1.2　工程材料的性能

1.2.1　工程材料的力學性能

工程材料的力學性能又稱機械性能，是材料在力的作用下所表現出來的性能。力學性能對工程材料的使用性能和工藝性能有著非常重要的影響。材料的主要力學性能有：強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。

1.強度和塑性

金屬材料的強度和塑性是通過拉伸試驗測定出來的。拉伸試驗是在拉伸試驗機上進行的。試驗之前，先將被測金屬材料制成如圖1.2.1所示的標準試樣，圖中d0為試樣直徑，l0為測定塑性用的標距長度。試驗時，在試樣兩端緩慢地施加軸向拉伸載荷，使試樣承受軸向靜拉力。隨著載荷不斷增加，試樣被逐步拉長，直到拉斷。在拉伸過程中，試驗機將自動記錄每一瞬間的載荷F和伸長量Δl，并給出拉伸曲線。

如圖1.2.2所示為低碳鋼的拉伸曲線。由圖可見，在開始的Oe階段，載荷F與伸長量Δl為線性關系，并且，去除載荷，試樣將恢復到原始長度。在此階段試樣的變形稱為彈性變形。載荷超過Fe之后，試樣除發生彈性變形外還將發生塑性變形。此時，載荷去除后試樣不能恢復到原始長度，這是由于其中的塑性變形已不能恢復，形成了永久變形的緣故。在載荷增大到Fs之后，拉伸圖上出現了水平線段，這表示載荷雖未增加，但試樣繼續發生塑性變形而伸長，這種現象稱為“屈服”，s點稱為屈服點。當載荷超過Fb以后，試樣上某部分開始變細，出現了“縮頸”，由于其截面縮小，使繼續變形所需載荷下降。載荷到達Fk時，試樣在縮頸處斷裂。為使曲線能夠直接反映出材料的力學性能，可用應力σ（試樣單位橫截面上的拉力）代替載荷F，以應變ε（試樣單位長度上的伸長量）取代伸長量Δl。由此繪成的曲線，稱為應力應變曲線。σ-ε曲線和F-Δl曲線形狀相同，僅是坐標的含義不同。

（1）強度　強度是材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。強度有多種判據，工程上以屈服強度和抗拉強度最為常用。

①屈服強度　是指拉伸試樣產生屈服現象時的應力，以σ表示。它可按下式計算

式中　Fs——試樣發生屈服時所承受的最大載荷，N；

A0——試樣原始截面積，mm2。

對于許多沒有明顯屈服現象的金屬材料，工程上規定以試樣產生0.2％塑性變形時的應力作為該材料的屈服點，此時的屈服強度用σ0.2表示。

②抗拉強度　指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力，以σb表示。它可按下式計算

式中　Fb——試樣在拉斷前所承受的最大載荷，N；

A0——試樣原始截面積，mm2。

屈服強度σ和抗拉強度σb在選擇、評定金屬材料及設計機械零件時具有重要意義。由于機器零件或構件工作時，通常不允許發生塑性變形，因此多以σ作為強度設計的依據。對于脆性材料，因斷裂前基本不發生塑性變形，故無屈服點可言，在計算強度時，則以σ為依據。

（2）塑性　塑性是指金屬材料產生塑性變形而不被破壞的能力，通常以伸長率δ來表示

式中　l0——試樣原始標距長度，mm；

l1——試樣拉斷后的標距長度，mm。

必須指出，伸長率的數值與試樣尺寸有關，因而試驗時應對所選定的試樣尺寸作出規定，以便進行比較。

金屬材料的塑性也可用斷面收縮率ф表示

δ和ф值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不僅是金屬材料進行軋制、鍛造、沖壓、焊接的必要條件，而且在使用時萬一超載，由于產生塑性變形的原因，能夠避免突然斷裂。

2.硬度

金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。硬度是衡量金屬軟硬程度的判據。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性，因為機械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都應具有足夠高的硬度，才能保證其使用性能和壽命。若所加工的金屬坯料的硬度過高，則給切削加工帶來困難。顯然，硬度也是重要的力學性能指標，應用十分廣泛。金屬材料的硬度是在硬度計上測定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有時還采用維氏硬度法。

（1）布氏硬度（HB）　布氏硬度的測試原理如圖1.2.3所示。以直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球為壓頭，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓入被測材料的表面［見圖1.2.3（a）］，停留若干秒后，卸去載荷［見圖1.2.3（b）］。然后，采用帶刻度的專用放大鏡測出壓痕直徑d，并依據d的數值從專門的硬度表格中查出相應的HB值。

