金屬材料的力學(xué)性能有哪些？

金屬材料具有許多良好的性能，因此被廣泛地應(yīng)用于制造各種構(gòu)件、機(jī)械零件、工具和日常生活用具。金屬材料的性能包含工藝性能和使用性能兩方面。工藝性能是指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能(如鑄造性能、可鍛性能、焊接性能及切削加工性能等)；使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，它決定了材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性及使用壽命，包括力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能。

金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用時抵抗變形和破壞的能力，表現(xiàn)為剛性(剛度)、彈性、強度和塑性等。它是設(shè)計人員與工藝人員zui為關(guān)心的一個重要問題，是設(shè)計和制造零件zui重要的指標(biāo)，也是評定材料質(zhì)量和熱處理工藝的重要參數(shù)。首先，掌握材料的力學(xué)性能是設(shè)計零件、選用材料時的重要依據(jù)，根據(jù)力學(xué)性能的狀況才能決定該材料能否滿足零件的要求。其次，材料的力學(xué)性能指標(biāo)也是控制材料質(zhì)量的重要參數(shù)。每種金屬材料，除了對其化學(xué)成分范圍作了規(guī)定之外，還對它的力學(xué)性能(一定尺寸的試樣，在一定的加工及熱處理狀態(tài)下的性能)指標(biāo)作了較詳細(xì)的規(guī)定。只有達(dá)到所規(guī)定的性能指標(biāo)的材料才算是合格的，才能作為制造各類零件的原材料。

機(jī)械零件都在一定的工作條件下服役，不僅尺寸和形狀千差萬別，而且受力狀況和工作環(huán)境也各式各樣。要找到一個能滿足各不相同的工作條件的力學(xué)性能指標(biāo)是不可能的，也是不現(xiàn)實的。工作條件通常是指它們在工作時受到力、介質(zhì)及溫度等的作用。對所有的零件來說，總是受到外力(載荷)的作用，根據(jù)作用載荷的性質(zhì)可分為靜載荷、沖擊載荷、動載荷和摩擦力等。此外，有些零件和制品除受力作用外，還在一定的腐蝕性介質(zhì)及溫度等特殊環(huán)境下工作，如化工機(jī)械、水力機(jī)械、汽輪機(jī)葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和鍋爐等。所以，只能根據(jù)載荷的性質(zhì)(靜載、動載、交變載荷)、所接觸的外界環(huán)境(溫度的高低、介質(zhì)的性質(zhì))等對材料在特定的條件下進(jìn)行試驗，取得一定的性能指標(biāo)，以其作為檢定材料質(zhì)量及設(shè)計零件時選用材料的依據(jù)。在測定材料力學(xué)性能指標(biāo)中zui簡便zui通用的方法是用光滑試樣在單軸拉伸試驗中測定的(如屈服極限、強度極限等這些常用指標(biāo))；更簡便的而不必破壞樣品的試驗法是硬度試驗法。所測得的硬度值同拉伸試驗時所求的強度值有一定的對應(yīng)關(guān)系；而且對脆性材料來講，硬度法能測得拉伸試驗無法測得的數(shù)據(jù)。

為了測定材料在動態(tài)載荷下以及在低溫度下的特性，采用了沖擊韌性試驗法，以測定金屬斷裂時所需之功，從而判斷材料在使用中的安全可靠程度。近年來，發(fā)展起來的斷裂力學(xué)，將材料的斷裂過程與裂紋擴(kuò)展時所需之功起來，規(guī)定了材料的 斷裂韌性值 ，它對地估價材料使用壽命和設(shè)計可靠運轉(zhuǎn)的機(jī)件具有指導(dǎo)意義。

在交變載荷下工作的零件，需要材料有高的疲勞極限；在高溫下受力的零件需要材料有高的蠕變抗力。對于這些性能，一方面要從材料的成分及組織上盡量予以保證；另一方面也要通過設(shè)計合理的試驗方法盡可能地使試驗所測得的性能能夠更好地符合零件的實際工作狀況。

