在人類文明發(fā)展的歷史過(guò)程中，由于材料性能的不合格造成的大大小小的事故不勝枚舉。像1912年泰坦尼克號(hào)的沉沒(méi)，1938年二戰(zhàn)前夕英國(guó)皇家空軍Spitfire戰(zhàn)斗機(jī)的墜落，1998年德國(guó)的鐵路慘案 在早期時(shí)候是由于人類認(rèn)知水平的不足而造成的，而在科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，事故的發(fā)生更多是由于設(shè)計(jì)、制造工藝、使用環(huán)境等因素考慮不周，使用不當(dāng)而造成的。因此，對(duì)材料性能的全面了解以及正確的使用合適的材料，變得非常的重要。材料的性能包括力學(xué)性能、物理化學(xué)性能及工藝性能等，本文主要介紹一下材料的力學(xué)性能。

金屬材料的力學(xué)性能，是指金屬材料在受到不同性質(zhì)的載荷作用時(shí)，所表現(xiàn)出來(lái)的性能，它包括：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性和抗疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)。   強(qiáng)度  相信大家對(duì)材料的強(qiáng)度這個(gè)詞是耳熟能詳了，平常中聽的最多的也是這個(gè)。由于載荷的不同，強(qiáng)度也分為：抗拉、抗壓、抗剪、抗扭、抗彎曲五種。我們所要關(guān)注的為抗拉強(qiáng)度，其他四種強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在一定的關(guān)系，可以用抗拉強(qiáng)度來(lái)推測(cè)。   圖1 拉伸曲線   圖1為材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)得到的曲線，這里我們不展開詳細(xì)描述，需要的注意的是以下幾點(diǎn)：   1. 脆性材料和塑性材料差異。 圖1中曲線為塑性材料的拉伸曲線，對(duì)于脆性材料（沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象），將產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，以 0.2表示。   2. 計(jì)算時(shí)用屈服強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度。 若不允許發(fā)生過(guò)量的塑性變形，以屈服強(qiáng)度 s 或 0.2 為依據(jù)；若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，以抗拉強(qiáng)度 b 來(lái)設(shè)計(jì)。   3. 手冊(cè)上給出的強(qiáng)度值是否可以直接使用。 一般的設(shè)計(jì)手冊(cè)中給出的強(qiáng)度值為采用標(biāo)準(zhǔn)試棒拉伸得到的。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試棒直徑一般較小，通常16mm，而且表面粗糙度較好，沒(méi)有應(yīng)力集中區(qū)域。有些手冊(cè)上針對(duì)不同的直徑段，也給出了相應(yīng)的強(qiáng)度值，但是依然比較籠統(tǒng)。正因如此，在中國(guó)通常我們使用 許用強(qiáng)度/應(yīng)力 ，它實(shí)際上是試棒試驗(yàn)的強(qiáng)度除以一個(gè)安全系數(shù)得到的數(shù)值。手冊(cè)上給出的許用值通常會(huì)比較保守。如果需要精確計(jì)算，則需要考慮更多的因素，如尺寸大小、應(yīng)力集中、表面處理、粗糙度等等，DIN743是個(gè)不錯(cuò)的參考資料。   4. 疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。 一般情況下，彎曲疲勞極限 bw=0.5 B，拉壓疲勞極限 zdw=0.4 B，扭轉(zhuǎn)疲勞極限 tw=0.3 B。   硬度  硬度是指，金屬表面上局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破壞的能力。通常在做材料檢測(cè)時(shí)，我們會(huì)打一下硬度，進(jìn)而判斷材料性能的好壞。實(shí)際上，硬度和強(qiáng)度并沒(méi)有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)換算關(guān)系，雖然有些標(biāo)準(zhǔn)給出了這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，它只能說(shuō)是大量實(shí)驗(yàn)得出的一種粗略換算關(guān)系。那為什么我們要用硬度呢？因?yàn)橛捕葯z測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作起來(lái)也比較方便，最重要的是它可以在不破壞零件的情況下進(jìn)行測(cè)量。雖然和強(qiáng)度不能一一對(duì)應(yīng)，但是大體上可以對(duì)材料進(jìn)行判斷。   (a)布氏硬度測(cè)量(HB)；(b)維氏硬度測(cè)量(HV)；(c)洛氏硬度測(cè)量(HR)   圖2 常用的硬度測(cè)試方式   圖2給出了三種硬度測(cè)試原理的示意圖，更多信息大家可以通過(guò)教材得以了解。下面我們看一下需要注意的地方：   1. 為什么有些硬度的用HBW, HBS, HRA, HRB, HRC等來(lái)表示。 后綴字母的區(qū)別是由于采用壓頭的材料或標(biāo)度不一樣。不同的后綴測(cè)定的硬度范圍是不一樣的，適用的材料也是不一樣的，需要注意。   2. 這三種硬度測(cè)試方法，什么時(shí)候應(yīng)用什么硬度？   布氏硬度 (HB)：適用于硬度較低和尺寸較大的材料，示值重復(fù)性好，一般不用于成品件測(cè)量。   