金屬機(jī)械表面組織性能分析及測(cè)量研究

賀得飛，鐘 靈

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

金屬材料的性能可以分為兩種，分別為使用性能和工藝性能。其中金屬材料的使用性能又可以被細(xì)分為機(jī)械性能、物力性能和化學(xué)性能等。而本文主要研究的則是金屬材料的使用性能里面的機(jī)械性能。具體從金屬機(jī)械的強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度等進(jìn)行了闡述。

1 金屬機(jī)械表面組織性能的類型

1.1 金屬的強(qiáng)度

金屬的機(jī)械性能具體可以分為好幾種，而其中比較基礎(chǔ)和重要的性能就是金屬的強(qiáng)度。很多行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中都會(huì)應(yīng)用到金屬材料，就比如現(xiàn)在發(fā)展勢(shì)頭良好的汽車行業(yè)和建筑行業(yè)，就用到了大量的金屬材料。而行業(yè)發(fā)展中選擇金屬材料時(shí)需要考慮多種因素，金屬?gòu)?qiáng)度就是其中之一。強(qiáng)度主要指的是金屬在受到了靜載荷能力下，抵抗出現(xiàn)塑性變形和出現(xiàn)斷裂情況的能力。簡(jiǎn)而言之就是金屬材料抵抗外力不出現(xiàn)變形和斷裂的能力。金屬材料的強(qiáng)度可以說(shuō)使這些材料在設(shè)計(jì)、加工和使用過(guò)程中重點(diǎn)考察的性能指標(biāo)，尤其是在選擇材料和設(shè)計(jì)材料這兩個(gè)環(huán)節(jié)中有著重要的作用，是進(jìn)行這兩個(gè)環(huán)節(jié)的重要依據(jù)。在發(fā)生不同靜載荷作用時(shí)，其強(qiáng)度也可以分成好幾種，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。不同行業(yè)所需金屬?gòu)?qiáng)度是不一樣的，因此生產(chǎn)金屬材料時(shí)需要對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，為各行業(yè)提供合適的金屬材料。

1.2 金屬的塑性

金屬材料的機(jī)械性能除了上述的強(qiáng)度外，塑性也是其基本性能之一。不同行業(yè)所需要的金屬材料的性能是不一樣的，如建筑行業(yè)顯然需要強(qiáng)度比較高和塑性比較強(qiáng)的技術(shù)材料。塑性主要指的是金屬材料在斷裂之前擁有的永久變形而不被破壞的能力。金屬的這種塑性能力在一定程度上可以提高金屬材料的安全性能。如今建筑行業(yè)和汽車行業(yè)快速發(fā)展，不論是建造的建筑還是汽車，在使用過(guò)程中如果因?yàn)榻饘俨牧闲阅懿缓贸霈F(xiàn)問(wèn)題，必然會(huì)造成極大的隱患，甚至?xí)＜暗绞褂谜叩纳踩Ｒ虼颂岣呓饘俨牧系陌踩阅苁潜厝悔厔?shì)，而這就不得不涉及到金屬的塑性指標(biāo)。

1.3 金屬的韌性

金屬的韌性也是金屬材料機(jī)械性性能的重要組成部分。韌性主要指的是金屬材料在受到了沖擊載荷作用力后形成的應(yīng)力與變形要比靜載荷引起的變形和應(yīng)力要大，其破壞能力也要比靜載荷作用力大得多，因此在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)必須要充分的考慮到材料抵抗沖擊載荷的能力。其中將金屬材料的抵抗沖擊載荷作用力卻不會(huì)破壞的性能被稱作沖擊韌性。就如在汽車行業(yè)中，如果汽車金屬材料的韌性不足，將很容易造成各種安全事故的產(chǎn)生，對(duì)使用者造成極大的生命威脅。

