金屬材料的力學(xué)性能有哪些？

金屬材料具有許多良好的性能，因此被廣泛地應(yīng)用于制造各種構(gòu)件、機(jī)械零件、工具和日常生活用具。金屬材料的性能包含工藝性能和使用性能兩方面。工藝性能是指制造工藝過(guò)程中材料適應(yīng)加工的性能(如鑄造性能、可鍛性能、焊接性能及切削加工性能等)；使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來(lái)的性能，它決定了材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性及使用壽命，包括力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能。

金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用時(shí)抵抗變形和破壞的能力，表現(xiàn)為剛性(剛度)、彈性、強(qiáng)度和塑性等。它是設(shè)計(jì)人員與工藝人員zui為關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題，是設(shè)計(jì)和制造零件zui重要的指標(biāo)，也是評(píng)定材料質(zhì)量和熱處理工藝的重要參數(shù)。首先，掌握材料的力學(xué)性能是設(shè)計(jì)零件、選用材料時(shí)的重要依據(jù)，根據(jù)力學(xué)性能的狀況才能決定該材料能否滿足零件的要求。其次，材料的力學(xué)性能指標(biāo)也是控制材料質(zhì)量的重要參數(shù)。每種金屬材料，除了對(duì)其化學(xué)成分范圍作了規(guī)定之外，還對(duì)它的力學(xué)性能(一定尺寸的試樣，在一定的加工及熱處理狀態(tài)下的性能)指標(biāo)作了較詳細(xì)的規(guī)定。只有達(dá)到所規(guī)定的性能指標(biāo)的材料才算是合格的，才能作為制造各類(lèi)零件的原材料。

機(jī)械零件都在一定的工作條件下服役，不僅尺寸和形狀千差萬(wàn)別，而且受力狀況和工作環(huán)境也各式各樣。要找到一個(gè)能滿足各不相同的工作條件的力學(xué)性能指標(biāo)是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的。工作條件通常是指它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)受到力、介質(zhì)及溫度等的作用。對(duì)所有的零件來(lái)說(shuō)，總是受到外力(載荷)的作用，根據(jù)作用載荷的性質(zhì)可分為靜載荷、沖擊載荷、動(dòng)載荷和摩擦力等。此外，有些零件和制品除受力作用外，還在一定的腐蝕性介質(zhì)及溫度等特殊環(huán)境下工作，如化工機(jī)械、水力機(jī)械、汽輪機(jī)葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和鍋爐等。所以，只能根據(jù)載荷的性質(zhì)(靜載、動(dòng)載、交變載荷)、所接觸的外界環(huán)境(溫度的高低、介質(zhì)的性質(zhì))等對(duì)材料在特定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，取得一定的性能指標(biāo)，以其作為檢定材料質(zhì)量及設(shè)計(jì)零件時(shí)選用材料的依據(jù)。在測(cè)定材料力學(xué)性能指標(biāo)中zui簡(jiǎn)便zui通用的方法是用光滑試樣在單軸拉伸試驗(yàn)中測(cè)定的(如屈服極限、強(qiáng)度極限等這些常用指標(biāo))；更簡(jiǎn)便的而不必破壞樣品的試驗(yàn)法是硬度試驗(yàn)法。所測(cè)得的硬度值同拉伸試驗(yàn)時(shí)所求的強(qiáng)度值有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而且對(duì)脆性材料來(lái)講，硬度法能測(cè)得拉伸試驗(yàn)無(wú)法測(cè)得的數(shù)據(jù)。

為了測(cè)定材料在動(dòng)態(tài)載荷下以及在低溫度下的特性，采用了沖擊韌性試驗(yàn)法，以測(cè)定金屬斷裂時(shí)所需之功，從而判斷材料在使用中的安全可靠程度。近年來(lái)，發(fā)展起來(lái)的斷裂力學(xué)，將材料的斷裂過(guò)程與裂紋擴(kuò)展時(shí)所需之功起來(lái)，規(guī)定了材料的 斷裂韌性值 ，它對(duì)地估價(jià)材料使用壽命和設(shè)計(jì)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)件具有指導(dǎo)意義。

在交變載荷下工作的零件，需要材料有高的疲勞極限；在高溫下受力的零件需要材料有高的蠕變抗力。對(duì)于這些性能，一方面要從材料的成分及組織上盡量予以保證；另一方面也要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方法盡可能地使試驗(yàn)所測(cè)得的性能能夠更好地符合零件的實(shí)際工作狀況。

