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金属强度性能及应用实例

【摘要】:当承受拉力时,强度性能指标主要表现为屈服强度和抗拉强度。表1-1常见金属的弹性模量单位:MPa屈服阶段。曲线最高点C对应的应力值用Rm表示,称为材料的抗拉强度,单位为MPa,它是材料所能承受的最大应力。

1.1.1.1 力学性能

材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征。衡量材料力学性能的主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。

1. 强度和塑性

材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力称作强度。根据外力性质不同,强度可分为抗拉强度抗压强度抗弯强度、抗剪强度等。当承受拉力时,强度性能指标主要表现为屈服强度和抗拉强度。塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率(延伸率)和断面收缩率。

材料的强度指标和塑性指标是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的试件要按国家标准规定的形状和尺寸,做成标准试样,以便比较不同材料的实验结果。对于金属材料,通常采用如图1-1所示的圆柱形标准试样。低碳钢是工程上使用最广泛的材料,同时,低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力间的关系也比较典型。

图1-1 标准拉伸试样

材料的强度和塑性

下面就以低碳钢的拉伸试验为例,介绍材料的强度指标和塑性指标。

在拉伸试验机上夹紧试样两端,缓慢施加轴向载荷,使之发生变形直至断裂。通过试验可以得到拉力与试样伸长量之间的关系曲线(即拉伸图)。试样的拉伸图与试样的几何尺寸有关,为了消除试样几何尺寸的影响,将拉伸过程中试样所受的力转化为试样单位截面积上所受的力(称为应力),试样伸长量转化为试样单位长度上的伸长量(称为应变),得到应力-应变曲线,如图1-2所示,其形状与拉伸图完全一致。

图1-2 低碳钢的应力-应变曲线

低碳钢的拉伸试验大致可分为以下4个阶段。

(1)弹性阶段。由图1-2可知,应力-应变曲线中OP段为一条倾斜直线,此时应力和应变成比例关系,P点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力,称为比例极限,用RP表示。图中的PA段,应力超过比例极限RP,应力与应变不再是线性关系。但当应力不超过A点所对应的应力时,卸载后,变形仍可完全消失,这种变形为弹性变形,RA称为弹性极限。

材料在OP段,其应力和应变成正比,其比值称为弹性模量,用E表示,单位为MPa。刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力,是材料产生弹性变形难易程度的表征。材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。弹性模量越大,材料产生一定量的弹性变形所需的应力就越大,表明材料越不易产生弹性变形,即材料的刚度大。如果材料的刚度不足,则易发生过大的弹性变形而产生失效。弹性模量的大小主要取决于材料的本性,一些处理方法(如热处理、合金化、冷热加工等)对它影响很小。常见金属的弹性模量见表1-1。

表1-1 常见金属的弹性模量 单位:MPa

(2)屈服阶段。当应力超过A点增加到某一数值时,在应力-应变曲线上出现锯齿形线段ZB,此时应力几乎不变,而应变却显著增大,暂时失去抵抗变形的能力,这种现象称为屈服或流动。若卸去外加载荷,则试样会留下不能恢复的残余变形,这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。在金属材料呈现屈服现象时,在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点称为屈服点,其所对应的强度称为屈服强度,应区分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL,单位为MPa。

对没有明显屈服现象的材料,国家标准规定取试样产生0.2%的塑性应变时的应力值作为该材料的名义屈服强度,用RP0.2表示。机械零件在使用时,一般不允许发生塑性变形,所以屈服强度是衡量材料强度的一个重要指标。

(3)强化阶段。屈服阶段后,材料抵抗变形的能力有所恢复,在应力-应变曲线上自B点开始继续升高到C点为止。这种材料又恢复抵抗变形的能力的现象称为材料的强化。曲线最高点C对应的应力值用Rm表示,称为材料的抗拉强度,单位为MPa,它是材料所能承受的最大应力。抗拉强度是衡量材料强度的另一个重要指标。

屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。其值越大,越能发挥材料的潜力,减小结构的自重;其值越小,零件工作时的可靠性越高;其值太小,材料强度的有效利用率就会降低。因此,低合金结构钢的屈强比一般取0.65~0.75。

(4)颈缩阶段。应力达到抗拉强度后,在试样的某一局部范围内,截面突然急剧缩小,这种现象称为颈缩。颈缩后,材料完全丧失承载能力,因而应力-应变曲线为一急剧下降曲线CD,直至试样被拉断。试样拉断后,弹性变形消失,塑性变形保留下来。根据拉断后的有关尺寸定义以下两个塑性指标:

① 断后伸长率:指试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比,用A表示,即

式中 L0——试样原始标距长度(mm);

Lu——试样拉断后最终标距长度(mm)。

断后伸长率的数值和试样标距长度有关。短试样的断后伸长率大于长试样的断后伸长率,所以相同试样的断后伸长率才能进行比较。

② 断面收缩率:指断后试样横截面面积最大缩减量与原始横截面面积的百分比,用Z表示,即

式中 S0——试样原始横截面面积(mm2);

Su——试样拉断后最终截面面积(mm2

断后伸长率A和断面收缩率Z越大,则表明材料的塑性越好。两者相比,用断面收缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变形。

金属材料具有一定的塑性才能进行各种变形加工。另一方面,材料具有一定的塑性,可以提高零件的使用可靠性,防止零件突然断裂破坏。

2. 硬 度

材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称作硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。硬度分为以下3种:

(1)划痕硬度,主要用于比较不同物质的软硬程度。其方法是选一根一端硬一端软的棒,将被测材料沿棒划过,根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说,硬物体划出的划痕长,软物体划出的划痕短。

(2)压入硬度,主要用于金属材料的比较。其方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料,以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同,压入硬度有多种,主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

(3)回跳硬度,也主要用于金属材料的比较。其方法是用一个特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样,并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。

图1-3 布氏硬度试验原理

布氏硬度试验原理

硬度试验设备简单,操作方便,一般不需要破坏零件或构件,而且对于大多数金属材料而言,硬度与其他的力学性能(如强度等)以及工艺性能(如切削加工性、焊接性等)之间存在着一定的对应关系。因此,在工程上,硬度被广泛地用以检验原材料和热处理件的质量,鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。

① 布氏硬度:用一定大小的载荷F将直径为D的硬质合金球压入被测材料的表面,保持规定时间后卸去载荷,测量被测试样表面上所形成的压痕直径d,用载荷值和压痕面积之比定义硬度值,用符号HB表示。布氏硬度的试验原理如图1-3所示,布氏硬度HB的计算式为

布氏硬度试验的优点是具有较高的测量精度,数据重复性好,与强度之间存在一定的换算关系。缺点是不能测试较硬的材料;压痕较大,不适于成品检验。通常用来检验铸铁、有色金属、低合金钢等原材料和调质件的硬度。

图1-4 洛氏硬度试验原理

洛氏硬度试验原理

② 洛氏硬度:是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标,以0.002 mm作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力,会产生不同的组合,对应于洛氏硬度不同的标尺。常用的有3个标尺,其应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。

洛氏硬度(HR)测试,当被测样品过小或者布氏硬度(HB)大于450时,就改用洛氏硬度计量。洛氏硬度的试验原理如图1-4示,用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.587 5 mm/3.175 mm/6.35 mm/12.7 mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕深度求出材料的硬度。最常用的三种标尺为A、B、C,即HRA、HRB、HRC,要根据实验材料硬度的不同,选用不同硬度范围的标尺来表示。

HRA:采用60 kg重载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度较高的材料。例如:钢材薄板、硬质合金。

HRB:采用100 kg重载荷和直径1.587 5 mm淬硬的钢球求得的硬度,用于硬度较低的材料。例如:软钢、有色金属、退火钢等。

HRC:采用150 kg重载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度较高的材料。例如:淬火钢、铸铁等。

