第1章　金屬材料的力學(xué)能

金屬材料的力學(xué)性能是指材料在外力的作用下抵抗變形和破壞的能力，它是金屬材料的主要性能之一，也是工程技術(shù)人員正確選用材料的重要依據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。

1.1　靜載時(shí)材料的力學(xué)性能

1.1.1　靜載拉伸試驗(yàn)

靜載是對(duì)試樣施加的不變載荷，而緩慢加載對(duì)靜載的力學(xué)性能影響不大，故可近似地看成靜載。由于低碳鋼是工程中使用最廣泛的材料，它在常溫靜載條件下表現(xiàn)出來的力學(xué)行為最全面，也最具代表性，因此主要以低碳鋼為例來說明金屬材料的力學(xué)性能。

低碳鋼的拉伸試驗(yàn)，應(yīng)按《金屬拉伸試驗(yàn)方法》（GB 228—87）制作拉伸試樣，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上緩慢加載拉伸，使試樣承受軸向拉力P，并引起試樣沿軸向產(chǎn)生伸長ΔL（L1- L0），當(dāng)載荷超過某一數(shù)值后，試樣伸長迅速加大，并使試樣局部直徑產(chǎn)生縮?。ǚQ為縮頸），當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣斷裂。如果以拉力P除以試樣的原始截面積F0為縱坐標(biāo)（即拉應(yīng)力σ= P／F0）。以ΔL除以試樣原始長度L0為橫坐標(biāo)（即應(yīng)變?chǔ)?ΔL／L0），則可畫出應(yīng)力-應(yīng)變圖，如圖1．1．1所示。

圖1.1.1　低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（1）彈性和剛性

在圖1．1．1中，當(dāng)加載應(yīng)力不超過σe，卸載后試樣能恢復(fù)原狀，即材料不產(chǎn)生永久變形，將材料的這種性能稱為彈性。σe為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。

圖中Oe是直線，表示應(yīng)力與應(yīng)變成正比，此階段服從虎克定律，Oe的斜率為試樣材料的彈性模量E，即

彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。E越大，則使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也越大。因此，工程上將它稱為材料的剛度。剛度表征材料彈性變形抗力的大小。

彈性模量E主要決定于材料的本身，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一，合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)它的影響很小。在室溫下，鋼的彈性模量E為190～220 GPa。彈性模量隨溫度的升高而逐漸降低。

（2）強(qiáng)度

在外力的作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。當(dāng)承受拉力時(shí)，強(qiáng)度特性指標(biāo)主要是屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb。

1）屈服極限

如圖1．1．1所示，在s點(diǎn)（屈服點(diǎn)）出現(xiàn)一水平線段，這表明拉力雖然不再增加，但變形仍在進(jìn)行，此時(shí)若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余的變形，這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。σs表示材料在外力的作用下開始產(chǎn)生塑性變形的最低應(yīng)力，稱為屈服極限。

有些材料的拉伸曲線上沒有明顯的屈服點(diǎn)s，難以確定開始塑性變形的最低應(yīng)力值，此時(shí)規(guī)定試樣產(chǎn)生0．2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力值，為該材料的條件屈服極限，以σ0．2表示。

構(gòu)件在工作中一般不允許發(fā)生塑性變形。屈服極限σs是設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)，是材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

2）強(qiáng)度極限

強(qiáng)度極限為試樣被拉斷前的最大承載能力，如圖1．1．1所示的σb值，σb也是設(shè)計(jì)和選材的主要參數(shù)之一。

σs／σb稱為屈強(qiáng)比，屈強(qiáng)比越小，構(gòu)件的使用可靠性越高，即使超載也不至于馬上斷裂。屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。

合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)材料的σs，σb影響很大。

（3）塑性

在外力的作用下，材料發(fā)生不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性大小用伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示，即

式中　L1——試樣拉斷后的長度；

L0——試樣原始長度；

F1——試樣拉斷處的橫截面積；

F0——試樣原始橫截面積。

δ，ψ越大，表示材料的塑性越好。由于δ值與試樣尺寸有關(guān)，故一般規(guī)定L0= 5d0或L0= 10d0（d0為試樣原始直徑），分別以δ5或δ10表示兩種不同尺寸的試樣測(cè)得的伸長率。同一種材料測(cè)得的δ5一般比δ10要大些。

金屬材料應(yīng)具有一定的塑性才能順利地承受各種變形加工，而材料具有一定的塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂。

1.1.2　硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性變形的能力。工程上常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

（1）布氏硬度

布氏硬度試驗(yàn)通常是以一定的壓力P（30 000 N），將直徑為D的淬火鋼球壓入被測(cè)材料的表層，保持一定時(shí)間后卸除載荷，即得到一直徑為d的壓痕，如圖1．1．2所示，載荷除以壓痕表面積所得之值即為布氏硬度，以HB表示。

