材料與熱處理(項(xiàng)目一)

項(xiàng)目一材料性能的認(rèn)識1.1材料的力學(xué)性能1.2材料的其他性能1.1材料的力學(xué)性能1.1.1強(qiáng)度與塑性1.強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料強(qiáng)度可以通過拉伸試驗(yàn)來測得，拉伸試驗(yàn)是在拉伸試驗(yàn)機(jī)(圖1-1)上進(jìn)行的。試驗(yàn)之前，先將被測金屬材料制成圖1-2所示的標(biāo)準(zhǔn)試樣(參見GB6397-1986《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》)，圖中.d0為試樣原始直徑，L0為試樣原始標(biāo)距長度。按照GB6397-1986《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》規(guī)定:試樣分為長試樣和短試樣，對圓形拉伸試樣，長試樣L0=10d0;短試樣L=5d0.下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，將試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，且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(yàn)機(jī)將自動記錄每一瞬間的載荷F與伸長量△L的變化曲線，通常把這種曲線稱為拉伸曲線。圖1-3為退火低碳鋼的拉伸曲線。觀察拉伸試驗(yàn)和拉伸曲線，會發(fā)現(xiàn)在拉伸試驗(yàn)的開始階段，試樣的伸長量△L與拉伸力F呈正比例關(guān)系，在拉伸曲線圖中為斜線段OE。在該階段，當(dāng)載荷增加時(shí)試樣的伸長量△L呈正比增加。當(dāng)載荷去除后，試樣能完全恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，此時(shí)試樣處于彈性變形階段。圖中Fe是試樣保持彈性變形的最大載荷。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能當(dāng)載荷超過Fe后，試樣除產(chǎn)生彈性變形外，還將產(chǎn)生微量的塑性變形;當(dāng)載荷繼續(xù)增加到Fs時(shí)，拉伸曲線在S點(diǎn)后出現(xiàn)一個(gè)平臺，即在載荷不增加的情況下，試樣也會有明顯伸長，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，F(xiàn)s稱為屈服載荷。當(dāng)載荷超過屈服載荷后，試樣抵抗變形的能力將會增加，此為冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象。在拉伸曲線上表現(xiàn)為一段上升曲線。即隨著塑性變形量的增大，試樣變形抗力也逐漸增大。當(dāng)載荷達(dá)到Fb。時(shí)，試樣的局部截面開始收縮，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。由于縮頸使試樣的變形局限在縮頸部分，故此處承受的載荷迅速減小，直至試樣被拉斷。Fb。是試樣被拉斷前能承受的最大載荷，稱為極限載荷。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能從該曲線上可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、冷變形強(qiáng)化階段、縮頸與斷裂階段。強(qiáng)度指標(biāo):金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來表示的，即材料受載荷作用后內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與載荷相平衡的內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，一般用σ表示。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有彈性極限、屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。①彈性極限。彈性極限是指試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，用符號σe表示，工程上常用單位為MPa。彈性極限的值可按下式計(jì)算

(1-1）上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能式中，F(xiàn)e—試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)的最大載荷，N;A0—試樣原始橫截面面積，mm2

。

②屈服極限。屈服極限是指試樣在拉伸試驗(yàn)過程中，力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時(shí)的應(yīng)力。屈服極限是工程技術(shù)上極為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機(jī)械零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。屈服極限用符號σs表示，單位為MPa。屈服點(diǎn)

σ

s的值可用下式計(jì)算(1-2)式中，F(xiàn)s—試樣屈服時(shí)的載荷。N;

A0—試樣原始橫截面積，mm2

。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能工業(yè)上使用的一些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，也不會產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，這就無法確定σ

s。因此，GB1063-1989規(guī)定，試樣去除拉伸載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長量達(dá)到原始標(biāo)距長度0.2%時(shí)的應(yīng)力，為該材料的屈服強(qiáng)度，用符號σ

0.2%表示。③抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度是指試樣拉斷前所能承受的最大拉應(yīng)力，用符號σb表示，單位為MPa.可用下式計(jì)算(1-3)式中，F(xiàn)b—試樣承受的最大拉伸力，N;A0—試樣原始橫截面面積，mm2

