金属材料的力学性能及其组成

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：金属材料的力学性能，是指材料在外力的作用下所具有的抵抗能力。比例极限、弹性极限都是表示金属材料在不产生塑性变形时所承受的最大应力值。机械零件所受的应力，既不能超过屈服极限，更不允许超过强度极限，否则就会发生破坏，造成严重的质量事故。抗拉强度是零件设计的重要依据，也是评定金属材料的强度重要指标之一。抗弯强度（σbb）金属材料弯曲断裂前的最大应力，称为抗弯强度，用σbb表示，其应力单位为MPa。

金属材料的力学性能，是指材料在外力的作用下所具有的抵抗能力。如在冷冲压过程中，要使板料产生变形，以得到所需要的形状，必须通过冲模借助压力机对其施加一定压力。板料的性质不同，对其外力（压力）抵抗能力也不同，即表现在冲压工艺过程的冲压性能也不同。

金属材料在外力作用下表现出来诸如弹性、强度、硬度、塑性、疲劳和韧性等特征，通常就用这些特征指标来衡量金属材料的力学性能。

1.弹性、弹性模量、比例极限和弹性极限

任何金属，在外力作用下所引起变形和破坏的过程，大致可分为三个阶段：①弹性变形阶段；②弹-塑性变形阶段；③断裂阶段。

一般的断裂有两种形式：断裂之前没有明显塑性变形阶段的，称脆性断裂；经过大量塑性变形之后才发生断裂的，称韧性断裂。

在弹性变形阶段中，当外力卸除后，变形便消失，金属自然回复到原始状态的现象，称为弹性。这种弹性变形只有在某一极限应力以下才能实现。通常用弹性模量、比例极限和弹性极限等力学性能指标，来表示金属材料在弹性变形阶段的性能。

（1）弹性模量（E）金属受外力作用时，其内部产生一种内力，以抗衡外力的作用，其单位面积上的内力称为应力。在外力作用下，也同时产生变形。称单位长度上的变形为应变。在上述情况下，一定的物体受某一外力作用而产生弹性变形，而当外力和变形总是成比例地增长，即应力和应变成正比例关系，其比例系数就称为弹性模量（也称杨氏模量），用E表示，其单位为MPa。

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，也即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。

金属的弹性模量主要取决于金属的原子本性、结晶点阵和温度等因素，而合金化、热处理和冷热加工等因素对它影响很小，因此它是金属材料最稳定的性能之一。

钢在室温下的E值在1.9×10⁶～2.2×10⁶MPa范围内（但随温度升高而降低），而铸铁的E值较低，一般为0.75×10⁶～1.45×10⁶MPa。

（2）比例极限（σ_p）在弹性变形阶段，应力和应变成正比例关系的最大应力，称为比例极限，用σ_p表示，其单位为MPa。

实际上，σ_p是很难精确测定的，因此，作了一定的规定条件，见相关材料试验标准。

（3）弹性极限（σ_e）金属在弹性变形范围内，承受不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限，用σ_e表示，其应力单位为MPa。

弹性极限实际上是表示材料弹性变形的极限能力。它和σ_p一样，也很难精确测定。标准规定，以残余伸长为0.01％的应力作为规定弹性极限，同时，由于弹性极限和比例极限两者很接近，故一般就不把它们区别，常以规定的σ_p代替σ_e。

比例极限、弹性极限都是表示金属材料在不产生塑性变形时所承受的最大应力值。这是工作中不允许有微量塑性变形的零件（如精密的弹性元件、炮筒等）在设计与选材时的重要依据。

2.强度、屈服强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度和抗压强度

强度是材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性，它是机件设计时的重要依据。表示强度的指标有多种，如屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度、抗扭强度、蠕变强度和持久强度等。但常用的指标有屈服极限与屈服强度、抗拉强度、抗剪强度。

（1）屈服极限与屈服强度（σ_s、σ_0.2）金属材料在拉伸过程中，当载荷不再增加时，材料开始发生明显的塑性变形，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形的最小应力，称为屈服极限，用σ_s表示，其应力单位为MPa。

