在人類文明發(fā)展的歷史過程中，由于材料性能的不合格造成的大大小小的事故不勝枚舉。像1912年泰坦尼克號的沉沒，1938年二戰(zhàn)前夕英國皇家空軍Spitfire戰(zhàn)斗機的墜落，1998年德國的鐵路慘案……在早期時候是由于人類認(rèn)知水平的不足而造成的，而在科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，事故的發(fā)生更多是由于設(shè)計、制造工藝、使用環(huán)境等因素考慮不周，使用不當(dāng)而造成的。因此，對材料性能的全面了解以及正確的使用合適的材料，變得非常的重要。材料的性能包括力學(xué)性能、物理化學(xué)性能及工藝性能等，本文主要介紹一下材料的力學(xué)性能。

 

金屬材料的力學(xué)性能，是指金屬材料在受到不同性質(zhì)的載荷作用時，所表現(xiàn)出來的性能，它包括：強度、硬度、塑性、韌性和抗疲勞強度等性能指標(biāo)。

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  強度  

相信大家對材料的強度這個詞是耳熟能詳了，平常中聽的最多的也是這個。由于載荷的不同，強度也分為：抗拉、抗壓、抗剪、抗扭、抗彎曲五種。我們所要關(guān)注的為抗拉強度，其他四種強度與抗拉強度存在一定的關(guān)系，可以用抗拉強度來推測。

圖1 拉伸曲線

圖1為材料進(jìn)行拉伸試驗時得到的曲線，這里我們不展開詳細(xì)描述，需要的注意的是以下幾點：

1. 脆性材料和塑性材料差異。

圖1中曲線為塑性材料的拉伸曲線，對于脆性材料（沒有明顯屈服現(xiàn)象），將產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。

2. 計算時用屈服強度還是抗拉強度。

若不允許發(fā)生過量的塑性變形，以屈服強度σs 或σ0.2 為依據(jù)；若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，以抗拉強度σb 來設(shè)計。

3. 手冊上給出的強度值是否可以直接使用。

一般的設(shè)計手冊中給出的強度值為采用標(biāo)準(zhǔn)試棒拉伸得到的。這個標(biāo)準(zhǔn)試棒直徑一般較小，通常16mm，而且表面粗糙度較好，沒有應(yīng)力集中區(qū)域。有些手冊上針對不同的直徑段，也給出了相應(yīng)的強度值，但是依然比較籠統(tǒng)。正因如此，在中國通常我們使用“許用強度/應(yīng)力”，它實際上是試棒試驗的強度除以一個安全系數(shù)得到的數(shù)值。手冊上給出的許用值通常會比較保守。如果需要精確計算，則需要考慮更多的因素，如尺寸大小、應(yīng)力集中、表面處理、粗糙度等等，DIN743是個不錯的參考資料。

4. 疲勞強度與抗拉強度的關(guān)系。

一般情況下，彎曲疲勞極限σbw=0.5σB，拉壓疲勞極限σzdw=0.4σB，扭轉(zhuǎn)疲勞極限σtw=0.3σB。

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  硬度  

硬度是指，金屬表面上局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破壞的能力。通常在做材料檢測時，我們會打一下硬度，進(jìn)而判斷材料性能的好壞。實際上，硬度和強度并沒有嚴(yán)格對應(yīng)換算關(guān)系，雖然有些標(biāo)準(zhǔn)給出了這種對應(yīng)關(guān)系，它只能說是大量實驗得出的一種粗略換算關(guān)系。那為什么我們要用硬度呢？因為硬度檢測設(shè)備簡單，操作起來也比較方便，最重要的是它可以在不破壞零件的情況下進(jìn)行測量。雖然和強度不能一一對應(yīng)，但是大體上可以對材料進(jìn)行判斷。

(a)布氏硬度測量(HB)；(b)維氏硬度測量(HV)；(c)洛氏硬度測量(HR)

圖2 常用的硬度測試方式

圖2給出了三種硬度測試原理的示意圖，更多信息大家可以通過教材得以了解。下面我們看一下需要注意的地方：

1. 為什么有些硬度的用HBW, HBS, HRA, HRB, HRC等來表示。

后綴字母的區(qū)別是由于采用壓頭的材料或標(biāo)度不一樣。不同的后綴測定的硬度范圍是不一樣的，適用的材料也是不一樣的，需要注意。

2. 這三種硬度測試方法，什么時候應(yīng)用什么硬度？

 