。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能σb是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。對于塑性金屬來說，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力σb之前，變形是均勻一致的，但超過σb后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形。2.塑性及其指標(biāo)塑性是指金屬在靜載荷作用下發(fā)生不可逆變形的能力。金屬材料的塑性指標(biāo)也是可以通過拉伸試驗(yàn)測得的。材料的塑性指標(biāo)可以用試樣拉斷時(shí)的最大相對變形量來表示，常用的有斷后伸長率和斷面收縮率，它們是工程上廣泛使用的表征材料塑性好壞的主要力學(xué)性能指標(biāo)。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能(1)斷后伸長率。斷后伸長率是試樣拉斷后的標(biāo)距增長量與原始標(biāo)距之比，用符號δ表示，可用下式計(jì)算

（1-4）式中，L1—拉斷后試樣的標(biāo)距長度，mm;L0—試樣原始標(biāo)距，mm.(2)斷面收縮率。斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積之比，用符號表示，可用下式計(jì)算

（1-5）上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能式中，A0—試樣原始橫截面面積，mm;A1—試樣斷口處的橫截面面積，mm.雖然材料的塑性指標(biāo)通常不直接用于工程設(shè)計(jì)計(jì)算，但材料的塑性對零件的加工和使用都具有重要的實(shí)際意義。塑性好的材料不僅能順利地進(jìn)行鍛壓、軋制等成形加工，而且在使用時(shí)萬一超載，由于能發(fā)生一定的塑性變形而不至于突然斷裂，提高了工作的安全性。所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還必須具有一定的塑性。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能1.1.2硬度材料局部抵抗硬物壓入其表面(抵抗塑性變形和破裂)的能力稱為硬度。它是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。材料的硬度可通過硬度試驗(yàn)測得，根據(jù)其測試方法的不同，硬度試驗(yàn)可分為靜壓法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)、劃痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。對于金屬材料的測量目前生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等試驗(yàn)方法。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能1.布氏硬度（HBS)布氏硬度的試驗(yàn)原理是用一定直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗(yàn)載荷F的作用下壓入被測金屬表面(如圖1-4所示)，停留一定的時(shí)間后卸除載荷，在被測金屬表面上得到一直徑為d的壓痕，測量壓痕直徑d，并由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積上所承受的平均壓力，以此作為被測金屬的布氏硬度值。當(dāng)選擇淬火鋼球?yàn)閴侯^時(shí)，硬度的符號為HBS，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料;當(dāng)選擇硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^時(shí)，硬度的符號為HBW表示，適用于布氏硬度值為450-650的金屬材料。圖1-5為HB-3000布氏硬度試驗(yàn)機(jī)。布氏硬度值可用下式計(jì)算(1-6)上一頁下一頁返回圖1-4圖1-4布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖返回1.1材料的力學(xué)性能式中，F(xiàn)—載荷，N(kgf);D—壓頭的直徑，mm;d—被測金屬的壓痕直徑，mm.由于金屬有硬有軟，工件有厚有薄，在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，壓頭直徑D、載荷和載荷的保持時(shí)間應(yīng)根據(jù)被測金屬種類和厚度正確地進(jìn)行選擇。按(GB231-1984規(guī)定，壓頭直徑有10mm,5mm,2.5mm,2mm和1mm共5種，載荷與壓頭直徑平方的比值(F/D2)有30mm、15mm、10mm、5mm、2.5mm,1.25mm和1mm共7種，可根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按表1-1選定F/D2的值;黑色金屬的載荷保持時(shí)間為10-15s，有色金屬的為30s，布氏硬度值小于35時(shí)載荷保持時(shí)間為60s.上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能布氏硬度的標(biāo)注方法是所測得的硬度值寫在硬度符號的前面。除了采用鋼球直徑D為10mm,試驗(yàn)力為3000kgf(注:1kgf=9.806N，保持時(shí)間為10s的試驗(yàn)條件外，在其他試驗(yàn)條件下測得的硬度值，均應(yīng)在硬度符號的后面用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭直徑、載荷大小和載荷保持時(shí)間。例如,150HBS10/1000/30表示:用直徑為10mm的淬火鋼球，在1000kgf載荷作用下保持30s，測得的布氏硬度值為150;S500HBWS/750表示:用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球750kgf載荷作用下保持10-15s測得的布氏硬度值為500。試驗(yàn)力保持時(shí)間為10-15s時(shí)不需要標(biāo)注。上一頁下一頁返回布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)金屬表面壓痕大，能客觀地反映被測金屬的平均硬度，試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：由于其壓痕大，不宜測量成品或薄片金屬的硬度。1.1材料的力學(xué)性能2.洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)法是用一個(gè)錐角為120o。的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球，在規(guī)定載荷作用下壓入被測金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕的深度來確定其硬度值。如圖1-6表示金剛石圓錐壓頭的洛氏硬度試驗(yàn)原理。圖中，0-0為金剛石壓頭初始位置，1-1為在初載荷98.07N作用下，壓頭壓入深度為h0。時(shí)的位置，加初載荷的目的是使壓頭與試樣表面緊密接觸，上一頁下一頁返回圖1-6圖1-6洛氏硬度試驗(yàn)原理圖返回1.1材料的力學(xué)性能避免由于試樣表面不平整而影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性;2-2為在總載荷(初載荷+主載荷)作用下，壓頭壓入深度為h1時(shí)的位置;3-3為卸除主載荷后由于被測金屬彈性變形恢復(fù)，使壓頭略為提高的位置。這時(shí)由主載荷引起的塑性變形而產(chǎn)生的壓痕深度為e。，稱為殘余壓痕深度增量，以此來衡量被測金屬的硬度。顯然，e值越大時(shí)，被測金屬的硬度越低;反之則越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越高的概念，故采用一個(gè)常數(shù)k減去e來表示硬度的大小，并用0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位，由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。即

