第一章 金屬材料力學(xué)性能指標(biāo)

1、汽車材料第一章 金屬材料力學(xué)性能指標(biāo) 所謂材料v材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)，人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著各種材料的不斷開發(fā)和利用。目前，世界上已存在的自然材料和人工材料有近百萬(wàn)種，自然材料僅占1/20，其余均為人工材料。在當(dāng)前社會(huì)中，絕大多數(shù)的生產(chǎn)和生活用品是采用人工材料制造的，人工材料在材料科學(xué)的發(fā)展中有著極其重要的地位。在現(xiàn)代社會(huì)里，材料材料、能源能源、信息信息被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，而能源和信息的發(fā)展，在某種程度上又依賴于材料的進(jìn)步。因此，材料科學(xué)的發(fā)展在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中占舉足輕重的地位。 材料之于汽車v材料是汽車工業(yè)的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)而言之，汽車應(yīng)用材料包括了制造汽車各種零部件

2、用的汽車工程材料，以及汽車在使用過(guò)程中使用的燃料和工業(yè)液等汽車運(yùn)行材料。如：黑色金屬黑色金屬（鋼鐵材料），有色金屬有色金屬（鋁、銅等及其合金） ，非金屬材料非金屬材料（橡膠、玻璃、塑料、陶瓷），汽車燃料汽車燃料（汽油、柴油、天然氣），汽車潤(rùn)滑液及工作液汽車潤(rùn)滑液及工作液（各部位潤(rùn)滑油、液力傳動(dòng)液及汽車其它工作液）。 金屬材料金屬的性能：1、金屬的力學(xué)性能：金屬材料受到各種不同性質(zhì)的載荷（外力、負(fù)荷）作用時(shí)，所表現(xiàn)出的性能。它包括強(qiáng)度強(qiáng)度、硬度硬度、塑性塑性、韌性韌性和抗疲勞強(qiáng)度抗疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)。2、金屬的物理、化學(xué)性能及工藝性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性、抗氧化性、抗腐蝕性、鑄造

3、性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能等。 金屬的力學(xué)性能v強(qiáng)度強(qiáng)度v硬度硬度v塑性塑性v韌性韌性v疲勞疲勞 金屬材料的強(qiáng)度v金屬在載荷（外力）作用下，抵抗變形和不受損壞的能力稱為強(qiáng)度。v按載荷的不同強(qiáng)度分為抗拉、抗壓、抗剪、抗扭和抗彎曲五種。實(shí)際應(yīng)用中最廣泛的是拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，其他強(qiáng)度指標(biāo)與拉伸強(qiáng)度指標(biāo)具有一定的關(guān)系，知道拉伸強(qiáng)度就可以近似的預(yù)測(cè)其他強(qiáng)度指標(biāo)，而且測(cè)定金屬拉伸強(qiáng)度的方法拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)也最為簡(jiǎn)單。 拉伸實(shí)驗(yàn)v拉伸實(shí)驗(yàn)是在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。以普通低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)前，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB397-1986）規(guī)定要求，預(yù)先將退火狀態(tài)的普通低碳鋼制作成一定尺寸和形

4、狀的圓柱拉伸試樣，如圖所示： 拉伸實(shí)驗(yàn)v試驗(yàn)時(shí)，將試樣放到試驗(yàn)機(jī)上，勻速緩慢勻速緩慢地向試樣兩端施加軸向靜拉力，直至拉斷為止。整個(gè)過(guò)程中把外加載荷與試樣的相應(yīng)形變量畫成曲線，即該金屬材料的拉伸圖。 拉伸試驗(yàn)該曲線實(shí)際分為五個(gè)階段：1.Oe-彈性變形階段彈性變形階段 試樣變形量與載荷成正比。這時(shí)如果卸除載荷，試樣便會(huì) 恢復(fù)到試驗(yàn)前的原有狀態(tài)，這種變形稱為彈性變形彈性變形。2.es-微量塑性變形階段微量塑性變形階段 當(dāng)外載荷增大超過(guò)Fe后，試樣進(jìn)一步變形，且外載荷去除 后，一部分變形消失，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形塑性變形。3.ss-屈服階段屈服階段 在此階段，盡管外載荷不增加或增加很少，但變

5、形量繼續(xù) 增大，在拉伸圖上出現(xiàn)近似水平線，這種現(xiàn)象稱為屈服屈服。4.sb-大量塑性變形階段大量塑性變形階段 當(dāng)外載荷超過(guò)Fe后，盡管外載荷增加不大，但試樣變形量卻很大，直至b點(diǎn)。且b點(diǎn)的外載荷Fb為最大。5.bk-縮頸階段縮頸階段 當(dāng)載荷增大到Fb后，試樣的某一部位的截面開始急劇減小，產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，其抵抗外載荷的能力下 降，此時(shí)即使不增加外載荷，試樣仍然被拉斷。工業(yè)上使用的金屬材料，有些是沒有屈服現(xiàn)象的。有工業(yè)上使用的金屬材料，有些是沒有屈服現(xiàn)象的。有 些脆性材料不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生縮頸。些脆性材料不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生縮頸。 拉伸試驗(yàn)結(jié)論v綜上所述，金屬在外載荷作用下，變形

