第一節(jié)強度和塑性一、金屬材料承受的載荷與應力１.金屬材料承受的載荷金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力稱為載荷。按外力的作用性質(zhì)，載荷常分為如下三種。（１）靜載荷大小不變或變化很慢的載荷。如：機床的床頭箱對機床床身的壓力。（２）沖擊載荷在短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。例如：空氣錘錘頭下落時錘桿所承受的載荷；沖壓時沖床對沖模的沖擊作用等。下一頁返回第一節(jié)強度和塑性（３）交變載荷大小、方向或大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。如機床主軸就是在交變載荷的作用下工作的。根據(jù)作用形式不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等，如圖１－１所示。２.內(nèi)力與內(nèi)應力材料受外力作用時，為保持自身形狀尺寸不變，在材料內(nèi)部作用著與外力相對抗的力，稱為內(nèi)力。內(nèi)力的大小與外力相等，方向則與外力相反，并與外力保持平衡。單位面積上的內(nèi)力稱為應力。上一頁下一頁返回第一節(jié)強度和塑性金屬材料受拉伸載荷或壓縮載荷時，其橫截面積上的應力可按下式計算：Ｒ＝Ｆ/Ｓ式中，Ｒ———應力，單位ＭＰａ；Ｆ———外力，單位Ｎ；Ｓ———橫截面積，單位ｍｍ２。二、拉伸試驗與拉伸曲線１.拉伸試驗方法生產(chǎn)實際中通常使用拉伸試驗來測定機械零件的強度和塑性。上一頁下一頁返回第一節(jié)強度和塑性拉伸試驗是一種破壞性驗，所以，拉伸試驗時，通常不直接采用機械零件做試驗，而是用與制造機械零件的相同材料制成的標準試樣進行試驗。為了使測定出來的強度和塑性指標具有可比性，拉伸試樣必須按照國家標準制作。拉伸試樣一般有圓形和矩形兩類，圖１－２所示為圓形拉伸試樣。拉伸試驗方法如下：（１）將試樣兩端部位分別夾持在如圖１－３所示拉伸試驗機的上下夾頭中。（２）對試樣緩慢施加軸向拉伸力Ｆ，使試樣沿其軸向伸長。如圖１－４（ａ）所示。（３）隨著拉伸力Ｆ的緩慢增大，試樣的有效伸長量ΔＬ不斷增加，直至試樣斷裂。如圖１－４（ｂ）、（ｃ）所示。上一頁下一頁返回第一節(jié)強度和塑性（４）觀察、記錄實驗結果，并對實驗結果進行分析。從圖１－４所示的試驗過程中可以看出：在試驗中，試樣變形和斷裂時的拉伸力Ｆ越大，說明材料的強度越高；試樣斷裂時的伸長量ΔＬ越大，則說明材料的塑性越好。由此可以得到評定材料的強度和塑性的指標：屈服強度（Ｒｅ）、抗拉強度（Ｒｍ）、斷后伸長率（Ａ）和斷面收縮率（Ｚ）。２.拉伸曲線衡量強度的指標是在拉伸試驗過程中測得拉伸曲線，再由拉伸曲線通過計算來獲得。上一頁下一頁返回第一節(jié)強度和塑性在拉伸試驗過程中，試驗機自動以拉伸力Ｆ為縱坐標，以伸長量ΔＬ為橫坐標，畫出一條拉伸力Ｆ與伸長量ΔＬ的關系曲線，稱為拉伸曲線。圖１－５所示為低碳鋼的拉伸曲線示意圖。三、強度指標根據(jù)外力作用方式的不同，強度有多種指標，如抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度等，常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。四、塑性指標塑性也是在拉伸試驗中測定的，常用的塑性指標是斷后伸長率和斷面收縮率。上一頁返回第二節(jié)硬度一、硬度概念硬度通常是指金屬材料抵抗其他更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，是衡量金屬材料軟硬的指標。一般材料越硬，其耐磨性就越好。機械制造業(yè)所用的刀具、模具和機械零件等，都應具備一定的硬度，才能保證其使用性能和壽命。金屬材料的硬度是在硬度試驗設備上測定的。硬度試驗設備簡單，操作迅速方便，可直接在零件或工具上進行試驗而不破壞工件，并且還可根據(jù)測得的硬度值估計出材料的近似抗拉強度和耐磨性。此外，硬度與材料的冷成型性、切削加工性、可焊性等工藝性能之間也存在著—定聯(lián)系，可作為制定加工工藝時的參考。因此，硬度試驗在實際生產(chǎn)中是最常用的試驗方法。下一頁返回第二節(jié)硬度生產(chǎn)中常用的硬度測定方法有布氏硬度測試法、洛氏硬度測試法和維氏硬度測試法等。