1.3 金屬材料的性能

1.3.1 什么是金屬材料的力學性能？常見的有哪些？

力學性能是金屬材料最主要的使用性能，是指金屬材料在力的作用下所顯示的，與彈性和非彈性相關或涉及應力-應變關系的性能。金屬材料的力學性能主要有5個方面：

（1）強度 強度有多個指標。設對應的作用力為F（N），相應的截面積為A（m2），則強度R=F/A，單位為MPa。

1）最大力F_m——試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力；對于無明顯屈服（連續屈服）的金屬材料，為試驗期間的最大力。

2）抗拉強度R_m——金屬材料在受拉時抵抗被拉斷時所能承受的最大應力值，R_m=F_m/A。

3）抗壓強度R_mc——材料在壓裂前所能承受的最大應力值。對于脆性材料，指試樣壓至破壞過程中的最大壓縮應力；對于在壓縮中不以粉碎性破裂而失效的塑性材料，則抗壓強度取決于規定應變和試樣的幾何形狀，R_mc=F/A。

4）抗剪強度Rτ——材料在剪斷破壞前所能承受的最大切應力值，Rτ=F/A。

5）擠壓強度R_j——材料在擠壓破壞前所能承受的最大擠壓應力值，R_j=F/A。

6）抗彎強度R_bb——材料在彎斷前表面所能承受的最大應力值，即彎曲試驗中試樣破壞時拉伸側表面的最大正應力，R_bb=M/W，M為彎曲力矩（N·m），W為截面抗彎模量（m3）。

7）抗扭強度τ_m——材料在扭斷前所能承受的最大切應力值，τ_m=Mτ/W_p，Mτ為扭矩（N·m），W_p為抗扭截面模量（m3）。

8）屈服強度R_e——當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點，應區分上屈服強度和下屈服強度。

上屈服強度R_eH——試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力，對應上屈服力F_eH。

下屈服強度R_eL——試樣在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力，對應下屈服力F_eL。

9）規定塑性延伸強度R_p——塑性延伸率等于規定的引伸計標距百分率時的應力，使用的符號應附以下腳注說明所規定的百分率，例如R_p0.2，表示規定塑性延伸率為0.2%時的應力。

10）規定總延伸強度R_t——總延伸率等于規定的引伸計標距百分率時的應力，使用的符號應附以下腳注，說明所規定的百分率，例如R_t0.5表示規定總延伸率為0.5%時的應力。

11）疲勞強度σ_N——很多機械零件在交變應力作用下工作一段時間后會發生斷裂，而交變應力大小和斷裂循環次數之間的有一定的關系。在實際工作中，常把循環次數達到某一數值（常用鋼材的循環基數為107，有色金屬和某些超高強度鋼的循環基數為108）時不發生斷裂的最高應力稱為疲勞強度。

（2）硬度 硬度是指金屬材料抵抗局部變形、壓痕或劃痕的能力，它不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。金屬硬度的代號為H。按硬度試驗方法的不同，常規表示有布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度（HV）等，其中以HBW及HRC較為常用。

（3）塑性 塑性是指金屬材料受到外力作用時產生顯著永久性變形而不斷裂的能力，它們分別表示材料受拉時長度變形和截面變形，分別用斷后伸長率A和斷面收縮率Z表示。

（4）沖擊韌度 它表示金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，用擺錘彎曲沖擊試驗測定。將質量為m的擺錘提升到h₁高度，擺錘由此高度下落時將試樣沖斷，并升到h₂高度，沖斷試樣所消耗的能量為K=mg（h₁-h₂），單位為J。金屬的沖擊韌度a_K就是沖斷試樣時在缺口處單位面積A（單位為cm2）所消耗的能量，即a_K=K/A，單位為J/cm2。

（5）沖擊吸收能量 它是指規定形狀和尺寸的試樣在擺錘刀刃沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的能量。U形缺口時用KU_x表示，V形缺口時用KV_x表示，單位為J。其中，“x”表示刀刃寬度，可為2mm或8mm。

1.3.2 什么是應力集中？其后果是什么？如何預防？

在有的構件上，經常需要開孔、溝槽、缺口、臺階等，導致其幾何形狀、外形尺寸發生突變。在這些部位附近，因截面的急劇變化，產生的局部高應力峰值遠大于由基本公式算得的應力值，這種現象稱為應力集中。應力集中削弱了構件的強度，降低了它的承載能力，引起脆性材料斷裂，使物體產生疲勞裂紋。應力集中處往往是構件破壞的起始點。

為避免應力集中造成構件破壞，可采取消除尖角、改善構件外形、局部加強孔邊以及減小材料表面粗糙度值等措施。

1.3.3 什么是金屬材料的理化性能？常見的有哪些？

金屬材料的理化性能是指金屬材料的物理性能和化學性能。

1）物理性能是指金屬材料在各種物理條件下所表現出的性能，包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。