1.4 金屬的硬度

金屬的硬度也是金屬材料機(jī)械性能的其中一部分，具體指的是金屬材料在遇到一定壓力時(shí)，擁有的可以抵抗這種壓力，或是局部變形和破壞的能力，尤其是抵抗金屬材料塑性變形、壓痕或是劃痕的能力。這種機(jī)械性能可以說(shuō)在汽車行業(yè)起到了十分重要的作用，每輛汽車成本都極高，購(gòu)買人員需要花費(fèi)大量金錢購(gòu)買，除了購(gòu)買成本外，還需要承擔(dān)汽車的使用成本，如買油、定期保養(yǎng)等。很多使用者都很是愛(ài)惜自己的車輛，一旦出現(xiàn)了劃痕必然會(huì)感覺(jué)心痛。而這就不得不考慮到金屬材料的硬度了，如果汽車金屬材料硬度過(guò)低，必然容易造成劃痕，但如果硬度過(guò)高又會(huì)影響金屬材料的其他性能使用。就必須要對(duì)金屬材料硬度進(jìn)行測(cè)量，為不同的行業(yè)提供合適的金屬材料。

2 金屬機(jī)械表面組織性能測(cè)量

2.1 金屬?gòu)?qiáng)度性能測(cè)量

在金屬材料強(qiáng)度性能的測(cè)定中主要采取了拉伸試樣的方法進(jìn)行。拉伸試樣主要是選擇其中一種金屬材料，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量其中的拉伸力和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系曲線。在選擇材料時(shí)，通常都會(huì)選擇低碳鋼作為主要實(shí)驗(yàn)材料。為了能夠形成鮮明的對(duì)比，在進(jìn)行了低碳鋼的拉伸試樣后，還選擇了一種脆性材料進(jìn)行了拉伸試樣，將獲得的拉伸數(shù)據(jù)與金屬材料的拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種材料的拉伸曲線、拉伸指標(biāo)之間的對(duì)比之后可以明顯看到脆性材料在斷裂之前并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。拉伸曲線包括了力-伸長(zhǎng)曲線，指的是低碳鋼試樣在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)中得出的拉伸力和伸長(zhǎng)量之間的曲線關(guān)系。低碳鋼實(shí)驗(yàn)器材在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別為彈性變形階段、屈服階段、強(qiáng)化階段等，同時(shí)還要觀察低碳鋼是否出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象。

2.2 金屬塑性性能測(cè)量

金屬的塑性性恩能夠通常是利用金屬材料斷后伸長(zhǎng)率或是斷面的收縮力來(lái)表示的。因此在測(cè)量金屬材料的塑性性能時(shí)需要對(duì)金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，或是對(duì)金屬材料的斷面收縮率進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。

2.3 金屬韌性性能測(cè)量

對(duì)金屬材料的韌性測(cè)量主要采取韌性沖擊試樣方法進(jìn)行，采取沖擊試驗(yàn)。金屬試樣在被沖段過(guò)程中吸收的能量也就是沖擊吸收功用AK表示，AK等于擺錘沖擊試樣前后勢(shì)能差。

2.4 金屬硬度性能測(cè)量

在對(duì)金屬材料的硬度性能進(jìn)行測(cè)量時(shí)主要可以采取三種方式進(jìn)行，分別為布氏硬度實(shí)驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法、維氏硬度實(shí)驗(yàn)法。這三種方法各有各的優(yōu)勢(shì)，在金屬材料的硬度性能測(cè)量中都發(fā)揮著極其重要的作用。

布氏硬度測(cè)量法需要用到專門的布氏硬度實(shí)驗(yàn)機(jī)器，從機(jī)器中獲取相應(yīng)的布氏硬度值。但是布氏硬度測(cè)量法既有優(yōu)勢(shì)也有缺點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)就是測(cè)量的數(shù)值較為準(zhǔn)確且穩(wěn)定，但是在測(cè)量過(guò)程中由于測(cè)壓痕面積比較大，很容易對(duì)金屬表面造成損傷，因此一般都是用來(lái)測(cè)量組織比較大或是組織不均勻的金屬材料，如鑄鐵、正火、退火、非鐵金屬等原材料或是半成品的硬度，卻不適合用來(lái)測(cè)量成品和比較薄小的金屬材料。當(dāng)測(cè)量的樣品比較小或是布氏硬度超過(guò)450時(shí)，就需要利用洛氏硬度測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。

