。

材料的硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验所用设备简单，操作简便、迅速。不仅可直接在半成品或成品上进行试验而不损坏被测件，而且还可根据硬度值估计出材料近似的强度和耐磨性。因此，硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，应用很广。常将硬度作为技术条件标注在零件图样或写在工艺文件中。

硬度试验方法较多，生产中常用的是布氏硬度、洛氏硬度试验法。

（1）布氏硬度布氏硬度的测定是在布氏硬度试验机上进行的，其试验原理如图1-1所示。用直径为D的硬质合金球做压头，以相应的试验力F（单位为N）将压头压入试件表面。经规定的保持时间后，去除试验力，在试件表面得到一直径为d的压痕。用试验力F除以压痕表面积A_压，所得值即为布氏硬度值，用符号HBW表示。

式中 A_压——压痕表面积（mm²）；

d、D、h——分别为压痕平均直径、压头球直径、压痕深度（mm）。

上式中只有d是变量，只要测出d值，即可通过计算或查表得到相应的硬度值。d值越大，硬度值越小；d值越小，硬度值越大。

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，但操作不够简便。又因压痕大，故不宜测试薄件或成品件。布氏硬度上限为650HBW。

图1-1 布氏硬度试验原理示意图

目前，大多用淬火钢球做压头，测量材料硬度，主要用来测定灰铸铁、有色金属及退火、正火和调质的钢材等。(www.xing528.com)

可根据下列布氏硬度与抗拉强度经验公式，近似计算金属材料的强度。

低碳钢σ_b≈3.35HBW

调质合金钢σ_b≈3.19HBW

灰铸铁σ_b≈0.98HBW

（2）洛氏硬度洛氏硬度的测定是在洛氏硬度试验机上进行的，试验原理见图1-2。

它是以顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm淬火钢球做压头，在初试验力和总试验力（初试验力+主试验力）先后作用下，压入试件表面，经规定保持时间后，去除主试验力，用测量的残余压痕深度增量（增量是指去除主试验力并保持初试验力的条件下，在测量的深度方向上产生的塑性变形量）来计算硬度的一种压痕硬度试验法。

图中00为压头与试件表面未接触的位置；11为加初试验力98.07N后，压头经试件表面a压入到b处的位置，b处是测量压入深度的起点（可防止因试件表面不平引起的误差）；22为初试验力和主试验力共同作用下，压头压入到c处的位置；33为卸除主试验力，但保持初试验力的条件下，因试件弹性变形的恢复使压头回升到d处的位置。因此，压头在主试验力作用下，实际压入试件产生塑性变形的压痕深度为bd（bd为残余压痕深度增量）。用bd大小来判断材料的硬度，bd越大硬度越低；反之，硬度越高。为适应习惯上数值越大，硬度越高的概念，故用常数k减bd（h）作为硬度值（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。

图1-2 洛氏硬度试验原理示意图

式中，金刚石做压头，k=100；淬火钢球做压头，k=130。

为使同一硬度计能测试不同硬度范围的材料，可采用不同的压头和试验力。按压头和试验力不同，GB/T 230.1—2004规定洛氏硬度的标尺有九种，但常用的是HRA、HRB及HRC三种，其中HRC应用最广范。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-1。

洛氏硬度试验操作简便、迅速，测量硬度范围大，压痕小，无损于试件表面，可直接测量成品或较薄工件。但因压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，需在试件不同部位测定三点取其平均值。

表1-1 常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

注：总试验力=初试验力+主试验力。

小提示：

洛氏硬度与布氏硬度试验原理不同，两者不能相互比较。

3.韧性及疲劳

（1）韧性以上讨论的是静载荷下的力学性能指标，但生产中许多零件是在冲击力作用下工作的，如汽车变速器的齿轮、轴及传动轴等。这类零件，不仅要满足在静力作用下的力学性能指标，还应有足够的韧性。韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示了金属材料抗冲击的能力。韧性的判据是通过冲击试验确定的。

常用的方法是摆锤式一次冲击试验法，它是在专门的摆锤试验机上进行的。试验时首先将材料按规定将被测材料制作成标准冲击试样，后将试样缺口背向摆锤冲击方向放在试验机支座上（图1-3a），摆锤举至h₁高度，然后使摆锤自由落下；摆锤冲断试样后，摆锤升至h₂。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功，用符号A_K表示。

A_K=mgh₁-mgh₂mg=mg（h₁-h₂）

图1-3 摆锤式冲击试验原理示意图

A_K值不需计算，可由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a_K表示，单位为J/cm²，即

式中 A——试样缺口底部横截面积（cm²）。

冲击吸收功越大，材料韧性越好，在受到冲击时越不容易断裂。但应当指出，冲击试验时，冲击吸收功中只有一部分消耗在断开试样缺口上，冲击吸收功的其余部分则消耗在冲断试样前，缺口附近体积内的塑性变形上。因此，冲击韧度不能真正代表材料的韧性，而用冲击吸收功A_K作为材料韧性的判据更为适宜。

小提示：

冲击韧度的大小受试样形状、表面粗糙度、内部组织等影响，因此只作为选材的参考。

（2）疲劳强度许多零件如轴、齿轮及弹簧等是在交变应力作用下工作的。在循环应力作用下，零件在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳或疲劳断裂。零件疲劳断裂前无明显塑性变形，危险性大，常造成严重事故。

试验证明，金属材料能承受的交变应力，与断裂前应力循环基数N有关，见图1-4。由图可知，当σ低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无数次循环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳强度，并用σ_-1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。

一般交变应力越小，断裂前所能承受的循环次数越多；交变应力越大，可循环次数越少。工程上用的疲劳强度，是指在一定的循环基数下不发生断裂的最大应力。通常规定钢铁材料的循环基数取10⁷，有色金属取10⁸。

小提示：

疲劳强度与抗拉强度有一定联系，抗拉强度高，疲劳强度也高。

图1-4 疲劳曲线示意图