基礎理論篇

項目1　金屬材料的力學性能

組成一臺機器的眾多零件，是由各種材料制造的，而且，很多零件并不是由一種材料制成的。對于不同的零件，應依據其設計功能和工作條件的不同選用不同的材料；即使是同一種材料，人們也可能會依據其功能、工況的不同而用不同的加工方法加工。那么，選擇材料的依據是什么呢？

滿足使用性能是選材時首先要考慮的。例如，起重機鋼絲繩及吊鉤承受拉伸應力，選材時應考慮拉伸強度；汽車傳動軸承受扭矩和剪切應力，選材時應考慮剛度和剪切強度；齒輪心部及齒根部承受剪切應力，而齒面承受磨損，這就要求齒輪心部韌性好、齒部耐磨性好；石油化工的儲存和輸送設備以及航海艦船殼體處于腐蝕介質中，選材時應考慮耐蝕性等。使用性能是指為保證零件能正常工作和有一定工作壽命，材料應具備的性能，它包括力學性能、物理性能和化學性能。其中，力學性能在機械零件和工具中為主要的使用性能。所謂力學性能，是指材料抵抗外力作用所顯示的性能，包括強度、剛度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等，它們是通過標準試驗測定的。材料的物理性能包括密度、導電導熱性、熱膨脹性和磁性等。材料的化學性能，指材料在常溫或高溫時抵抗各種介質的化學或電化學侵蝕的能力，它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和耐候性等。

除了滿足使用性能，還要考慮材料是否容易加工。如果制造困難或制造成本太高，那么這個選材方案也就未必可行。因此，選材時還應考慮材料的工藝性能。所謂工藝性能，是指為了保證材料的加工能順利進行而應具備的性能，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。

通過此項目的學習，可以充分了解上述關于材料特性的各種評定指標。

任務1　認識靜載荷下的力學性能指標

問題描述

表征材料靜載荷下的力學性能指標都有哪些？分別用什么方式來測定？

知識鏈接

1.靜載荷下的力學性能

材料在靜載荷下的力學性能指標主要有：強度、剛度、塑性、硬度等。強度是指金屬抵抗永久變形（塑性變形）和斷裂的能力。剛度是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標。塑性是指金屬在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。永久變形是指物體在力的作用下產生了形狀、尺寸的改變，外力去除后，物體因變形不能恢復到原始的形狀和尺寸的現象。金屬材料的強度和塑性指標可以通過拉伸試驗測得。具體試驗過程見后續試驗操作。

（1）強度指標

強度指標由拉伸試驗測出。強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。變形一般分為彈性變形和塑性變形；變形的金屬材料當外應力去除后，能夠恢復原狀的變形稱為彈性變形；變形的金屬材料當外應力去除后，不能夠恢復原狀的變形稱為塑性變形。相同的材料在不同的應力（拉應力、壓應力、彎曲應力、扭轉應力等）作用下，表現出不同的抵抗變形和斷裂的能力，如抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗扭強度等。工程上最常用的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率等指標是通過應變速率恒定的拉伸試驗而獲得的。

①彈性　由彈性極限表征，即試樣發生最大彈性變形的應力。規定彈性極限：以試樣殘余伸長量為0.01%時的應力作為規定彈性極限（σ0.01）。

②屈服強度　對塑性材料而言，即抵抗塑性變形的能力。規定屈服強度（σ0.2）：以試樣塑性變形量為試樣標距長度的0.2%時，材料承受的應力為規定屈服強度。σs代表材料發生明顯塑性變形的抗力。

③抗拉強度　對脆性材料而言，即試樣能承受的最大載荷除以原始截面積所得的應力。

④彈性模量　材料在彈性變形范圍內的應力與應變的比值。E=σ/ε，E表示材料產生彈性變形的難易程度。E的數值大，表示不易產生彈性變形。

（2）塑性指標

材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。

①塑性是指斷裂前材料發生不可逆永久變形的能力。

②常用的塑性指標是材料斷裂時的最大相對塑性變形，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。

塑性大小用伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示，即

　?。?-1）

　?。?-2）

式中　L0——試樣的標距原長，mm；

L1——試樣拉斷后的標距長度，mm；

A0——試樣拉伸前的橫截面面積，mm2；

A1——試樣拉斷后頸縮處的最小橫截面面積，mm2。

δ、ψ愈大，材料塑性愈好，由于伸長率值與試樣尺寸有關，因此，比較伸長率時要注意試樣規格的統一。

一方面，材料具有一定的塑性才能進行各種變形加工；另一方面，材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂。在低碳鋼拉伸曲線中，塑性好的材料的塑性變形階段較長，而脆性材料則幾乎沒有塑性變形。

2.金屬拉伸試驗

（1）拉伸試驗

拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸，測量拉伸力和相應的伸長，并測其力學性能的試驗。拉伸時一般將拉伸試樣拉至斷裂。

①拉伸試樣　進行拉伸試驗時，通常采用比例圓柱形拉伸試樣，試樣尺寸按國家標準中金屬拉伸試驗試樣中的有關規定進行制作。比例圓柱形拉伸試樣一般分為短試樣和長試樣兩種，通常采用短試樣。拉伸試樣如圖1-1所示，圖（a）所示為比例圓柱形拉伸試樣，圖（b）所示為拉斷后的比例圓柱形拉伸試樣。d0為比例圓柱形拉伸試樣的原始直徑；du為試樣斷口處的直徑；L0為比例圓柱形拉伸試樣的原始標距長度；Lu為拉斷試樣對接后測出的標距長度。長比例圓柱形拉伸試樣L0=10d0；短比例圓柱形拉伸試樣L0=5d0。

②試驗方法　試驗在拉伸試驗機上進行。圖1-2為拉伸試驗機示意圖。將已制備好的標準試樣正確裝夾在拉伸試驗機的上、下夾頭間并夾緊，以恒定的應變速率加載，此時標準試樣兩端承受緩慢增加的軸向拉力，與此同時在標準試樣的各截面上產生拉應力；隨軸向拉力的增加，拉應力相應增大，標準試樣變形加劇直至拉斷為止。同時，記錄裝置記錄下拉伸過程中的力-伸長曲線。

（2）力-伸長曲線

在進行拉伸試驗時，拉伸力F和試樣伸長量ΔL之間的關系曲線，稱為力-伸長曲線。通常把拉伸力F作為縱坐標，伸長量ΔL作為橫坐標。圖1-3為退火低碳鋼的力-伸長曲線圖。

觀察拉伸試驗和力-伸長曲線，會發現在拉伸試驗的開始階段，試樣的伸長量ΔL與拉伸力F之間成正比例關系，在力-伸長曲線圖中為斜直線OP。在該階段，當拉伸力增加時試樣伸長量ΔL也呈正比增加。當去除拉伸力后，試樣伸長變形消失，恢復其原始形狀，其變形規律符合胡克定律，表現為彈性變形。圖中Fp是試樣保持彈性變形的最大拉伸力。

當拉伸力不斷增加，超過Fp時，試樣將產生塑性變形，去除拉伸力后，變形不能完全恢復，塑性伸長將被保留下來。當拉伸力繼續增加到Fs時，力-伸長曲線在S點后出現一個平臺，即在拉伸力不再增加的情況下，試樣也會明顯伸長，這種現象稱為屈服，Fs稱為屈服拉伸力。