屈服极限σ_s代表材料抵抗微量塑性变形的抗力。

有些金属材料（如高碳钢和某些经热处理后的钢等）在拉力试验中，屈服极限极不明显，这给测量带来困难。标准规定可用条件屈服强度（简称屈服强度）σ_0.2（MPa）来表示该材料开始产生明显塑性变形时的最小应力值。σ_0.2表示试样在拉伸过程中，标距部分产生0.2％残余伸长（塑性变形）时的应力值。

机械零件所受应力一般都应小于屈服极限才较安全。但在冲压加工中，要使材料产生形状改变，所施加外力，必须超过材料屈服极限才有效。

（2）抗拉强度（σ_b）金属材料在受力拉伸过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，也就是金属材料拉断前最大载荷的应力，称为抗拉强度。一般又称“强度、强度极限”，用σ_b表示（新标准用R_m表示），其应力单位为MPa。

工程上所用的金属材料，不仅希望具有高的σ_s，并且还希望有一定的屈强比，即σ_s与σ_b的比值。屈强比越小，虽然越不容易发生危险的脆性破坏，但屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。因此，一般还是希望屈强比高一些。不同零件对屈强比有不同的要求，如弹簧就要求有高的屈强比。

机械零件所受的应力，既不能超过屈服极限，更不允许超过强度极限，否则就会发生破坏，造成严重的质量事故。

抗拉强度是零件设计的重要依据，也是评定金属材料的强度重要指标之一。常用材料的σ_b可从材料标准或有关手册中查到。

（3）抗剪强度（τ）金属材料剪切断裂前的最大应力，称为抗剪强度，用τ表示，其应力单位为MPa。

抗剪强度在冲压加工中用来计算冲裁力时要用到。其数值可从材料标准或有关手册中查到。τ与σ_b之间存在一定的关系，当τ查不到时，可近似地取τ＝0.8σ_b。

（4）抗弯强度（σ_bb）金属材料弯曲断裂前的最大应力，称为抗弯强度，用σ_bb表示，其应力单位为MPa。

（5）抗压强度（σ_bc）材料受压力断裂前的最大应力，称为抗压强度，用σ_bc表示，其应力单位为MPa。

在冲压模具中，需校核细小凸模承压能力时，要用到抗压强度。

3.塑性、伸长率和断面收缩率

金属的塑性，是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是指伸长率和断面收缩率。

（1）伸长率（A）金属试样受外力作用拉断后，在标距内总伸长量同原标距长度之比的百分数，称为伸长率。用A表示（旧标准用δ表示），计算式为

式中 L_r——试样被拉断时的标距长度；

L₀——试样原始标距长度。

材料的伸长率是随试样标距长度的增加而减小的，所以同一材料的短试样（标距长度为其试样直径5倍时，即5倍试样）所测得的伸长率比长试样（标距长度为其试样直径10倍时，即10倍试样）所测得的大20％左右，对局部集中变形特别明显的材料，甚至可大到50％。因此，用长、短两种试样求得的伸长率应分别以A₁₀和A₅表示。习惯上A₁₀常写成A，而不加下标数字。由此可见，对于不同材料，只有A₅和A₅比较或者A₁₀和A₁₀比较才是正确的。

（2）断面收缩率（Z）金属受外力被拉断后，其横截面的缩小量与原来横截面积相比的百分数，称为断面收缩率，即

式中 Z——断面收缩率（旧标准用ψ表示）；

S₀——试样的原始横截面积；

S_u——试样拉断处最小横截面积。

金属材料的伸长率A和断面收缩率Z都是用来度量塑性大小的，A和Z越大，则表示材料的塑性越好。如纯铁的伸长率几乎为50％，而普通生铁的伸长率还不到1％，因此，纯铁的塑性远比生铁要好得多。

塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义。良好的金属塑性可顺利地进行某些成形加工，如锻压、冷挤压、拉深、冷拔等。此外，良好的塑性可避免某些机件在使用中不发生突然断裂的作用。当然，对塑性过高要求也没有必要。

4.硬度、布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力，也可以说是材料对局部塑性变形的抗力。

目前生产中，测定硬度方法最常用的是压入法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。用同样的压头在相同大小载荷作用下压入金属材料表面时，若压入程度越大，则材料硬度越低；反之，硬度值就越高。因此，压入法所表示的硬度是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力。

