金属材料性能及力学性能的强度指标

1.金属材料的力学性能

任何机器工作时都会受到外力（载荷）的作用，如行车吊运重物，钢丝绳会受到重物拉力的作用；车床导轨会受到工件、工具等重量的作用；汽车发动机曲轴会受到拉力、压力甚至交变外力和冲击力的作用等。在这些外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗破坏的能力称为力学性能。反映力学性能的指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

（1）强度 金属的强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。按载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗扭强度、抗弯强度和抗剪强度。各种强度之间有一定的联系，一般以抗拉强度作为金属材料的强度指标。

抗拉强度是通过拉伸试验来测定的，如图3-1所示。其方法是把一定尺寸和形状的金属试样装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生变形量之间的关系，可得到相应的应力—应变曲线，如图3-2所示。根据拉伸曲线可确定有关的力学性能。

图3-2中可分为以下几个变形阶段：

Oe——弹性变形阶段：试样的变形量与外加载荷成正比，载荷卸掉后，试样恢复到原来的尺寸。

es——屈服阶段：此时不仅有弹性变形，还发生了塑性变形，即载荷卸掉后，一部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复，形变不能恢复的变形称为塑性变形。s点为屈服点。

sd——明显塑性变形阶段：该阶段载荷不再增加，试样却继续均匀变形。

db——强化阶段：为使试样继续均匀变形，载荷必须不断增加。

bk——缩颈阶段：当载荷达到最大值时，试样的直径发生明显局部收缩，称为“缩颈”，此时变形所需的载荷逐渐降低。

k点——试样发生断裂。

金属材料的强度指标根据其变形特点分为下列几个：

弹性极限值σ_e：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。

屈服极限（屈服强度）σ_s：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力。有些材料（如铸铁）没有明显的屈服现象，则用条件屈服极限来表示，即产生0.2%残余应变时的应力值，用符号σ_0.2表示。

强度极限（抗拉强度）σ_b：表示金属受拉时所能承受的最大应力。

图3-1 式样在拉伸变形

图3-2 低碳钢的应力—应变图

σ_s、σ_0.2、σ_b是机械零件和构件设计以及选材的主要依据。

（2）塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下断裂前发生永久变形的能力。塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用延伸率和断面收缩率来表示。

延伸率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率，用符号δ表示

式中，L₀为试样的原始标距长度（mm）；L₁为试样拉断后的标距长度（mm）；ΔL为伸长量。

断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率，用符号ψ表示。

式中，S₁为试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm²）；S₀为试样的原始横截面积（mm²）；ΔS为试样缩颈处横截面积的最大缩减量（mm²）。

塑性是材料的一个重要指标，δ和ψ数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件，例如，工业纯铁延伸率可达50%，断面收缩率可达80%，可以拉制细丝、轧制薄板等。塑性好的材料在使用中能够保证材料不会因为稍有超载而突然断裂，这样就增加了材料使用的安全性。

（3）硬度 硬度是指材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是金属材料重要的机械性能之一。硬度值可间接地反映金属的强度及金属在化学成分和热处理工艺上的差异。

材料的硬度值是按一定方法测出的数据，不同方法在不同条件下测量的硬度值，因含意不同，其数据也不同，因此一般不能进行相互比较。

最常用的硬度测试方法有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法、维氏硬度试验法三种。

1）布氏硬度。把规定直径的淬火钢球或硬质合金球以一定的试验力压入试样表面，如图3-3所示，保持规定时间后卸除试验力，然后测量表面压痕直径，根据式（3-3）计算出布氏硬度值。

式中，F为荷载（N）；D为球体直径（mm）；d为压痕平均直径（mm）。实际测量时，可通过相应的压痕直径与布氏硬度对照表查得硬度值。

根据所用压头不同写为HBS或HBW。当压头为淬火钢球时用HBS表示；当压头为硬质合金钢球时用HBW表示。

其标写方法为：在符号HBS或HBW前用数字表示其硬度值，符号后按以下顺序表示。试验条件：球体直径/试验力/试验力保持的时间（10～15s不标注）。例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750表示用直径为5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为530。

优点：数据准确、稳定、重复性强，具有较高的测量精度。

缺点：操作时间较长，对不同材料需要不同压头和试验力，压痕测量较费时；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确。

布氏硬度主要适用于各种退火或调质处理的钢、铸铁、有色金属等。

2）洛氏硬度。洛氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，保持规定时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值，如图3-4所示。

