機(jī)械常識(shí)金屬材料性能的基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)床知識(shí)

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1、5.2 金屬材料性能的基礎(chǔ)知識(shí) 金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個(gè)方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。 一.機(jī)械性能 （一）應(yīng)力的概念 物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力，在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力（例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力…等等）。 （二）機(jī)械性能 金 屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時(shí)，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能（也稱為力學(xué)性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜 態(tài)載荷，也可以是動(dòng)態(tài)載荷，包括單獨(dú)或同時(shí)承受的拉伸應(yīng)力

2、、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及摩擦、振動(dòng)、沖擊等等，因此衡量金屬材料機(jī)械性能 的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)： 1.強(qiáng)度 這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強(qiáng)度極限（σb）、抗彎強(qiáng)度極限（σbb）、抗壓強(qiáng)度極限（σbc）等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂，測(cè)定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有： （1）強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應(yīng)力，一般指拉力作用下的抗拉強(qiáng)度極限，以σb表示，如拉伸試驗(yàn)曲線圖中最高點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度極限，常用單位為兆帕（MPa）

3、，換算關(guān)系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa ? σb=Pb/Fo 式中：Pb–至材料斷裂時(shí)的最大應(yīng)力（或者說是試樣能承受的最大載荷）；Fo–拉伸試樣原來的橫截面積。 （2）屈服強(qiáng)度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時(shí)，雖然應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時(shí)，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形。產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限，用σs表示，相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。 金屬材料的拉伸試驗(yàn)曲線 σs=Ps/Fo? 單位：兆帕（MPa） 式中：P

4、s –達(dá)到屈服點(diǎn)S處的外力（或者說材料發(fā)生屈服時(shí)的載荷）。 對(duì)于塑性高的材料，在拉伸曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，而對(duì)于低塑性材料則沒有明顯的屈服點(diǎn)，從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗(yàn)方法中，通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。 屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是對(duì)于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比（即σs /σb）要小，以提高其安全可靠性，不過此時(shí)材料的利用率也較低了。 （3）彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力

5、即為彈性極限，相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn)，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo? 式中Pe為保持彈性時(shí)的最大外力（或者說材料最大彈性變形時(shí)的載荷）。 （4）彈性模數(shù)：這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)模ㄅc應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα 式中α為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。 彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標(biāo)（金屬材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。 2.塑性 金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）表示： 延伸率δ

6、=[(L1-L0)/L0]x100%，這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對(duì)合起來后的標(biāo)距長(zhǎng)度L1與試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0之差（增長(zhǎng)量）與L0之比。 在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，同一材料但是不同規(guī)格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長(zhǎng)度）的拉伸試樣測(cè)得的延伸率會(huì)有不同，因此一般需要特別加注，例如最常用的圓截面試樣，其初始標(biāo)距長(zhǎng)度為試樣直徑5倍時(shí)測(cè)得的延伸率表示為δ5，而初始標(biāo)距長(zhǎng)度為試樣直徑10倍時(shí)測(cè)得的延伸率則表示為δ10。 斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實(shí)用中對(duì)于最常用的圓截面試樣通

7、?？赏ㄟ^直徑測(cè)量進(jìn)行計(jì)算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑。 δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。 3.硬度 金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，或者說是材料對(duì)局部塑性變形的抵抗能力。因此，硬度與強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。根據(jù)硬度的測(cè)定方法，主要可以分為： （1）布氏硬度（代號(hào)HB） 用一定直徑D 的淬硬鋼球在規(guī)定負(fù)荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負(fù)荷的大小表示 該試件的硬度：HB=P/F。在實(shí)際應(yīng)用中，通常直接測(cè)量壓坑的直徑，并根據(jù)負(fù)荷P和鋼球

8、直徑D從布氏硬度數(shù)值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大， 硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。 布氏硬度與材料的抗拉強(qiáng)度之間存在一定關(guān)系：σb≈KHB，K為系數(shù)，例如對(duì)于低碳鋼有K≈0.36，對(duì)于高碳鋼有K≈0.34，對(duì)于調(diào)質(zhì)合金鋼有K≈0.325，…等等。 （2）洛氏硬度（HR） 用有一定頂角（例如120°）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負(fù)荷P作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下某個(gè)深度的壓痕。由 洛氏硬度機(jī)自動(dòng)測(cè)量壓坑深度并以硬度值讀數(shù)顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越?。?。根據(jù)壓頭與負(fù)荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、H

