項(xiàng)目一

金屬材料的力學(xué)性能工作情景描述

金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)包括硬度測試、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，主要用于測試金屬材料的硬度、強(qiáng)度和塑性，以及韌性的高低。硬度測試使用一般的硬度計(jì)，學(xué)生可在觀看教師演示后，自行對不同材料進(jìn)行硬度測試。拉伸試驗(yàn)是使用拉伸試驗(yàn)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)試樣承受一定軸向載荷的情況下測定試樣材料特性的一種試驗(yàn)方法，其操作過程具有一定的技術(shù)含量和危險(xiǎn)性，需要在教師指導(dǎo)下完成。沖擊試驗(yàn)也需在教師指導(dǎo)下，由學(xué)生完成。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢而均勻地增加載荷，仔細(xì)觀察測力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)和繪圖裝置繪出的圖像。注意捕捉并記錄屈服載荷值，用以計(jì)算屈服強(qiáng)度ReL，在屈服階段注意觀察滑移現(xiàn)象。屈服階段過后，載荷增加速度提高。將要達(dá)到最大載荷值時(shí)，注意觀察“縮頸”現(xiàn)象。試件斷裂后，立即停車，記錄最大載荷值。學(xué)生接受試驗(yàn)任務(wù)后，先制訂工作計(jì)劃，熟悉硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)等的使用方法，然后動(dòng)手進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，要掌握金屬材料力學(xué)性能測試的原理及方法，對金屬材料力學(xué)性能的基本概念有一定了解。最后，對整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行總結(jié)。學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握本項(xiàng)目的重點(diǎn)知識—金屬材料的力學(xué)性能。2.學(xué)會利用掌握的知識對日常生活中的現(xiàn)象進(jìn)行分

析思考，對遇到的實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)的解釋。3.能進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，并能對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

任務(wù)一

參觀金屬材料實(shí)訓(xùn)室一、學(xué)習(xí)《精密實(shí)訓(xùn)室安全管理制度》

參觀金屬材料實(shí)訓(xùn)室前，學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)《精密實(shí)訓(xùn)室安全管理制度》，其主要內(nèi)容如下。（1）學(xué)生進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室前，必須進(jìn)行安全教育和文明生產(chǎn)教育。（2）進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室前，要穿戴好工作服，女同學(xué)要戴好工作帽。（3）實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的所有儀器設(shè)備，只供實(shí)訓(xùn)室專用，私人不得外借。因公借用，需經(jīng)實(shí)訓(xùn)室負(fù)責(zé)人同意，并做好借用登記。（4）儀器設(shè)備由專人保管，定期檢查。儀器設(shè)備要建立統(tǒng)一的賬冊，做到物、賬、卡相符。（5）儀器設(shè)備擺放有條理，做到防塵、防振、防腐蝕、防火和防盜。（6）學(xué)生在進(jìn)行試驗(yàn)前應(yīng)明確試驗(yàn)?zāi)康模莆赵囼?yàn)原理、操作步驟和方法。（7）嚴(yán)格執(zhí)行儀器設(shè)備的操作規(guī)程，不準(zhǔn)盲目使用儀器設(shè)備。儀器設(shè)備的使用說明書要?dú)w檔保管。（8）為提高儀器設(shè)備的利用率并延長其使用壽命，應(yīng)定期對儀器設(shè)備進(jìn)行檢查和維修。（9）需由專業(yè)人員操作的儀器設(shè)備，其他人員未經(jīng)專業(yè)人員同意不得擅自操作使用。（10）凡使用儀器設(shè)備均應(yīng)執(zhí)行安全操作規(guī)程，遵守管理制度。凡因責(zé)任事故，造成儀器設(shè)備損壞和丟失者，除對責(zé)任人進(jìn)行批評教育外，還要責(zé)令其賠償相應(yīng)損失。（11）試驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)按要求認(rèn)真做好設(shè)備的清潔保養(yǎng)工作及周圍場地的清潔衛(wèi)生，將儀器設(shè)備和零部件擺放整齊，并關(guān)閉電源。經(jīng)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師檢查合格后，方可離開。二、認(rèn)識拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是利用拉伸試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的靜拉力或靜壓力，對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸或壓縮，同時(shí)連續(xù)測量變化的載荷和試樣的伸長量，直至試樣斷裂或破裂，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算出試樣的相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)。當(dāng)材料在彈性范圍內(nèi)工作時(shí)，根據(jù)胡克定律可得出材料的彈性系數(shù)。拉伸試驗(yàn)機(jī)如圖三、7S現(xiàn)場管理規(guī)范1）7S現(xiàn)場管理規(guī)范內(nèi)容1S：整理（Seiri）；2S：整頓（Seiton）；3S：清掃（Seiso）；4S：清潔（Seiketsu）；5S：素養(yǎng)（Shitsuke）；6S：安全（Safety）；7S：節(jié)約（Saving）。2）設(shè)立7S現(xiàn)場管理規(guī)范的目的通過設(shè)立7S現(xiàn)場管理規(guī)范，可以營造一個(gè)一目了然、沒有安全隱患的工作環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生和工人良好的工作習(xí)慣。同時(shí)也能提高工作效率，生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，減少浪費(fèi)，節(jié)約物料成本和時(shí)間成本。1、通過拉伸試驗(yàn)機(jī)可以測定金屬材料