當拉伸力超過屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會增加，此現象稱為冷變形強化，即抗力增加現象。這一現象在力-伸長曲線上表現為一段上升曲線，即隨著塑性變形量的增大，試樣變形抗力也逐漸增大。

當拉伸力達到Fm時，試樣的局部截面開始收縮，產生了縮頸現象。由于縮頸使試樣局部截面迅速縮小，因此最終試樣被拉斷?？s頸現象在力-伸長曲線上表現為一段下降的曲線MK。Fm是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力，稱為極限拉伸力。

從完整的拉伸試驗和力-伸長曲線可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經過彈性變形階段、屈服階段、冷變形強化階段、縮頸與斷裂階段。

【實驗項目】金屬拉伸試驗

（1）實驗目的

①觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸試驗中的各種現象。

②觀察低碳鋼在拉伸過程中所出現的屈服、強化和縮頸現象。

③測繪低碳鋼和鑄鐵試件的應力-應變曲線。

④測定低碳鋼的屈服強度σs、抗拉強度σb、斷后伸長率δ、斷面收縮率ψ和鑄鐵的抗拉強度σb。

（2）實驗地點

金屬力學實驗室。

（3）實驗設備與儀器

①制作標準試件：按GB/T 228《金屬材料　拉伸試驗》中的規定，準備20鋼和鑄鐵的圓形短標準試樣。

②萬能試驗機（圖1-4）。

③標卡尺。

④劃線機。

（4）實驗內容和方法

①試件準備與尺寸測量。用劃線機劃上試件的標距，并將其分成10格（圖1-5），以便觀察標距范圍內沿軸向的變形情況。用游標卡尺測量試件標距和標距部分的直徑d0，在標距范圍的中間及兩端處，每處兩個互相垂直的方向上各測量兩次，取其平均值為該處直徑。用所測得的三個平均值中的最小的值計算試件的橫截面面積A0。計算A0時取三位有效數字（表1-1）。

②裝夾試件。先把試件夾持在試驗機上的夾頭內，再將下夾頭移動到試件所需的夾持位置，并把試件下端夾緊。

③在計算機測試應用程序界面中執行以下操作：設置實驗條件，主要有試驗形式、載荷、變形量程、加載速度、試樣編號尺寸、材料等。設置完畢，可自定義文件名并確定工作目錄后存盤。單擊界面“試驗”按鈕，開始試驗。

④觀察試樣的變形情況和“縮頸”現象，試樣斷裂后立即單擊應用程序界面“結束試驗”按鈕。

⑤取下試件，將拉斷的試件在斷口處盡量對攏，測量拉斷后的標距長度和斷口直徑d1。

⑥測量鑄鐵試樣的初始直徑，并將之裝卡在試驗機的卡板中（與低碳鋼試樣的測量、裝卡方法相同）。重復試驗步驟③～⑥，進行鑄鐵試樣拉伸試驗。

⑦在實驗教師指導下讀取實驗數據，打印曲線。

⑧填寫實驗報告。

（5）注意事項

①開機前和停機后，送油閥一定要置于關閉位置，加載、卸載和回油均須緩慢進行。

②拉伸試件夾住后，不得再調整下夾頭的位置。

③機器開動時，操縱者不得擅自離開。

④使用時，聽見異聲或發生任何故障即應立即停止。

⑤試件裝夾必須正確，防止偏斜和夾入部分過短的現象。

（6）實驗結果處理

①強度指標

屈服強度：

抗拉強度：

②塑性指標

伸長率：

斷面收縮率：

延伸閱讀

超塑性金屬材料

超塑性金屬材料是指伸長率大于300%的金屬材料。它是1920年德國材料專家羅森漢在研究鋅-鋁-銅合金時發現的。超塑性是在特定條件下出現的一種奇特現象，超塑性金屬材料能像軟糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現縮頸，也不會斷裂。最常用的鋁、鎳、銅、鐵、鈦合金，它們的伸長率在200%～6000%之間，如碳鋼和不銹鋼在150%～800%之間，鋁鋅合金為1000%，純鋁高達6000%。

超塑性材料加工具有很大的實用價值。難變形的合金因超塑性變成了軟糖狀，從而可以像玻璃和塑料一樣，用吹塑和可擠壓加工方法制造零件，從而大大節省能源和設備。用超塑性材料制造零件的另一優點是可以一次成形，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節約原材料和降低成本的目的。據專家展望，未來超塑性材料將在航天、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用。

3.硬度指標

（1）硬度

①硬度是衡量材料軟硬程度的判據，它表征材料抵抗局部變形尤其是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。它是金屬材料的重要性能指標之一。

②材料的硬度是通過試驗測得的。測定硬度的試驗方法很多，大體上可分為彈性回跳法（肖氏硬度）、壓入法（布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度）和刻痕法（莫氏法）等三大類，而生產上應用最廣泛的是壓入法。

③一般硬度越高，耐磨性越好。

（2）硬度試驗方法

目前，生產中常用的硬度試驗方法是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗法。

①布氏硬度　1900年，瑞典工程師J.B.Brinell提出了一種用鋼球壓入試樣來測定材料硬度的方法，這就是布氏硬度，其基本原理是通過加載，將淬火鋼球壓頭或硬質合金球壓頭，壓入被測金屬材料表面，保持規定時間后卸除試驗力，在被測金屬材料表面得到一直徑d的壓痕，單位壓痕面積（A壓）上所承受的載荷（F）大小即為布氏硬度值。淬火鋼球為壓頭時，符號為HBS；硬質合金球為壓頭時，符號為HBW（圖1-6）。

　?。?-3）

式中　A壓——壓痕表面積，mm2；

F——試驗力，N；

d——壓痕平均直徑，mm；

D——壓頭直徑，mm；

h——壓痕深度，mm。

上式中只有d是變數，只要測出d值，即可通過計算或查表得到相應的硬度值。一般，布氏硬度值不需計算，只需根據測出的壓痕直徑查表即可得到。d值越大，硬度值越?。?span id="fwhv3l4" class="italic">d值越小，硬度值越大。（注：1kgf=9.80665N）

為保證測試同一試樣的布氏硬度值有效且相同，必須保證試樣厚度至少為壓痕深度的8倍，試驗力與壓頭球直徑平方的比值F/D 2為常數，因此在做布氏硬度試驗時，應根據被測金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同直徑的壓頭和試驗力，見表1-2。根據國標GB/T 231.2—2012《金屬材料　布氏硬度試驗　第2部分：硬度計的檢驗與校準》規定，壓頭直徑有4種規格（10mm、5mm、2.5mm和1mm），0.102F/D 2的值有5種規格（30、10、5、2.5和1）。

布氏硬度表示方法為在硬度符號HBW或HBS前寫出硬度值，符號后面依次用相應數字注明壓頭直徑、試驗力和保持時間（10～15s不標），其中，壓頭直徑和試驗力之間用斜杠“/”隔開。例如，120HBW10/1000/30表示用直徑10mm的硬質合金球壓頭、試驗力為1000kgf（9.807kN）、試驗力保持30s所測得的布氏硬度值為120。布氏硬度一般不標注單位。

