第一節(jié)概述為研究材料的成分、組織、性能之間的關(guān)系.合理選擇和使用材料.應首先了解材料的各種性能.材料的性能分使用性能和工藝性能兩種.使用性能是指材料在使用時所表現(xiàn)出的各種性能.它包括物理性能(如密度、熔點、導熱性、導電性、磁性、熱膨脹性等).化學性能(如耐蝕性、抗氧化性等)和力學性能(如強度、塑性、韌性、硬度、疲勞強度等).工藝性能是指材料在加工制造時所表現(xiàn)出的性能.根據(jù)制造工藝的不同.分為鑄造性、可鍛性、焊接性、熱處理性能及切削加工性等.由于機械零件的用途不同.對材料性能的要求也有所不同.如設(shè)計電機、電器零件時要考慮材料的導電性.下一頁返回第一節(jié)概述

設(shè)計化工設(shè)備、醫(yī)療器械時要考慮材料的耐蝕性.大量的機械零件主要是在受力情況下工作的.因此選材時應首先考慮材料的力學性能.每種材料的性能各不相同.為了在設(shè)計和制造機械零件時.比較和選用材料.對材料的各種性能常采用一定的指標作為評定標準.并定出統(tǒng)一的測試方法來測定各種性能指標.上一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標材料的力學性能是材料抵抗外力作用的能力.常用的力學性能指標有強度、硬度、塑性、韌性和疲勞強度等.一、強度和塑性強度是材料抵抗變形和斷裂的能力.塑性是材料產(chǎn)生塑性變形而又不被破壞的性能.它們是通過拉伸試驗來測定的.拉伸試驗能測出材料的靜載荷(指緩慢增加的載荷)作用下的一系列基本性能指標.如彈性極限、屈服強度、抗拉強度和塑性等.進行拉伸試驗時.先將材料加工成一定形狀和尺寸的標準試樣.如圖１－１所示.然后在拉伸試驗機上將試樣夾緊.施加緩慢增加的拉力(載荷).一直到試樣被拉斷為止.在此過程中.試驗機能自動繪制出載荷Ｆ和試樣變形量Δｌ的關(guān)系曲線.此曲線叫做拉伸曲線.下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標圖１－２為低碳鋼的拉伸曲線.圖中的縱坐標是載荷Ｆ.單位為Ｎ(牛頓).橫坐標是伸長量Δｌ.單位為ｍｍ(毫米).由圖可見.當試樣由零開始受載荷到Ｆｅ點以前.試樣只產(chǎn)生彈性變形.此時去掉載荷.試樣能恢復原來的形狀.當載荷超過Ｆｅ點后.試樣開始塑性變形.此時去掉載荷.試樣已不能完全恢復原狀.而出現(xiàn)一部分殘留伸長.載荷消失后不能恢復的變形稱為塑性(或永久)變形.當載荷達到Ｆｓ點時.圖上出現(xiàn)水平線段.這表示載荷雖然不增加.變形卻繼續(xù)增大.這種現(xiàn)象叫做屈服現(xiàn)象.此時若繼續(xù)加大載荷.試樣將發(fā)生明顯變形伸長.當載荷增至Ｆｂ點時.試樣最弱的某一部分截面開始急劇縮小.出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象.由于試樣截面縮小.載荷逐漸降低.當?shù)竭_ｋ點時.試樣便在縮頸處拉斷.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標１彈性極限彈性極限(彈性強度)是材料所能承受的、不產(chǎn)生永久變形的最大應力.用符號σｅ(ＭＰａ)表示.２.屈服點(屈服強度)屈服點是材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形(即屈服)時的應力.用符號σｓ(ＭＰａ)表示.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標式中Ｆｓ———試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時的載荷(Ｎ).Ｓ０———試樣原始截面積(ｍｍ２).有些材料(如高碳鋼)在拉伸曲線上沒有明顯的屈服現(xiàn)象.它的屈服點很難測定.在這種情況下.工程技術(shù)上把試樣產(chǎn)生０.２％殘留變形的應力值作為屈服點.又稱條件屈服點.用符號σ０.２表示.機械零件在工作中一般不允許發(fā)生塑性變形.所以屈服點是衡量材料強度的重要力學性能指標.