布氏硬度計的壓頭直徑有10mm、5mm、2.5mm三種，而載荷有30000N、7500N、1870N等數種，供不同材料和不同厚度試樣測試時選用。布氏硬度法因壓痕面積較大，其硬度值比較穩定，故測試數據重復性好，準確度較洛氏硬度法高。缺點是測量費時，且因壓痕較大，不適于成品檢驗。由于測試過硬的材料可導致鋼球的變形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰鑄鐵、非鐵合金及較軟的鋼材。

必須看到，新型布氏硬度計設計有硬質合金球壓頭，從而可用于測試淬火鋼等較硬金屬的硬度，使布氏硬度法的適用范圍擴大。

為了區別不同壓頭測出的硬度值，將鋼球壓頭測出的硬度值標以符號HBS，而將硬質合金球壓頭測出的硬度值標以HBW。

（2）洛氏硬度（HR）　洛氏硬度的測試原理是以頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭，在規定的載荷下，垂直地壓入被測金屬表面，卸載后依據壓入深度h，由刻度盤上的指針直接指示出HR值（見圖1.2.4）。

為便于洛氏硬度計能夠測試從軟到硬各種材料的硬度，其壓頭及載荷可以變更，而刻度盤上也有三個不同的硬度標尺。

洛氏硬度測試簡單、迅速，因壓痕小，可用于成品檢驗。它的缺點是測得的硬度值重復性較差，這對存有偏析或組織不均勻的被測金屬尤為明顯，為此，必須在不同部位測量數次。

硬度試驗設備簡單，測試迅速，不損壞被測零件。同時，硬度和強度間有一定換算關系（可參閱有關手冊），故在零件圖的技術條件中，通常標注出硬度要求。

3.韌性

金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱為韌性。韌性的常用指標為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘式沖擊試驗機測定。測定時，一般是將帶缺口的標準沖擊試樣（參見GB/T 229—94）放在試驗機上，然后用擺錘將其一次沖斷，并以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示其沖擊韌度，即

式中　ak——沖擊韌度（沖擊值）；

Ak——沖斷試樣所消耗的沖擊功，J；

A——試樣缺口處的截面積，cm2。

對于脆性材料（如鑄鐵、淬火鋼等）的沖擊試驗，試樣一般不開缺口，因為開缺口的試樣沖擊值過低，難以比較不同材料沖擊性能的差異。

沖擊值的大小與很多因素有關。它不僅受試樣形狀、表面粗糙度、內部組織影響，還與試驗時的環境溫度有關。因此，沖擊值一般作為選擇材料的參考，不直接用于強度計算。必須指出，承受沖擊載荷的機器零件，很少是在大能量下一次沖擊而破壞的，而大多是受到小能量多次重復沖擊而破壞的，如連桿、曲軸、齒輪等。因此，在大能量、一次沖斷條件下來測定沖擊韌度，雖然方法簡便，但對大多數在工作中承受小能量重復沖擊的機件來說就不一定適合。不過試驗研究表明：在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復沖擊的能力，主要取決于強度，而不要求過高的沖擊韌度。例如，用球墨鑄鐵制造的曲軸，只要強度足夠，其沖擊韌度達到8～15J/cm2時，就能獲得滿意的使用性能。

還須指出，沖擊值對組織缺陷很敏感，它能反映出材料品質、宏觀缺陷和顯微組織等方面的變化，因此，沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質量的有效方法。

4.疲勞強度

機械上的許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等是在周期性或非周期性動載荷（稱為疲勞載荷）的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發生斷裂時，其應力往往大大低于該材料的強度極限，這種斷裂稱為疲勞斷裂。

金屬材料所承受的疲勞應力（σ）與其斷裂前的應力循環次數（N），具有如圖1.2.5所示的疲勞曲線關系。在應力下降到某值之后，疲勞曲線成為水平線，這表示該材料可經受無數次應力循環而仍不發生疲勞斷裂，這個應力值稱為疲勞極限或疲勞強度，亦即金屬材料在無數次循環載荷作用下不致引起斷裂的最大應力。當應力按正弦曲線對稱循環時，疲勞強度以符號σ-1表示。

由于實際測試時不可能做到無數次應力循環，故規定各種金屬材料應有一定的應力循環基數。如鋼材以107為基數，即鋼材的應力循環次數達到107仍不發生疲勞斷裂，就認為不會再發生疲勞斷裂了。對于非鐵合金和某些超高強度鋼，則常以107為基數。產生疲勞斷裂的原因，一般認為是由于材料含有雜質、表面劃痕及其他能引起應力集中的缺陷，導致產生微裂紋。這種微裂紋隨應力循環次數的增加而逐漸擴展，致使零件有效截面逐步縮減，直至不能承受所加載荷而突然斷裂。