的什么性能？2、拉伸試驗(yàn)機(jī)的工作原理？

任務(wù)二

基本力學(xué)性能測定任務(wù)引導(dǎo)

課前通過查閱資料，回答如下問題。1.基本知識教學(xué)講解金屬材料的強(qiáng)度和塑性（1）金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力稱為

。按外力的作用性質(zhì)，可分為

、

和

。（2）當(dāng)外力消失后，隨機(jī)消失的變形稱為

，當(dāng)外力去除后，不能夠恢復(fù)的永久性變形稱為

。（3）金屬材料的力學(xué)性能有哪些？（4）拉伸試驗(yàn)可以測定金屬材料的

和

。（5）拉伸試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣的型號一般有

和

。兩種。（6）圖1-2-1所示為拉伸試驗(yàn)所需的圓形拉伸試樣，其中d0是試樣的直徑，l0為試樣的標(biāo)距長度。根據(jù)標(biāo)距長度與直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）兩種。2.拉伸試驗(yàn)過程

準(zhǔn)備好的試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)上，平穩(wěn)地增加載荷，直至將試樣拉斷。典型塑性材料低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-2-2所示。圖中縱坐標(biāo)表示拉力F，單位為N；橫坐標(biāo)表示伸長量Δl，單位為mm。根據(jù)該應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，低碳鋼的拉伸過程可以分為以下四個(gè)階段。1）Oe—彈性變形階段試樣在外力作用下均勻伸長，伸長量與拉力大小保持

關(guān)系，e點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性強(qiáng)度或彈性極限。此階段的特點(diǎn)是去掉載荷后，應(yīng)力消失，變形消失，即當(dāng)應(yīng)力不作用時(shí)試樣可以恢復(fù)原樣。2）es—屈服階段試樣所受載荷超過e點(diǎn)后，材料除產(chǎn)生彈性變形外，開始出現(xiàn)塑性變形，即應(yīng)力消失時(shí)，變形不會

，并且拉力與伸長量之間不再保持正比例關(guān)系。拉力達(dá)到圖形中s點(diǎn)后，即使拉力不再增加，材料仍會伸長一定長度，此現(xiàn)象稱為“屈服”。這是材料從彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段的一個(gè)標(biāo)志。

3）sb—塑性變形階段試樣所受的載荷大小超過s點(diǎn)后，試樣的變形隨拉力的增大而逐漸增大，試樣發(fā)生均勻而明顯的塑性變形。4）bz—縮頸階段當(dāng)試樣所受的力達(dá)到b點(diǎn)后，試樣在標(biāo)距長度內(nèi)直徑明顯地出現(xiàn)

現(xiàn)象，即“縮頸”現(xiàn)象。2.拉伸試驗(yàn)過程一、強(qiáng)度指標(biāo)定義金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度。金屬材料強(qiáng)度越高，可承受的載荷越大。對于大多數(shù)機(jī)械零件，工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，因此，屈服強(qiáng)度是機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對于因斷裂而失效的零件，可采用抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。1.屈服強(qiáng)度

用eL屈服強(qiáng)度是指在拉伸過程中，力不繼續(xù)增加（保持恒定），材料仍能繼續(xù)伸長（產(chǎn)生變形）時(shí)的應(yīng)力，單位為MPa。試樣發(fā)生屈服時(shí)，作用力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服強(qiáng)度，用

表示；在屈服階段，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力稱為下屈服強(qiáng)度，用

表示。一般用下屈服強(qiáng)度代表金屬的屈服強(qiáng)度，即一、強(qiáng)度指標(biāo)有些材料在拉伸時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法測定

，因此規(guī)定，以去掉拉伸力后，材料標(biāo)距部分的殘余伸長量達(dá)到規(guī)定原始標(biāo)距長度0.2%時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力，作為該材料的條件屈服強(qiáng)度，用符號

