金屬材料力學性能探究

裴加梅(濟寧技師學院，山東 濟寧 272000)

金屬材料的力學性能主要包括強度與塑性、硬度、沖擊韌性與疲勞強度。研究其強度指標能更好地幫助我們在機械加工領域更好的選材，更好的滿足對零部件使用性能的要求。

1 強度與強度指標

強度就是金屬材料在承受靜載荷作用時，抵抗其發生塑性變形或著斷裂的能力。金屬材料強度的大小用應力來表示，應力能準確的反映出金屬材料內部的受力狀態。單位面積上的內力(材料內部與外力相對抗的力)我們稱之為應力。

金屬材料的強度指標通常用屈服強度來表示。金屬材料出現屈服現象時，發生塑性變形而載荷不增加時的應力為屈服強度，屈服強度又分為上屈服強度和下屈服強度，分別用Reh 和ReL 表示。通常我們所用到的零部件一般不允許發生明顯的塑性變形，材料的屈服強度越高，其抵抗塑性變形的能力就會越強，材料的使用性能就會越好，因此屈服強度是我們設計零部件和選材的主要依據。

2 塑性與塑性指標

所謂的塑性就是金屬材料在載荷作用下發生斷裂前所能承受的最大塑性變形的能力。塑性指標通常用斷后伸長率和斷面收縮率表示。

斷后伸長率用A 表示，為式樣拉斷后的標距長度與原始標距長度之差與原始標距的百分比。

斷面收縮率用Z 表示，為式樣原始橫截面積與斷口處最小橫截面積之差與原始橫截面積百分比。

其中斷面收縮率和伸長率相比較，更能比較確切的反映出金屬材料的塑性，因為斷面收縮率不受試件尺寸的影響。斷面收縮率和伸長率越大表明這種金屬材料的塑性就會越好，就會越容易進行塑形加工，越容易加工成形狀復雜的零部件。其中塑性好的材料在受到比較大的沖擊力時，會首先產生塑性變形而不會突然斷裂，使用性能比較安全。

3 硬度和硬度試驗

所謂的硬度就是金屬材料抵抗局部塑性變形和破壞的能力。硬度試驗方法種類比較多，最常用的有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法、維氏硬度試驗法三種。

(1)布氏硬度試驗法 ①布氏硬度試驗原理。使用硬質合金球做壓頭，同時以一定的試驗壓力壓入金屬表面，保持規定時間后消除試驗力，最后測量壓痕表面直徑，通過計算公式計算其硬度值。實驗表明布氏硬度值的大小僅與壓痕直徑的大小有關系。D 越大，壓痕直徑越大，也就是硬度越低。

②布氏硬度特點及適用范圍。布氏硬度的試驗力和壓痕直徑都比較大，所以壓痕也比較大，比較直觀準確的測定硬度值。但是，由于壓痕比較大，對金屬表面的損傷程度也比較大，這就要求布氏硬度試驗法不適合測量零部件表面質量要求比較高或薄壁零部件。

(2)洛氏硬度試驗法 ①洛氏硬度實驗原理。洛氏硬度實驗原理與布氏硬度差不多，區別在于把硬質合金球形壓頭改為金剛石圓錐壓頭，通過壓痕深度來測量硬度值。常用的洛氏硬度有A、B、C 三種標尺，最常用的是C 標尺。采用不同標尺下的硬度值是不能互相比較的，必須轉化為同一標尺進行比較。②洛氏硬度特點及適用范圍。洛氏硬度不同于布氏硬度，其壓痕比較小，對零部件的損壞程度比較小，故可以測量一些薄壁及表面質量要求比較高的零部件，同時由于壓痕比較小，存在一定的局限性，測量的硬度值也不夠準確。

(3)維氏硬度試驗法 維氏硬度試驗與布氏硬度試驗不同之處在于壓頭是一個金剛石正四棱錐體，通過壓痕對角線的長度來計算硬度值。維氏硬度試驗所施加的試驗力比較小，壓痕比較不明顯，故可以測量薄壁零部件，但對壓痕對角線的測量比較復雜。

4 沖擊韌性與疲勞強度

金屬材料在實際使用加工過程中所承受的載荷不僅僅是靜載荷，也有沖擊載荷和交變載荷，也可能是多種載荷的疊加，只通過拉伸試驗和硬度試驗研究靜載荷是遠遠不夠的，這就要求我們必須研究多種載荷下金屬材料的力學性能，故對沖擊載荷和疲勞載荷的研究有著重大的意義。

(1)沖擊韌性 顧名思義，金屬材料抵抗沖擊載荷如不發生破壞的能力就是沖擊韌性。沖擊韌性主要通過彎曲試驗測量得到的。對于沖擊力的測量我們主要取決于沖擊韌度的大小，金屬材料受到大能量的沖擊載荷作用時，沖擊抗力的大小主要取決于沖擊韌度的大小，而在多次重復沖擊作用下，其沖擊抗力主要由材料的強度和塑性決定。

(2)疲勞強度 生活中我們常見到這種現象，許多機械零部件雖然所承受的力低于材料的屈服強度，但較長時間工作后也會發生斷裂，這種現象就是金屬疲勞，疲勞破壞是零部件損壞的主要原因之一。金屬材料的疲勞強度由多種因素決定，例如零部件工作條件、材料的內部結構、組織成分、承受的應力等，所以改善零部件的結構以及采取一些表面強化方法，都能提高金屬材料的疲勞強度。

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