為了提高零件的疲勞強度，除應改善其結構形狀、減少應力集中外，還可采取表面強化的方法，如提高零件的表面質量、噴丸處理、表面熱處理等。同時，應控制材料的內部質量，避免氣孔、夾雜等缺陷。

1.2.2　材料的物理、化學性能

材料的物理性能主要有密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。由于機器零件的用途不同，對其物理性能的要求也有所不同。例如，飛機零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金來制造；設計電機、電器零件時，常要考慮金屬材料的導電性等。

材料的化學性能主要是指在常溫或高溫時，抵抗各種介質侵蝕的能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。對于在腐蝕介質中或在高溫下工作的機器零件，由于比在空氣中或室溫時遇到的腐蝕更為強烈，故在設計這類零件時應特別注意金屬材料的化學性能，并采用化學穩定性良好的合金。如化工設備、醫療用具等常采用不銹鋼來制造，而內燃機排氣閥和電站設備的一些零件則常選用耐熱鋼來制造。

材料的品種繁多，又具有不同的性能，工程實際中往往根據材料的用途、零件的工作條件和失效分析出發選取材料的某些性能作為使用的依據。其中材料的物理化學性能是材料被選用的重要依據。

1.密度

密度是指材料單位體積的質量。材料的密度直接關系到產品的總質量和效能。對于航空、交通等工業產品往往要求質輕、強度高的材料，如鈦合金在航空、航天工業上，鉛合金和高分子材料及復合材料在交通工業上都得到了廣泛的應用。

2.熔點

熔點是指材料的融化溫度。金屬都有固定的熔點，這取決于它的化學成分，對于金屬與合金的冶煉、鑄造和焊接等都要利用這個性能。熔點低的金屬稱易熔金屬（如Sn、Pb等），可用來生產保險絲、焊絲等。熔點高的金屬稱難熔金屬或耐熱金屬（如W、Mo等），可用來生產高溫零件如燃氣輪機轉子等。陶瓷的熔點一般都高于常規的金屬和合金的熔點，加上其具有良好的絕緣性，所以在一些要求高溫絕緣的機件中一直得到很好的應用，如用于制造汽車火花塞、高壓開關等。

3.熱膨脹性

熱膨脹性是材料受熱后的體積膨脹，通常用熱膨脹系數表示。對精密儀器或機器的零件，特別是高精度配合零件，熱膨脹系數就是其在使用中的一個尤為重要的性能參數。如發動機活塞與缸套的材料就要求兩種材料的膨脹量盡可能接近，否則將影響密封性。一般情況下，陶瓷材料的熱膨脹系數較低，金屬次之，而高分子材料最大。工程上有時也利用不同材料的膨脹系數的差異制造一些控制部件，如電熱式儀表的雙金屬片等。

4.導電性

材料傳導電流的能力稱為導電性，一般用電阻率表示。金屬一般都具有良好的導電性，Ag的導電性最好，Cu和Al次之。由于價格因素，導線主要用Cu或Al制作。合金的導電性一般比純金屬差，所以用NiCr合金、FeMnAl合金等制作電阻絲。導電性與環境的溫度也有關系。一般情況下金屬的電阻率隨溫度的升高而增加，而非金屬材料的電阻率則隨溫度升高而變小。高分子材料一般都是絕緣體，但有的高分子復合材料也具有良好的導電性，正像陶瓷材料一樣，一般都是良好的絕緣體，但有些特殊成分的陶瓷卻是具有一定導電性的半導體。

5.導熱性

材料熱傳導的能力稱導熱性，一般用熱導率表示。材料的熱導率大，說明導熱性好。金屬中導熱性以Ag最好，Cu和Al次之。純金屬的導熱性比合金好，而合金又比非金屬好。

導熱性對制訂金屬熱加工工藝很重要。在材料加熱和冷卻過程中，由于表面與內部產生較大溫差，極易產生內應力，甚至變形和開裂。導熱性好的材料散熱性也好，利用這個性能可制作熱交換器、散熱器等器件。相反利用導熱性較差的材料可制作保溫部件。

6.磁性

材料能導磁的性能叫磁性。磁性材料可分軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料容易磁化，導磁性良好，但當外磁場去掉后，磁性基本消失，如硅鋼片等；硬磁材料具有外磁場去掉后，保持磁場，磁性不易消失的特點，如稀土鈷等。許多金屬都具有較好的磁性，如Fe、Ni、Co等，利用這些磁性材料，可制作磁芯、磁頭和磁帶等電器元件。也有許多金屬是無磁性的，如Al、Cu等。非金屬材料一般無磁性。