圖1．1．2　布氏硬度試驗(yàn)原理圖

從幾何關(guān)系可求得：

當(dāng)試驗(yàn)壓力的單位為牛（N）時(shí)

上式中只有d為變量，因而只要在試驗(yàn)后測(cè)出壓痕平均直徑d，即可求得布氏硬度。

布氏硬度壓痕直徑大，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等原材料的硬度，而太薄、太硬（＞450 HB）的材料不宜采用布氏硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定的壓力壓入被測(cè)材料表面，根據(jù)壓痕的深度來度量材料的硬度，壓痕越深，硬度越低。為了使洛氏硬度適應(yīng)較寬的硬度測(cè)定范圍，采用了不同的壓頭和載荷組成各種洛氏硬度標(biāo)尺，如HRA，HRB，HRC等，其中HRC用得最多。HRC是以頂角為120°金剛石圓錐體為壓頭，使用較小的載荷（1 500 N），測(cè)試簡單而迅速，壓痕很小，幾乎不損傷構(gòu)件表面。洛氏硬度一般用于測(cè)試淬火鋼或其他硬度較高的材料的硬度以及成品表面硬度檢驗(yàn)。

除以上介紹的兩種硬度測(cè)定方法外，還有維氏硬度等，可根據(jù)具體需要選用。

1.2　動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能

許多機(jī)械零件是在動(dòng)載條件下工作的。動(dòng)載主要有兩種形式：一是載荷以較高的速度施加到構(gòu)件上，形成沖擊；二是載荷的大小和方向作周期性變化，形成所謂“交變載荷”。當(dāng)工件承受動(dòng)載荷時(shí)，其抵抗破壞的能力和各種力學(xué)行為與靜載時(shí)是不同的。

1.2.1　沖擊韌性

在工程上，沖擊載荷是一類重要的動(dòng)載形式，常用一次擺錘沖擊帶缺口試樣的折斷試驗(yàn)所消耗的能量來測(cè)定材料抵抗沖擊載荷的能力。材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性αk，沖擊韌性越高，材料抵抗沖擊載荷的能力越強(qiáng)。沖擊韌性的大小除取決于材料本身外，還受環(huán)境溫度、試樣大小和缺口形狀等因素影響。

1.2.2　疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件如彈簧、軸、齒輪等，在工作時(shí)承受交變載荷，即使交變應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后也會(huì)發(fā)生破壞。試驗(yàn)證明，金屬材料能承受的交變應(yīng)力σ與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有如圖1．1．3所示的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)σ低于某一值時(shí)，曲線與坐標(biāo)平行，表示材料可經(jīng)無限次循環(huán)而不斷裂，這一應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限σr。

工程上指的疲勞強(qiáng)度，是在一定的循環(huán)次數(shù)下，不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，一般規(guī)定鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)為107，有色金屬為108。

圖1．1．3　疲勞曲線

通常認(rèn)為，疲勞破壞是由裂紋的萌生、擴(kuò)展以及失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段組成。如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷或在結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中，會(huì)使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度大大降低，因此，若構(gòu)件承受交變載荷的作用，應(yīng)避免嚴(yán)重的應(yīng)力集中。由于疲勞破壞通常是在沒有任何先兆的情況下突然發(fā)生的，因而具有很大的危險(xiǎn)性。統(tǒng)計(jì)資料表明，機(jī)械設(shè)備失效總數(shù)的50%～90%系疲勞破壞所致，汽車部件破壞85%以上是由于疲勞破壞引起的。

1.3　斷裂韌性

自20世紀(jì)30年代起，在工程結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了一系列新問題，即按經(jīng)典力學(xué)理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在完全滿足材料的力學(xué)性能條件之后，仍有一些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂與破壞事故。這些新問題的出現(xiàn)，促使人們研究其斷裂機(jī)理并尋找預(yù)防措施，從而形成了斷裂力學(xué)這一新的學(xué)科。斷裂力學(xué)的基本假設(shè)是任何結(jié)構(gòu)中都不可避免地存在裂紋等缺陷，而結(jié)構(gòu)的脆性斷裂是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。

如圖1．1．4所示，由于裂紋的存在，在裂紋尖端前沿存在著應(yīng)力集中，形成裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，按斷裂力學(xué)分析，其大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K1來描述，即

式中　Y——與試樣和裂紋幾何尺寸有關(guān)的量（無量綱）；

σ——外加應(yīng)力；

a——裂紋的半長。

圖1．1．4　具有張開型裂紋的試樣

拉伸一個(gè)有裂紋的試樣時(shí)，其Y值是一定的，當(dāng)拉應(yīng)力σ逐漸增大時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1也逐漸增大，當(dāng)K1達(dá)到某一定值時(shí)，就會(huì)使裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生斷裂，這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用K1C表示。它反映材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。K1C可通過試驗(yàn)測(cè)定，是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。

斷裂韌性為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。