項(xiàng)目一金屬材料性能的認(rèn)知任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知在設(shè)計(jì)、制造機(jī)械設(shè)備及工具時(shí)，所選用的金屬材料首先應(yīng)當(dāng)滿足使用性能，使用性能一般以力學(xué)性能為主要依據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在各種載荷作用下所表現(xiàn)的性能。金屬材料的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度強(qiáng)度是指在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)常通過拉伸實(shí)驗(yàn)測定，拉伸試樣的形狀一般分為圓形（圖１.２）、矩形、多邊形、環(huán)形。在低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端緩慢地施加拉伸載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力Ｆ，引起試樣沿軸向產(chǎn)生伸長ΔＬ，隨著Ｆ值的增大，ΔＬ也相應(yīng)增大，直到試樣斷裂為止。下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知由載荷（拉力）與變形量（伸長量）的相應(yīng)變化，可以繪出拉伸曲線，如圖１.３所示。將拉力除以試樣的原始截面積Ｓ０，得到拉應(yīng)力Ｒ（單位截面積上的拉力）；將伸長量ΔＬ除以試樣的標(biāo)距長度Ｌ０，得到延伸率ｅ（試樣拉伸斷裂后標(biāo)距段的總變形ΔＬ與原標(biāo)距長度Ｌ０之比的百分?jǐn)?shù)）。根據(jù)Ｒ和ｅ，則可以畫出應(yīng)力－延伸率曲線，如圖１.４所示。應(yīng)力－延伸率曲線不受試樣尺寸的影響，可以從圖上直接讀出材料的一些常規(guī)機(jī)械性能指標(biāo)。靜載拉伸下材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要有以下幾個(gè)。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知１.抗拉強(qiáng)度Ｒｍ在拉伸曲線上，ｍ點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度，它是試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，也稱為強(qiáng)度極限，即試樣所能承受的最大載荷除以原始截面積，以Ｒｍ表示（單位為ＭＰａ），即Ｒｍ＝Ｆｍ/Ｓ０式中Ｆｍ———試樣所能承受的最大載荷?？估瓘?qiáng)度體現(xiàn)材料抵抗最大均勻變形的能力，表示材料在拉伸條件下所能承受最大載荷的應(yīng)力值，它是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知２.屈服強(qiáng)度在拉伸曲線中，ｅ點(diǎn)出現(xiàn)一水平線段，這表明拉力雖然不再增加，但變形仍在進(jìn)行，稱為材料的屈服現(xiàn)象，這時(shí)若卸去載荷，則試樣的變形不能全部恢復(fù)，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。屈服強(qiáng)度是指當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，分上屈服強(qiáng)度（ＲｅＨ）和下屈服強(qiáng)度（ＲｅＬ）。上屈服強(qiáng)度ＲｅＨ是指試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力；下屈服強(qiáng)度ＲｅＬ是指在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力。當(dāng)金屬材料在拉伸試驗(yàn)過程中沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)測定規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度（Ｒｐ）或規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度（Ｒｒ）。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知Ｒｐ０.２表示規(guī)定塑性延伸率為０.２％時(shí)的應(yīng)力；Ｒｒ０.２表示規(guī)定殘余延伸率為０.２％時(shí)的應(yīng)力。工程中大多數(shù)零件都是在彈性范圍內(nèi)工作的，如果產(chǎn)生過量塑性變形就會(huì)使零件失效，所以屈服強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。３.彈性極限σｅ和彈性模量Ｅ在拉伸曲線上，ｅ點(diǎn)以前產(chǎn)生的變形是可以恢復(fù)的，稱為彈性變形，ｅ點(diǎn)對(duì)應(yīng)彈性變形階段的極限值，稱為彈性極限，以σｅ表示（單位為ＭＰａ），對(duì)一些彈性零件如精密彈簧等，σｅ是主要的性能指標(biāo)。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知材料在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為定值，其值大小反映材料彈性變形的難易程度，稱為彈性模量Ｅ（單位為ＧＰａ），即Ｅ＝σ/ε彈性模量Ｅ體現(xiàn)了材料抵抗彈性變形的能力。在工程上，零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力稱為剛度。在零件的結(jié)構(gòu)、尺寸已確定的前提下，其剛度取決于材料的彈性模量。