金属材料的力学性能优化探析

金属材料的力学性能是指金属材料在外载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的强度指标有屈服强度、抗拉强度等。强度指标一般可通过拉伸试验来测定。

材料的材质不同，拉伸曲线形状也不相同。如图1-1所示为退火低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长Δl，单位为mm。拉伸过程可分为弹性变形、屈服、塑性变形和缩颈等几个阶段。

图1-1 退火低碳钢的拉伸曲线

（1）Oe——弹性变形阶段

试样的伸长量与载荷成正比增加，当载荷不超过F_e时，拉伸曲线近乎为一条直线，此时若卸载，试样能完全恢复原状。

（2）es——屈服阶段

当载荷超过F_e时，试样除产生弹性变形外，还开始出现塑性变形，此时若卸载，试样的伸长只能部分恢复。当载荷增加到F_s时，在s点附近曲线上出现平台，即载荷不增加，试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。

（3）sb——塑性变形阶段

载荷超过F_s后，试样开始产生明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。

（4）bk——缩颈阶段

载荷达到最大值F_b后，试样局部开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，由于截面积减小，试样变形所需载荷也随之降低，k点时试样发生断裂。

金属材料的强度是用应力来度量的。应力是指单位截面积上的内力，用σ表示。常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

（1）屈服强度σ_s

屈服强度又称屈服点，是指在拉伸试验过程中，载荷不增加而试样仍然能继续伸长时的应力，即材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，单位MPa：

式中 F_s——试样发生屈服现象时的载荷（N）；

S₀——试样原始截面积（mm²）。

屈服强度表征金属发生明显塑性变形的抗力，因此它是机械设计的主要依据。

（2）抗拉强度σ_b

抗拉强度σ_b是指材料在断裂前所承受的最大应力值，即：

式中 F_b——试样断裂前所承受的最大载荷（N）；

S₀——试样原始截面积（mm²）。

抗拉强度表征材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，是设计机械零件和选材的主要依据。

塑性是指金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。在载荷消失后留下来的这部分不可恢复的变形，称为塑性变形。

塑性指标也是通过拉伸试验来测定的。常用的指标有断后伸长率和断面收缩率等。

（1）断后伸长率(www.xing528.com)

断后伸长率（又称伸长率）是指试样拉断后标距的伸长量L₁-L₀与原始标距L₀的比值，用δ表示，即：

式中 L₁——试样拉断后标距的长度（mm）；

L₀——试样的原始标距（mm）。

（2）断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断处横截面积的减小量S₀-S₁与原始横截面积S₀的比值，用ψ表示，即：

式中 S₁——试样拉断后断裂处的最小横截面积（mm²）；

S₀——试样的原始横截面积（mm²）。

很显然，断后伸长率δ和断面收缩率ψ越大，说明材料的塑性变形越大，也就是材料的塑性越好。

硬度是指金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。常用的测量硬度的方法是压入硬度法。

布氏硬度试验是指在一定的载荷F作用下，将一直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球压入到被测材料的表面，保持一定的时间后卸载，以压痕单位面积上所受试验力的大小来确定被测金属材料的布氏硬度值，用符号HB表示。

表示布氏硬度值时应同时标出压头类型，当试验压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。

布氏硬度实验的压痕面积较大，能较好地反映材料的平均硬度；数据较稳定，重复性好。但操作时间长，压痕测量较费时，不适合测量成品及薄件材料。

目前，布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属及各种软钢等硬度不是很高的材料。HBS适于测量布氏硬度小于450的材料，HBW适于测量布氏硬度小于650的材料。

测定洛氏硬度是将压头（顶角为120°的金刚石圆锥体、钢球和硬质合金）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测得在初试验力的残余压痕深度h。根据压痕深度最终确定其硬度值。

洛氏硬度计采用A、B、C三种标尺对不同硬度材料进行试验，硬度分别用HRA、HRB、HRC表示，硬度值标在符号前，如45HRC。

洛氏硬度试验测量迅速简便，压痕较小，可直接测量薄件或成品；但测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有关系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。

维氏硬度试验（符号为HV）可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。

维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，因此材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测尺寸厚大的材料，又可测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值测定较繁琐，工作效率较低。

冲击韧度是指金属材料在冲击载荷作用下，抵抗变形、破坏的能力，通常用一次摆锤冲击试验来测定，用冲击吸收功表示冲击韧度的大小。

疲劳断裂是指在交变载荷的作用下，零件（或构件）经过长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。许多零件，如齿轮、曲轴和滚动轴承等，都是在交变载荷下工作的。

疲劳强度是指材料经无限次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力值。如图1-2所示为通过试验测定的材料交变应力σ和断裂前应力循环次数N之间关系的疲劳曲线示意图。曲线表明材料受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少，反之，则N越大。当应力低于一定值时，试样经无限次循环也不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，用σ_r表示。

图1-2 疲劳曲线示意图

1）金属材料的物理性能 是指金属在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性和磁性等。

2）金属材料的化学性能 是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等。

3）金属材料的工艺性能 是指金属在制造机械零件过程中，适应各种冷、热加工的性能。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。