1.1 金属的力学性能

一般机器零件常以力学性能作为设计和选材的依据，金属材料的力学性能指金属材料在载荷（外力）作用下抵抗变形或破坏的能力，主要有强度、刚度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。载荷按其性质分为静载荷（拉力、压力、扭转力等）和动载荷（冲击力、交变应力等）。材料在不同的载荷作用下会呈现不同的特性，可用相应的试验法来测定材料的各项力学性能指标。

1.1.1 强度和刚度

1.强度

强度是指材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。金属材料受外力作用时，会引起其形状和尺寸的改变，称为变形。如果去掉外力后材料能恢复原来的形状和尺寸，则称为弹性变形；如果去掉外力材料不能恢复原来的形状和尺寸，则称为塑性变形。

材料受外力作用时，在其内部产生一个与外力相平衡的抵抗力，称为内力。材料单位面积上的内力称为应力，用符号“σ”表示，有如下关系：

式中，F——外加载荷，单位为N；

A0——受力截面积，单位为mm2。

强度可以通过材料拉伸试验来测定。把标准拉伸试样（见图1.1）装夹在试验机上，对试样逐渐施加拉力载荷，直至试样被拉断。根据试样在拉伸过程中所受载荷F和伸长量Δl的关系，测出该金属的拉伸曲线，见图1.2所示。在拉伸曲线上可确定以下性能指标：

（1）弹性极限。在图1.2的拉伸曲线图中，Oe段的伸长量随载荷增加而增加，为弹性变形阶段。e点对应的极限值称为弹性极限，用“σe”表示：

式中，Fe——试样e点所承受外力，单位为N。

对于在工作条件下不允许产生塑性变形的零件，设计时弹性极限是选材的主要依据，如弹簧。

（2）屈服强度与条件屈服强度。图1.2的拉伸曲线中，载荷达到s点时，材料产生屈服现象，此时的应力称屈服强度，用“σs”表示：

式中，Fs——试样屈服时所承受的外力，单位为N。

有不少金属拉伸时不出现明显的屈服现象，如铸铁、铜合金等。工程上规定以试样残余伸长量为0.2%时的应力来表示，称为条件屈服强度（σ0.2）。

屈服强度代表金属抵抗塑性变形的能力。大部分的零件和结构要求在弹性状态下工作，不允许有过量塑性变形出现，此时，σs或σ0.2是设计和选材的主要依据，如缸盖螺栓、炮筒等的选材。

（3）抗拉强度。在图1.2中，载荷超过Fs后，试样继续变形。载荷达Fb后，试样在薄弱部分形成“缩颈”（注：脆性材料在拉伸时无“缩颈”现象），最后断裂。Fb为试样断裂前所能承受的最大载荷，对应的应力为抗拉强度，用“σb”表示：

σb测定比较容易，且与硬度、疲劳强度有着一定关系，所以σb也是衡量材料强度的一个重要指标，但要求零件的最大工作应力必须低于材料的抗拉强度，否则会导致机件破坏。

2.刚度

在工程上，材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力称为刚度。刚度大小可以用弹性模量来衡量。材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值称为弹性模量，弹性模量反映了材料弹性变形的难易程度，用“E”表示：

弹性模量越大，弹性变形越不容易进行。设计机械零件时，要求刚度大的零件，应选弹性模量高的材料。

1.1.2 塑性

塑性指材料在外力作用下，产生塑性变形但不断裂的能力。塑性的衡量指标有伸长率和断面收缩率。

1.伸长率

即拉伸试样断裂后的标距长度与原始标距长度的百分比，用“δ”表示：

式中，l0——试样原始标距长度，单位为mm；

l1——试样断裂后的标距长度，单位为mm。

必须指出，δ的大小与试样尺寸有关。根据GB228—87规定，试样有l0=5 d和l0=10 d两种长度，分别用δ5和δ10表示。对同种材料而言，测得的δ5比δ10大一些，所以不同符号的伸长率不能进行比较。

2.断面收缩率

即试样断裂后断口处的横截面积与原始横截面积的百分比，用“ψ”表示：

式中，A0——试样原始横截面积，单位为mm2；

A1——试样断口处的横截面积，单位为mm2。

δ和ψ越大，表示材料的塑性越好，良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件。另外，万一零件超载，材料产生塑性变形并伴随形变强化，一定程度上保证了零件的安全性。