（1-7）上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能式中，k為常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時(shí)，k=0.2mm;用鋼球作壓頭時(shí)，k=0.26mm.

為了能用同一硬度計(jì)測量從極軟到極硬材料的硬度，可采用不同的壓頭和載荷，組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，其中常用的是A,B,C三種標(biāo)尺。表1-2為這三種標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍，圖1-7為洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)。洛氏硬度值是量綱為1的，根據(jù)GB/T230-1991規(guī)定，硬度數(shù)值寫在符號HR的前面，HR后面為使用的標(biāo)尺，如50HRC表示用“C”標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。在試驗(yàn)時(shí)，硬度值一般均由硬度計(jì)的刻度盤上直接讀出。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)：硬度試驗(yàn)壓痕小，對試樣表面損傷小，常用來直接檢驗(yàn)成品或半成品的硬度;試驗(yàn)操作迅速簡便，可以直接從試驗(yàn)機(jī)上讀出硬度值。缺點(diǎn)：是由于壓痕小，對內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，所測結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此，在測試洛氏硬度時(shí)在被測金屬的不同位置的三點(diǎn)測出硬度值，再計(jì)算其平均值。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能

3.維氏硬度布氏硬度試驗(yàn)不能測定硬度較高的金屬材料;洛氏硬度試驗(yàn)雖可用來測定由極軟到極硬金屬材料的硬度，但不同標(biāo)尺的硬度間沒有簡單的換算關(guān)系，使用上很不方便。為了能在同一種硬度標(biāo)尺上，測定從極軟到極硬金屬材料的硬度值，因而特制定了維氏硬度試驗(yàn)法。維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度基本相似，如圖1-8所示為維氏硬度試驗(yàn)原理圖，它是用一個(gè)相對面夾角為136o。的金剛石正四棱錐體作壓頭，以規(guī)定的載荷F作用下壓入被測金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，則被測金屬表面上壓出一個(gè)正四棱錐形的壓痕，測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面面積A。最后求出壓痕單位表面面積上承受的平均壓力，以此作為被測金屬的硬度值，稱為維氏硬度，用符號HV表示。即上一頁下一頁返回圖1-8圖1-8維氏硬度試驗(yàn)原理圖返回1.1材料的力學(xué)性能

（1-8）式中，F(xiàn)—載荷，kgf;d—壓痕兩條對角線長度算術(shù)平均值，mm.