洛氏硬度试验操作简便、迅速,测量硬度值范围大,压痕小,可直接测量成品和较薄工件。但由于试验载荷较大,洛氏硬度试验不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度。而且由于压痕小,对内部组织和硬度不均匀的材料,其测定结果波动较大,故需在不同位置测试多点的硬度值,最后取其算术平均值。洛氏硬度无单位,各标尺之间没有直接的对应关系。

图1-5 维氏硬度试验原理

维氏硬度试验原理

③ 维氏硬度:与布氏硬度基本相同,也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值;所不同的是维氏硬度试验所用压头是一个相对面夹角为136°的金刚石四棱锥体,在规定载荷F作用下压入被测试样表面,保持定时间后卸除载荷,测量压痕对角线长度l,进而计算出压痕表面积,最后求出压痕表面积上的平均压力,即为金属的维氏硬度值,用符号HV表示。在实际测量中,并不需要进行计算,而是根据所测l值,直接查表得到所测硬度值。维氏硬度的试验原理,如图1-5所示。

维氏硬度试验对试样表面质量要求较高,测试方法较为麻烦,但因所施加的试验载荷小,压入深度较浅,故可测定较薄或表面硬度值较大材料的硬度。维氏硬度试验测定的硬度为0~1 000 HV,且连续性好,准确性高,弥补了布氏硬度因压头变形不能测高硬度材料及洛氏硬度受试验载荷与压头直径比的约束而硬度值不能换算的不足。

3. 冲击韧性

强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测量的静态力学性能指标。许多零部件和工具在使用中要受到冲击载荷的作用,冲击载荷是在很短的时间内以很大的速度作用在构件上的载荷。材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力,称为冲击韧性,用ak表示,反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力,试验原理如图1-6所示。

图1-6 摆锤式冲击试验原理

摆锤式冲击试验原理

试验时,将试样放在试验机两支座上。将质量为m的摆锤升至一定高度H,使它获得的位能为mgH;再将摆锤释放,冲断试样后摆锤在另一边的高度为h,相应位能为mgh。冲断试样前后的能量差即为摆锤对冲击试样所做的功,称为冲击吸收功Ak,即Ak = mgH - mgh ,单位为J。试验时,冲击吸收功的数值可从冲击试验机的指示盘上直接读出。冲击韧性是指冲断试样时,在缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功,即ak  = Ak  /S0,单位为J/cm2或kJ/m2

实践表明,冲击韧性对材料的一些缺陷很敏感,能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化,是生产上用来检验冶炼、热加工所得到的半成品和成品质量的有效方法之一。

材料的ak值越大,韧性就越好;材料的ak值越小,脆性就越大。研究表明,材料的ak值随试验温度的降低而减小。当温度降至某一数值或范围时,ak值会急剧下降,材料则由韧性状态转变为脆性状态,这种转变称为冷脆转变,相应的温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低,说明其低温冲击性能越好,允许使用的温度范围越大。因此,对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件所用材料,必须进行低温(一般为-40°C)冲击弯曲试验,以防止材料发生低温脆性断裂

4. 疲 劳

疲劳测试

(1)疲劳的概念。许多机械零件,如轴、齿轮轴承、叶片、弹簧等,在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化。这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计,在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显的变形,所以疲劳破坏经常造成重大事故,所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

疲劳断裂的过程是一个损伤积累的过程。起初,在零件的表面或内部存在一些薄弱环节(如微裂纹),随着交变应力循环次数的增加,裂纹沿零件的某一截面向深处扩展,至某时刻剩余截面承受不了所受的应力,便会突然断裂。即零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。

(2)疲劳强度。在测定材料的疲劳强度时要用较多的试样,在不同循环应力作用下进行试验,作出疲劳曲线(材料所受交变应力S与其断裂前的应力循环次数Nf的关系曲线),如图1-7所示。