布氏硬度試驗法測得的硬度值較準確、穩定，因壓痕面積較大，故能反映出較大范圍內材料的平均硬度；布氏硬度與抗拉強度有近似的正比關系：σb=KHBW。但布氏硬度試驗法操作不夠簡便，不宜測試薄件或成品件。HBS適用于硬度值小于450的材料；HBW適用于硬度值小于650的材料。目前，布氏硬度試驗法主要用來測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火和調質的鋼材等。

②洛氏硬度　洛氏硬度試驗法是機械工程應用最廣泛的硬度試驗法，與布氏硬度試驗法不同，它不是測量壓痕的直徑，而是直接測量壓痕的深度來表示材料或機械零件的硬度，壓痕愈淺表示材料或工件愈硬。

洛氏硬度試驗原理如圖1-7所示。它是用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初試驗力和總試驗力（初試驗力+主試驗力）先后作用下，將壓頭壓入試件表面，經規定保持時間后，去除主試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量（增量是指去除主試驗力并保持初試驗力的條件下，在測量的深度方向上產生的塑性變形量）來計算硬度的一種壓痕硬度試驗法。圖中所示0—0為壓頭與試件表面未接觸的位置；1—1為加初試驗力10kgf（98.07N）后，壓頭經試件表面a壓入到b處的位置，b處是測量壓入深度的起點（可防止因試件表面不平引起的誤差）；2—2為初試驗力和主試驗力共同作用下，壓頭壓入到c處的位置；3—3為卸除主試驗力，但保持初試驗力的條件下，因試件彈性變形的恢復使壓頭回升到d處的位置。因此，壓頭在主試驗力作用下，實際壓入試件產生塑性變形的壓痕深度為bd（bd為殘余壓痕深度增量）。用bd大小來判斷材料的硬度，bd越大，硬度越低；反之，硬度越高。為適應習慣上數值越大、硬度越高的概念，故用一常數K減去bd作為硬度值（每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位），直接由硬度計表盤上讀出。洛氏硬度用符號HR表示。

金剛石做壓頭，K為100；淬火鋼球做壓頭，K為130。

為了滿足同一硬度計能測試不同硬度范圍的材料，可采用不同的壓頭和試驗力。按壓頭和試驗力不同，國標規定洛氏硬度的標尺有九種，但常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應用最廣泛。洛氏硬度的試驗條件和應用范圍見表1-3。

洛氏硬度的表示方法為：在硬度符號前面寫出硬度值，如58HRC、80HRA等。

洛氏硬度試驗操作簡便迅速，硬度值可從硬度計的表盤上直接讀出。試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的硬度檢驗。但由于壓痕小，因此洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結果比較分散，重復性差。不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較。

③維氏硬度　維氏硬度試驗的基本原理與布氏硬度試驗相同，都是根據壓痕單位面積上所受的平均試驗力（載荷）得出硬度值，不同的是，維氏硬度的壓頭是兩相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石，如圖1-8所示。

維氏硬度試驗設備是維氏硬度計。試驗時，根據試樣大小、厚薄選用5～120kgf（49.05～1177.2N）試驗力，將壓頭壓入試樣表面（試樣表面粗糙度≤0.2μm），保持一定時間后去除試驗力，用附在維氏硬度計上的測微計測量壓痕對角線長度d1和d2，求其平均值，然后通過查表（GB/T 4340.1—2009附表）得出或根據下式計算維氏硬度值。

維氏硬度用符號HV表示。

　　（1-4）

式中　A——壓痕的面積，mm2；

d——壓痕對角線長度d1和d2的算術平均值，mm；

F——試驗力，N。

根據國家標準（GB/T 4340.1—2009）規定，維氏硬度的表示方法為在維氏硬度符號HV前面寫出硬度值，HV后面依次用相應數字注明試驗力和保持時間（10～15s不標）。例如“640HV30/20”，表示在30×9.8N試驗力作用下，保持20s測得的維氏硬度值為640。維氏硬度試驗法的壓痕深度淺，輪廓清晰，對角線測量準確，重復性好，測量范圍寬廣，可以測量目前工業上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（上千個維氏硬度單位）都可測量。維氏硬度試驗最大的優點在于其硬度值與試驗力的大小無關，只要是硬度均勻的材料，就可以任意選擇試驗力，其硬度值不變。這就相當于在一個很寬廣的硬度范圍內，具有一個統一的標尺。這一點優越于洛氏硬度試驗。但維氏硬度試驗效率低，要求較高的試驗技術，對于試樣表面的粗糙度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，一般只在實驗室中使用。

維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學試驗方面小負荷硬度試驗，適用于測量小型精密零件的硬度、表面硬化層硬度和有效硬化層深度、鍍層的表面硬度、薄片材料和細線材的硬度、刀刃附近的硬度等。

硬度測試方法總結如表1-4所示。

【實驗項目】硬度試驗

（1）實驗目的

①了解布氏硬度、洛氏硬度測定的基本原理及應用范圍。

②了解布氏硬度計、洛氏硬度計的工作原理。

③熟悉布氏硬度、洛氏硬度的操作方法和步驟。

（2）實驗地點

實驗室。

（3）實驗設備與儀器

①試樣。

②布氏硬度計[圖1-9（a）]。

③洛氏硬度計[圖1-9（b）]。

④讀數放大鏡。

（4）實驗原理

①布氏硬度（HB）　以一定的載荷（一般為3000kgf）把一定大小（直徑一般為10mm）的淬火鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HB），單位為kgf/mm2（1kgf/mm2=9.80665MPa）。當HB大于450或者試樣過小時，就不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計。

②洛氏硬度（HR）　它是用一個頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同，分三種不同的硬度標尺：HRA是采用60kgf（1kgf=9.80665N）載荷和金剛石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質合金等）；HRB是采用100kgf載荷和直徑1.588mm淬火的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）；HRC是采用150kgf載荷和金剛石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。

（5）實驗內容與方法

①布氏硬度　見本節“（6）任務實施”。

②洛氏硬度

a.實驗時將試樣放在工作臺上，按順時針方向轉動手輪，使工作臺上升至試樣與壓頭接觸（注意：靠近壓頭時應緩慢上升工作臺，不得沖擊壓頭）。

b.繼續轉動手輪，當聽到機器提示音“嘀”時，應停止加載，此時初載荷加載完畢，然后洛氏硬度計自動施加主載荷并保持一定時間，直至測試完畢。其程序為：加初載荷→加主載荷→保持一定時間→卸載→窗口顯示硬度值即為所求硬度值。

（6）任務實施

①對采購的優質碳素結構鋼20鋼取樣進行布氏硬度測定。

②檢查清理和磨制被測試樣的表面，使其達到布氏硬度測定時所要求的表面狀態。

③在布氏硬度計上進行布氏硬度試驗。壓頭直徑為10mm，試驗力為3000kgf，保持時間為15s。

④在讀數顯微鏡下，測量壓痕直徑（測三次，取平均值）為4.91mm。

⑤查表可知，硬度值為148。

【知識延伸】

為什么機械圖紙標注的是硬度要求而不是強度要求？

解決方法：硬度與抗拉強度的近似換算。

硬度試驗是力學性能試驗中最簡單的一種試驗方法。生產上，往往希望從硬度值中判斷出某些力學性能指標的數量水平。實踐證明，金屬材料的硬度與強度之間具有近似的對應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續變形塑性抗力決定的，所以材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。在工程實踐中，對不同材料的硬度（HBS）與強度關系得出了如下一系列經驗公式：

