金属性能及其在汽车机械中的应用

第一节　金属的性能

一、金属的力学性能

金属的力学性能是指金属材料受到各种不同性质的载荷（或称为外力、负荷，分为拉力、压力、转矩等）作用时，所表现出的性能。它包括强度、刚度、硬度、韧性和抗疲劳强度等性能指标。

1.强度

强度即金属在载荷（外力）作用下，抵抗变形和破坏的能力。主要应用抗拉强度指标。可以在拉伸实验机上进行测定。

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一、拉伸与压缩的概念

拉压杆的受力特点是外力（或合外力）沿杆件轴线作用，变形特点是杆件沿轴向发生伸长或缩短。

二、拉伸与压缩的应力

1.内力

以杆件为研究对象时，作用于杆件上的载荷称为外力。杆件受到外力作用而变形时，由于材料内部颗粒之间的相对位置改变而产生相互作用的抵抗力称为内力。

2.应力

杆件产生拉压变形时，沿着杆件任一横截面，假想地切开杆件，内力是在整个截面上均匀分布的，单位面积上的内力称为应力，单位是帕（Pa）或兆帕（MPa）。

3.绝对变形与相对变形

拉压变形的杆件，变形后的长度与原长的差值，称为绝对变形。绝对变形与原长的比值，称为相对变形，用ε表示。

图4-1　塑性材料拉伸应力应变曲线图

图4-2　脆性材料拉伸应力应变曲线图

4.拉伸试验

我们把被试验材料做成标准试件，放到拉伸试验机上进行拉伸试验。材料分为两大类，塑性材料和脆性材料。根据材料的应力和变形的关系可以画出应力应变曲线。

如图4-1所示，以低碳钢为例，塑性材料的应力应变曲线共分为四个阶段。

（1）弹性阶段

在图上的oa段，应力与应变符合胡克定律，a点所对应的应力叫做比例极限，用σP表示。线段oa与横轴的夹角就是这种材料的弹性模量E。比a点略高一点，有一点b ，b点所对应的应力叫做弹性极限，用σe表示，当材料内的应力不超过弹性极限时，材料所发生的变形外力去除后能够完全恢复。

（2）屈服阶段

当应力超过弹性极限σe以后，应力应变曲线出现一段沿水平线上下微微波动的锯齿形线段，说明这时应力虽有波动，应变却迅速增长， 这个阶段叫做屈服阶段，也叫流动阶段。屈服阶段的最低应力值，称为材料的屈服极限。用σs表示。

（3）强化阶段

过了屈服阶段以后，应力应变曲线又开始上升，这时，材料进行了晶格重组，又恢复了抵抗应变的能力。这种现象称为材料的强化。这个阶段叫做强化阶段。材料在断裂前所能承受的最大应力值称为强度极限。用σb表示。

（4）颈缩阶段

当应力达到σb后，试件在局部范围内明显地变细，出现了“颈缩”现象，承载能力急剧下降，最后在颈缩处被拉断。这个阶段叫做颈缩阶段。断裂点为e点。

如图4-2所示，脆性材料的力学性质，以灰铸铁为例，拉伸时灰铸铁无明显地直线部分，应力与应变的关系不符合胡克定律，无屈服现象，也不产生颈缩现象，变形小，突然断裂。压缩时，也无明显地直线部分，近似地符合胡克定律，无屈服极限，强度大大地超过拉伸时的强度极限，故抗压性能强，适用于受压零件。

2.硬度

硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力。广泛应用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。(www.xing528.com)

（1）布氏硬度

是用直径为D的淬硬圆钢球以规定的载荷F压入被测材料的表面，保持一定时间后，卸除载荷，测量被测材料的表面压痕直径D和压痕球面积A，计算平均压力F/A的大小作为材料的布氏硬度值。布氏硬度用HBS表示。布氏硬度只适用于硬度较低，尺寸较大的金属材料，广泛用于退火、或调质后的钢件、灰口铸铁和有色金属等较软的材料。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度也采用压入法进行试验，但不同的是采用的压头是一个顶角120o的圆锥形金钢石压头，施加相应载荷后，测定金属材料压痕的深度，以压痕深度来表示硬度值。洛氏硬度试验可以直接从刻度盘上读取硬度值。压痕小，可测定成品及薄的工件，测定的硬度范围大，可以测从极软到极硬的范围金属材料。但洛氏硬度测试压痕小，测量值有时不够准确，所以，同一试样应测三点以上，取平均值。

（3）维氏硬度

维氏硬度与洛氏硬度相似，但压头是136o夹角的金钢石四棱锥，载荷没有固定数值，须具体估算，测试手段更加复杂，用于测试零件表面硬化层及显微硬度等。

3.塑性

塑性是指材料在载荷作用下，抵抗塑性变形而不被破坏（不断裂）的能力。

（1）延伸率

是指金属试样进行拉伸试验被拉断后标距长度与原始长度之比值的百分比，用δ表示。

（2）断面收缩率

是指金属试样进行拉伸试验拉断处横截面积缩小量与原始横截面积之比值的百分比，用ψ表示。

4.韧性

突然作用的力称为冲击载荷。材料承受冲击载荷作用的能力称为韧性。韧性是脆性的反意。测量材料冲击韧性的方法是：摆锤式一次能量冲击试验。把带有缺口的试样放在一次摆锤试验机上，测定金属承受冲击载荷的能力。在实际应用中，直接从试验机上读出摆锤打断试样所作的冲击功Aku，然后将冲击功Aku的值除以试样缺口处的横截面积A便得到冲击韧度值Aku。

5.疲劳强度

随时间大小和方向发生周期性变化的应力称为交变应力。在这种应力作用下的零件，其交变应力远低于该材料的强度极限，有时甚至低于屈服极限时就发生断裂，这种现象称为金属的疲劳或疲劳断裂。材料经过无限多次交变载荷作用而不断裂的最大应力称为疲劳强度。

二、金属的物理、化学性能及工艺性能

1.物理性能

金属材料的物理性能是金属特有的性能，主要包括相对密度、熔点、导热性、热膨胀性和磁性等。

2.化学性能

金属的化学性能是指在室温或高温条件下抵抗各种化学作用的能力，主要指金属抵抗活泼介质的化学侵蚀的能力，包括抗氧化性和抗腐蚀性。

三、金属材料的工艺性能

工艺性能是指金属材料接受加工成型的能力，包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能等。

1.铸造性

铸造是将熔化的液体材料浇注入铸型的空腔，以获得相应的零件毛坏的工艺方法。铸造性是金属材料是否易于铸造成优良铸件的性能。它与材料熔化后的流动性及浇注冷却时的收缩性有关。

2.压力加工性

压力加工包括锻造、挤压、轧制、拉制、冲压等。压力加工性是指金属材料是否易于用上述方法制成优良零件或零件毛坯的性能。压力加工性主要取决于材料的塑性与对塑性变形的抗力。

3.焊接性

焊接是将两部分金属材料通过加热、加压使其粘结成一体的工艺方法。焊接性就是指金属材料是否易于用焊接的方法生产出优良焊件的性能。它取决于焊缝产生裂纹、气孔等的倾向。

4.切削加工性

切削加工是用刀具切削金属材料毛坯，使其达到一定形状、尺寸精度和表面质量要求的工艺方法。切削加工性就是指金属材料是否易于通过切削方法加工成各种优良零件的性能。一般取决于材料的硬度和韧性。