图1-7 疲劳曲线

由图1-7可以看出,交变应力值越低,断裂前的循环次数越多;当应力降低到某一值后,曲线近乎水平直线,这表示当应力低于此值时,材料可经受无数次应力循环而不断裂。试样承受无数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力称为材料的疲劳强度。在疲劳强度的试验中,循环次数不可能无穷大,因此规定以一定的循环次数作为基数,超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107,有色金属和某些超高强度钢材的循环基数为108。影响疲劳强度的因素很多,除设计时在结构上注意减小零件应力集中外,改善零件表面粗糙度和进行热处理(如高频淬火、表面形变强化、化学热处理以及各种表面复合强化等)也是提高疲劳强度的方法。钢的疲劳强度为抗拉强度的40%~50%,有色金属的疲劳强度为抗拉强度的25%~50%。

1.1.1.2 物理性能和化学性能

材料的物理、化学性能虽然不是结构件设计的主要参数,但在某些特定情况下却是必须加以考虑的因素。

1. 物理性能

材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性热膨胀性和磁性等。各种机械零件由于用途不同,对材料的物理性能要求也有所不同。

(1)密度。材料单位体积的质量称为密度。密度是材料的特性之一,工程上通常用密度来计算零件毛坯的质量。材料的密度直接关系到由它所制成的零件或构件的质量或紧凑程度,这对于要求减轻机件自重的航空和宇航工业制件(如飞机、火箭)具有特别重要的意义。用密度小的铝合金制作的零件质量比用钢材制作的同样零件质量要轻1/4~1/3。

(2)熔点。材料由固态转变为液态时的温度称为熔点。金属都有固定的熔点,而合金的熔点取决于成分,例如钢是铁和碳组成的合金,含碳量不同,熔点也不同。对于热加工材料,熔点是制定热加工工艺的重要依据之一,如铸铁和铸铝熔点不同,它们的熔炼工艺有较大区别。

(3)导热性。导热性是材料传导热量的性能。导热性是工程上选择保温或热交换材料的重要依据之一,也是确定机件热处理保温时间的一个参数。如果热处理件所用材料的导热性差,则在加热或冷却时,表面与心部会产生较大的温差,造成不同程度的膨胀或收缩,进而导致机件破裂。一般来说,金属材料的导热性远高于非金属材料,而合金的导热性比纯金属差。

(4)热膨胀性。热膨胀性指材料随温度变化体积发生膨胀或收缩的特性。一般材料都具有热胀冷缩的特点。在工程实际中,许多场合要考虑热膨胀性。制定热加工工艺时,应考虑材料热膨胀的影响,尽量减少工件的变形和开裂等。

(5)导电性。材料的导电性常用电阻的变形率来表示,电阻率表示单位长度、单位面积导体的电阻。电阻率越低,材料的导电性越好。金属通常具有较好的导电性,其中最好的是银,铜和铝次之。金属具有正的电阻温度系数,即随温度升高电阻增大。含有杂质或受到冷变形会导致金属的电阻上升。

2. 化学性能

金属及合金的化学性能指它们在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力,主要有耐蚀性和抗氧化性。

(1)耐蚀性。腐蚀是材料在外部介质作用下发生失效现象的主要原因。材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力称为耐蚀性。一般来说,非金属材料的耐蚀性高于金属材料。在金属材料中,碳钢、铸铁的耐蚀性较差,而不锈钢、铝合金、铜合金、钛及其合金的耐蚀性较好。

(2)抗氧化性。材料抵抗高温氧化的能力称为抗氧化性。抗氧化性强的金属材料常在表面形成一层致密的保护性氧化膜,阻碍氧的进一步扩散,这类材料的氧化随时间的变化一般遵循抛物线规律,而多孔疏松或挥发性氧化物材料的氧化则遵循直线规律。

耐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。高温下的化学稳定性称为热化学稳定性。在高温下工作的热能设备(如锅炉汽轮机、喷气发动机等)上的零件应选择热稳定性好的材料制造;在海水、酸、碱等腐蚀环境中工作的零件,必须采用化学稳定性良好的材料,如化工设备通常采用不锈钢来制造。