低碳鋼：σb≈3.53HBS。

高碳鋼：σb≈3.33HBS。

合金調質鋼：σb≈3.19HBS。

灰鑄鐵：σb≈0.98HBS。

退火鋁合金：σb≈4.70HBS。

任務2　認識動載荷下的力學性能指標——沖擊韌性

問題描述

在生產實踐中，許多機械零件和工具是在沖擊載荷下工作的，如鍛錘錘桿、沖床沖頭、飛機起落架、風動工具、汽車齒輪等。由于沖擊載荷的加載速度大，作用時間短，機件常常因局部載荷而產生變形和斷裂，因此，對于承受沖擊載荷的機件，僅具有高強度是不夠的，還必須具備足夠的抵抗沖擊載荷的能力。那如何來評定其沖擊韌性指標是否滿足要求呢？

知識鏈接

1.沖擊韌性

①金屬材料在沖擊載荷下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。沖擊韌性一般以在沖擊力作用下，材料破壞時單位面積所吸收的能量來表示。

沖擊載荷與靜載荷的主要區別在于沖擊載荷的加載速率大，即載荷以很快的速度作用于零件。載荷速度增加，材料的塑性、韌性下降，脆性增加，都會使得零件易發生突然斷裂。對于在沖擊載荷作用下服役的零件，必須用沖擊載荷下的力學性能——沖擊韌性來衡量。

測定沖擊韌性常用的方法是：用一個帶有V形或U形刻槽的標準試樣（GB/T 229—2007），在一次擺錘式彎曲沖擊試驗機上彎曲擊斷，測定其所消耗的能量，如圖1-10所示。

②沖擊韌性是強度和塑性的綜合表現。

2.沖擊韌性試驗方法

工程上常用的沖擊韌性試驗方法為缺口試樣沖擊彎曲試驗，它是在擺錘式沖擊試驗機上進行的。

按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規定，試驗時，把試樣2放在試驗機3的兩個支承上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向，將重量為W（N）的擺錘1放至一定高度H（m），釋放擺錘切斷試樣后向另一方向升起至高度h（m）。根據擺錘重量和沖擊前后擺錘的高度，可算出擊斷試樣所耗沖擊功Ak（J），即：

　　（1-5）

Ak值可由刻度盤直接讀出。沖擊韌性（J/cm2）為：

　?。?-6）

式中　S——試樣缺口處截面積，cm2。

一次沖擊彎曲試驗不僅能測定材料沖擊韌性值，還有如下應用。

（1）判斷材料的斷裂性質

金屬材料的斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。對于脆性斷裂，其斷口沒有明顯的塑性變形，斷口的外表輪廓較平齊，斷面有金屬光澤，呈晶狀或瓷狀。對于韌性斷裂，其斷口有明顯的塑性變形，斷口的外表輪廓有厚的突出邊緣，斷口呈暗灰的纖維狀。實際上，沖擊斷口往往是以上兩種情況的混合，只是根據材料的不同而有所側重罷了。

（2）評定材料的低溫脆性傾向

有些材料在室溫為20℃左右的條件下試驗時并不顯示脆性，而在較低溫度下則可能發生脆斷，這一現象稱為冷脆。為了測定金屬材料開始發生這種冷脆現象時的溫度，可在不同溫度下進行一系列沖擊試驗，如圖1-11所示為某些材料沖擊韌性-溫度曲線（ak-t曲線）示意圖。由圖可以看出，沖擊韌性隨溫度的降低而減小，在某一溫度范圍，沖擊韌性顯著降低而呈現脆性，這個溫度范圍就是冷脆轉變溫度范圍。冷脆轉變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。

（3）為改進生產工藝、控制產品質量提供有益的依據

沖擊試驗對材料內部缺陷、顯微組織的變化很敏感，因此通過測量沖擊吸收功和對斷口試樣進行斷口分析，可揭示原材料中的夾渣、氣泡、偏析以及夾雜物超標等冶金缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷；并且在鑒定熱加工工藝規范的正確性方面，比其他試驗方法敏感，試驗過程也比較簡單。

任務實施

①對優質碳素結構鋼20鋼取樣并制作夏比U形缺口試樣。

②檢查擺錘式沖擊機是否工作正常。

③將試樣水平放在擺錘式沖擊機的支座上（注意試樣缺口方向）。

④釋放擺錘，一次沖斷試樣。

⑤在表盤上讀取沖擊吸收功值為72.6J。

【實驗項目】金屬材料夏比沖擊試驗

（1）實驗目的

①了解沖擊韌性的定義。

②測定低碳鋼和鑄鐵的沖擊韌性，比較兩種材料的抗沖擊能力和破壞端口的形貌。

（2）實驗地點

金屬力學性能實驗室。

（3）實驗設備與儀器

①沖擊試驗機（圖1-12）。

②夏比缺口沖擊試樣。

（4）實驗原理

在規定條件（包括高溫、室溫和低溫）下通過擺錘一次沖擊夏比缺口沖擊試樣，測定沖擊吸收能量。

（5）實驗內容與方法

①試驗前檢查試驗設備和儀器。

②用游標卡尺測量試樣缺口底部那處的橫截面尺寸。

③讓擺錘自由下垂，使被動指針緊靠主動指針。然后舉起擺錘空打，檢查并確認指針回到零點，否則應進行校正。

④安放試樣，使缺口對稱面處于支座跨度重點，偏差小于±0.2mm。

⑤釋放擺錘一次沖斷試樣，記錄被動指針在刻度盤上的讀數，即為沖斷試樣所消耗的功。

⑥記錄吸收能量。

（6）注意事項

①安裝試樣前，嚴禁高抬擺錘。

②擺錘抬起后，在擺錘擺動范圍內，切忌站人、行走及放置任何障礙物。

任務3　認識力學性能指標——疲勞強度

問題描述

在工程實踐中，許多機械零件（如齒輪、軸、彈簧等）是在重復應力或交變應力等循環應力的作用下工作的。循環應力和應變是指大小、方向都隨時間發生周期性變化的一類應力和應變。承受重復應力或交變應力的零件，工作中往往在工作應力低于其屈服點的情況下發生斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同。無論是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發生的，沒有明顯的塑性變形，很難事先觀察到，因此具有很大的危險性，常常造成嚴重的事故。據統計，80%以上損壞的機械零件都是因疲勞造成的。因此，研究疲勞現象對于正確使用金屬材料、合理設計機械零件具有重要意義。

那如何在生產實踐中，合理選擇金屬材料，提高其疲勞強度呢？

知識鏈接

1.疲勞斷裂

金屬零件或構件在交變載荷的長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現象稱為疲勞斷裂。

研究表明，疲勞破壞是一個裂紋發生和發展的過程。由于材料質量和加工過程中存在的缺陷，在零件局部區域造成應力集中，在重復應力或交變應力的反復作用下產生了疲勞裂紋，并隨著應力循環周次的增加，使疲勞裂紋不斷擴展，使材料承受載荷的有效面積不斷減小，當減小到不能承受外加載荷作用時，即產生瞬時斷裂。

即，金屬材料疲勞斷裂首先是在應力集中局部區域產生的，首先形成微小的裂紋核心，即微裂源；隨后金屬材料在循環應力作用下，裂紋繼續擴展長大，并形成擴展區；最后發生疲勞斷裂。