與布氏硬度一樣，習(xí)慣上也只寫出硬度數(shù)值而不標(biāo)出單位。在硬度符號HV之前的數(shù)字為硬度值，HV后面的數(shù)值依次表示載荷和載荷保持的時(shí)間（保持時(shí)間為10-15s時(shí)不標(biāo)注。）如:640HV30表示在30k戴載荷作用下，保持10-15s測得的維氏硬度值為640;620HV30/20表示在30kgf載荷作用下，保持20s測得的維氏硬度值為620。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能維氏硬度：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍寬，從極軟到極硬的材料都可以測量，尤其適用于零件表面層硬度的測量缺點(diǎn)：測取維氏硬度值時(shí)需要測量對角線長度，然后查表或計(jì)算，而且對試樣表面的質(zhì)量要求高，不適用于成批生產(chǎn)的常規(guī)試驗(yàn)上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能1.1.3沖擊韌性1.沖擊吸收功在很短的時(shí)間內(nèi)(或突然)施加在構(gòu)件上的載荷稱為沖擊載荷。許多機(jī)械零件和工具在工作時(shí)承受沖擊載荷的作用，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、變速齒輪等。對這類零件，不僅要滿足在靜力作用下的強(qiáng)度、塑性、硬度等性能判據(jù)還必須具有足夠抵抗沖擊載荷的能力。

金屬材料在沖擊載荷的作用下，抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。為了評定金屬材料的沖擊韌性，需進(jìn)行一次沖擊試驗(yàn)。一次沖擊試驗(yàn)通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，按GB/T229-1994規(guī)定，被測金屬須制成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，如圖1-9所示。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座1處，將一個(gè)重量為mg的擺錘自高度h，自由落下，沖斷試樣后擺錘升高到h2高度(如圖1-10所示)。則擺錘沖斷試樣所消耗的能量，即為試樣在沖擊力一次作用下拆斷時(shí)所吸收的功，稱為沖擊功，用符號A、表示。即

（1-9）根據(jù)兩種試樣缺口形狀不同，沖擊功分別用AKU和AKV表示，單位為焦耳(J)。沖擊功不需計(jì)算，可由沖擊試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。試樣缺口處單位橫截面面積A上的沖擊功，稱為沖擊韌度，用符號aK表示，單位為J/cm2.

（1-10）上一頁下一頁返回圖1-10圖1-10一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理示意圖(a)試樣放在試驗(yàn)機(jī)上;(b)擺錘由h1升高到h2高度返回1.1材料的力學(xué)性能式中，A—試樣缺口處橫截面積，cm2。沖擊功AK越大，材料的韌性越好。一般把沖擊功低的金屬材料稱為脆性材料。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口較平整、呈晶狀或瓷狀，有金屬光澤;韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，無光澤。沖擊功AK的大小與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。有些材料在室溫(20oC:)左右試驗(yàn)時(shí)不顯示脆性，而在較低溫度下可能發(fā)生脆性斷裂，從圖1-11可以看出，在某一溫度處，沖擊功急劇降低，金屬材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩@一溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能

