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金属材料的力学性能有哪些?
点击次数:1906 发布时间:2017-10-30

金属材料的力学性能有哪些?

  金属材料具有许多良好的性能,因此被广泛地应用于制造各种构件、机械零件、工具和日常生活用具。金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能(如铸造性能、可锻性能、焊接性能及切削加工性能等);使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能,它决定了材料的应用范围、安全可靠性及使用寿命,包括力学性能、物理和化学性能。

金属材料的力学性能

  金属材料的力学性能是指材料在外力作用时抵抗变形和破坏的能力,表现为刚性(刚度)、弹性、强度和塑性等。它是设计人员与工艺人员zui为关心的一个重要问题,是设计和制造零件zui重要的指标,也是评定材料质量和热处理工艺的重要参数。首先,掌握材料的力学性能是设计零件、选用材料时的重要依据,根据力学性能的状况才能决定该材料能否满足零件的要求。其次,材料的力学性能指标也是控制材料质量的重要参数。每种金属材料,除了对其化学成分范围作了规定之外,还对它的力学性能(一定尺寸的试样,在一定的加工及热处理状态下的性能)指标作了较详细的规定。只有达到所规定的性能指标的材料才算是合格的,才能作为制造各类零件的原材料。


  机械零件都在一定的工作条件下服役,不仅尺寸和形状千差万别,而且受力状况和工作环境也各式各样。要找到一个能满足各不相同的工作条件的力学性能指标是不可能的,也是不现实的。工作条件通常是指它们在工作时受到力、介质及温度等的作用。对所有的零件来说,总是受到外力(载荷)的作用,根据作用载荷的性质可分为静载荷、冲击载荷、动载荷和摩擦力等。此外,有些零件和制品除受力作用外,还在一定的腐蚀性介质及温度等特殊环境下工作,如化工机械、水力机械、汽轮机叶片、汽轮机转子和锅炉等。所以,只能根据载荷的性质(静载、动载、交变载荷)、所接触的外界环境(温度的高低、介质的性质)等对材料在特定的条件下进行试验,取得一定的性能指标,以其作为检定材料质量及设计零件时选用材料的依据。在测定材料力学性能指标中zui简便zui通用的方法是用光滑试样在单轴拉伸试验中测定的(如屈服极限、强度极限等这些常用指标);更简便的而不必破坏样品的试验法是硬度试验法。所测得的硬度值同拉伸试验时所求的强度值有一定的对应关系;而且对脆性材料来讲,硬度法能测得拉伸试验无法测得的数据。


  为了测定材料在动态载荷下以及在低温度下的特性,采用了冲击韧性试验法,以测定金属断裂时所需之功,从而判断材料在使用中的安全可靠程度。近年来,发展起来的断裂力学,将材料的断裂过程与裂纹扩展时所需之功起来,规定了材料的“断裂韧性值”,它对地估价材料使用寿命和设计可靠运转的机件具有指导意义。


  在交变载荷下工作的零件,需要材料有高的疲劳极限;在高温下受力的零件需要材料有高的蠕变抗力。对于这些性能,一方面要从材料的成分及组织上尽量予以保证;另一方面也要通过设计合理的试验方法尽可能地使试验所测得的性能能够更好地符合零件的实际工作状况。

1. 弹性、塑性及强度

  金属变形的三个阶段:金属在外力作用下的行为可由低碳钢的拉伸曲线全面地显示出来,可分为弹性变形(elastic deformation)、塑性变形(plastic deformation)和断裂(fracture)三个阶段。

2. 硬度(hardness)

  所谓硬度乃是材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗力。常采用压痕的深度,或压痕单位表面积所承受的载荷值作为硬度值高低的指标。常用的硬度检查方法有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法等。硬度试验较之拉伸试验有一个很大的优点,就是不必破坏样品(尤其像压痕很小的维氏硬度试验),而且对试样的要求不像拉伸试样那么严格;其次,同拉伸试验另一个不同点是,硬度试验是在压应力下进行的,这种应力状态对于材料的塑性变形更为有利。因此,对于脆性较大的材料,如淬硬的钢材、硬质合金等,只能通过硬度测量对其性能进行评价,而其他试验方法(如拉伸、弯曲等)则无能为力。再者,对于塑性材料(大部分金属材料),在其硬度值与强度极限、屈服极限之间都存在着一定的内在关系,故可以通过简便的硬度测量而对其他强度性能指标作出半定量的估计,这在生产实际中是非常有用的。

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

3. 冲击韧性(impact toughness)

  冲击就是以很大的速度将负荷(冲击负荷)作用到机器零件上去的一种加载方式,在机械设计中必须考虑冲击问题,尽可能地使它们不受冲击负荷的作用。当然,生产上有时要利用冲击负荷来实现静负荷难以实现的效果,如冲床、锻锤、凿岩机、铆钉枪等都是利用冲击负荷进行工作的。材料的韧性同其屈服应力和塑性有一定的关系。而材料的屈服应力与塑性值则又同应力状态、加载速度、温度因素等有密切的关系。因此,通过对韧性的测定不仅能灵敏地反映出组织的特征,而且还能反映出变形速度及温度对韧性的影响。

4. 断裂韧性(fracture toughness)

  材料的断裂是由于裂纹在应力作用下失稳而扩展的结果,因此,材料的实际断裂应力应与原始的裂纹长度有关,并与材料抵抗裂纹迅速扩展的能力有关。

5. 疲劳强度(fatigue strength )

  所谓疲劳是指零件在远离该材料屈服极限为低的交变应力较长时间作用下,在没有明显的塑性变形征兆下所发生的一种破坏形式。疲劳断口的宏观特征通常呈现为两个断裂区:即平滑区和粗粒状区。由于疲劳破坏的突然性,无论是脆性材料还是韧性材料,在破坏前都不出现明显的材料的“疲劳极限”。影响材料的疲劳应力的因素是非常多的,除了材料本身的材质外,零件的尺寸和形状、零件表面的粗糙度、零件表层中的内应力的性质和分布状态、零件所处的环境、介质以及交变应力的幅度、性质及频率等都对疲劳应力有影响。
  材料的疲劳问题是目前研究材料力学性能方面的一个极为重要的领域。

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