• 布氏硬度 (HB)：適用于硬度較低和尺寸較大的材料，示值重復(fù)性好，一般不用于成品件測量。

   

• 洛氏硬度 (HR)：壓痕小，可用于成品件，較薄件的硬度測量，而且測量硬度范圍廣，但示值重復(fù)性較差，需多點取平均值，淬火鋼硬度的測量多用洛氏硬度。

   

• 維氏硬度 (HV)：可測量的硬度范圍最廣，而且不受試驗力大小的影響，可用于測較薄的硬化層測量，但是由于其對試樣和操作者要求較高，目前主要集中用于實驗室中對材料研究以及科學(xué)試驗方面。

表1 布氏硬度和抗拉強度的換算關(guān)系

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  塑性  

塑性是指，材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。良好的塑性有利于金屬材料的冷沖壓成型加工，材料塑性好不好，通常我們通過伸長率δ 和端面收縮率ψ 兩個指標(biāo)來衡量。當(dāng)δ>ψ 時，無縮頸，為脆性材料表征；當(dāng)ψ>δ 時，有縮頸，為塑性材料表征。更多信息這里就不展開了，我們來看看有關(guān)塑性的問題：

 

1. 材料塑性的意義是什么。

 

• 安全：防止產(chǎn)生突然破壞；

   

• 緩和：應(yīng)力集中；

   

• 軋制：擠壓等冷加工已變形，放開裂。

 

2. 材料塑性與強度的關(guān)系。

強度和塑性是一對矛盾的性能指標(biāo)，要想提高強度就要犧牲一部分塑性，反之改善塑性就必須犧牲一部分強度。不過可以通過熱處理，改善材料的金相組織來同時提高強度和塑性。

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  韌性  

我們實際中用到的很多零部件，有時會受到一個突然間的外力作用，我們稱之為沖擊載荷。在沖擊載荷的情況下，材料不僅要有較高的強度和硬度，還要有足夠的韌性，以防止沖擊帶來的破壞。

正像文章的標(biāo)題提到的，泰坦尼克號的沉沒就是由于材料的沖擊韌性不達(dá)標(biāo)造成。這艘曾被稱作為“永不沉沒的船”和“夢幻之船”的豪輪，在其處女航時和冰川撞上之后開裂而進(jìn)水沉沒。

圖4 擺錘沖擊試驗

材料的沖擊韌性指標(biāo)Ak 通常采用擺錘式的沖擊功試驗來驗證，材料的Ak 值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，Ak 值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk。

圖5 溫度對沖擊功的影響

Ak 值受到多種因素的影響，這里不作展開?？紤]以下幾個問題：

1. 什么時候需要做沖擊功試驗？

如果零部件實際使用工況中存在沖擊性載荷，或在低溫狀態(tài)下使用時需要考慮沖擊試驗。沖擊試驗的溫度根據(jù)實際情況選擇，一般溫度越低，沖擊韌性越差。

2. Ak 值大的是不是一定比Ak 值小的沖擊韌性好？

Ak  值是將零部件做成一定試樣后來確定的，如果僅僅給出了Ak  值，但沒有標(biāo)明試樣的類型和尺寸，其Ak  值是不能直接比較的。

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  疲勞  

處在交變應(yīng)力下的零部件，在其應(yīng)力值低于材料的抗拉強度，甚至有時低于屈服極限時就發(fā)生斷裂，我們稱之為疲勞。下圖為疲勞曲線圖。

圖6 疲勞曲線圖

影響材料的疲勞極限的因素有很多，包括：內(nèi)在的材料本身的表面特征和內(nèi)部缺陷，以及外部載荷力大小，循環(huán)次數(shù)等。一些內(nèi)在的因素我們可以通過設(shè)計和制造工藝控制來提高，改善材料的疲勞應(yīng)力?？紤]以下問題：

1. 計算中疲勞應(yīng)力如何??？

在前面第一部分中，我們簡要的提到了疲勞強度和抗拉強度的關(guān)系。這只是一個粗略的關(guān)系，精確計算疲勞極限時還要考慮很多因素。另外如果我們可以計算其循環(huán)次數(shù)，則我們可以適當(dāng)根據(jù)循環(huán)次數(shù)和疲勞曲線圖選擇較大的疲勞極限值，而不是一直用永久疲勞極限值。

2. 有哪些措施可以改善疲勞強度？

 

• 設(shè)計中避免尖角，缺口和截面突變；

   

• 提高表面加工質(zhì)量；

   

• 表面強化處理，如淬火，噴丸等。