大量試驗表明，金屬材料所受的最大循環應力越大，則斷裂前所受的循環周次N（定義為疲勞壽命）就越少。這種最大循環應力σmax與疲勞壽命N的關系曲線稱為疲勞曲線或σ-N曲線，如圖1-13所示。

2.疲勞斷裂的特點

①疲勞斷裂是低應力循環延時斷裂，即具有壽命的斷裂。

疲勞斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度，甚至低于屈服強度。斷裂壽命隨應力不同而變化，應力高壽命短，應力低壽命長。當應力低于某一臨界值時，壽命可達無限長。

②疲勞是脆性斷裂。

由于一般疲勞斷裂的應力比屈服強度低，因此不論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發生塑性變形及有形變預兆，它是在長期累積損傷過程中，經裂紋源萌生和緩慢擴展，直至某一時刻突然斷裂的。所以，疲勞斷裂是一種潛在的突發性斷裂。

③疲勞斷裂對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。

疲勞斷裂的過程，往往是在零件的表面發生，有時也可在零件內部某一應力集中處產生裂紋，隨著應力的交變，裂紋不斷擴展，以致在某一時刻便產生突然斷裂。

3.疲勞曲線和疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S-N曲線，它是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。通常人們規定：金屬材料在重復或交變應力作用下，于規定的斷裂循環周次N內不發生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。試驗中，一般規定鋼鐵材料循環基數取107次，有色金屬取108次。

金屬的疲勞強度與抗拉強度之間存在以下近似的比例關系：

碳素鋼：σ-1≈（0.4～0.55）σb；

灰鑄鐵：σ-1≈0.4σb；

非鐵金屬：σ-1≈（0.3～0.4）σb。

（1）產生疲勞斷裂的原因

通過對大量發生疲勞斷裂的事故分析發現，在熱處理產生氧化、脫碳、過熱、裂紋等時，鋼中的非金屬夾雜物、試樣表面有氣孔、劃痕等缺陷均會產生應力集中，使疲勞極限下降，導致零件在循環交變載荷作用下長期工作產生疲勞斷裂。

（2）提高零件的疲勞強度的措施

一是提高零件的表面粗糙度。

二是對零件進行表面強化處理，如表面淬火、調質、氮化、噴丸等，使零件表層產生殘余壓應力，從而提高零件的疲勞強度。

任務4　認識材料的其他性能指標

問題描述

對于材料來說，除了衡量其力學性能的靜載荷下的強度、剛度、塑性，動載荷下的沖擊韌性，交變載荷下的疲勞強度，還有哪些需要認知和了解的其他性能指標？

知識鏈接

1.高溫性能

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、化工煉油設備及航空發動機中，很多機件長期在高溫下運轉，這類機件僅考慮常溫性能顯然不行，高溫下的機件易發生蠕變失效。材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使應力小于屈服強度，也會緩慢地發生塑性變形的現象稱為蠕變。蠕變的一般規律是溫度越高，工作應力越大，則蠕變的發展越快，而產生斷裂的時間就越短。具體說來，材料在高溫下的力學行為表現為：材料的強度隨溫度的升高而降低；高溫下材料的強度隨時間的延長而降低；高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。因此在高溫下使用的金屬材料應具有足夠的抗蠕變能力。

高溫下零件的失效形式一般表現為：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。其影響可以通過正確選材（選熔點高、組織穩定的材料）、表面鍍硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等來加以預防。

工程塑料在室溫下受到應力作用就可能發生蠕變，這在使用塑料受力件時應予以注意。蠕變的另一種不良結果是導致應力松弛。所謂應力松弛，是指承受彈性變形的零件，在工作過程中總變形量保持不變，但隨時間的延長發生蠕變，從而導致工作應力自行逐漸衰減的現象。如高溫緊固件，若出現應力松弛，則會使緊固失效。

高溫下，金屬的強度可用蠕變強度和持久強度來表示。

2.低溫性能

隨著溫度的下降，多數材料會出現脆性增加的現象，嚴重時甚至發生脆斷。通過在不同溫度下對材料進行一系列沖擊試驗，可以得到材料的沖擊韌性與溫度的關系曲線。由沖擊試驗可知，材料的沖擊功Ak值隨溫度下降而減小。當溫度降到某一值時，Ak值會急劇減小，使材料呈脆性狀態。材料由韌性狀態變為脆性狀態的溫度tk稱為冷脆轉化溫度。材料的tk低，表明其低溫韌性好。低溫韌性對于在低溫條件下使用的材料是很重要的。

由于大部分機械零件的損壞都是由疲勞造成的，因此消除或減少疲勞失效，對于提高零件使用壽命有著重要意義。影響疲勞強度的因素很多，除設計時在結構上注意減小零件應力集中外，還應改善零件表面粗糙度，這樣可減少缺口效應，提高疲勞強度。采用表面處理，如高頻淬火、表面形變強化（如噴丸、滾壓、內孔擠壓等）、化學熱處理（如滲碳、滲氮、碳-氮共滲）等，都可改變零件表層的殘余應力狀態，提高零件的疲勞強度。

3.物理性能與化學性能

物理性能是指材料所固有的屬性，包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。材料的化學性能是指材料在室溫或高溫時抵抗各種化學介質作用所表現出來的性能，包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學穩定性等。

（1）物理性能

①密度　金屬的密度是指單位體積金屬的質量。密度是金屬的特性之一，不同的金屬其密度是不同的。在體積相同的情況下，金屬的密度越大，其質量也就越大。金屬的密度直接關系到由金屬材料所制造設備的自重和效能，如發動機要求質輕和慣性小的活塞常采用密度小的鋁合金制造。在航空工業領域中，密度更是選材的關鍵性能指標之一。一般將密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。

②熔點　金屬和合金從固態向液態轉變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定的熔點。合金的熔點取決于其化學成分，如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于碳的質量分數不同，其熔點也就不同。熔點是對于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接都很重要的工藝參數。

熔點高的金屬稱為難熔金屬（如鎢、鉬、釩等），這類金屬材料可以用來制造耐高溫零件，在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應用。熔點低的金屬稱為易熔金屬（如錫、鉛等），這類金屬材料可以用來制造印刷鉛字（鉛與銻的合金）、熔絲（鉛、錫、鉍、鎘的合金）和防火安全閥等零件。

③導熱性　金屬傳導熱量的能力稱為導熱性。金屬導熱能力的大小常用熱導率λ表示。金屬的熱導率越大，說明其導熱性越好。一般來說，金屬越純，其導熱能力越好。合金的導熱性比純金屬差。金屬的導熱能力以銀為最好，銅、金、鋁次之。

導熱性好的金屬其散熱性也好，如在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時，就要注意選用導熱性好的金屬。在制定焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時，也必須考慮金屬的導熱性，防止金屬材料在加熱或冷卻過程中形成較大的內應力，導致金屬材料發生變形或開裂。

④導電性　金屬能夠傳導電流的性能稱為導電性。金屬導電性的好壞常用電阻率ρ表示。長1m、截面積為1mm2的物體在一定溫度下所具有的電阻值，稱為電阻率。電阻率的單位是Ω·m。電阻率越小，導電性就越好。