彈性模量主要取決于材料內(nèi)部原子間的作用力，凡影響原子間作用力的因素均能影響材料的彈性模量，如晶體材料的晶格類型、原子間距等，其他強(qiáng)化手段對(duì)彈性模量的影響極小。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知二、塑性塑性表示材料抵抗塑性變形的能力。衡量塑性的常用指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率，兩者均無單位量綱。三、硬度硬度是材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它體現(xiàn)了材料的軟硬程度。目前生產(chǎn)中測定硬度的最常用方法是壓入硬度法。壓入硬度法是指用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的材料表面，根據(jù)被壓入程度來測定其硬度值。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知用同樣的壓頭在相同大小載荷作用下壓入材料表面時(shí)，若壓入程度越大，則材料的硬度值越低；反之，硬度值就越高。因此，壓入硬度法所表示的硬度是指材料表面抵抗更硬物體壓入的能力。在金屬材料制成的半成品和成品的質(zhì)量檢驗(yàn)中，硬度是標(biāo)志產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)。常用的硬指標(biāo)度有布氏硬度和洛氏硬度。四、沖擊韌性機(jī)械零部件在工作過程中不僅受到靜載荷和變動(dòng)載荷作用，而且往往受到不同程度的沖擊載荷作用，如沖床、鉚釘?shù)取Ｉ弦豁撓乱豁摲祷厝蝿?wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知工程上，將金屬材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，稱為金屬材料的韌性，也稱沖擊韌性，一般用吸收能量（符號(hào)Ａｋ，單位為Ｊ）表示。沖擊韌性的測定一般是用一次擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)來測定，如圖１.６所示。實(shí)際上，在沖擊載荷下工作的機(jī)械零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的，往往是經(jīng)受小能量的多次沖擊，因沖擊損傷的積累引起裂紋擴(kuò)展而造成斷裂，故用Ｋ值來反映沖擊韌性有一定的局限性。研究結(jié)果表明，金屬材料承受小能量多次重復(fù)沖擊的能力取決于材料強(qiáng)度和塑性的綜合性指標(biāo)。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知五、疲勞強(qiáng)度１.疲勞及疲勞強(qiáng)度疲勞是指在變動(dòng)載荷的作用下，零件經(jīng)過較長時(shí)間工作或多次應(yīng)力循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象。變動(dòng)應(yīng)力通常包括交變應(yīng)力和重復(fù)應(yīng)力。交變應(yīng)力是指應(yīng)力的大小和方向隨著時(shí)間周期性變化的應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力的變化可以是周期性的、規(guī)律的變化，也可以是無規(guī)律的變化。許多零件如齒輪、曲軸、彈簧和滾動(dòng)軸承等，都是在交變應(yīng)力下工作的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各類斷裂失效中，８０％是由于各種不同類型的疲勞破壞所造成的。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知疲勞斷裂具有突然性，因此危害很大。疲勞斷裂的特點(diǎn)如下：①疲勞斷裂是一種低應(yīng)力脆斷，斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于材料的彈性極限。②斷裂前，零件沒有明顯的塑性變形，即使斷后伸長率Ａ和斷面收縮率Ｚ很高的塑性材料，其斷裂同樣沒有明顯的塑性變形。③疲勞斷裂對(duì)材料的表面和內(nèi)部缺陷非常敏感，疲勞裂紋常在表面缺口（如螺紋、刀痕和油孔等），脫碳層，夾渣物，碳化物及孔洞等處形成。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知產(chǎn)生疲勞的原因，往往是由于零件應(yīng)力高度集中的部位或材料本身強(qiáng)度較低的部位，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋，并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增加不斷擴(kuò)展，使零件有效承載面積不斷減小，最后突然斷裂。零件疲勞失效的過程可分為疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。疲勞強(qiáng)度用來表示材料抵抗疲勞的能力。疲勞強(qiáng)度是通過測定材料在重復(fù)交變載荷（鋼的交變次數(shù)為１０６～１０７周次，有色金屬的交變次數(shù)為１０７～１０８周次）作用下而無斷裂的最大應(yīng)力來得到的，用σ－１表示。上一頁下一頁返回任務(wù)１－１金屬材料力學(xué)性能的認(rèn)知２.提高疲勞強(qiáng)度的途徑材料的疲勞強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，為了提高材料的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)改善零件的結(jié)構(gòu)