2）化學性能是指金屬在室溫或高溫條件下抵抗外界介質化學侵蝕的能力，包括耐蝕性和抗氧化性等。

1.3.4 什么是金屬材料的工藝性能？其衡量指標是什么？

金屬材料的工藝性能是指金屬材料對不同加工方法的適應能力，主要包括切削加工性、鑄造性能、鍛造性能和焊接性能。

1）切削加工性指金屬材料被刀具切削加工后而成為合格工件的難易程度，其衡量指標是材料的硬度、脆性。

2）鑄造性能是合金用鑄造生產的方法獲得優質鑄件的難易程度，其衡量指標是鐵（鋼）液的流動性、收縮性、偏析傾向和氧化性。

3）鍛造性能是金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力，其衡量指標是金屬的塑性、變形抗力。

4）焊接性能主要指鋼材的焊接性，其衡量指標是金屬材料的含碳量。

1.3.5 什么是金屬材料的拉伸試驗？

拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定金屬材料特性的試驗方法。利用拉伸試驗得到的數據，可以確定材料的彈性極限、彈性模量、斷后伸長率、斷面收縮率、抗拉強度、屈服點、屈服強度和其他拉伸性能指標。

1.3.6 什么是金屬材料的彎曲試驗？

彎曲試驗是測定材料承受彎曲載荷時的力學特性的試驗，主要用于測定脆性和低塑性材料（如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等）的抗彎強度，并能反映塑性指標的撓度。彎曲試驗還可用來檢查材料的表面質量。彎曲試驗在萬能材料試驗機上進行，有三點彎曲和四點彎曲兩種加載荷方式。試樣的截面有圓形和矩形，試驗時的跨距一般為直徑的10倍。對于脆性材料，彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞，而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗稱為冷彎試驗。試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，觀察試樣表面有無裂縫。

1.3.7 什么是金屬材料的壓縮試驗？

壓縮試驗是測定材料在軸向靜壓力作用下的力學性能的試驗，試樣破壞時的最大壓縮載荷除以試樣的橫截面積，稱為抗壓強度。壓縮試驗主要適用于脆性材料，如鑄鐵、軸承合金和建筑材料等。對于塑性材料，無法測出抗壓強度，但可以測量出彈性模量和屈服強度等。與拉伸試驗相似，通過壓縮試驗可以做出壓縮曲線。為減少摩擦力的影響，一般規定試樣的長度與直徑的比為（1～3）∶1，為減小試樣的表面粗糙度值，涂以潤滑油脂或墊上一層薄的聚四氟乙烯等材料。

1.3.8 什么是金屬材料的沖擊試驗？

沖擊試驗是將被測試的金屬材料，按規定制成一定形狀和尺寸的試樣，放在專門的沖擊試驗機上，加上一定的沖擊載荷將試樣打斷，以測定材料沖擊性能的試驗方法，可用于確定機械的薄弱環節，以考核產品結構的完整性。其指標是沖擊韌度和沖擊吸收能量。

1.3.9 什么是金屬材料的扭轉試驗？

扭轉試驗是測定材料抵抗扭矩作用的一種試驗，可以測定脆性材料和塑性材料的強度和塑性，適用于經常承受扭矩的零件（軸、彈簧等）。扭轉試驗在扭轉試驗機上進行，試驗時在圓柱形試樣的標距兩端施加扭矩Μ，這時在試樣標距的兩個截面間產生扭轉角θ，根據Μ和θ的變化可繪制成扭轉圖，同時可得到相應的應力-應變曲線。扭轉試樣的斷口形狀能反映出材料性能和受力情況。如斷口的斷面與試樣軸線垂直，材料呈塑性，是切應力作用的結果；如斷口斷面與試樣軸線約呈45°角，材料呈脆性，是正應力作用的結果。

1.3.10 什么是金屬材料的剪切試驗？

剪切試驗是沿固定的剪切面直接施加剪力，得到剪壞時的切應力，主要用于試驗承受剪切載荷的零件和材料，如鍋爐和橋梁上的鉚釘、機器上的銷釘等。該試驗在萬能試驗機上進行，試樣置于剪切夾具上，如在剪切載荷F作用下被切斷，剪切力F除以試樣橫截面積A，可得出剪切強度τ_b=F/A。

1.3.11 什么是金屬材料的硬度試驗？

硬度試驗是測量固體材料表面硬度的一種材料試驗，它能反映出材料在化學成分、組織結構和處理工藝上的差異，是檢測材料性能的重要指標之一。例如在鋼鐵材料中，當馬氏體形成時，由于溶入過飽和的碳原子而增大了晶格畸變，增加了錯位密度，從而顯著降低了塑性變形能力，這就是馬氏體高硬度的原因。顯然含碳量越高硬度也越高，不同含碳量的鋼在淬火后，硬度值與馬氏體量及其含碳量之間在很大范圍內有很好的對應關系。淬火鋼回火后的硬度取決于回火溫度及保溫時間，回火溫度越高，保溫時間越長，硬度越低。