導電性和導熱性一樣，是隨合金成分的復雜化而降低的，因而純金屬的導電性總比合金好。因此，工業上常用純銅、純鋁做導電材料，而用導電性差的銅合金（如鎳、錳、銅的合金）和鐵鉻鋁合金材料做電熱元件。

⑤熱膨脹性　金屬隨著溫度變化體積膨脹或者收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時膨脹而且體積增大，冷卻時收縮而且體積縮小。熱膨脹性的大小用線膨脹系數αl和體膨脹系數αv來表示。

體膨脹系數近似為線膨脹系數的三倍。在實際工作中考慮熱膨脹性的地方頗多，例如，鋪設鋼軌時在兩根鋼軌銜接處應留有一定的空隙，以便使鋼軌在長度方向有膨脹的余地；軸與軸瓦之間要根據膨脹系數來控制其間隙尺寸；在制定焊接、熱處理、鑄造等工藝時也必須考慮金屬的熱膨脹影響，以減少工件的變形與開裂；測量工件尺寸時也要注意熱膨脹因素，以減少測量誤差。

⑥磁性　金屬在磁場中被磁化而呈現磁性強弱的性能稱為磁性。根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料和逆磁性材料。

鐵磁性材料是指，在外加磁場中，能夠被磁化到很大程度的金屬材料，如鐵、鎳、鈷等。順磁性材料是指，在外加磁場中，能夠被磁化但外加磁場撤除之后磁性會逐漸消失的金屬材料。逆磁性材料是指能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的金屬材料，如銅、金、銀、鉛、鋅等。

在鐵磁性材料中，鐵及其合金（包括鋼與鑄鐵）具有明顯磁性。鎳和鈷也具有磁性，但遠不如鐵。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機、測量儀表、半導體收音機的天線磁棒、錄音機的磁頭、電子計算機中的存儲元件、校園一卡通的磁性卡等；逆磁性材料則可用作要求避免電磁場干擾的零件和結構材料，如航海羅盤、航空儀表和炮兵瞄準環等。

（2）化學性能

在機械制造中，金屬材料不但要滿足力學性能和物理性能要求，同時還要求具有一定的化學性能，尤其是要求耐腐蝕、耐高溫的機械零件，更應重視金屬的化學性能。金屬的化學性能主要是指金屬抵抗各種腐蝕性介質對它進行化學侵蝕的能力，它包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學穩定性。

①耐腐蝕性　金屬在常溫下抵抗氧、水及其他化學介質腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。金屬的耐腐蝕性是一個重要的性能指標，尤其對在腐蝕性介質（如酸、堿、鹽、有毒氣體等）中工作的零件，其腐蝕現象比在空氣中更為嚴重。因此，在選擇金屬材料制造這些零件時，應特別注意金屬的耐腐蝕性，并采用耐腐蝕性良好的金屬或合金進行制造。

腐蝕不僅使金屬材料本身受到損害，給生產生活帶來很大不便，嚴重時還會使金屬構件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。據報道，全世界每年因金屬材料腐蝕造成的直接經濟損失約達7000億美元，是地震、水災、臺風等自然災害造成損失總和的6倍。我國因金屬材料腐蝕造成的損失占國民生產總值（GNP）的4%，鋼鐵因腐蝕而報廢的數量約占鋼鐵當年產量的25%～30%。金屬材料腐蝕還可能造成環境污染，例如，重金屬制成的材料被腐蝕后重金屬離子就會進入水體、土壤中，引起重金屬污染。因此，采取各種措施防止金屬材料的腐蝕十分必要。

②抗氧化性　長期在高溫下工作的零件，如工業用的鍋爐、加熱設備、汽輪機、噴氣發動機、火箭、導彈等，易發生氧化腐蝕，形成一層層的氧化鐵皮。金屬在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬的氧化隨溫度升高而加速，如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業時，氧化比較嚴重。氧化不僅造成金屬材料過量的損耗，還會形成各種缺陷，為此常采取措施避免金屬材料發生氧化。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，因此，在高溫下制造或使用金屬零件時，必須考慮抗氧化性。例如，鋼材在進行鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工作業時，常在其周圍提供一種還原氣體或保護氣，以防止金屬材料發生氧化。

③化學穩定性　化學穩定性是金屬的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。金屬在高溫下的化學穩定性稱為熱穩定性。在高溫條件下工作的設備（如鍋爐、加熱設備、汽輪機、噴氣發動機等）部件需要選擇熱穩定性好的金屬材料來制造。

4.工藝性能

【問題的導入】工廠是怎樣把金屬材料加工制造成機械零件的？

工藝性能是指金屬在制造機械零件和工具的過程中，適應各種冷、熱加工的性能，也就是金屬采用某種加工方法制成成品的難易程度。它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，某種金屬材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，那么該種材料的焊接工藝性能就好。工藝性能直接影響制造零件的加工質量，同時也是選擇金屬材料時必須考慮的因素之一。

（1）鑄造性能

金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動性、吸氣性、收縮性和偏析等。在金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。

（2）鍛造性能

金屬利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性和變形抗力有關。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能就越好。例如，單相黃銅和變形鋁合金在室溫狀態下就具有良好的鍛造性能；非合金鋼在加熱狀態下鍛造性能較好。塑性：低碳鋼>中碳鋼>高碳鋼>鑄鐵。壓力加工性：低碳鋼>中碳鋼>高碳鋼>鑄鐵。鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵等幾乎不能鍛造，因此，它們的鍛造性能較差。

（3）焊接性能

焊接性能是指金屬在限定的施工條件下被焊接成符合設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。焊接性能好的金屬能獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有一定的力學性能。全世界每年生產的鋼材約有45%是經焊接成形的。焊接方法有人工焊接、機器人焊接、激光焊接等。金屬材料的化學成分對金屬的焊接性能有很大的影響。焊接性能：低碳鋼>中碳鋼>高碳鋼>鑄鐵。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。

（4）切削加工性能

切削加工性能是指金屬在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬對使用的刀具磨損小，刀具可以允許選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。切削加工性能與金屬的硬度、導熱性、冷變形強化等因素有關，主要與金屬材料的硬度有關。最佳切削硬度為170～230HBS，硬度高則難于切削加工，刀具易磨損；硬度低則容易粘刀，表面粗糙度低。切削加工性能：鑄鐵>碳鋼。鑄鐵、銅合金、鋁合金及非合金鋼都具有較好的切削加工性能，而高合金鋼的切削加工性能則較差。

本章重點、難點和知識拓展

【本章要點】

本章主要介紹了工程材料尤其是金屬材料的一些性能指標的分類、含義、使用范圍等內容。在學習之后要注意以下幾個方面：

第一，要準確理解有關名詞的定義和范圍。

第二，要學會利用掌握的知識對日常生活中的現象進行思考和分析，試一試能否用學到的理論知識對遇到的問題或現象進行科學的解釋。

第三，金屬工藝學課程內容雜，涉及的知識面廣，為了鞏固所學的知識，要學會對所學的知識進行分類、歸納和整理，提高學習效率。整理的方法很多，如列表法、對比法、層次羅列法等。