7.光電性能

材料對光的輻射、吸收、透射、反射和折射以及熒光性等都屬于光電性能。金屬對光具有不透明性和高反射率，而陶瓷材料、高分子材料反射率均較小。某些材料通過激活劑引發熒光性，可制作熒光燈、顯示管等。玻璃纖維作為光通信的傳輸介質。利用材料的光電性能制作一些光電器元件的前景十分廣闊。

8.抗腐蝕性

材料對周圍介質（如水汽、大氣）及各種電解液的侵蝕的抵抗能力叫抗腐蝕性。研究抗腐蝕性對金屬的使用和維護意義重大。

金屬的腐蝕性可分化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。化學腐蝕是指金屬與周圍介質接觸時單純由化學作用而引起的腐蝕，多發生在干燥氣體或非導電的流體場合中，在金屬表面上形成某種化合物，從而使金屬表面因腐蝕而損壞。電化學腐蝕是金屬和電解質溶液構成原電池而引起的腐蝕，大多數的腐蝕過程屬于此類，所以電化學腐蝕危害更大。

金屬材料在高溫條件下的抗蝕性可用高溫抗氧化性來表述。由于機件工作溫度越高，氧化損耗就越嚴重，而材料在高溫條件下迅速氧化，在表面形成一層連續、致密并與基體結合牢固的氧化膜，從而阻止材料的進一步氧化。許多材料，如Al、Cr等都具有這種防護功能。

9.耐磨性

耐磨性是指材料表面在工作中承受磨損的能力。因為磨損分為磨料磨損、黏著磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損和腐蝕磨損等多種類型，所以材料的耐磨性與材料的硬度、熱穩定性、表面摩擦因數、表面粗糙度以及工作時兩摩擦表面的相對運動速度、載荷性質和潤滑狀況等多種因素有關。耐磨性是材料表面性質和工作條件的綜合體現，許多零件往往是由于磨損失效而喪失了工作能力的。

金屬材料的物理性能有時對加工工藝也有一定的影響。例如，高速鋼的導熱性較差，鍛造時應采用較低的速度來加熱升溫，否則容易產生裂紋；而材料的導熱性對切削刀具的溫升有重大影響。又如，錫基軸承合金、鑄鐵和鑄鋼的熔點不同，故所選的熔煉設備、鑄型材料等均有很大的不同。

1.2.3　材料的工藝性能

材料的工藝性能是指在制造機件的過程中采用某種加工方法制成成品的難易程度，是材料物理、化學性能和力學性能在加工過程中的綜合反映。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能以及切削加工性能等。材料工藝性能的好壞，會直接影響到制造零件的工藝方法、質量以及制造成本。

1.鑄造性能

鑄造性能是指澆注鑄件時，金屬及合金易于成形并獲得優質鑄件的性能。流動性好、收縮率小、偏析傾向小是表示鑄造性能好的指標。在常用的金屬材料中，灰鑄鐵與錫青銅的鑄造性較好，可澆鑄較薄、結構較復雜的鑄件。工程塑料在一些成形工藝方法中也要求有好的流動性和小的收縮率。

2.鍛造性能

鍛造性能一般用材料的可鍛性來衡量?？慑懶允侵覆牧鲜欠褚子谶M行壓力加工的性能。可鍛性包括材料的塑性及變形抗力兩個方面。塑性好或變形抗力小，鍛壓所需外力小，則可鍛性好。一般鋼的可鍛性良好，而鑄鐵則不能進行壓力加工。熱塑性塑料可經擠壓和壓塑成形，這與金屬擠壓和模壓成形相似。

3.焊接性能

焊接性能一般用材料的可焊性來衡量?？珊感允侵覆牧鲜欠褚子诤附釉谝黄鸩⒛鼙ＷC焊縫質量的性能?？珊感院脡囊话阌煤附犹幊霈F各種缺陷的傾向來衡量。可焊性好的材料可用一般的焊接方法和工藝，焊時不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。低碳鋼具有優良的可焊性，而高碳鋼、鑄鐵和鋁合金的可焊性就較差。

4.切削加工性能

切削加工性能是指材料在切削加工時的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導熱性及內部組織狀態等許多因素有關。切削加工性好的材料切削容易，刀具壽命長，易于斷屑，加工出的表面也比較光潔。從材料種類看，鑄鐵、銅合金、鋁合金及一般碳鋼的切削加工性能較好。

在設計零件和選擇工藝方法時，都要考慮金屬材料的工藝性能。例如，灰鑄鐵的鑄造性能優良，是其廣泛用來制造鑄件的重要原因，但它的可鍛性極差，不能進行鍛造，其焊接性也較差。又如，低碳鋼的焊接性優良，而高碳鋼則很差，因此焊接結構廣泛采用低碳鋼。