9、RB、HRC三種，其中以HRC為最常用。 洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下?lián)Q算關(guān)系：HRC≈0.1HB。 除了最常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外，還有維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、顯微硬度以及里氏硬度（HL）。 這里特別要說明一下關(guān)于里氏硬度，這是目前最新穎的硬度表征方法，利用里氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其檢測(cè)原理是： 里氏硬度計(jì)的沖擊裝置將沖頭從固定位置釋放，沖頭快速?zèng)_擊在試件表面上，通過線圈的電磁感應(yīng)測(cè)量沖頭距離試件表面1毫米處的沖擊速度與反彈速度（感應(yīng)為沖擊電壓和反彈電壓），里氏硬度值即以沖頭反彈速度和沖擊速度之比來表示：HL=(Vr/Vi)·1000 式中：HL

10、-里氏硬度值；Vr-沖頭反彈速度；Vi-沖頭沖擊速度（注：實(shí)際應(yīng)用裝置中是以沖擊裝置中的閉合線圈感應(yīng)的沖擊電壓和反彈電壓代表沖擊速度和反彈速度）。 臺(tái)式硬度計(jì) （照片來源：時(shí)代集團(tuán)） 沖擊裝置的構(gòu)造主要有內(nèi)置彈簧（加載套管，不同型號(hào)的沖擊裝置有不同的沖擊能量）、導(dǎo)管、釋放按鈕、內(nèi)置線圈與骨架、支撐環(huán)以及沖頭，沖頭主要采用金剛石、碳化鎢兩種極高硬度的球形（不同型號(hào)的沖擊裝置其沖頭直徑有不同）。 里氏硬度計(jì)的主機(jī)接收到?jīng)_擊裝置獲得的信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算，然后在屏幕上直接顯示出里氏硬度值，并且可以換算為常用的布氏、洛氏、維氏、肖氏硬度值，還可折算出材料的抗拉強(qiáng)度σb，還可以將測(cè)量結(jié)果儲(chǔ)存、直

11、接打印輸出或傳送給計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。 應(yīng)用范圍：里氏硬度計(jì)是一種便攜袖珍裝置，可應(yīng)用于各種金屬材料、工件的表面硬度測(cè)量，特別是大型鍛鑄件的測(cè)量，其最大的特點(diǎn)是可以任意方向檢測(cè)，免去了普通硬度計(jì)對(duì)工件大小、測(cè)量位置等的限制。 北京市德光電子公司 DHT-100型里氏硬度計(jì) 時(shí)代集團(tuán) TH160型里氏硬度計(jì) 時(shí)代集團(tuán) HLN-11A型里氏硬度計(jì) 時(shí)代集團(tuán) TH134型里氏硬度計(jì) 4.韌性 金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用沖擊試驗(yàn)，即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規(guī)定類型的沖擊試驗(yàn)機(jī)上承受沖擊載荷而折斷時(shí)，斷口上單位橫截面積上

12、所消耗的沖擊功表征材料的韌性： αk=Ak/F? 單位J/cm2或Kg?m/cm2，1 Kg?m/cm2=9.8 J/cm2 αk稱作金屬材料的沖擊韌性，Ak為沖擊功，F(xiàn)為斷口的原始截面積。 5.疲勞強(qiáng)度極限 金屬材料在長(zhǎng)期的反復(fù)應(yīng)力作用或交變應(yīng)力作用下（應(yīng)力一般均小于屈服極限強(qiáng)度σs），未經(jīng)顯著變形就發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂，這是由于多種原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的應(yīng)力（應(yīng)力集中），使該局部發(fā)生塑性變形或微裂紋，隨著反復(fù)交變應(yīng)力作用次數(shù)的增加，使裂紋逐漸擴(kuò)展加深（裂紋尖端處應(yīng)力集中）導(dǎo)致該局部處承受應(yīng)力的實(shí)際截面積減小，直至局部應(yīng)力大于σb而產(chǎn)生斷裂。 在實(shí)

13、際應(yīng)用中，一般把試樣在重復(fù)或交變應(yīng)力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等）作用下，在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)（一般對(duì)鋼取106~107次，對(duì)有色金屬取108次）不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度極限，用σ-1表示，單位MPa。 除了上述五種最常用的力學(xué)性能指標(biāo)外，對(duì)一些要求特別嚴(yán)格的材料，例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用的金屬材料，還會(huì)要求下述一些力學(xué)性能指標(biāo)： 蠕 變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時(shí)間緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，即在恒定溫度和恒定拉伸載荷下，試樣在規(guī)定 時(shí)間內(nèi)的蠕變伸長(zhǎng)率（總伸長(zhǎng)或殘余伸長(zhǎng)）或者在蠕變伸長(zhǎng)速度相對(duì)恒定的階段，蠕變速度不超過某