二、布氏硬度布氏硬度試驗法是用直徑為Ｄ的硬質(zhì)合金球，在規(guī)定試驗力Ｆ的作用下壓入被測試金屬的表面，停留一定時間（試驗力保持時間為１０ｓ～１５ｓ）后卸除載荷，然后測量被測試金屬表面上所形成的壓痕平均直徑ｄ（如圖１－７所示），由此計算壓痕的表面積，進而求出壓痕在單位面積上所承受的平均壓力值，以此作為被測試金屬的布氏硬度值，即布氏硬度＝常數(shù)×試驗力壓痕表面積上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度１.布氏硬度試驗條件的選擇由于金屬材料有軟有硬，被測工件有薄有厚，尺寸有大有小，如果只采用一種標準的試驗力Ｆ和壓頭直徑Ｄ，就會出現(xiàn)對某些材料和工件不適應的現(xiàn)象。因此，國標規(guī)定了常用布氏硬度試驗規(guī)范。在進行布氏硬度試驗時，可根據(jù)被測試金屬材料的種類、硬度范圍和試樣厚度，選用不同的壓頭直徑Ｄ和試驗力Ｆ，建立Ｆ和Ｄ的某種選配關系，以保證布氏硬度的可比性，如表１－１所示不同條件下的試驗力。２.布氏硬度特點與應用布氏硬度測試因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定；可測量組織粗大或組織不均勻材料（如鑄鐵）的硬度值；上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度布氏硬度與抗拉強度之間存在一定的關系，可根據(jù)其值估計出材料的強度值。布氏硬度測試主要用于原材料或半成品的硬度測量，如測量鑄鐵、非鐵金屬（有色金屬）、硬度較低的鋼（如退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼）。但是不宜測量較高硬度的材料（布氏硬度測量時，材料的硬度值必須＜６５０ＨＢＷ）；因壓痕較大，則不宜測試成品或薄片金屬的硬度。三、洛氏硬度１.洛氏硬度試驗原理洛氏硬度試驗法是目前工廠中應用最廣泛的試驗方法。上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度它是用一個金剛石圓錐體或鋼球作為壓頭，在初始試驗力和主試驗力先后作用下，壓入被測試金屬表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除主試驗力，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。圖１－８所示為洛氏硬度試驗原理。２.洛氏硬度的特點洛氏硬度試驗法操作迅速簡便；由于壓痕較小，可用于成品的檢驗；采用不同標尺，可測出從極軟到極硬材料的硬度，為測試準確，多點測量，取平均值。但由于壓痕較小，對組織比較粗大且不均勻的材料，測得的硬度值不夠準確。上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度四、維氏硬度洛氏硬度試驗雖可采用不同的標尺來測定由軟到硬金屬材料的硬度，但不同標尺的硬度值是不連續(xù)的，沒有直接的可比性，使用上很不方便。為了能在同一種硬度標尺上測定由極軟到極硬金屬材料的硬度值，特制定了維氏硬度試驗法。１.維氏硬度的試驗原理維氏硬度的試驗原理基本上和布氏硬度試驗相同，但所用的壓頭形狀和材料不同。它是用一個相對面夾角為１３６°的金剛石正四棱錐體壓頭，以選定試驗力Ｆ作用下壓入被測試金屬的表面，保持一定時間后卸除試驗力（如圖１－９所示）。上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度然后再測量壓痕的兩對角線的平均長度ｄ，進而計算出壓痕的表面積Ｓ，最后求出壓痕表面積上平均壓力（Ｆ／Ｓ），以此作為被測試金屬的硬度，用符號ＨＶ表示。在實際測試時，維氏硬度值也不需要計算，根據(jù)壓痕的兩對角線的平均長度ｄ查表，即可求得硬度值。維氏硬度試驗法可根據(jù)試樣的硬度、大小、厚度等情況選擇試驗力，試驗力Ｆ的取值范圍為４９.０３～９８０.７Ｎ。在零件厚度允許的情況下盡可能選用較大試驗力，以獲得較大壓痕，提高測量精度。上一頁下一頁返回第二節(jié)硬度２.維氏硬度試驗法的特點維氏硬度試驗法的優(yōu)點是試驗時所加試驗力小，壓入深度淺，故適用于測試零件表面淬硬層及化學熱處理的表面層（如滲碳層、滲氮層等）的硬度；同時維氏硬度是—個連續(xù)一致的標尺，試驗時可任意選擇試驗力，而不影響其硬度值的大小，因此可測定較薄的、從極軟到極硬的各種金屬材料的硬度值，并可直接比較它們的硬度大??；維氏硬度試驗法的缺點是其硬度值的測定較麻煩，并且壓痕小，所以對試件的表面質(zhì)量要求較高。上一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度強度、塑性和硬度都屬于金屬材料在靜載荷作用下的力學性能。而在生產(chǎn)實際中，許多機械零件和工具是在沖擊載荷（或交變載荷）的作用下工作的。