5.2 金屬材料性能的基礎(chǔ)知識(shí)
金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個(gè)方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。
一.機(jī)械性能
（一）應(yīng)力的概念
物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力，在無(wú)外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力（例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過(guò)程結(jié)束后留存下來(lái)的殘余應(yīng)力…等等）。
（二）機(jī)械性能
金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時(shí)，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能（也稱為力學(xué)性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜態(tài)載荷，也可以是動(dòng)態(tài)載荷，包括單獨(dú)或同時(shí)承受的拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及摩擦、振動(dòng)、沖擊等等，因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)：
1.強(qiáng)度
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的大能力，可分為抗拉強(qiáng)度極限（σb）、抗彎強(qiáng)度極限（σbb）、抗壓強(qiáng)度極限（σbc）等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂，測(cè)定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有：
（1）強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的大應(yīng)力，一般指拉力作用下的抗拉強(qiáng)度極限，以σb表示，如拉伸試驗(yàn)曲線圖中高點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關(guān)系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa σb=Pb/Fo
式中：Pb–至材料斷裂時(shí)的大應(yīng)力（或者說(shuō)是試樣能承受的大載荷）；Fo–拉伸試樣原來(lái)的橫截面積。
σs=Ps/Fo 單位：兆帕（MPa） 式中：Ps –達(dá)到屈服點(diǎn)S處的外力（或者說(shuō)材料發(fā)生屈服時(shí)的載荷）。
對(duì)于塑性高的材料，在拉伸曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，而對(duì)于低塑性材料則沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗(yàn)方法中，通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。
屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是對(duì)于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比（即σs /σb）要小，以提高其安全可靠性，不過(guò)此時(shí)材料的利用率也較低了。
（3）彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的大應(yīng)力即為彈性極限，相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn)，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo 式中Pe為保持彈性時(shí)的大外力（或者說(shuō)材料大彈性變形時(shí)的載荷）。
（4）彈性模數(shù)：這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變δ（與應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα 式中α為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。
彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標(biāo)（金屬材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。
2.塑性
金屬材料在外力作用下產(chǎn)生*變形而不破壞的大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）表示：
延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對(duì)合起來(lái)后的標(biāo)距長(zhǎng)度L1與試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0之差（增長(zhǎng)量）與L0之比。
在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，同一材料但是不同規(guī)格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長(zhǎng)度）的拉伸試樣測(cè)得的延伸率會(huì)有不同，因此一般需要特別加注，例如常用的圓截面試樣，其初始標(biāo)距長(zhǎng)度為試樣直徑5倍時(shí)測(cè)得的延伸率表示為δ5，而初始標(biāo)距長(zhǎng)度為試樣直徑10倍時(shí)測(cè)得的延伸率則表示為δ10。
斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口*處小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實(shí)用中對(duì)于常用的圓截面試樣通?？赏ㄟ^(guò)直徑測(cè)量進(jìn)行計(jì)算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口*處小直徑。
δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。
3.硬度
金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，或者說(shuō)是材料對(duì)局部塑性變形的抵抗能力。因此，硬度與強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。根據(jù)硬度的測(cè)定方法，主要可以分為：
（1）布氏硬度（代號(hào)HB）
用一定直徑D的淬硬鋼球在規(guī)定負(fù)荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負(fù)荷的大小表示該試件的硬度：HB=P/F。在實(shí)際應(yīng)用中，通常直接測(cè)量壓坑的直徑，并根據(jù)負(fù)荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數(shù)值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越?。?nbsp;
布氏硬度與材料的抗拉強(qiáng)度之間存在一定關(guān)系：σb≈KHB，K為系數(shù)，例如對(duì)于低碳鋼有K≈0.36，對(duì)于高碳鋼有K≈0.34，對(duì)于調(diào)質(zhì)合金鋼有K≈0.325，…等等。
（2）洛氏硬度（HR）
用有一定頂角（例如120°）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負(fù)荷P作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下某個(gè)深度的壓痕。由 洛氏硬度機(jī)自動(dòng)測(cè)量壓坑深度并以硬度值讀數(shù)顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越?。?。根據(jù)壓頭與負(fù)荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種，其中以HRC為常用。
洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下?lián)Q算關(guān)系：HRC≈0.1HB。
除了常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外，還有維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、顯微硬度以及里氏硬度（HL）。
這里特別要說(shuō)明一下關(guān)于里氏硬度，這是目前穎的硬度表征方法，利用里氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其檢測(cè)原理是：
里氏硬度計(jì)的沖擊裝置將沖頭從固定位置釋放，沖頭快速?zèng)_擊在試件表面上，通過(guò)線圈的電磁感應(yīng)測(cè)量沖頭距離試件表面1毫米處的沖擊速度與反彈速度（感應(yīng)為沖擊電壓和反彈電壓），里氏硬度值即以沖頭反彈速度和沖擊速度之比來(lái)表示：HL=(Vr/Vi)·1000
式中：HL-里氏硬度值；Vr-沖頭反彈速度；Vi-沖頭沖擊速度（注：實(shí)際應(yīng)用裝置中是以沖擊裝置中的閉合線圈感應(yīng)的沖擊電壓和反彈電壓代表沖擊速度和反彈速度）。
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