沖擊功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。因此，沖擊功一般作為選材的參考，而不能直接用于強(qiáng)度計(jì)算。應(yīng)當(dāng)指出，沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊功中只有一部分消耗在斷開試樣的缺口截面上，而其余部分則消耗在沖斷試樣前，缺口附近體積內(nèi)的塑性變形上。因此，沖擊韌度不能真正代表材料的韌性，而沖擊功AK作為材料韌性的判據(jù)指標(biāo)更為適宜。國家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已規(guī)定采用沖擊功AK作為韌性判據(jù)指標(biāo)。2.小能量多次沖擊試驗(yàn)實(shí)踐表明，承受沖擊載荷的機(jī)械零件，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕大多數(shù)是在一次沖擊不足以使零件破壞的小能量多次沖擊作用下而破壞的，如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模的沖頭等。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能這些零件的破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的結(jié)果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。對于這樣的零件，用沖擊韌度來作為設(shè)計(jì)依據(jù)顯然是不符合實(shí)際的。實(shí)踐表明，一次沖擊韌度高的材料，小能量多次沖擊抗力不一定高，反之也一樣。如大功率柴油機(jī)曲軸是用孕育鑄鐵制成的，它的沖擊韌度接近于零，而在長期使用中卻未發(fā)生斷裂。因此，需要采用小能量多次沖擊試驗(yàn)來檢驗(yàn)這類金屬的抗沖擊性能。小能量多次沖擊測試的原理圖如圖1-12所示。試樣在沖頭多次沖擊下斷裂時(shí)，經(jīng)受的沖擊次數(shù)N代表金屬的抗沖擊能力。實(shí)踐證明，金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時(shí)，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度的大小，而在小能量多次沖擊條件下，其沖擊抗力主要取決于材料的強(qiáng)度和塑性。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能1.1.4疲勞1.疲勞現(xiàn)象工程上許多機(jī)械零件如軸、齒輪、彈簧等都是在變動載荷作用下工作的。根據(jù)變動載荷的作用方式不同，零件承受的應(yīng)力可分為交變應(yīng)力與重復(fù)應(yīng)力兩種，如圖1-13所示。承受交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力的零件，在工作過程中，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載荷作用下的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先均無明顯的塑性變形的預(yù)兆，很難事先覺察，屬低應(yīng)力脆斷，因此具有很大的危險(xiǎn)性。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上損壞的機(jī)械零件都是因疲勞造成的。因此，研究疲勞現(xiàn)象對于正確使用材料，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)具有重要意義。研究表明:疲勞斷裂產(chǎn)生的原因一般是在零件應(yīng)力集中部位或材料本身強(qiáng)度較低的部位，如原有微裂紋、軟點(diǎn)、脫碳、夾雜或刀痕等處形成裂紋的核心。進(jìn)而在交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使零件的有效承載面逐漸減小，最后當(dāng)減小到不能承受外加載荷時(shí)，零件即發(fā)生突然斷裂。零件的疲勞失效過程可分為疲勞裂紋的產(chǎn)生、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。上一頁下一頁返回1.1材料的力學(xué)性能疲勞斷裂的宏觀斷口一般也有三個(gè)區(qū)域，即以疲勞裂紋源為中心逐漸向內(nèi)擴(kuò)展呈海灘狀條紋的裂紋擴(kuò)展區(qū)和呈纖維狀(韌性材料)或結(jié)晶狀(脆性材料)的瞬時(shí)斷裂區(qū)，如圖1-14所示。2.疲勞強(qiáng)度大量試驗(yàn)證明，金屬材料所受的最大交變應(yīng)力σmax越大，則斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)周次N越少，如圖1-15所示。這種交變應(yīng)力σmax與循環(huán)周次N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。從曲線上可以看出，循環(huán)應(yīng)力值越低，斷裂前的循環(huán)周次越多。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力降低到某一值后，循環(huán)周次可以達(dá)到很大，甚至無限大，而試樣仍不發(fā)生疲勞斷裂，這種試樣不發(fā)生斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力，稱為該金屬的疲勞強(qiáng)度，光滑試樣的對稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞強(qiáng)度用符號σ-1

表示。上一頁下一頁返回圖1-15圖1-15疲勞曲線示意圖返回1.1材料的力學(xué)性能提高疲勞強(qiáng)度的方法：1.改善設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免零件的應(yīng)力集中2.改善零件表面粗糙度，減少缺口效應(yīng)。3.采用表面熱處理，如高頻淬火、表面形變強(qiáng)化(噴丸、滾壓、內(nèi)孔擠壓等)、化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、碳一氮共滲)等既可改變零件表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，又可提高零件的疲勞強(qiáng)度。上一頁返回1.2材料的其他性能1.2.1材料的物理化學(xué)性能1.材料的物理性能(1)密度。單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度

