機(jī)械工程師

  （一） 金屬材料的機(jī)械性能

金屬零件受一定外力作用時(shí)，對(duì)金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能，這種性能稱為機(jī)械性能。金屬材料的機(jī)械性能主要包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。它們的具體數(shù)值是在專門的試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定出來的。

1、金屬材料的變形和應(yīng)力

金屬材料受外力作用時(shí)引起的形狀改變稱為變形。變形分為彈性變形（當(dāng)外力取消后，變形消失并恢復(fù)到原來形狀）和塑性變形（當(dāng)外力除去后，不能恢復(fù)到原來形狀，保留一部分殘余形變）。

當(dāng)金屬材料受外力作用時(shí)，其內(nèi)部還將產(chǎn)生一個(gè)與外力相對(duì)抗的內(nèi)力，它的大小與外力相等，方向相反。單位截面上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。在拉伸和壓縮時(shí)應(yīng)力用符號(hào)σ表示。

σ=P/F

式中： σ — 應(yīng)力，MPa;

P — 拉伸外力，N；

F — 試樣的橫截面積，mm²。

2、強(qiáng)度

強(qiáng)度是金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強(qiáng)度可通過拉力試驗(yàn)來測(cè)定。將圖（a）所示標(biāo)準(zhǔn)樣安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)其施加一個(gè)平穩(wěn)而無沖擊逐漸遞增的軸向拉力，隨著拉力的增加試樣產(chǎn)生形變?nèi)鐖D（B）直到斷裂如圖（C）。

以試樣的受拉力P為縱坐標(biāo)，伸長(zhǎng)值⊿L為橫坐標(biāo)，給制出拉伸曲線。

OE段：負(fù)荷與伸長(zhǎng)成線性關(guān)系，是材料的彈性變形階段。

 

   金屬材料由彈性變形過渡到塑性變形時(shí)的應(yīng)力稱為彈性極限，用σe表示。

σ_e=P_e/F_o

式中：  σ_e — 彈性極限，MPa；

P_e — 材料開始塑性變形時(shí)的負(fù)荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，㎜² 。

當(dāng)負(fù)荷超過E點(diǎn)，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，這一段曲線幾乎呈水平，表明試樣在拉伸過程中，負(fù)荷不增加甚至有降低，試樣繼續(xù)塑性形變，材料喪失了抵抗變形的能力。這種現(xiàn)象稱為屈服。產(chǎn)生現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，用σ_s表示。

σ_s=P_s/F_o

式中： σ_s — 屈服點(diǎn)，Mpa ；

P_s — 材料產(chǎn)生明顯形變時(shí)的負(fù)荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，㎜²  。

負(fù)荷超過S點(diǎn)后，形變量隨負(fù)荷增加而急劇增加，當(dāng)過B點(diǎn)，形變部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣已不能抵抗外力作用，在K點(diǎn)發(fā)生斷裂。試樣拉斷前能承受的最大負(fù)荷 P_b所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σ_b表示。

σ_b= P_b/F_o

式中： σ_b — 抗拉強(qiáng)度，Mpa ；

    P_b — 試樣拉斷前的最大拉力，N；

F_o — 原橫截面積，㎜²  。

屈服強(qiáng)度（σ_s），抗拉強(qiáng)度（σ_b）和屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比σ_s/σ_b）是評(píng)定金屬材料質(zhì)量的重要機(jī)械性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。

3、塑性

   塑性是金屬材料受外力作用時(shí)斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用兩種方法來表示。

（1）  伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，用δ表示。

δ=（L₁－L₀）/L₀×100%

式中：δ — 試樣的伸長(zhǎng)率，%；

L₁ — 試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度，㎜；

L₀ — 試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度，㎜.

(2)  斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原截面積的百分比，用φ表示。

式中 φ — 試樣的斷面收縮率，%；

F₀ — 試樣原橫截面積，㎜²  。

F₁ — 試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積，㎜²  。

δ、φ的數(shù)值越大，說明金屬材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。

4、硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，一般說，硬度高的材料耐磨性較好，強(qiáng)度也比較高。硬度是評(píng)價(jià)金屬材料質(zhì)量的機(jī)械性能指標(biāo)，也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求的技術(shù)條件之一。

生產(chǎn)中有不同的測(cè)定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度：用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保荷時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值，用符號(hào)HBS（HBW）表示。

HBS（HBW）=

式中：HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－㎜^{2  ;}

      P — 加在淬火鋼球上的負(fù)荷，kgf；

      D — 淬火鋼球直徑，㎜。

壓頭為鋼球時(shí)用HBS，適用于布氏硬度值在450以下的材料，如鑄鐵和有色金屬。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)用HBW，適用于布氏硬度值在650以下的材料。

（2）洛氏硬度：用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟，硬度值越低。兩種硬度可以利用特制的表格進(jìn)行換算。 

硬度表示金屬材料在局部范圍內(nèi)對(duì)塑性變形的抗力，所以硬度與強(qiáng)度間有一定的換算關(guān)系。

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負(fù)荷的能力?，F(xiàn)在普通采用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定材料的沖擊韌性。

實(shí)驗(yàn)表明，材料受小能量多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于材料強(qiáng)度。強(qiáng)度越高，壽命越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中可不必過分追求高沖擊值。

6、疲勞強(qiáng)度

實(shí)際中許多工件所承受負(fù)荷的方向和大小是周期變化的。這種周期變化的負(fù)荷稱為交變負(fù)荷。金屬工件在交變負(fù)荷作用下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為金屬疲勞。

在交變負(fù)荷作用下金屬工件所受應(yīng)力大小和斷裂前應(yīng)力交變循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。應(yīng)力越大，則斷裂前能隨承受的循環(huán)次數(shù)越低。當(dāng)鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)達(dá)到10⁷，有色金屬的循環(huán)次數(shù)達(dá)到10⁸ 時(shí)，若試樣仍不發(fā)生疲勞破壞，其最大應(yīng)力稱為該材料的疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力交變循環(huán)對(duì)稱時(shí)，疲勞極限用σ-1表示。

生產(chǎn)中多數(shù)金屬工件是在交變負(fù)荷下工作的，疲勞破壞是破裂的主要形式。因此疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是材料的重要強(qiáng)度計(jì)算之一。另外，改善零件結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中；降低表面粗糙度；采取表面強(qiáng)化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。