是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標３.強度極限(抗拉強度)強度極限是材料在斷裂前所能承受的最大應力.用符號σｂ(ＭＰａ)表示.強度極限反映材料最大均勻變形的抗力.是材料在拉伸條件下所能承受的最大載荷的應力值.它是設(shè)計和選材的主要依據(jù).也是衡量材料性能的主要指標.當機械零件工作中承受的應力大于材料的抗拉強度時.零件就會產(chǎn)生斷裂.所以σｂ表征材料抵抗斷裂的能力.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標σｂ越大.則材料的破斷抗力越大.零件不可能在接近σｂ的應力狀態(tài)下工作.因為在這樣大的應力下.材料已經(jīng)產(chǎn)生了大量的塑性變形.但從保證零件不產(chǎn)生斷裂的安全角度出發(fā).同時考慮測量σｂ最簡便.測得的數(shù)據(jù)比較準確(特別是脆性材料).所以有許多設(shè)計中直接用σｂ作為設(shè)計依據(jù).但要采用更大的安全系數(shù).４.彈性模量(剛度)彈性模量Ｅ是指材料在彈性狀態(tài)下的應力與應變的比值.即上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標彈性模量Ｅ表征材料產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應力.反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度.在工程上稱為材料的剛度.彈性模量Ｅ值越大.材料的剛度越大.材料抵抗彈性變形的能力就越大.絕大多數(shù)的機械零件都是在彈性狀態(tài)下進行工作的.對其剛度都有一定的要求.提高零件剛度的辦法除改變零件的截面尺寸或結(jié)構(gòu)外.從金屬材料性能上考慮.就必須增加其彈性模量Ｅ.彈性模量Ｅ的大小.主要取決于材料的本性.而合金化、熱處理、冷變形等對它的影響很小.通常過渡族金屬如鐵、鎳等具有較高的彈性模量.所以從剛度出發(fā).選用一般的鋼材即可.不必選用合金鋼.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標(二)塑性指標塑性是反映材料在載荷(外力)作用下.產(chǎn)生塑性變形而不發(fā)生破壞的能力.材料塑性的好壞.用伸長率δ和斷面收縮率ψ來衡量.伸長率δ是指試樣拉斷后的伸長量與試樣原長度比值的百分數(shù).即上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標應當指出.在材料手冊中?？梢钥吹溅模岛挺模保皟煞N符號.它分別表示用Ｌ０＝５ｄ和Ｌ０＝１０ｄ(ｄ為試棒直徑)兩種不同長度試棒測定的伸長率.Ｌ１是試棒的均勻伸長和產(chǎn)生細頸后伸長的總和.相對來說短試棒中細頸的伸長量所占的比例大.故同一材料所測得的δ５和δ１０值是不同的.δ５的值較大.如鋼材的δ５大約為δ１０的１.２倍.所以相同符號的伸長率才能進行相互比較.斷面收縮率ψ是指試樣拉斷處的橫截面積的收縮量與試樣原橫截面積之比的百分數(shù).即上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標斷面收縮率不受試棒標距長度的影響.因此能更可靠地反映材料的塑性.材料的伸長率δ和斷面收縮率ψ的數(shù)值越大.則材料的塑性越好.由于斷面收縮率比伸長率能更真實地反映材料的塑性.所以用斷面收縮率比伸長率更為合理.塑性是材料很重要的性能之一.它反映了材料的變形工藝性.塑性好的材料.易于沖壓、拉深、冷彎、成形等.在零件設(shè)計時.往往要求材料具有一定的塑性.零件使用過程中偶然過載時.由于能發(fā)生一定的塑性變形而不至于突然破壞.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標同時.在零件的應力集中處.塑性能起著削減應力峰(即局部的最大應力)的作用.從而使得零件不至于早期斷裂.這就是大多數(shù)零件除要求高強度外.還要求具有一定塑性的原因.但塑性指標不能直接用于設(shè)計計算.選材的塑性要求一般是根據(jù)經(jīng)驗.