硬度的测定方法简单，一般可直接在零件表面上测定而不破坏工件，并且还可以根据测得的硬度值估计出材料的近似强度极限和耐磨性。一般是硬度高，耐磨性好，强度也高。根据经验，硬度与强度之间有一定近似关系：对于低碳钢，σ_b≈0.36HBW；对于高碳钢，σ_b≈0.34HBW；对于灰铸铁，σ_b≈0.1HBW。

测定硬度的方法很多，应用较多的有布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）等。

（1）布氏硬度（HBW）将一定直径的硬质合金压头，在一定的载荷下垂直压入试样表面，保持规定的时间后卸载，压痕表面所承受的平均应力值，称为布氏硬度值，以HBW表示。

图4-7 各种硬度测定原理示意图

a）布氏试验 b）维氏试验 c）洛氏试验

布氏硬度测定原理如图4-7a所示。但在实际测试时，一般根据压痕直径d大小查表即可求得所测硬度值。计算式如下

式中 F——压头上的负荷（N）；

D——压头钢球直径（mm）；

d——压痕直径（mm）；

A——压痕的表面积（mm²）。

由布氏硬度计算式可知，当所加载荷F与压头直径D已选定时，硬度值HBW只与压痕直径d有关。d越大，则HBW值越小；反之，d越小，则HBW值越大。

布氏硬度测定因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故测定结果较精确，适合于原材料、轧制材料、锻件、铸铁、轴承合金等硬度测试，不宜测试成品或薄片金属的硬度。

（2）洛氏硬度（HR）用规定的载荷，将顶角为120°的圆锥形金刚石压头或直径为1.59mm的淬硬钢球压入金属表面，取其压痕深度计算硬度的大小。这种硬度称为洛氏硬度，以HR表示，无单位量纲。

洛氏硬度测定原理如图4-7c所示。计算式为

式中 K——常数，用金刚石圆锥体作压头时，K＝0.2mm；用钢球作压头时，K＝0.26mm；

h——压头压痕深度（mm）；

0.002——一个硬度单位所表示的压痕深度（mm）。

实际测试时，一般从硬度计的指示器上直接读出硬度值。

为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，采用了由不同的压头和载荷，组成了多种洛氏硬度标尺，其中最常用的是HRA、HRB、HRC三种标尺。应用情况见表4-5。

表4-5 常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用

①括号内为常用测量范围。

洛氏硬度是目前工厂中应用最广的一种硬度指标。在模具设计与制造中，对零件经热处理淬火后的硬度要求，均采用HRC值。

（3）维氏硬度（HV）用49～981N的载荷，将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属表面，以其压痕面积除载荷所得之商，称为维氏硬度，以HV表示，单位为MPa。

维氏硬度测定原理如图4-7b所示。它适用于测定厚度为0.3～0.5mm的薄层材料，或厚度为0.03～0.05mm的表面硬化层（如渗碳、渗氮、碳氮共渗层）的硬度。洛氏硬度不能测定的薄板或小部件可用维氏硬度计测定。

此外，针对被测试对象的要求不同，还有如测定和表示橡胶硬度的邵氏硬度，又称邵尔氏A硬度；显微硬度（HM），其值与维氏硬度值完全相同，它也可以用HV表示；努氏硬度（HK）和莫氏硬度等。

5.韧性和疲劳

（1）韧性金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。

（2）疲劳金属材料在交变载荷作用下，经无限次循环而不产生断裂的最大循环应力，称为疲劳极限（疲劳强度），用以衡量金属的疲劳性能。

国标规定，对于钢铁材料，应力循环次数采用10⁷次；对于有色金属材料，采用10⁸或更多的周次。σ_－1表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限，σ_－10表示缺口试样的对称弯曲疲劳极限。

6.碳的质量分数对碳钢力学性能的影响

图4-8所示为碳的质量分数对碳钢力学性能的影响。由图可见，当钢中碳的质量分数小于0.9％时，随着钢中碳的质量分数的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中碳的质量分数大于0.9％时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3％～1.4％。

图4-8 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响

碳的质量分数大于2.11％的白口铸铁，由于组织中存在较多的渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工。

金属材料的力学性能及其组成

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