材料力学、物理和化学性能及应用探讨

材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能。

1.材料的力学性能

金属材料受外力作用时所表现出来的性能称为力学性能。力学性能主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳性能等，它是选材、零件设计的重要依据。

1）强度

强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据外力加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。强度指标一般用单位面积所承受的载荷来表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指材料在被破坏前所能承受的最大应力值，用σb表示。对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，用抗拉强度作为其强度设计的依据。

2）塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ，均可通过金属拉伸实验测定。伸长率是指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率。断面收缩率指试样拉断后断面缩小的面积与原来截面积之比。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工、焊接的必要条件，也是保证机械零件工作安全、不发生突然脆断的必要条件。

3）硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的抗力。硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度测试法两种。

（1）布氏硬度。

布氏硬度的测试方法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。布氏硬度指标有HBS和HBW两种，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者所用压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450～650的材料，如淬火钢等。布氏硬度测试法压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。(www.xing528.com)

（2）洛氏硬度。

洛氏硬度的测试方法是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球为压头，以规定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种，如表1-1所示，其中HRC在生产中应用最为广泛。洛氏硬度测试操作迅速、简便、压痕小，不损伤工件表面，故适于成品检验。

表1-1　洛氏硬度的指标和适用范围

硬度测试设备简单、操作方便，并可根据硬度值估算出近似的抗拉强度值，因此在生产中得到广泛的应用。

4）冲击韧度

很多零件工作时受到很大的冲击载荷作用，如活塞销、连杆、冲模和锻模等。金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度，用αk表示，单位为J/cm2。冲击韧度常用摆锤式冲击试验机测定。αk值越大，则材料的韧度就越好。一般把αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整，呈晶状或瓷状，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。当机器零件承受冲击载荷时，不能只考虑静载荷的强度指标，还必须考虑金属材料抵抗冲击载荷的能力。

2.材料的物理性能和化学性能

物理性能、化学性能虽然不是结构设计的主要参数，但在某些特定情况下却是必须加以考虑的因素。

（1）材料的物理性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。

（2）材料的化学性能，包括耐腐蚀性、抗氧化性等。