洛氏硬度測(cè)量法需要用到專門的洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)這個(gè)機(jī)器獲得金屬材料的洛氏硬度值。為了測(cè)定不同的金屬材料硬度值，經(jīng)常需要采用不同的壓頭和試驗(yàn)力組裝成不同的硬度標(biāo)尺。洛氏硬度值測(cè)量也同樣既有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)。優(yōu)點(diǎn)是操作比較簡(jiǎn)單快捷，壓痕比較小，因此在十分適合測(cè)量成品和較小較薄的物件，并且在測(cè)試時(shí)不需要進(jìn)行計(jì)算或是查表就可以直接讀出金屬材料的硬度值。劣勢(shì)則是缺乏精準(zhǔn)度，重復(fù)性比較差，通常需要對(duì)同一個(gè)零件表面進(jìn)行多次測(cè)試，然后選取其中的平均值作為硬度值。

維氏硬度實(shí)驗(yàn)法和布氏硬度實(shí)驗(yàn)法有著相似之處，都是需要計(jì)算金屬材料壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力，然后根據(jù)試驗(yàn)力去計(jì)算硬度值。不過(guò)壓頭卻不一樣，前者主要采用兩相對(duì)面夾角是136°的正四棱錐體金剛石。維氏硬度實(shí)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)在于，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遭受的載荷比較小，因此壓入的深度比較淺，很適合測(cè)量零件表面淬硬層以及經(jīng)過(guò)化學(xué)熱處理的表面層。同時(shí)維氏硬度采取的標(biāo)志是連續(xù)一致的，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)可以隨意選擇標(biāo)尺，卻還不會(huì)影響硬度值。測(cè)量出來(lái)的硬度值測(cè)量精度高，且測(cè)量金屬材料類型更多，再軟再硬的金屬材料都可以測(cè)量。缺點(diǎn)卻也很明顯，就是操作過(guò)程比較復(fù)雜，且由于操作復(fù)雜，工作人員的工作效率就比較低。

3 金屬機(jī)械表面組織性能分析

3.1 金屬?gòu)?qiáng)度分析

在金屬?gòu)?qiáng)度試驗(yàn)中涉及到了兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，其強(qiáng)度的分析就是根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得出的。其一指標(biāo)為屈服點(diǎn)，在對(duì)金屬材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，隨著載荷能力的不斷增加，試樣仍能夠不斷進(jìn)行伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力被稱作屈服點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的脆性材料，屈服點(diǎn)的計(jì)算就是在試樣卸除了載荷作用力后，其標(biāo)距部分殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到了試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2時(shí)的應(yīng)力可以利用專門的符號(hào)表示。其二抗拉強(qiáng)度，指的是在材料斷裂之前所稱所的最大應(yīng)力。將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的兩個(gè)指標(biāo)利用專門的計(jì)算公式計(jì)算出強(qiáng)度指標(biāo)。

3.2 金屬塑性分析

在金屬塑性分析中主要涉及了兩個(gè)指標(biāo)，分別為伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。其中伸長(zhǎng)率指的是在試樣被拉斷后，這時(shí)標(biāo)距伸長(zhǎng)和原始標(biāo)距百分比。斷面收縮率指的是在試樣拉斷后，頸縮除的橫截面積和縮減量與之前沒(méi)有發(fā)生斷裂時(shí)橫截面積的百分比。

3.3 金屬韌性分析

進(jìn)行了專門的試樣韌性實(shí)驗(yàn)之后，將獲取的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行專門的公式計(jì)算AK=GH1-GH2=G（H1-H2）。

3.4 金屬硬度分析

硬度分析相比前幾個(gè)分析要更為簡(jiǎn)單點(diǎn)，因?yàn)橛捕葴y(cè)量多是利用專門的器械進(jìn)行，通過(guò)器械獲得相應(yīng)的數(shù)值，或是經(jīng)過(guò)計(jì)算，或是直接就顯示出金屬材料的硬度值。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，金屬的重要性日益凸顯，金屬材料在我國(guó)各行各業(yè)可以說(shuō)都得到普遍應(yīng)用，就如當(dāng)前快速發(fā)展的汽車行業(yè)和建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，更是使用金屬材料的重點(diǎn)行業(yè)。而金屬材料在使用過(guò)程中，不是所有的金屬材料都可以被使用的，還需要考慮到金屬材料的機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性指標(biāo)是否符合。本文就對(duì)金屬材料的機(jī)械性能測(cè)量方法和計(jì)算分析等進(jìn)行了闡述，希望可以對(duì)金屬材料的使用提供幫助。