6、可分為三個(gè)階段：彈性變形、彈塑性變形和斷裂。只有塑性材料的塑性變形有五個(gè)階段。v由上述各階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以得出幾個(gè)力學(xué)性能的強(qiáng)度指標(biāo)： 彈性極限彈性極限e 表示金屬材料抵抗彈性變形的最大應(yīng)力。 屈服極限屈服極限(屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度) s 表示金屬材料抵抗塑性變形的應(yīng)力。 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度) b 表示金屬材料抵抗塑性變形不至斷裂 的最大應(yīng)力。 以上三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)具有重要的實(shí)際意義。例如，汽車上許多 零件都不允許產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形，像汽缸蓋螺栓，就是以屈 服極限為設(shè)計(jì)依據(jù)。強(qiáng)度極限也是設(shè)計(jì)零件時(shí)的主要依據(jù)之一。 金屬材料的硬度v硬度是指金屬表面上局部體積內(nèi)金屬表面上局部體積內(nèi)

7、抵抗塑性變形和破壞的能力。它是材料的一個(gè)重要力學(xué)屬性。v雖然硬度與強(qiáng)度間沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出粗略的換算關(guān)系。而硬度實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，性能測(cè)試時(shí)又不損壞金屬零不損壞金屬零部件部件。所以，可通過(guò)硬度實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)工具和零件的質(zhì)量。v廣泛應(yīng)用的硬度試驗(yàn)有布氏硬度和洛氏硬度試驗(yàn)兩種。 布氏硬度v原理：用直徑為D的淬硬圓鋼球以規(guī)定的載荷F壓入被測(cè)試材料表面，保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測(cè)量被測(cè)材料的表面壓痕直徑d和壓痕球面積A，計(jì)算平均壓力平均壓力F/A的大小作為布氏硬度指標(biāo)。布氏硬度用符號(hào)HBS表示。v布氏硬度只適用于硬度較低硬度較低，尺寸較大尺寸較大的金屬材料。廣泛應(yīng)用于退火

8、或調(diào)質(zhì)后的鋼件、灰口鑄鐵和有色金屬等較軟的材料。 洛氏硬度v洛氏硬度試驗(yàn)和布氏硬度試驗(yàn)同樣采用壓入法測(cè)定硬度。兩者的區(qū)別區(qū)別是洛氏硬度試驗(yàn)用的壓頭是一個(gè)120的圓錐形金剛石壓頭，施加相應(yīng)載荷后，測(cè)定金屬材料壓痕的深度，以壓痕深度壓痕深度來(lái)表示硬度值。洛氏硬度用HRC表示。v洛氏硬度試驗(yàn)可以直接從刻度盤從刻度盤上讀取上讀取硬度值；壓痕小，可測(cè)定成品成品及薄的工件；測(cè)試的硬度范范圍大圍大，可以測(cè)從極軟到極硬的金屬材料。但洛氏硬度測(cè)試壓痕小，測(cè)量值有時(shí)不夠準(zhǔn)確，所以，同一試樣應(yīng)測(cè)三點(diǎn)以上三點(diǎn)以上，取其平均取其平均值值。 金屬材料的塑性 金屬材料的塑形v伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率：是指金屬試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)被拉斷后標(biāo)

9、距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比值的百分比，用表示。v斷面收縮率斷面收縮率：是指金屬試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)拉斷處橫截面積縮小量與原始橫截面積之比值的百分比，用表示。 金屬材料的韌性v在汽車運(yùn)行時(shí)，汽車的許多零件要受到一些突然突然施加的外力作用。如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、彈簧鋼板、大梁、前工字梁等在汽車起動(dòng)、制動(dòng)及速度突然改變時(shí)，都會(huì)受到突然施加的力作用。這種突然突然作用的力稱為沖擊載荷沖擊載荷。v受沖擊載荷作用的零件不僅要有較高較高的強(qiáng)度和一定的硬度，還要有足夠的韌性，以防止零件受沖擊載荷作用而破壞。 擺錘式一次能量沖擊試驗(yàn)v把帶有缺口的試樣放在一次擺錘試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)定金屬承受沖擊載荷的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，直接從

10、試驗(yàn)機(jī)上讀出擺錘打斷試樣所作的沖擊功AKU ，然后將沖擊功AKU的值除以試樣缺口處的橫截面積A便得到?jīng)_擊韌度值KU。 小能量多次沖擊試驗(yàn)v實(shí)際上，汽車上零件在動(dòng)載荷作用下并非一次或幾次沖擊而破壞，多數(shù)情況是零件承受的沖擊載荷屬于小能量的多次沖擊載荷。因此，利用小能量多次沖擊試驗(yàn)，得到的沖擊韌度值更符合實(shí)際。 金屬材料的疲勞v許多汽車零件，如齒輪、鋼板彈簧、曲軸等在工作時(shí)承受的載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力的大小和方向呈周期性變化，此應(yīng)力稱為交變應(yīng)力交變應(yīng)力。在這種應(yīng)力作用下的零件，在其交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于該材料的強(qiáng)度極限，有時(shí)甚至低于屈服極限時(shí)就發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞疲勞或疲勞斷裂疲勞斷裂。v疲勞斷裂主要是由于材料表面或內(nèi)部缺陷材料表面或內(nèi)部缺陷（如加工刀痕、原有裂紋、軟點(diǎn)、夾雜、夾角等應(yīng)力集中源）造成的。另外，疲勞斷裂與零件受到交變應(yīng)力的大小、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力特性有關(guān)系。v要提高零件的疲勞強(qiáng)度，除了改善結(jié)構(gòu)形狀，避免內(nèi)外部應(yīng)力集中外，還可以通過(guò)提高零件表面加工質(zhì)量