表示。零件工作時(shí)一般不允許產(chǎn)生塑性變形。因此

或者

是設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要參數(shù)。2.抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是指材料在被拉斷前所能承受的最大拉應(yīng)力，用符號

表示，單位為MPa，

3.屈強(qiáng)比

與

的比值稱為屈強(qiáng)比，屈強(qiáng)比越小，零件工作時(shí)的可靠性越高。因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)超載荷情況，零件也不會立即斷裂。但屈強(qiáng)比太小，材料強(qiáng)度的有效利用率會有所降低。二、塑性指標(biāo)金屬材料在斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力稱為

。塑性指標(biāo)也可以在拉伸試驗(yàn)中測定，常用的塑性指標(biāo)是

和

。

1.斷后伸長率斷后伸長率是指試樣被拉斷后，標(biāo)距長度的殘留伸長量與原始標(biāo)距長度的百分比，用符號A表示，即

當(dāng)用比例系數(shù)K=11.3的比例式樣測試時(shí)，可用A11.3表示。2.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣被拉斷后，縮頸處橫截面面積的最大收縮量與原始橫截面面積的百分比，用符號Z表示，即

----試樣原始橫截面面積（

）；

------試樣被拉斷處的最小橫截面面積（

）。斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，因此能較準(zhǔn)確地反映出材料的塑性。通常，斷后伸長率和斷面收縮率越大，材料塑性越好。塑性好的材料可用軋制、鍛造、沖壓等方法加工成形。用塑性好的材料加工的零件，即使在工作時(shí)遇到超載的情況，也能因?yàn)樗苄院枚苊馔蝗粩嗔?，可提高工作的安全性。三、硬?/p>

硬度通常是指金屬材料抵抗更堅(jiān)硬物體壓入其表面的能力，是金屬抵抗其表面局部變形和破壞的能力，簡單說就是材料的軟硬程度。硬度是在專用的硬度試驗(yàn)機(jī)上測得的。1.布氏硬度1）試驗(yàn)原理布氏硬度是用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示的金屬材料硬度，符號為HBW，單位為MPa，通常無須標(biāo)出。。在舊標(biāo)準(zhǔn)中常用的布氏硬度指標(biāo)有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450HBW的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵、有色金屬等；后者所用壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金，適用于布氏硬度值為450～650HBW的金屬材料，如淬火鋼等?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中已不再使用淬火鋼球壓頭，而是全部改用硬質(zhì)合金壓頭，故布氏硬度指標(biāo)統(tǒng)一用HBW。2）布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)。測定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，常用于測定硬度值小于650HBW的經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的鋼材、鑄鐵、有色金屬的硬度。（2）缺點(diǎn)。對不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕直徑的測量也較麻煩，易損壞成品零件的表面，故不宜在成品上進(jìn)行測定，而且不宜測定太小或太薄金屬的硬度。3）標(biāo)注方法

硬度值一般不標(biāo)注單位，在符號HBW之前標(biāo)出硬度值，符號后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15s不標(biāo)）等試驗(yàn)條件。例如，600HBW10/1000/30表示用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球做壓頭，在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s所得的布氏硬度為600。4）布氏硬度測定方法