1.1.3 硬度

硬度是衡量材料性能的一个综合工程量或技术量，它是指材料表面上局部体积内抵抗塑性变形的能力。材料硬度越高，耐磨性越好，强度也比较高。

测定硬度的试验操作简便迅速，不破坏工件，设备也比较简单，而且硬度与其他的性能（如抗拉强度）之间存在着一定关系，所以硬度测试在生产中得到广泛应用。测定硬度的方法很多，目前常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验等。

1.布氏硬度

布氏硬度的试验原理如图1.3所示。将直径为D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测材料表面，经规定保压时间后，卸除压力，然后测量压痕直径d，压痕单位表面积上所承受的平均压力即为布氏硬度值，用符号“HBS（压头为钢球）”或“HBW（压头为硬质合金球）”表示。

试验时，压头直径 D、载荷 F及其保压时间要根据被测金属的种类和试样厚度，按GB231—84《金属布氏硬度试验方法》选择。硬度值也不需计算，只要测出压痕直径d，查金属布氏硬度数值表即可得到相应的硬度值。布氏硬度由数值、硬度符号和试验条件组成，例如，120HBS10/1000/30，表示用10mm直径的钢球在1000kgf（9807N）试验力作用下保压30s测得的布氏硬度值为120。若保压时间为10～15s，可省略标注。

布氏硬度试验测得的硬度值比较准确、稳定，目前主要用于退火、正火和调质处理的钢、铸铁和非铁金属。

2.洛氏硬度

洛氏硬度试验原理如图1.4所示。用顶角为120 °的金刚石圆锥体或直径为1.588mm（1/16英寸）的淬硬钢球压头，在初载荷和主载荷的作用下压入被测材料表面，经规定保压时间，卸除主载荷，测得压痕深度来计算硬度值。洛氏硬度用每0.002mm压痕深度为一硬度单位，用符号“HR”表示。

实际测量时，洛氏硬度不必计算，可直接在洛氏试验机的刻度盘上读出硬度值。根据压头和外加载荷的不同，洛氏硬度值有三种不同标尺，分别用符号“HRA、HRB、HRC”表示，见表1-1。

与布氏硬度试验相比，洛氏硬度试验简单、迅速，且压痕小，几乎不损伤工件表面，所以在工件的质量检查中应用最广。但由于压痕小，得到的硬度值重复性差一些，需在被测体的不同部位测量数点，取其平均值。

3.维氏硬度

维氏硬度试验原理与布氏硬度试验基本相同，不同点在于维氏硬度的压头为136 °金刚石正四棱锥体，所加载荷较小（10～1000N）。试验时压头在被测件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线的平均长度d，即可求出硬度值，用符号“HV”表示。

维氏硬度试验测得数值较准确，测量范围广（10～1000HV）。采用较小压力时特别适于测量热处理表面层的硬度，如渗碳层、氮化层和硬质合金层等，不过测量过程比较麻烦。

1.1.4 冲击韧性

有许多机器零件和工具在工作时会受到冲击载荷作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机活塞销与连杆等。这种瞬间的冲击力引起的变形和应力比静载荷大得多，因此，在设计承受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑材料的冲击韧性。

冲击韧性指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。常用摆锤式一次冲击试验测定冲击韧性，如图1.5所示。将被测材料制成标准试样，放在试验机机架上，由置于一定高度的摆锤自由落下而一次冲断。摆锤冲断试样所做的功称为冲击吸收功，试样缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功称为冲击韧性，用“ak”表示：

式中，Ak——冲击吸收功，单位为J；

A——试样缺口处的原始截面积，单位为cm2。

ak值越高，材料的韧性越好，而且相应的塑性指标也较高，但塑性好的材料，其ak值不一定高。

生产实践证明，冲击韧性值受温度、试样形状、表面质量和内部组织等因素的影响，故通常不用于设计计算，但广泛用于检验材料冶炼和热加工后的质量。

必须指出，在冲击载荷作用下工作的机器零件，很少受大能量一次冲击而破坏，而是经受小能量多次重复冲击而破坏。因此，在一次冲断条件下测得的冲击韧性值，对判断材料抵抗大能量冲击能力方面有一定作用，但不适合承受小能量重复冲击的机件。研究表明，在冲击能量不大时，材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于材料的强度和塑性的良好配合。