第四，要牢固掌握重點內容，本章的重點是金屬的力學性能部分。

第五，金屬工藝學課程的許多理論知識帶有很強的實踐性，在學習時要盡量將自己的感性認識與教學內容相聯系，以幫助理解和認識。

【本章重點】

應力-應變曲線的測定及其意義，強度、硬度、沖擊韌性的概念及其測定方法。

【本章難點】

斷裂韌性的概念。

【知識拓展】

選材時還應考慮材料的以下性能。

①耐磨性能：材料抵抗磨損的能力。目前尚無標準的評定方法，一般以同條件下的磨損失重來衡量。

②耐熱性能：主要指抗高溫氧化的能力，以及高溫下抵抗外力的能力。高溫性能是耐熱性能的一種體現。關于抗高溫氧化的評定，可以以同溫度下材料的氧化失重來衡量。

③抗振性能：也稱減振性能，是指材料吸收振動能量而阻止振動波傳遞的能力。機床床身材料要求具有很好的減振性能。

復習思考題

一、名詞解釋

1.力學性能　2.強度　3.屈服強度　4.抗拉強度　5.塑性　6.斷后伸長率　7.硬度8.韌性　9.疲勞強度　10.物理性能　11.磁性　12.化學性能　13.工藝性能

二、填空題

1.金屬材料的性能分為　　　　　性能和　　　　　性能。

2.使用性能包括　　　　　性能、　　　　　性能和　　　　　性能。

3.填出下列力學性能指標的符號：屈服強度　　　　　、洛氏硬度A標尺　　　　　、斷后伸長率　　　　　、斷面收縮率　　　　　、對稱循環應力下的疲勞強度　　　　　。

4. 500HBW5/750表示用直徑為　　　　　mm、壓頭材質為　　　　　，在　　　　　kgf或　　　　　N壓力下，保持　　　　　s，測得的硬度值為　　　　　。

5.洛氏硬度按選用的總試驗力及壓頭類型的不同，常用的標尺有　　　　　　　　、　　　　　和　　　　　。

6.沖擊吸收能量的符號是　　　　　，其單位為　　　　　。

7.疲勞斷裂的斷口包括　　　　　、　　　　　和　　　　　。

8.鐵和銅的密度較大，稱為　　　　　金屬；鋁的密度較小，則稱為　　　　　金屬。

9.根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，金屬材料可分為　　　　　材料和　　　　　材料。

10.金屬的化學性能包括　　　　　、　　　　　和　　　　　等。

三、選擇題

1.金屬抵抗永久變形和斷裂的能力，稱為（　　）。

A.硬度

B.塑性

C.強度

2.拉伸試驗時，試樣拉斷前能承受的最大標稱應力稱為材料的（　?。?/p>

A.屈服強度

B.抗拉強度

C.抗壓強度

3.測定淬火鋼件的硬度，一般常選用（　　）來測試。

A.布氏硬度計

B.洛氏硬度計

C.維氏硬度計

4.作疲勞試驗時，試樣承受的載荷為（　　）。

A.靜態力

B.沖擊載荷

C.循環應力

5.金屬的（　?。┰胶茫瑒t其鍛造性能也越好。

A.強度

B.塑性

C.硬度

四、判斷題

1.所有金屬在拉伸試驗時都會出現顯著的屈服現象。（　　）

2.塑性變形能隨載荷的去除而消失。（　?。?/p>

3.當布氏硬度試驗的試驗條件相同時，若壓痕直徑越小，則金屬的硬度也越低。（　?。?/p>

4.洛氏硬度值是根據壓頭壓入被測金屬的殘余壓痕深度增量來確定的。（　　）

5.在小能量多次沖擊條件下，其抗沖擊的能力主要取決于金屬的強度高低。（　?。?/p>

6. 1kg鋼和1kg鋁的體積是相同的。（　?。?/p>

7.合金的熔點取決于它的化學成分。（　?。?/p>

8.導熱性差的金屬，加熱和冷卻時會產生較大的內外溫度差，導致金屬內外部分產生不同的膨脹或收縮，產生較大的內應力，從而使金屬變形，甚至產生開裂。（　　）

9.金屬的電阻率越大，導電性也越好。（　　）

10.所有的金屬都具有磁性，都能被磁鐵所吸引。（　?。?/p>

五、思考題

1.畫出低碳鋼的力-伸長曲線，并簡述拉伸變形的幾個階段。

2.有一鋼試樣，其原始直徑為10mm，原始標距長度為50mm，當拉伸力達到18840N時試樣開始出現屈服現象。拉伸力加至最大值36110N時，試樣產生縮頸現象，然后被拉斷。試樣拉斷后的標距長度為73mm，試樣斷裂處的直徑為6.7mm，求試樣的ReL（下屈服）、Rm（抗拉）、A（延伸）和Z（斷面收縮）。

3.采用布氏硬度試驗測取金屬材料的硬度值有哪些優缺點？

4.什么是金屬材料的力學性能？金屬材料的力學性能包含哪些方面？

5.什么是強度？在拉伸試驗中衡量金屬強度的主要指標有哪些？它們在工程應用上有什么意義？

6.什么是塑性？在拉伸試驗中衡量金屬塑性的指標有哪些？

7.什么是硬度？指出測定金屬硬度的常用方法和各自的優缺點。

8.現有標準圓形長、短試樣各一個，原始直徑d0=10mm，經拉伸試驗測得其伸長率δ5、δ10均為25%，求兩試樣拉斷時的標距長度。這兩試樣中哪一個塑性較好？為什么？

9.在下面幾種情況下該用什么方法來試驗硬度？寫出硬度符號。

（1）檢查銼刀、鉆頭成品硬度。

（2）檢查材料庫中鋼材硬度。

（3）檢查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化層的硬度。

（4）檢查黃銅軸套的硬度。

（5）檢查硬質合金刀片的硬度。

10.什么是沖擊韌性？ak指標有什么實用意義？

11.為什么疲勞斷裂對機械零件有著很大的潛在危險性？交變應力與重復應力有什么區別？兩種應力中哪個平均應力大？

12.零件使用中所承受的交變應力是否一定要低于疲勞極限？有無零件交變應力高于疲勞極限的情況？

13.金屬疲勞斷裂是怎樣產生的？如何提高零件的疲勞強度？

14.什么是金屬的力學性能？金屬的力學性能判據主要有哪些？

六、課外調研

1.綜合本章內容，如何理解“物盡其用”的含義？

2.觀察周圍的工具、器皿和機械設備等，分析其制造金屬材料的性能與使用要求的關系。

七、交流與討論

1.閱讀下面的一段故事，談談你的感想。

形狀記憶合金的發現

許多重大的發現都源于偶然事件。20世紀60年代初，美國海軍研究所的一個研究小組把一些亂如麻絲的鎳-鈦合金拉直，以便使用。他們無意中發現，當溫度升高到一定值時的時候，這些已被拉直的鎳-鈦合金突然“記憶”起自己的模樣，又恢復到彎彎曲曲的“本來面目”。經過材料專家的反復實驗，證實了鎳-鈦合金絲“變形—恢復”的現象能重復進行。其實，類似的現象早在20世紀50年代初就不止一次被觀察到，只不過當時沒有引起人們的足夠重視。