二、硬度指標硬度是指材料表面抵抗其他更硬物體壓入的能力.它反映了材料局部的塑性變形抗力.硬度越高.材料抵抗塑性變形的抗力越大.塑性變形越困難.因此.硬度指標和強度指標之間有一定的對應關(guān)系.硬度試驗的方法簡單方便.又無損于零件.因此在生產(chǎn)和科研中得到普遍應用.硬度也是材料重要的力學性能指標.常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標三、韌性指標材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性.其大小用沖擊韌度表示.可用一次沖擊試驗法來測定.將材料首先制成標準試樣.放在沖擊試驗機的支座上.試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向.如圖１－５(ａ)所示.將擺錘舉到一定高度.如圖１－５(ｂ)所示.讓擺錘自由落下.沖擊試樣.這時.試驗機表盤上指針即指出試樣折斷時所吸收的功Ａｋｕ.Ａｋｕ值即代表材料沖擊韌度的高低.但習慣是采用沖擊韌度值αｋｕ來表示材料的沖擊韌性.沖擊韌度值是用擊斷試樣所吸收的功除以試樣缺口處的截面積表示.即上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標沖擊韌度值與試驗的溫度有關(guān).有些材料在室溫時并不顯示脆性.而在較低溫度下則可能發(fā)生脆斷.為了確定材料(特別是低溫使用可在不同溫度下測定沖擊韌度值.并繪制成曲線.如圖１－６所示.由圖可見.αｋｕ值隨溫度的降低而減小.在某一溫度范圍時.αｋｕ值突然下降.沖擊韌度值發(fā)生突然下降時所對應的溫度范圍稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍(又稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度).此溫度越低.材料的低溫沖擊韌性越好.在低溫和嚴寒地區(qū)工作的構(gòu)件(如儲氣罐、船體、橋梁、輸送管道等)或零件.要對脆性轉(zhuǎn)化溫度及在最低使用溫度下應具有的最低韌性值做出規(guī)定.沖擊韌度值還與試樣的尺寸、形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織等有關(guān).因此.沖擊韌度值一般只作為選擇材料的參考.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標一次沖擊試驗測定的沖擊韌度.是判斷材料在大能量沖擊下的性能數(shù)據(jù).而實際工作中的零件很多只承受小能量多次沖擊.對于承受多次沖擊的零件.如果沖擊能量低、沖擊次數(shù)較多.材料多沖抗力主要取決于材料的強度.如果沖擊能量較高時.材料的多沖抗力主要取決于材料的塑性.四、材料的疲勞強度(疲勞極限)某些機械零件在工作時要承受交變載荷.其應力大小、方向是周期性變化的.如軸、齒輪、連桿、彈簧等.這些承受交變載荷的零件在發(fā)生斷裂時的應力遠低于該材料的屈服點.這種現(xiàn)象叫做疲勞破壞.不論是韌性材料還是脆性材料.疲勞破壞總是發(fā)生在多次的應力循環(huán)之后.并且總是呈脆性斷裂.上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標據(jù)統(tǒng)計.零件疲勞破壞占失效事例的７０％以上.為此.疲勞破壞已引起人們的極大關(guān)注.金屬材料抗疲勞的能力用疲勞強度σ－１來表示.疲勞強度是材料在無數(shù)次重復交變載荷的作用下不致引起斷裂的最大應力.因?qū)嶋H上不可能進行無數(shù)次試驗.故一般給各種材料規(guī)定一個應力循環(huán)基數(shù).對鋼材來說.如應力循環(huán)次數(shù)Ｎ達１０７仍不發(fā)生疲勞破壞.就認為不會再發(fā)生疲勞破壞.所以鋼以１０７為基數(shù).有色金屬和超高強度鋼則常?。保埃笧榛鶖?shù).上一頁下一頁返回第二節(jié)材料的力學性能指標產(chǎn)生疲勞破壞的原因很多.一般由于材料有夾雜、表面劃痕及其他能引起應力集中的