图3-3 布氏硬度测量原理图

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图3-4 洛氏硬度测量原理图

为了用一台硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最广泛。

各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，但可用试验测得的换算表相互比较。

洛氏硬度的表示方法：符号HR之前的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。例如45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。

洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便；可测量成品及较薄的工件；测量硬度值范围大。其缺点是试验资料不稳定。对铸铁等均匀性较差的材料不宜采用。

适合于测量各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后工件、表面热处理工件及硬质合金等。

3）维氏硬度。维氏硬度的测试原理和布氏硬度的测试原理基本相同，所不同的是维氏硬度所用的压头是顶角为136°的金刚石正四棱锥体。维氏硬度应用比较少，本书不详细叙述。

（4）冲击韧性 许多零件在工作中，往往不是单纯承受静载荷作用，还要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。

金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性，如图3-5所示。

图3-5 冲击试验示意图

1—摆锤 2—机架 3—试样 4—刻度盘 5—指针

冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。必须说明的是，标准试样缺口有U形和V形两种，其冲击吸收功应分别用A_KU和A_KV表示，冲击韧性则应分别用α_KU和α_KV表示。

一般来说，材料强度大、塑性高，其冲击韧性大。冲击韧性除了与材料的化学成分和显微组织有关以外，还与加载速度、试验时的温度、材料的表面质量及冶金质量有关。加载速度越高、试验温度越低、材料的表面质量及冶金质量越差，测得的冲击韧性值就越低。

在一次冲断条件下，测得的冲击韧性值对于判断材料抵抗大能量冲击的能力有一定意义。当材料承受的载荷是小能量、多次冲击时，如果冲击能量低，冲击次数较多，则材料的冲击韧性主要取决于材料强度。材料强度高，则冲击韧性较好。如果冲击能量大、冲击次数较少，则冲击韧性主要取决于材料塑性，材料塑性越高，则冲击韧性较好。此外，冲击韧性还受外界温度的影响，因为塑性材料随着温度的降低也会逐渐变脆，从而使其冲击韧性降低。这一点对低温工作的零件影响较大，所以冲击韧性值一般只作设计和选材的参考。

（5）疲劳强度 汽车中高速旋转的传动轴会发生突然断裂，使用频繁的弹簧会脆断，气缸盖上的螺栓会断裂，变速齿轮会产生崩齿，这些现象常常是由于金属疲劳所引起的。汽车中的轴、齿轮、轴承、弹簧等零件，在工作过程中各点所受应力随时间做周期性的变化，这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。

在交变应力作用下，虽然零件工作中所承受到的应力值远低于材料的抗拉强度σ_b，甚至小于屈服点σ_s，但经过应力较长时间的作用也会使工件产生裂纹或发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳，这种断裂方式称为疲劳断裂。各种材料发生疲劳断裂时，都不会产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，所以具有很大的危险性。据统计，损坏的机械零件中，有80%以上是由于金属的疲劳造成的。

把试样承受无限次应力循环不破坏或达到规定的循环次数才断裂的最大应力，作为材料的疲劳强度。

金属的疲劳强度受到很多因素的影响，主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳强度。

2.金属材料的工艺性能

机械零件在制造过程中对其材料进行加工，如铸造、焊接、切削等。为了使工艺简单、产品质量好、成本低，必须考虑金属材料的工艺性能。工艺性能实际上是材料的力学性能、物理性能和化学性能的综合表现。

（1）铸造性能 铸造是将熔化的金属或合金，注入铸型型腔内以获得相应铸件的工艺方法。金属的铸造性能是指能否将金属材料用铸造方法制成优良铸件的性能。它取决于金属的流动性、收缩性和偏析等。生产中常根据金属的铸造性能，调整铸造工艺，以获得合格的铸件。

流动性好的金属，其充填铸型的能力较强，浇注后的铸件轮廓清晰，无浇注不足现象。收缩率小的金属，铸件冷却后缩孔小、表面无空洞、不容易因收缩不均匀而引起开裂，尺寸比较稳定。流动性的好坏主要与金属的性质有关，关键是化学成分。例如铸铁与铸钢相比，由于铸铁的含碳量高、熔点低而流动性好，它可以浇注较薄的铸件。