洛氏硬度 (HR)：壓痕小，可用于成品件，較薄件的硬度測(cè)量，而且測(cè)量硬度范圍廣，但示值重復(fù)性較差，需多點(diǎn)取平均值，淬火鋼硬度的測(cè)量多用洛氏硬度。   維氏硬度 (HV)：可測(cè)量的硬度范圍最廣，而且不受試驗(yàn)力大小的影響，可用于測(cè)較薄的硬化層測(cè)量，但是由于其對(duì)試樣和操作者要求較高，目前主要集中用于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)材料研究以及科學(xué)試驗(yàn)方面。   表1 布氏硬度和抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系     塑性  塑性是指，材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。良好的塑性有利于金屬材料的冷沖壓成型加工，材料塑性好不好，通常我們通過(guò)伸長(zhǎng)率 和端面收縮率 兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。當(dāng) 時(shí)，無(wú)縮頸，為脆性材料表征；當(dāng) 時(shí)，有縮頸，為塑性材料表征。更多信息這里就不展開了，我們來(lái)看看有關(guān)塑性的問(wèn)題：   1. 材料塑性的意義是什么。   安全：防止產(chǎn)生突然破壞；   緩和：應(yīng)力集中；   軋制：擠壓等冷加工已變形，放開裂。   2. 材料塑性與強(qiáng)度的關(guān)系。 強(qiáng)度和塑性是一對(duì)矛盾的性能指標(biāo)，要想提高強(qiáng)度就要犧牲一部分塑性，反之改善塑性就必須犧牲一部分強(qiáng)度。不過(guò)可以通過(guò)熱處理，改善材料的金相組織來(lái)同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性。   韌性  我們實(shí)際中用到的很多零部件，有時(shí)會(huì)受到一個(gè)突然間的外力作用，我們稱之為沖擊載荷。在沖擊載荷的情況下，材料不僅要有較高的強(qiáng)度和硬度，還要有足夠的韌性，以防止沖擊帶來(lái)的破壞。   圖3 泰坦尼克的沉沒(méi)   正像文章的標(biāo)題提到的，泰坦尼克號(hào)的沉沒(méi)就是由于材料的沖擊韌性不達(dá)標(biāo)造成。這艘曾被稱作為 永不沉沒(méi)的船 和 夢(mèng)幻之船 的豪輪，在其處女航時(shí)和冰川撞上之后開裂而進(jìn)水沉沒(méi)。   圖4 擺錘沖擊試驗(yàn)   材料的沖擊韌性指標(biāo)Ak 通常采用擺錘式的沖擊功試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，材料的Ak 值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，Ak 值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為 韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk。   圖5 溫度對(duì)沖擊功的影響   Ak 值受到多種因素的影響，這里不作展開。考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：   1. 什么時(shí)候需要做沖擊功試驗(yàn)？ 如果零部件實(shí)際使用工況中存在沖擊性載荷，或在低溫狀態(tài)下使用時(shí)需要考慮沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)的溫度根據(jù)實(shí)際情況選擇，一般溫度越低，沖擊韌性越差。   2. Ak 值大的是不是一定比Ak 值小的沖擊韌性好？ Ak  值是將零部件做成一定試樣后來(lái)確定的，如果僅僅給出了Ak  值，但沒(méi)有標(biāo)明試樣的類型和尺寸，其Ak  值是不能直接比較的。   疲勞  處在交變應(yīng)力下的零部件，在其應(yīng)力值低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至有時(shí)低于屈服極限時(shí)就發(fā)生斷裂，我們稱之為疲勞。下圖為疲勞曲線圖。   圖6 疲勞曲線圖   影響材料的疲勞極限的因素有很多，包括：內(nèi)在的材料本身的表面特征和內(nèi)部缺陷，以及外部載荷力大小，循環(huán)次數(shù)等。一些內(nèi)在的因素我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)和制造工藝控制來(lái)提高，改善材料的疲勞應(yīng)力?？紤]以下問(wèn)題：   1. 計(jì)算中疲勞應(yīng)力如何??？ 在前面第一部分中，我們簡(jiǎn)要的提到了疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。這只是一個(gè)粗略的關(guān)系，精確計(jì)算疲勞極限時(shí)還要考慮很多因素。另外如果我們可以計(jì)算其循環(huán)次數(shù)，則我們可以適當(dāng)根據(jù)循環(huán)次數(shù)和疲勞曲線圖選擇較大的疲勞極限值，而不是一直用永久疲勞極限值。   2. 有哪些措施可以改善疲勞強(qiáng)度？   設(shè)計(jì)中避免尖角，缺口和截面突變；   提高表面加工質(zhì)量；   表面強(qiáng)化處理，如淬火，噴丸等。       更多相關(guān)信息》》》 鎳在鋼中的作用(Ni) 2019年中國(guó)土壤修復(fù)行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析 互聯(lián)網(wǎng)+ 推動(dòng)信息化智能化發(fā)展 合金元素Si在金屬中的作用 鉬元素在鋼中的作用 材料課堂24種常用金屬材料及特性！  失效分析現(xiàn)場(chǎng)直擊 某電廠汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析 新興不銹鋼材料-不銹鋼線材