1.1 材料的機械性能

問題思考

1.1.1 材料載荷的形式

零件失效都是外界損害作用超過材料抵抗能力的結果。因此，在設計產品時不僅要熟悉零件的工作條件和使用條件，還要把零件的受力狀態同材料的性能結合起來。

材料在工作過程中都會受到各種不同類型力的作用，這些外力的大小、方向、分布以及持續時間不同，對材料的影響效果也不相同。

1.拉伸

拉伸是物體最常見的一種受力形式。其特點為受力方向沿著物體軸線，且受力方向相背離。橋式起重機上的鋼絲繩在吊起重物時主要承受拉伸作用，如圖1-1所示。

2.壓縮

壓縮與拉伸一樣，受力方向沿著物體軸線，但是受力方向相對。大型零件的底座在工作中都要承受自身重量帶來的壓力。萬噸水壓機就是通過壓力來使工件成形的，如圖1-2所示。

3.彎曲

當物體受到垂直于其軸線的橫向外力作用時，軸線將由直線變為曲線，這就是彎曲。起重機的起重臂、車床上加工的軸都是承受彎曲變形的實例，如圖1-3和圖1-4所示。

4.剪切

剪切的物體受到大小相等、方向相反、不在同一直線上并且作用距離很近的一對力的作用。剪切力將使物體沿著剪切面發生錯動而導致物體破壞。例如，螺栓連接或鉚釘連接的兩個零件在工作時都要承受剪切力，如圖1-5所示。

5.扭轉

扭轉的物體受到一對大小相等、方向相反、作用面垂直于軸心線的外力偶的作用。轉動汽車轉向盤（見圖1-6）、攻絲都是扭轉的實例。

要點提示

在實際應用中，零件的受力情況都比較復雜，通常要同時承受多種力的作用。圖1-7所示的汽車傳動軸，在工作時要同時承受拉伸、彎曲和扭轉等作用。這就要求該軸具有良好的結構設計、較高的強度。

1.1.2 材料的常用機械性能

材料的機械性能是指其在外力（載荷）作用時表現出來的性能。描述機械性能的指標很多，有些指標還相互矛盾。在使用過程中，通常要根據工件的受力特點來選擇材料。

1.材料的強度

（1）強度的概念。強度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形（不可恢復變形）和斷裂的能力。

要點提示

抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，強度就越高。根據受力狀況的不同，強度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭及抗剪強度等。

（2）強度的測定。一般以抗拉強度作為最基本的強度指標。低碳鋼材料的強度大小通過拉伸試驗來測定。試驗時，按國家標準規定，將試樣兩端夾在試驗機的兩個夾頭上，隨著負荷P的緩慢增加，試樣逐步變形并伸長，直至被拉斷為止，如圖1-8所示。

（3）應力的概念。在載荷P作用下，試樣內部產生的大小與外力相等的抵抗力稱為內力。單位橫截面積上的內力稱為應力，用σ 表示，單位為Pa，即

式中：P——載荷大小，N；

A0——試樣原橫截面積，m2。

（4）抗拉強度。鋼材拉伸到一定程度后，由于內部晶粒重新排列，抵抗變形能力重新提高，直至應力達最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發生較大的塑性變形，此處試件截面迅速縮小，出現頸縮現象，直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應力值稱為強度極限或抗拉強度，用σ b表示。

（5）屈服強度。材料拉伸時，當應力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形。當應力達到某一數值后，塑性應變急劇增加，這種現象稱為屈服。這一階段的最大、最小應力分別稱為上屈服點和下屈服點。由于下屈服點的數值較為穩定，因此它被作為材料抗力的指標，稱為屈服點或屈服強度，用σ s表示。

要點提示

有的金屬材料的屈服點極不明顯，測量困難，因此為了衡量材料的屈服特性，人為規定產生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長度的0.2%）時的應力，稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度，用σ 0.2表示。

2.材料的硬度

問題思考

機械制造中所用的量具、刃具和模具等是否都應該具備足夠的硬度？沒有足夠硬度的零件能保證其使用性能和使用壽命嗎？

（1）硬度的概念。硬度是指金屬材料抵抗硬物體壓入的能力，或者說金屬表面對局部塑性變形的抵抗能力。

要點提示

硬度是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高，材料的耐磨性越好。

（2）布氏硬度（HB）。將一定直徑的淬火鋼球以規定的載荷P壓入被測材料表面，保持一定時間后，卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積S，計算出平均應力值，以此作為布氏硬度值的計量指標（布氏硬度試驗原理如圖1-9所示），并用符號HB表示，單位為N/mm2，即

式中：P——所加壓力，N；

S——壓痕表面積，mm2，可通過鋼球直徑和壓痕直徑計算。

例如，120HBS10/1000/30表示用直徑10mm的鋼球在1 000kgf（9.807kN）的試驗力作用下保持30s，測得的布氏硬度值為120N/mm2（MPa）。

（3）洛氏硬度（HR）。測量洛氏硬度時，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，經規定時間后，卸除主試驗力，由測量的原殘余壓痕深度增量來計算硬度值，以符號HR表示。