收缩性是指金属浇注后在铸型中凝固时铸件体积的收缩量。铸件的几种主要缺陷如裂纹、疏松、变形等，都与金属的收缩率有关。因此，要获得性能良好的铸件，应选用收缩率小的金属。

偏析即金属凝固后其化学成分的不均匀性，严重的偏析将影响到铸件的力学性能及化学性能。

铸造能生产其他工艺方法难以获得的箱体、壳体等形状复杂、大小不等的零件的毛坯。

铸铁、钢、有色金属是常用的铸造材料，其中灰铸铁和青铜铸造性能较好。

（2）焊接性能 焊接是将两部分金属，通过加热或加压借助原子间的结合力，使它们牢固地连接成整体的工艺方法。可分为熔化焊、压力焊、钎焊三种，以熔化焊使用最广泛，其中又以电弧焊和气焊应用最普遍。

所谓焊接性能，是指能否将金属用一定的焊接方法，焊成优良接头的性能。它可以通过焊接试验来评定，其主要标准是产生裂缝的可能性和裂纹的多少，以及有无气孔产生。焊接性能好的金属易于用一般的焊接方法与工艺进行焊接，焊接时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，接头的强度与母材相近。焊接性能差的材料，必须使用特殊工艺和方法进行焊接。

焊接后金属产生裂纹的可能性与金属本身的化学成分和性能有关。例如碳钢的焊接性能比合金钢好；合金元素含量低的焊接性能就比合金元素高的好；含碳量低的碳钢焊接性能比含碳量高的好。铸铁由于组织中存在石墨，所以焊接性能较差。

焊接的优点：减轻零件或结构件的重量，生产周期短，效率高，成本低；焊接结构的强度高，气密性好；能节约金属，减少切削加工量，并能制造锻造、铸造等加工工艺无法生产的大型容器和框架结构件等。例如汽车车身、车架一般是焊接而成。

（3）切削加工性能 所谓金属的切削加工性能，是指用刀具进行金属零件加工的难易与经济程度。某种金属的切削加工性能好，是指它经过切削加工成为合格产品的难度小；反之就说其切削性能差。金属的切削性能包括几个方面：允许的切削速度、经切削后能达到的表面粗糙度等级、切削时的动力消耗以及对刀具的磨损程度等。

金属切削性能主要依据金属的硬度、韧性来判定，硬度过大、过小或韧性过大则切削加工性能差。灰口铸铁及硬度在HBW150～HBW250的钢切削性能较好。太软的钢切削时不易断屑，容易黏刀，从而影响加工质量，并影响切削速度的提高；而太硬的钢则难以切削，会使得刀具寿命过短，甚至无法进行切削加工。

（4）压力加工与锻压性能 所谓压力加工性能，是指能否用压力加工方法将金属加工成优良工件的性能。金属压力加工性能的好坏，主要取决于金属本身塑性的好坏和变形抗力的大小。

压力加工是使金属在体积不变的前提下，经外力作用产生塑性变形而成形，并改善组织和性能。所以塑性越好，金属产生的塑性变形量越多，成形越方便；变形抗力越小，金属越容易变形，所用的压力就可以减小，设备的动力可以减小。

金属的压力加工方法很多，有自由锻、模锻、轧制、拉制、挤压、冲压等。它们可以生产金属的原材料（如各类型材），也可以生产零件或毛坯。使用普遍的是锻造，包括自由锻和模锻。

锻造是使加热后的工件坯料利用静压力或冲击力作用而产生塑性变形，从而获得一定形状工件的工艺方法。常以生产零件毛坯为主，精密锻造也可以直接制成零件。

金属的锻压性能是指金属锻压的难易程度。若金属在锻压时塑性好、变形抗力小则说明该金属锻压性能好，它取决于金属的化学成分、组织结构及变形条件。

常用金属中低碳钢、中碳钢及部分有色金属和合金锻压性能良好，脆性材料例如铸铁不能锻造。有些金属在加热状态下可以锻造，但在常温下不能锻造。

（5）金属的热处理性能 金属的热处理性能是指金属能否通过热处理工艺来改善或提高金属的力学性能。有色金属一般不易进行热处理。通常碳钢、合金钢可以用热处理来改变其内部组织结构，甚至改变金属表面一定厚度材料的化学成分，以达到改善材料力学性能的目的。中碳钢、高碳钢及中碳合金钢、高碳合金钢具有较好的热处理工艺性。