這一發現引起了科學家們的極大興趣，經研究發現，銅基合金、鐵基合金等都有這種奇妙的記憶本領。

2.一架波音767飛機，約70%的零件是用鋁和鋁合金制造的。請問飛機上的零件為什么要大量選用鋁和鋁合金制造？

3.法國巴黎的埃菲爾鐵塔是用7000t鋼鐵材料建成的，塔身高300m，天線高24m。鐵塔管理部門檢測到，每到夏天埃菲爾鐵塔會長高21cm，請問鐵塔為什么會長高？

4.在碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、金、銀和鈦這些常見的金屬材料中：耐腐蝕的金屬是　　　　　　　　　　；易腐蝕的金屬是　　　　　　　　　　。

5.在日常生活中，你所知道的金屬材料防腐方法有哪些？

【思路拓展】

常用的金屬材料的防腐方法有：

（1）覆蓋法防腐

即把金屬同腐蝕介質隔開來，以達到防腐的目的，常用方法如下。

①有機涂料表面涂覆：這是最常見的防腐方法，如給汽車噴漆；國家體育館“鳥巢” 的鋼結構刷6層防腐漆，可確保25年不生銹。

②噴塑：把塑料噴涂在零件上，目前廣泛用于電器設備金屬外殼的防腐。

③鍍層：在易腐蝕的金屬表面電鍍（或噴鍍）上一層耐腐蝕的金屬鍍層，如鍍鋅、鍍鉻、鍍銅、鍍金、鍍銀等。日常生活中的自來水管、鋼絲（俗稱鐵絲）、白鐵皮都經過鍍鋅處理；普通自行車把手、自行車鋼圈通常鍍鉻防腐。

④涂油脂：當零件或工具表面需要保持光潔時，常采用上油或涂脂的方法防腐，如機床導軌、游標卡尺的防腐。

⑤發藍處理：將除銹后零件放入氫氧化鈉、硝酸鈉、亞硝酸鈉溶液中，在140～150℃溫度下，保溫60～120min，使零件表面生成一層以Fe3O4為主的藍黑色的多孔氧化膜，經浸油處理后，能有效地抵抗干燥氣體腐蝕。該方法廣泛用于機械零件、鐘表零件和槍支的防腐。

⑥搪瓷：在金屬表面涂覆一層或數層玻璃質的釉層，在800℃進行燒結，使基體材料和釉質之間發生物理化學反應而牢固結合的一種復合材料。它既有金屬的強度，又有涂層的耐腐蝕、耐磨、耐熱、無毒及可裝飾性等性能。

（2）提高金屬本身的耐腐蝕性

①在冶煉金屬材料的過程中，加入一些合金元素，以增強其耐蝕能力。不銹鋼就是很有代表性的一個例子。

②采用化學熱處理，如滲鉻、滲鋁、滲氮等，使金屬表面產生一層耐蝕性強的表面層。

③電化學防腐，經常采用的是犧牲陽極法，即用電極電位較低的金屬與被保護的金屬接觸，使被保護的金屬成為陰極而不被腐蝕。犧牲陽極法廣泛用于防止海水及地下的金屬設施的腐蝕，如在輪船的外表面焊上一些鋅塊。

④干燥氣體封存法，采用密封包裝，在包裝袋內放入干燥劑或充入干燥氣體，相對濕度控制在≤35%，可防止金屬腐蝕。該方法主要用于包裝整架飛機、整臺發動機和槍械等。

各種金屬防腐方法比較見表1-5。

6.某私營企業自制了一批水泥磚，需要檢驗這批水泥磚的硬度是否達到樣品的硬度。這時有人說只要有一個小鐵球就可以做這個試驗，你認為可行嗎？應怎樣試驗才能夠測出水泥磚的硬度是否達標？

【思路拓展】

方法一：讓小鐵球從相同高度自由下落，檢查鐵球落在每塊水泥磚上的深度，深度淺的硬度大。

方法二：讓水泥磚成45°角安放，小鐵球從相同高度下落，看鐵球滾動多遠，硬度大的水泥磚可使小鐵球滾得遠些。

延伸閱讀

德國鐵路慘案“元兇”——金屬疲勞

1998年6月3日，德國發生了一起慘重的鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。

事故的原因已經查清，是由一節車廂的車輪“內部疲勞斷裂”引起的。首先是一個車輪的輪箍發生斷裂，導致車輪脫軌，進而造成車廂橫擺，此時列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節車廂斷開，而后面的幾節車廂則在巨大慣性的推動下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。

自從第二次世界大戰以來，世界上已有幾千艘船舶、幾十座橋梁建筑毀于疲勞破壞。因鐵軌、車輪、車軸疲勞破壞而引起的翻車事故，更是屢見不鮮了。據統計，現代工業中零件的損壞，有近80%都是由金屬疲勞引起的。

疲勞，顧名思義就是疲乏的意思。一個人經過緊張的勞動會感到腰酸腿痛，一個運動員經過劇烈的比賽會感到十分疲勞。材料，特別是金屬材料和機器構件，也和人體一樣，在反復載荷的連續作用下也會產生疲勞。但是，人體的疲勞，經過適當的休息以后，可以得到恢復，然而，金屬和機器構件一旦疲勞后，就會產生破壞，而且疲勞在材料和機器構件中是潛移默化地進行著的，直到快發生疲勞時，還沒有明顯的破壞跡象，事先不易察覺，甚至在遠小于靜強度極限的情況下，就可能發生疲勞破壞。因此，疲勞破壞具有嚴重的威脅性和危險性，在人們對它還缺乏認識的時候，可能會感到有些恐懼。例如，1954年，英國有兩架新型噴氣式客機“彗星號”先后在地中海上空爆炸，就是由于機艙疲勞裂紋擴展而解體的，損失慘重。

隨著現代工業、機械日益向高溫、高壓、高速運動方向發展，疲勞問題也顯得越來越突出，潛伏著巨大的危險。它已成為工程技術界的一個大問題。早在100多年前，人們就發現疲勞是金屬的大敵。但那時還沒有儀器能夠查明疲勞破壞的原因。顯微鏡的出現，使人類第一次對金屬進行了細致的檢查。到20世紀50年代，電子顯微鏡薄膜技術的發展，促進了這種檢查的深入，現在不但初步揭開了疲勞的奧秘，而且也有了一套妙法來對付這個“大敵”。

人們為了增強抵抗力，往往要吃一些維生素，在金屬材料中同樣也可以采用這個辦法。現在冶金工業已有了許多種“維生素”，它們使許多金屬“添勁強身”“延年益壽”。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千分之幾的稀土元素，便可大大提高這些金屬抵抗“疲勞”的本領，從而延長使用壽命；在結構上，當金屬要承受重復載荷或處于不易檢查、維修的部位時，可以采用增加保險系數的辦法，延長使用壽命；也可采用復式結構，當一部分結構破壞時，另一部分結構尚能維持正常使用；還可以采用一些輔助性工藝，增加表面光潔度，保持表面不受銹蝕之害。對產生振動的機械設備，如空壓機、鍛錘、電動機等，應采取防振措施，減小振幅，使振動范圍縮小，以減小“疲勞”的可能性。

近幾十年來，國際上對疲勞問題投入了許多人力物力，進行大量的研究，取得了不少研究成果。各國也都成立了疲勞研究和情報交流的專門組織。目前，疲勞仍然是世界各國正在努力攻克的科學堡壘之一。可以預計，不久的將來，人類完全能夠應用先進的科學技術來制服這個金屬的大敵——疲勞。