洛氏硬度的優點是操作簡便，壓痕小，可用于成品和薄形件；缺點是測量數值分散，不如布氏硬度測量準確。

洛氏硬度試驗采用3種試驗力和3種壓頭，共有9種組合，對應于洛氏硬度的9個標尺。其中最常用的是HRC、HRB和HRF。

HRC 用于測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不銹鋼，這是金屬加工行業中應用最多的硬度試驗方法。HRB用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。

3.材料的沖擊韌性

問題思考

（1）認識沖擊載荷。金屬材料的強度、硬度、塑性都是在靜載荷情況下測定金屬材料承受變形和破壞的能力。靜載荷是指被測金屬所受的載荷從零逐漸增加到最大值。

實際上，不少零件如火車掛鉤（見圖1-10）、鍛錘頭（見圖1-11）、沖床連桿及曲軸等在工作時都要承受沖擊載荷，而沖擊載荷所引起的變形和應力比靜載荷時大得多。

要點提示

承受沖擊載荷的零件除要求高的強度和一定的硬度外，還必須具有足夠的韌性。

（2）沖擊韌性的概念。沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，其值以沖擊韌度αk表示。αk越大，材料的韌性越好，在受到沖擊時越不易斷裂。

對于重要零件，要求

沖擊試驗是將被測的金屬材料制成一定形狀和尺寸的試樣，將沖擊試樣安放在圖1-12所示的沖擊試驗機上，把重量為G的擺錘提到高度h1后，使擺錘自由下落，沖斷試樣后，擺至高度h2，其位能的變化值即為擺錘對試樣所做的沖擊功。

要點提示

對于脆性斷裂為主要破壞形式的零件，只能憑經驗提出對沖擊功的要求，若過分追求高的沖擊強度，則會造成零件笨重和材料浪費。尤其對于中低強度材料制造的大型零件和高強度材料制造的焊接構件，由于存在冶金缺陷和焊接裂紋，不能以沖擊功評定零件脆斷傾向大小。

4.材料的疲勞強度

問題思考

（1）認識交變載荷。有許多機械零件（如軸、齒輪、連桿及彈簧等）在工作過程中受到大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷作用，這種載荷稱為交變載荷。

要點提示

在交變載荷長期作用下的零件，發生斷裂時的應力遠低于該材料的強度極限，甚至低于其屈服極限，這種現象稱為金屬的疲勞。實踐表明，在損壞的機械零件中，80%的斷裂是由金屬疲勞造成的。

（2）認識疲勞強度。疲勞強度是指金屬材料在無數次重復交變載荷作用下，能承受不被破壞的最大應力。

各種金屬材料不可能進行無窮次重復試驗，因此通常給出一定的應力循環基數。對鋼鐵來說，如果應力循環次數N達到107次，零件仍不斷裂，就可認為能經受無限次應力循環而不再斷裂，所以鋼材以107為基數。有色金屬和某些超高強度鋼則取108為基數。

（3）疲勞破壞的原因。疲勞斷裂一般認為是由于材料表面與內部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等）造成局部應力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應力循環次數的增加而逐漸擴展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。

要點提示

為了提高零件的疲勞強度，除了改善其結構形狀，避免應力集中外，還可以通過提高零件表面加工光潔度和采用表面強化的方法來達到，如對零件表面進行噴丸處理、表面淬火等。

5.材料的塑性

塑性是指金屬材料受力后發生變形而不被破壞的能力。塑性好的材料就像一團橡皮泥，在受力后可以自由變形，但是整體不會破壞分離。

（1）塑性的表示。材料的塑性優劣通常用伸長率δ來表示，即

式中：l0——試樣的原始長度，mm；

l1——試樣拉斷后的長度，mm。

材料的塑性還可以用斷面收縮率ψ來表示，即

式中：A0——試樣的原始截面積，mm2；

A1——試樣拉斷后的斷口截面積，mm2。

（2）塑性的應用。材料的δ和ψ值越大，其塑性越好。具有良好塑性的金屬材料在加工時受到的抗力小，變形充分，這種材料適合進行軋制、鍛造、沖壓及焊接等操作，可以獲得優良的加工性能。

同時，塑性好的材料在超負荷工作時，可以產生塑性變形，避免突然斷裂破壞。

6.材料的剛度

剛度是指受外力作用的材料、構件或結構抵抗變形的能力。

（1）剛度的影響因素。材料的剛度由使其產生單位變形所需的外力值來量度。

結構的剛度除取決于組成材料的剛度外，還同其幾何形狀、邊界條件以及外力的作用形式等因素有關，圖1-13所示起重機采用的桿件連接形式可以獲得很好的剛度。

（2）剛度的應用。分析材料和結構的剛度是工程設計中的一項重要工作。對于一些必須嚴格限制變形的結構（如機翼、高精度的裝配件等）應通過剛度分析來控制變形。許多結構（如建筑物、機械等）也要通過控制剛度以防止振動、顫振或失穩現象。

剛度對于某些彈性變形量超過一定數值后會影響機器工作質量的零件尤為重要，如機床的主軸、導軌、絲杠等，如圖1-14所示。

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