一般在零件圖或工藝文件上標(biāo)注材料要求的布氏硬度時(shí)，無須標(biāo)出試驗(yàn)條件，只需標(biāo)出要求的硬度值范圍和硬度符號，如200～230HBW。常用布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范見表1-2-1。2.洛氏硬度1）試驗(yàn)原理洛氏硬度試驗(yàn)如圖1-2-4所示，先用金剛石圓錐體在試樣表面施加初試驗(yàn)力F0，壓入深度為h1，目的是消除因試樣表面不光滑而造成的誤差。然后加主試驗(yàn)力F1，在總試驗(yàn)力F0+F1的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主試驗(yàn)力F1，試樣在彈性變形作用下使壓頭回升到h3位置，最后可得出由主試驗(yàn)力所引起的塑性變形的壓痕深度h=h3?h1。金屬越硬，h值越小。為適應(yīng)人們習(xí)慣上認(rèn)為數(shù)值越大，硬度越高的觀念，將一個(gè)常數(shù)K減去壓痕深度h來表示硬度的大小，并用0.002mm壓痕深度作為一個(gè)硬度單位，由此獲得洛氏硬度值，用符號HR表示。K為0.2mm；h是壓痕深度（mm）。洛氏硬度沒有單位。試驗(yàn)時(shí)，洛氏硬度值可直接從洛式硬度計(jì)的表盤上讀出。為了能用一臺洛氏硬度計(jì)測定從軟到硬不同金屬材料的硬度，可用不同的壓頭和總試驗(yàn)力組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。常用的洛氏硬度符號有HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應(yīng)用最為廣泛。2）洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)。洛氏硬度試驗(yàn)操作迅速、簡便，可以直接由洛氏硬度計(jì)表盤顯示出硬度值，省去了煩瑣的測量、計(jì)算和查表工作。洛氏硬度試驗(yàn)壓痕小，對試樣表面損傷小，可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn)，因而被廣泛應(yīng)用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)可測量較薄工件或表面有較薄硬化層工件的硬度。（2）缺點(diǎn)。洛氏硬度試驗(yàn)精確性低，硬度值重復(fù)性差、分散度大，通常需要在材料不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。另外，用不同洛氏硬度符號表示的硬度值之間沒有聯(lián)系，也不能直接進(jìn)行比較。洛氏硬度值的精確性不如布氏硬度值。3）標(biāo)注方法洛氏硬度沒有單位，標(biāo)注時(shí)直接在硬度符號前標(biāo)注硬度值，如68HRB、55HRC、85HRA等。4）洛氏硬度測定方法在測定洛氏硬度時(shí)，因壓痕小，對組織和硬度不均勻的材料測得的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，所以要選取不同位置的三個(gè)測試點(diǎn)測出硬度值，再計(jì)算三個(gè)測試點(diǎn)硬度值的平均值作為被測材料的硬度值。3.維氏硬度布氏硬度不適于檢測硬度較高的材料；洛氏硬度雖可檢測不同硬度的材料，但不同洛氏硬度符號表示的硬度值不能相互直接比較。維氏硬度克服了上述兩種硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)，可用統(tǒng)一標(biāo)尺來測定從極軟到極硬的各種金屬材料硬度。維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度試驗(yàn)相似，也是以壓痕單位表面積所承受的試驗(yàn)力大小來計(jì)算硬度值。維氏硬度的應(yīng)用維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面。小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)，用于測量小型精密零件的硬度、表面硬化層硬度、有效硬化層深度、鍍層的表面硬度、薄片材料和細(xì)線材的硬度、刀刃附近的硬度、牙科材料的硬度等，因?yàn)橥ǔＧ闆r下試驗(yàn)力小，壓痕也小，所以試樣外觀和使用性能都不受影響。顯微維氏硬度試驗(yàn)主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究，可用于極小或極薄零件的硬度測量，零件厚度可薄至幾微米。顯微維氏硬度試驗(yàn)可測量金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。1）試驗(yàn)原理維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度的試驗(yàn)原理相似，區(qū)別是測量維氏硬度的壓頭是兩相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石。試驗(yàn)時(shí)，在規(guī)定試驗(yàn)力F作用下，壓頭壓入試件表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測量壓痕兩對角線的長度，根據(jù)兩對角線的平均長度d，可計(jì)算出其硬度值。維氏硬度試驗(yàn)如圖2）特點(diǎn)及應(yīng)用維氏硬度試驗(yàn)所加載荷較小，壓入深度較淺，故可測軟、硬金屬，可測量極薄零件滲碳層、滲氮層的硬度，測得的數(shù)值較準(zhǔn)確，并且不存在布氏硬度試驗(yàn)中載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。任務(wù)三

金屬材料的其他力學(xué)性能許多機(jī)械零件在工作中，往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。制造這類零件所用的材料，其性能指標(biāo)不能單純用靜載荷作用下的指標(biāo)來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性。為了評定材料的沖擊韌性，需進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

一、沖擊韌性韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸取能量的能力，或材料在斷裂前吸收變形能量的能力，它是材料塑性和強(qiáng)度的綜合體現(xiàn)。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。它的指標(biāo)可通過沖擊試驗(yàn)來確定。目前最常用的沖擊試驗(yàn)方法是擺錘式一次沖擊試驗(yàn)法，其試驗(yàn)原理示意圖如圖

