（一） 金屬材料的機械性能

金屬零件受一定外力作用時，對金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能，這種性能稱為機械性能。金屬材料的機械性能主要包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。它們的具體數值是在專門的試驗機上測定出來的。

1、金屬材料的變形和應力

金屬材料受外力作用時引起的形狀改變稱為變形。變形分為彈性變形（當外力取消后，變形消失并恢復到原來形狀）和塑性變形（當外力除去后，不能恢復到原來形狀，保留一部分殘余形變）。

當金屬材料受外力作用時，其內部還將產生一個與外力相對抗的內力，它的大小與外力相等，方向相反。單位截面上的內力稱為應力。在拉伸和壓縮時應力用符號σ表示。

σ=P/F

式中： σ — 應力，MPa;

P — 拉伸外力，N；

F — 試樣的橫截面積，mm2。

2、強度

強度是金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強度可通過拉力試驗來測定。將圖（a）所示標準樣安裝在拉力試驗機上，對其施加一個平穩而無沖擊逐漸遞增的軸向拉力，隨著拉力的增加試樣產生形變如圖（B）直到斷裂如圖（C）。

以試樣的受拉力P為縱坐標，伸長值⊿L為橫坐標，給制出拉伸曲線。

OE段：負荷與伸長成線性關系，是材料的彈性變形階段。 金屬材料由彈性變形過渡到塑性變形時的應力稱為彈性極限，用σe表示。

σe=Pe/Fo

 

式中：  σe — 彈性極限，MPa；

Pe — 材料開始塑性變形時的負荷，N；

Fo — 試樣原橫截面積，㎜2 。

當負荷超過E點，試樣開始產生塑性變形，這一段曲線幾乎呈水平，表明試樣在拉伸過程中，負荷不增加甚至有降低，試樣繼續塑性形變，材料喪失了抵抗變形的能力。這種現象稱為屈服。產生現象時的應力稱為屈服點，用σs表示。

σs=Ps/Fo

式中： σs — 屈服點，Mpa ；

Ps — 材料產生明顯形變時的負荷，N；

Fo — 試樣原橫截面積，㎜2  。

負荷超過S點后，形變量隨負荷增加而急劇增加，當過B點，形變部位出現縮頸現象，試樣已不能抵抗外力作用，在K點發生斷裂。試樣拉斷前能承受的****負荷 Pb所對應的應力稱為抗拉強度，用σb表示。

σb= Pb/Fo

式中： σb — 抗拉強度，Mpa ；

    Pb — 試樣拉斷前的****拉力，N；

Fo — 原橫截面積，㎜2  。

屈服強度（σs），抗拉強度（σb）和屈強比（屈服強度與抗拉強度的比σs/σb）是評定金屬材料質量的重要機械性能指標，是設計和選材的主要依據之一。

3、塑性

   塑性是金屬材料受外力作用時斷裂前產生塑性變形的能力。通常用兩種方法來表示。

（1）  伸長率：試樣拉斷后標距部分所增加的長度與原標距長度的百分比，用δ表示。

δ=（L1－L0）/L0×100%

式中：δ — 試樣的伸長率，%；

L1 — 試樣拉斷后標距長度，㎜；

L0 — 試樣原標距長度，㎜.

(2)  斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的****縮減量與原截面積的百分比，用φ表示。

式中 φ — 試樣的斷面收縮率，%；

F0 — 試樣原橫截面積，㎜2  。

F1 — 試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積，㎜2  。

δ、φ的數值越大，說明金屬材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。

4、硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，一般說，硬度高的材料耐磨性較好，強度也比較高。硬度是評價金屬材料質量的機械性能指標，也是機械零件設計要求的技術條件之一。

生產中有不同的測定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度：用一定直徑的鋼球或硬質合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定保荷時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的平均負荷作為布氏硬度值，用符號HBS（HBW）表示。HBS（HBW）

式中：HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－㎜2  ;

      P — 加在淬火鋼球上的負荷，kgf；

      D — 淬火鋼球直徑，㎜。

壓頭為鋼球時用HBS，適用于布氏硬度值在450以下的材料，如鑄鐵和有色金屬。壓頭為硬質合金球時用HBW，適用于布氏硬度值在650以下的材料。

（2）洛氏硬度：用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟，硬度值越低。兩種硬度可以利用特制的表格進行換算。 

硬度表示金屬材料在局部范圍內對塑性變形的抗力，所以硬度與強度間有一定的換算關系。

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負荷的能力。現在普通采用一次擺錘沖擊試驗來測定材料的沖擊韌性。

實驗表明，材料受小能量多次重復沖擊的能力，主要取決于材料強度。強度越高，壽命越長，設計中可不必過分追求高沖擊值。

6、疲勞強度

實際中許多工件所承受負荷的方向和大小是周期變化的。這種周期變化的負荷稱為交變負荷。金屬工件在交變負荷作用下，經長時間工作而發生斷裂的現象稱為金屬疲勞。

在交變負荷作用下金屬工件所受應力大小和斷裂前應力交變循環的次數有關。應力越大，則斷裂前能隨承受的循環次數越低。當鋼鐵材料的循環次數達到107，有色金屬的循環次數達到108 時，若試樣仍不發生疲勞破壞，其****應力稱為該材料的疲勞極限。當應力交變循環對稱時，疲勞極限用σ-1表示。

生產中多數金屬工件是在交變負荷下工作的，疲勞破壞是破裂的主要形式。因此疲勞強度設計是材料的重要強度計算之一。另外，改善零件結構形狀避免應力集中；降低表面粗糙度；采取表面強化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。

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