1. 彈性、塑性及強(qiáng)度

金屬變形的三個(gè)階段：金屬在外力作用下的行為可由低碳鋼的拉伸曲線全面地顯示出來(lái)，可分為彈性變形(elastic deformation)、塑性變形(plastic deformation)和斷裂(fracture)三個(gè)階段。

2. 硬度(hardness)

所謂硬度乃是材料對(duì)一更硬物體壓入其內(nèi)時(shí)所表現(xiàn)的抵抗力。常采用壓痕的深度，或壓痕單位表面積所承受的載荷值作為硬度值高低的指標(biāo)。常用的硬度檢查方法有布氏硬度法、洛氏硬度法、維氏硬度法等。硬度試驗(yàn)較之拉伸試驗(yàn)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是不必破壞樣品(尤其像壓痕很小的維氏硬度試驗(yàn))，而且對(duì)試樣的要求不像拉伸試樣那么嚴(yán)格；其次，同拉伸試驗(yàn)另一個(gè)不同點(diǎn)是，硬度試驗(yàn)是在壓應(yīng)力下進(jìn)行的，這種應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于材料的塑性變形更為有利。因此，對(duì)于脆性較大的材料，如淬硬的鋼材、硬質(zhì)合金等，只能通過(guò)硬度測(cè)量對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，而其他試驗(yàn)方法(如拉伸、彎曲等)則無(wú)能為力。再者，對(duì)于塑性材料(大部分金屬材料)，在其硬度值與強(qiáng)度極限、屈服極限之間都存在著一定的內(nèi)在關(guān)系，故可以通過(guò)簡(jiǎn)便的硬度測(cè)量而對(duì)其他強(qiáng)度性能指標(biāo)作出半定量的估計(jì)，這在生產(chǎn)實(shí)際中是非常有用的。

布氏硬度(brinell hardness)法、洛氏硬度(rockwell C hardness)法、維氏硬度(vickers hardness)法

3. 沖擊韌性(impact toughness)

沖擊就是以很大的速度將負(fù)荷(沖擊負(fù)荷)作用到機(jī)器零件上去的一種加載方式，在機(jī)械設(shè)計(jì)中必須考慮沖擊問(wèn)題，盡可能地使它們不受沖擊負(fù)荷的作用。當(dāng)然，生產(chǎn)上有時(shí)要利用沖擊負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)靜負(fù)荷難以實(shí)現(xiàn)的效果，如沖床、鍛錘、鑿巖機(jī)、鉚釘槍等都是利用沖擊負(fù)荷進(jìn)行工作的。材料的韌性同其屈服應(yīng)力和塑性有一定的關(guān)系。而材料的屈服應(yīng)力與塑性值則又同應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、溫度因素等有密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)韌性的測(cè)定不僅能靈敏地反映出組織的特征，而且還能反映出變形速度及溫度對(duì)韌性的影響。

4. 斷裂韌性(fracture toughness)

材料的斷裂是由于裂紋在應(yīng)力作用下失穩(wěn)而擴(kuò)展的結(jié)果，因此，材料的實(shí)際斷裂應(yīng)力應(yīng)與原始的裂紋長(zhǎng)度有關(guān)，并與材料抵抗裂紋迅速擴(kuò)展的能力有關(guān)。

5. 疲勞強(qiáng)度(fatigue strength )

所謂疲勞是指零件在遠(yuǎn)離該材料屈服極限為低的交變應(yīng)力較長(zhǎng)時(shí)間作用下，在沒(méi)有明顯的塑性變形征兆下所發(fā)生的一種破壞形式。疲勞斷口的宏觀特征通常呈現(xiàn)為兩個(gè)斷裂區(qū)：即平滑區(qū)和粗粒狀區(qū)。由于疲勞破壞的突然性，無(wú)論是脆性材料還是韌性材料，在破壞前都不出現(xiàn)明顯的材料的 疲勞極限 。影響材料的疲勞應(yīng)力的因素是非常多的，除了材料本身的材質(zhì)外，零件的尺寸和形狀、零件表面的粗糙度、零件表層中的內(nèi)應(yīng)力的性質(zhì)和分布狀態(tài)、零件所處的環(huán)境、介質(zhì)以及交變應(yīng)力的幅度、性質(zhì)及頻率等都對(duì)疲勞應(yīng)力有影響。
材料的疲勞問(wèn)題是目前研究材料力學(xué)性能方面的一個(gè)極為重要的領(lǐng)域。

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