式中，

ρ為物質(zhì)的密度，kg/m3;m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg;V為物質(zhì)的體積，m3。密度小于5x10kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、欽及它們的合金。密度大于5x10kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。金屬材料的密度直接關(guān)系到由它們所制構(gòu)件和零件的自重。輕金屬多用于航天航空器上。下一頁返回1.2材料的其他性能(2)熔點(diǎn)。金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)，純金屬都有固定的熔點(diǎn)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鑰、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉛等可用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。(3)導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率的符號是λ

，單位是W/m·K。熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好;銅、鋁次之;合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。在熱加工和熱處理時(shí)，必須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過程中形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時(shí)，要選用導(dǎo)熱性好的全屬材料。上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能(4)導(dǎo)電性。傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來衡量，電阻率的單位是Ω·m。電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性以銀為最好;銅、鋁次之;合金的導(dǎo)電性比純金屬差。電阻率小的金屬(純銅、純鋁)適于制造導(dǎo)電零件和電線。電阻率大的金屬或合金(如鎢、鑰、鐵、鉻)適于做電熱元件。(5)熱膨脹性。金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時(shí)膨脹體積增大，冷卻時(shí)收縮體積縮小。熱膨脹性用線脹系數(shù)

αL,或體脹系數(shù)αV來表示，即上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能式中，α:為線脹系數(shù)，1/K或1/℃;L,為膨脹前長度，m;L2為膨脹后長度，m;△t為溫度變化量，K或℃。由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件，在溫度變化時(shí)，尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸;熱加工和熱處理時(shí)也要考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。(6)磁性。金屬材料可分為鐵磁性材料(在外磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鉆等)，順磁性材料(在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等)和抗磁性材料(能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等)三類。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機(jī)、測量儀表等。上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能抗磁性材料則用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤。鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，如鐵的居里點(diǎn)是770oC。一些金屬的物理性能和力學(xué)性能見表1-3。2.金屬的化學(xué)性能(1)耐腐蝕性。金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐腐蝕性，碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差;欽及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好。在食品、制藥、化工工業(yè)中不銹鋼是重要的應(yīng)用材料。鋁合金和銅合金有較好的耐腐蝕性。上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能1.2.2金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。金屬材料的一般加工過程如圖1-16所示。在鑄造、鍛壓、焊接、機(jī)加工等加工前后過程中，一般還要進(jìn)行不同類型的熱處理。因此一個(gè)由金屬材料制得的零件，其加工過程十分復(fù)雜。工藝性能直接影響零件加工后的質(zhì)量，是選材和制訂零件加工工藝路線時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的因素之一。對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)效率有重大作用。上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能1.鑄造性能

金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動性、收縮性和偏析傾向等。(1)流動性。熔融金屬的流動能力稱為流動性。它主要受化學(xué)成分和澆注溫度等的影響。流動性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。(2)收縮性。鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。鑄件收縮不僅影響尺寸精度，還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷，故用于鑄造的金屬其收縮率越小越好。上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能(3)偏析傾向。金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴(yán)重時(shí)能使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低了鑄件的質(zhì)量，這對大型鑄件的危害更大。

表1-4為幾種金屬材料的鑄造性能的比較。2.壓力加工性能從理論上講，壓力加工性能是指金屬材料在冷熱狀態(tài)下塑性變形的能力，即熱鍛和冷沖壓時(shí)變形的能力。從加工方法上可用壓力加工時(shí)獲得優(yōu)良壓制件的難易程度來衡量壓力加工性能。壓力加工性能的好壞同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，金屬的壓力加工性能越好。壓力加工性能包括充填模具所需要的固體流動性，對模壁的摩擦阻力，對氧化起皮的抗力、熱裂趨勢，上一頁下一頁返回1.2材料的其他性能冷變形時(shí)的硬化趨勢，不均勻變形(產(chǎn)生褶皺)的趨勢等。常用金屬材料中，黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下有良好的可鍛性;低碳鋼的可鍛性和冷沖擊性比中碳鋼、高碳鋼好;鑄鐵則不能鍛壓。3.焊接性能焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性