機械零件如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等，除在靜載荷下工作外，還經(jīng)常承受具有更大破壞作用的沖擊載荷和交變載荷的作用。因此，這些零件不僅要滿足靜載荷作用下的強度、塑性、硬度等性能指標，還必須具備足夠的韌性和疲勞強度。一、韌性１.韌性試驗金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力稱為沖擊韌性，簡稱韌性。下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度為了評定金屬材料的沖擊韌性，需在規(guī)定條件下對其進行沖擊試驗，以測定其衡量指標，其中應用最普遍的是夏比擺錘沖擊試驗。圖１－１０所示為沖擊試驗機和擺錘沖擊試驗過程示意圖。２.沖擊吸收功試驗時，將標準沖擊試樣放置在擺錘沖擊試驗機的支座上，把具有重量Ｇ的擺錘提高到距試樣高度為Ｈ的位置，如圖１－９所示。此時擺錘勢能為ＧＨ，然后使其下落，將試樣沖斷，沖斷試樣后擺錘又上升到距原試樣的高度為ｈ處，擺錘剩余勢能為Ｇｈ。故沖斷試樣所消耗掉的能量為ＧＨ－Ｇｈ，稱為沖擊吸收能量Ｋ。即Ｋ＝Ｇ（Ｈ－ｈ）沖擊吸收能量Ｋ值越高，表示材料的沖擊韌性越好。一般把沖擊吸收能量Ｋ值高的材料稱作韌性材料，Ｋ值低的材料稱為脆性材料。上一頁下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度標準沖擊試樣有兩種，根據(jù)試樣缺口形狀不同，分Ｕ型缺口和Ｖ型缺口，沖擊吸收能量分為ＫＵ和ＫＶ兩種表示方法。擺錘刀刃半徑有２ｍｍ和８ｍｍ兩種，分別用符號的下標數(shù)字表示，即ＫＵ２或ＫＵ８、ＫＶ２或ＫＶ８。沖擊吸收能量單位為焦耳（Ｊ）。對于像沖頭、空氣錘錘桿等承受沖擊的零件，需具有一定的韌性才能滿足其使用性能要求。但也不能要求過高，因為沖擊吸收能量Ｋ升高，往往其硬度值和強度值會降低，耐磨性能和承載能力下降，零件的使用壽命也會降低。上一頁下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度二、疲勞強度１.疲勞現(xiàn)象實際生產(chǎn)中有許多機器零件，如軸、齒輪、彈簧和葉片等都是在交變載荷下工作的。承受交變載荷的金屬零件，在工作應力低于其屈服強度時，經(jīng)過較長時間的工作也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。金屬疲勞斷裂是在事先無明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的，故具有很大的危險性，往往引發(fā)重大事故。所以在設計零件選材時，要考慮金屬材料對疲勞斷裂的抗力。上一頁下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度疲勞斷裂一般產(chǎn)生在零件應力集中部位或材料本身強度較低的部位，如原有微裂紋、軟點、脫碳、夾雜或刀痕等，這些地方的局部應力大于屈服強度Ｒｅ（Ｒｒ０.２），形成裂紋的核心，進而在交變應力或重復應力的反復作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著應力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴展，使零件的有效承載面逐漸減小，最后當減小到不能承受外加載荷時，零件即發(fā)生突然斷裂。上一頁下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度２.疲勞曲線與疲勞強度疲勞曲線是材料固有的動態(tài)力學特性之一，該曲線通常是對某種材料加工成的標準試樣施加循環(huán)特性ｒ＝－１的對稱交變應力，并以循環(huán)的最大應力σｍａｘ（或Ｓｍａｘ）表征材料疲勞強度，通過實驗，記錄出在不同σｍａｘ下引起試樣疲勞破壞所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)Ｎ，即得到如圖１－１１所示疲勞曲線，通常稱其為Ｓ－Ｎ曲線（應力壽命曲線）。金屬材料在無數(shù)次交變載荷的作用下而不發(fā)生斷裂的最大應力，稱為疲勞強度，用σ－１表示。上一頁下一頁返回第三節(jié)韌性與疲勞強度疲勞強度是通過試驗所得到的，疲勞曲線示意圖（疲勞曲線是指交變應力與循環(huán)次數(shù)的關系曲線）表明，金屬承受的交變應力越小，則斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)Ｎ越多；反之，則