1. 彈性、塑性及強度

金屬變形的三個階段：金屬在外力作用下的行為可由低碳鋼的拉伸曲線全面地顯示出來，可分為彈性變形(elastic deformation)、塑性變形(plastic deformation)和斷裂(fracture)三個階段。

2. 硬度(hardness)

所謂硬度乃是材料對一更硬物體壓入其內(nèi)時所表現(xiàn)的抵抗力。常采用壓痕的深度，或壓痕單位表面積所承受的載荷值作為硬度值高低的指標(biāo)。常用的硬度檢查方法有布氏硬度法、洛氏硬度法、維氏硬度法等。硬度試驗較之拉伸試驗有一個很大的優(yōu)點，就是不必破壞樣品(尤其像壓痕很小的維氏硬度試驗)，而且對試樣的要求不像拉伸試樣那么嚴(yán)格；其次，同拉伸試驗另一個不同點是，硬度試驗是在壓應(yīng)力下進(jìn)行的，這種應(yīng)力狀態(tài)對于材料的塑性變形更為有利。因此，對于脆性較大的材料，如淬硬的鋼材、硬質(zhì)合金等，只能通過硬度測量對其性能進(jìn)行評價，而其他試驗方法(如拉伸、彎曲等)則無能為力。再者，對于塑性材料(大部分金屬材料)，在其硬度值與強度極限、屈服極限之間都存在著一定的內(nèi)在關(guān)系，故可以通過簡便的硬度測量而對其他強度性能指標(biāo)作出半定量的估計，這在生產(chǎn)實際中是非常有用的。

布氏硬度(brinell hardness)法、洛氏硬度(rockwell C hardness)法、維氏硬度(vickers hardness)法

3. 沖擊韌性(impact toughness)

沖擊就是以很大的速度將負(fù)荷(沖擊負(fù)荷)作用到機(jī)器零件上去的一種加載方式，在機(jī)械設(shè)計中必須考慮沖擊問題，盡可能地使它們不受沖擊負(fù)荷的作用。當(dāng)然，生產(chǎn)上有時要利用沖擊負(fù)荷來實現(xiàn)靜負(fù)荷難以實現(xiàn)的效果，如沖床、鍛錘、鑿巖機(jī)、鉚釘槍等都是利用沖擊負(fù)荷進(jìn)行工作的。材料的韌性同其屈服應(yīng)力和塑性有一定的關(guān)系。而材料的屈服應(yīng)力與塑性值則又同應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、溫度因素等有密切的關(guān)系。因此，通過對韌性的測定不僅能靈敏地反映出組織的特征，而且還能反映出變形速度及溫度對韌性的影響。

4. 斷裂韌性(fracture toughness)

材料的斷裂是由于裂紋在應(yīng)力作用下失穩(wěn)而擴(kuò)展的結(jié)果，因此，材料的實際斷裂應(yīng)力應(yīng)與原始的裂紋長度有關(guān)，并與材料抵抗裂紋迅速擴(kuò)展的能力有關(guān)。

5. 疲勞強度(fatigue strength )

所謂疲勞是指零件在遠(yuǎn)離該材料屈服極限為低的交變應(yīng)力較長時間作用下，在沒有明顯的塑性變形征兆下所發(fā)生的一種破壞形式。疲勞斷口的宏觀特征通常呈現(xiàn)為兩個斷裂區(qū)：即平滑區(qū)和粗粒狀區(qū)。由于疲勞破壞的突然性，無論是脆性材料還是韌性材料，在破壞前都不出現(xiàn)明顯的材料的 疲勞極限 。影響材料的疲勞應(yīng)力的因素是非常多的，除了材料本身的材質(zhì)外，零件的尺寸和形狀、零件表面的粗糙度、零件表層中的內(nèi)應(yīng)力的性質(zhì)和分布狀態(tài)、零件所處的環(huán)境、介質(zhì)以及交變應(yīng)力的幅度、性質(zhì)及頻率等都對疲勞應(yīng)力有影響。
材料的疲勞問題是目前研究材料力學(xué)性能方面的一個極為重要的領(lǐng)域。

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