14、規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力，作為蠕變極限，以 表示，單位MPa，式中τ為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，t為溫度，δ為伸長(zhǎng)率，σ為應(yīng)力；或者以 表示，V為蠕變速度。 高溫拉伸持久強(qiáng)度極限：試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷作用下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間而不斷裂的最大應(yīng)力，以 ?表示，單位MPa，式中τ為持續(xù)時(shí)間，t為溫度，σ為應(yīng)力。 金屬缺口敏感性系數(shù)：以Kτ表示在持續(xù)時(shí)間相同（高溫拉伸持久試驗(yàn)）時(shí),有缺口的試樣與無缺口的光滑試樣的應(yīng)力之比： ? 式中τ為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間， 為缺口試樣的應(yīng)力， 為光滑試樣的應(yīng)力。 或者用： 表示，即在相同的應(yīng)力σ作用下，缺口試樣持續(xù)時(shí)間 ?與光滑試樣持續(xù)時(shí)間 ?之比。 抗熱性：在高溫下材料對(duì)機(jī)械載荷

15、的抗力。 ……等等。 二.化學(xué)性能 金 屬與其他物質(zhì)引起化學(xué)反應(yīng)的特性稱為金屬的化學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性（又稱作氧化抗力，這是特別指金屬在高溫時(shí)對(duì)氧化作用的 抵抗能力或者說穩(wěn)定性），以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對(duì)機(jī)械性能的影響等等。在金屬的化學(xué)性能中，特別是抗蝕性對(duì)金屬的腐蝕疲勞損傷 有著重大的意義。 三.物理性能 金屬的物理性能主要考慮： （1）密度（比重）：ρ=P/V 單位克/立方厘米或噸/立方米，式中P為重量，V為體積。 在實(shí)際應(yīng)用中，除了根據(jù)密度計(jì)算金屬零件的重量外，很重要的一點(diǎn)是考慮金屬的比強(qiáng)度（強(qiáng)度σb與密度ρ之比）來幫助選材，以及與無

16、損檢測(cè)相關(guān)的聲學(xué)檢測(cè)中的聲阻抗（密度ρ與聲速C的乘積）和射線檢測(cè)中密度不同的物質(zhì)對(duì)射線能量有不同的吸收能力等等。 （2）熔點(diǎn)： 金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時(shí)的溫度，對(duì)金屬材料的熔煉、熱加工有直接影響，并與材料的高溫性能有很大關(guān)系。 （3）熱膨脹性 隨著溫度變化，材料的體積也發(fā)生變化（膨脹或收縮）的現(xiàn)象稱為熱膨脹，多用線膨脹系數(shù)衡量，亦即溫度變化1℃時(shí)，材料長(zhǎng)度的增減量與其0℃時(shí)的長(zhǎng)度之比。 熱膨脹性與材料的比熱有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮比容（材料受溫度等外界影響時(shí)，單位重量的材料其容積的增減，即容積與質(zhì)量之比），特別是對(duì)于在高溫環(huán)境下工作，或者在冷、熱交替環(huán)境中工作的金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影

17、響。 （4）磁性 能吸引鐵磁性物體的性質(zhì)即為磁性，它反映在導(dǎo)磁率、磁滯損耗、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑磁力等參數(shù)上，從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。 （5）電學(xué)性能 主要考慮其電導(dǎo)率，在電磁無損檢測(cè)中對(duì)其電阻率和渦流損耗等都有影響。 四.工藝性能 金屬對(duì)各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性能，主要有以下四個(gè)方面： （1）切削加工性能：反映用切削工具（例如車削、銑削、刨削、磨削等）對(duì)金屬材料進(jìn)行切削加工的難易程度。 （2）可鍛性：反映金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度，例如將材料加熱到一定溫度時(shí)其塑性的高低（表現(xiàn)為塑性變形抗力的大?。试S熱壓力加工的溫度范圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機(jī)械性能有關(guān)的臨界變形的界限、熱變形時(shí)金屬的流動(dòng)性、導(dǎo)熱性能等。 （3）可鑄性：反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現(xiàn)為熔化狀態(tài)時(shí)的流動(dòng)性、吸氣性、氧化性、熔點(diǎn)，鑄件顯微組織的均勻性、致密性，以及冷縮率等。 （4）可焊性：反映金屬材料在局部快速加熱，使結(jié)合部位迅速熔化或半熔化（需加壓），從而使結(jié)合部位牢固地結(jié)合在一起而成為整體的難易程度，表現(xiàn)為熔點(diǎn)、熔化時(shí)的吸氣性、氧化性、導(dǎo)熱性、熱脹冷縮特性、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關(guān)性、對(duì)機(jī)械性能的影響等。