1.1.5 疲劳强度

弹簧、齿轮、连杆、轴承等许多机器零件，长期在交变载荷作用下工作，很多情况下零件发生断裂时的工作应力低于材料的弹性极限，这种现象称为疲劳。据统计，有80%的机件失效是由疲劳引起。

疲劳强度是指材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。在弯曲循环载荷下测得的疲劳强度用符号“σ-1”表示。材料所受交变应力σ与断裂前的应力循环次数N有关系。循环次数增加，应力降低。实际试验时不可能进行无数次应力循环，一般黑色金属的循环次数取N=107；有色金属取N=108。

材料发生破坏的原因，一般认为是由于材料内部缺陷、表面划痕和零件结构设计不当等引起应力集中，导致微裂纹产生，而且裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件不能承受所加载荷而突然破坏。为提高零件的疲劳强度，除改善其结构形状避免应力集中外，还可采取表面强化方法，如渗碳、渗氮、喷丸、表面滚压等。

1.1.6 材料的物理性能

材料的物理性能属于材料的固有属性，主要包括材料的熔点、密度、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。

1.熔点

材料在缓慢加热时由固态转变为液态时的熔化温度称为熔点。金属有固定的熔点，合金的熔点取决于成分。熔点低的金属（如Pb的熔点327.4℃，Sn的熔点231.9℃）可以用来制造焊接用钎料、印刷用铅字及电源上的保险丝等。熔点高的金属（如Cr的熔点1855℃，W的熔点3410℃，Mo的熔点2622℃，V的熔点1919℃）可以用来制造高温零件，如加热炉构件、喷气发动机的燃烧室、电热元件等。

非金属材料中碳、硼等有一定的熔点，塑料和玻璃等非晶态材料则只有软化点，而无熔点。

2.密度

密度指某种材料单位体积的质量。材料的密度直接关系到制成零件或构件的重量，对要求减轻机械自重的航空和宇航工业制件，常用密度小的钛合金和铝合金等制作。在非金属材料中，陶瓷密度较大，塑料密度较小。

3.导电性

导电性指材料传导电流的能力。纯金属中，银的导电性最好，其次是铜和铝，合金的导电性比纯金属差。工程中常采用纯铜或纯铝制作导电材料，导电性差的材料制作电热元件。

4.导热性

导热性是指材料传导热量的能力。材料导热性能的好坏用热导率衡量，热导率越大，导热性越好。合金的导热性比纯金属差，纯金属中银和铜的导热性最好，铝次之。合金钢的导热性比碳钢差，因此合金钢锻造和热处理加热时速度应慢一些，防止因内应力而产生裂纹。非金属中，碳的导热性最好。

5.热膨胀性

热膨胀性指材料随温度变化而产生的体积膨胀或收缩的现象。常温下工作的普通机械零件可以不考虑材料的热膨胀性，但工程中许多场合必须考虑材料热膨胀性的影响，如滑动轴承材料、内燃机活塞的材料、精密仪器仪表的材料都要求热膨胀系数要小。

6.磁性

磁性指材料在磁场中导磁或被磁化的能力。磁性材料从材质和结构上分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类，电机的铁芯所用的磁性材料一般用硬磁铁氧体，磁化后不易退磁，对磁通的阻力小。

1.1.7 材料的化学性能

材料的化学性能指材料在室温或高温时抵抗周围介质侵蚀的能力，包括耐腐蚀性、抗氧化性等。

1.耐腐蚀性

耐腐蚀性指材料在室温时抵抗其周围介质腐蚀破坏的能力。不同介质中工作的材料其耐腐蚀性要求不同，如海洋设备要耐海水和海洋大气的腐蚀，储存和运输酸类的容器和管道要有较高的耐酸性。

2.抗氧化性

抗氧化性指材料在高温下抵抗氧化的能力。在高温下工作的锅炉、加热炉、内燃机零件等要求具有良好的抗氧化性。

1.1.8 材料的工艺性能

工艺性能指金属材料对零件制造工艺的适应性，包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理等。

在设计零件和选择工艺方法时，材料的工艺性能好，则产品产生缺陷的倾向性小，产品质量容易保证。如铸铁有很好的铸造性和切削加工性，但锻造性极差，所以只能铸造，不能锻造。各种加工方法的工艺性能将在后面介绍。