1.測定方法

試驗(yàn)常用測試方法是擺錘式一次沖擊試驗(yàn)法，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)制作試樣，在專門的擺錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，稱為夏比沖擊試驗(yàn)。帶V型缺口的試樣稱為夏比V型缺口試樣，帶U型缺口的試樣稱為夏比U型缺口試樣。試驗(yàn)時(shí)，把試樣塊放在試驗(yàn)機(jī)支座上，試樣塊的缺口要背向擺錘沖擊方向，擺錘高至H1高度，這時(shí)具有位能mgH1，然后使擺錘自由落下，沖斷試樣后，擺錘升至高度H2，如圖1-3-1（b）所示，這時(shí)擺錘的位能為mgH2。擺錘沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊吸收能量，用符號K表示。為了使試驗(yàn)結(jié)果可以互相比較，必須采用標(biāo)準(zhǔn)試樣。沖擊試樣的類型很多，常用的標(biāo)準(zhǔn)試樣有U型缺口和V型缺口兩種。2.沖擊吸收能量與沖擊韌性沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒原理，即試樣被沖斷過程中吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。沖擊試樣沖斷前后的勢能差為GH1?GH2，試樣被沖斷過程中吸收的能量稱為沖擊吸收能量，用符號K表示。其計(jì)算公式為

沖擊吸收能量除以試樣缺口處橫截面面積（S0），即可得到材料的沖擊韌性。3.工程意義

沖擊韌性值

的大小，反應(yīng)出金屬韌性的好壞。對于一般鋼材來說，

越大，表示材料的韌性越好，抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力越大，即受沖擊載荷時(shí)不易斷裂的能力越大。所以，在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，對于長期在沖擊作用力下工作的零件，需要進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，如沖床的曲柄、空氣錘的錘桿、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子等。沖擊韌性值

一般只作為選材的參考，并不直接用于強(qiáng)度計(jì)算。二、疲勞強(qiáng)度某些機(jī)械零件，常常承受大小和方向隨時(shí)間做周期性變化（包括交變應(yīng)力和重復(fù)應(yīng)力）的載荷長期工作，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、齒輪、彈簧等，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度甚至是彈性極限的情況下突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。

機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是因?yàn)椴牧媳砻婊騼?nèi)部有缺陷（夾雜、劃痕、尖角等）。這些地方的局部應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，從而使機(jī)械零件產(chǎn)生局部塑性變形而開裂。這些微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)大，使承載的截面面積大大減小，導(dǎo)致機(jī)械零件不能承受所加載荷而突然斷裂。疲勞斷裂共同特征：（1）疲勞斷裂時(shí)并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，是突然破壞。（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服強(qiáng)度

（3）疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的策源地及擴(kuò)展區(qū)（光亮部分）和最后斷裂區(qū)（粗糙部分）在交變載荷作用下，金屬材料承受的交變應(yīng)力與斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，通常用疲勞曲線來描述，從圖中可以看出，金屬承受的最大交變應(yīng)力R越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越?。环粗?，R越小，則N越大。金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不被破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。實(shí)際上并不可能做無限多次交變載荷試驗(yàn)。一般在試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，在鋼經(jīng)受

次、非鐵（有色）金屬經(jīng)受

次交變載荷作用后，不產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。三、斷裂韌度

前面介紹的力學(xué)性能，都是假定材料是均勻的、連續(xù)的、各向同性的，而實(shí)際上，材料的組織遠(yuǎn)非如此，組織中不可避免地存在各種冶金和加工缺陷，這些缺陷都相當(dāng)于裂紋源或在使用中會發(fā)展為裂紋源。當(dāng)材料受外力作用時(shí)，這些裂紋源附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋源進(jìn)一步擴(kuò)展，一旦達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，便會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。，當(dāng)材料中存在裂紋時(shí)，裂紋尖端就是一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，從而形成一個(gè)裂紋尖端的應(yīng)力場。根據(jù)斷裂力學(xué)對裂紋尖端應(yīng)力場的分析，裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)弱主要取決于一個(gè)力學(xué)參數(shù)，即應(yīng)力強(qiáng)度因子

單位為

隨著應(yīng)力σ的增大或裂紋逐漸擴(kuò)展，

不斷增大，當(dāng)

增大到某一臨界值時(shí)，試樣（或機(jī)件）中的裂紋會突然產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子

的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用

表示。三、斷裂韌度

斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的，即是抵抗脆性斷裂能力的性能指標(biāo)。材料各有其本身的

值，它與裂紋形狀、大小無關(guān)，也和外加應(yīng)力無關(guān)，只取決于材料本身的特征（成分、熱處理?xiàng)l件、加工工藝等）。四、金屬材料的物理性能和化學(xué)性能

1.物理性能

金屬材料在固態(tài)時(shí)所表現(xiàn)出來的一系列物理現(xiàn)象的性能稱為物理性能，包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。密度：物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為物質(zhì)的密度，用符號ρ表示，單位為kg/m3。在機(jī)械工程中通常用密度來計(jì)算材料或零件的質(zhì)量（m=ρV）。體積相同的不同金屬，金屬密度越大，質(zhì)量也越大；密度