基礎(chǔ)理論篇

項(xiàng)目1　金屬材料的力學(xué)性能

組成一臺(tái)機(jī)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(duì)于不同的零件，應(yīng)依據(jù)其設(shè)計(jì)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(huì)依據(jù)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(jù)是什么呢？

滿足使用性能是選材時(shí)首先要考慮的。例如，起重機(jī)鋼絲繩及吊鉤承受拉伸應(yīng)力，選材時(shí)應(yīng)考慮拉伸強(qiáng)度；汽車傳動(dòng)軸承受扭矩和剪切應(yīng)力，選材時(shí)應(yīng)考慮剛度和剪切強(qiáng)度；齒輪心部及齒根部承受剪切應(yīng)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(chǔ)存和輸送設(shè)備以及航海艦船殼體處于腐蝕介質(zhì)中，選材時(shí)應(yīng)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(yīng)具備的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。其中，力學(xué)性能在機(jī)械零件和工具中為主要的使用性能。所謂力學(xué)性能，是指材料抵抗外力作用所顯示的性能，包括強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等，它們是通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)定的。材料的物理性能包括密度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、熱膨脹性和磁性等。材料的化學(xué)性能，指材料在常溫或高溫時(shí)抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)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(gè)選材方案也就未必可行。因此，選材時(shí)還應(yīng)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(jìn)行而應(yīng)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(xiàng)目的學(xué)習(xí)，可以充分了解上述關(guān)于材料特性的各種評(píng)定指標(biāo)。

任務(wù)1　認(rèn)識(shí)靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)

問題描述

表征材料靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)都有哪些？分別用什么方式來測(cè)定？

知識(shí)鏈接

1.靜載荷下的力學(xué)性能

材料在靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度等。強(qiáng)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(biāo)。塑性是指金屬在斷裂前發(fā)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(chǎn)生了形狀、尺寸的改變，外力去除后，物體因變形不能恢復(fù)到原始的形狀和尺寸的現(xiàn)象。金屬材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可以通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得。具體試驗(yàn)過程見后續(xù)試驗(yàn)操作。

（1）強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指標(biāo)由拉伸試驗(yàn)測(cè)出。強(qiáng)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(dāng)外應(yīng)力去除后，能夠恢復(fù)原狀的變形稱為彈性變形；變形的金屬材料當(dāng)外應(yīng)力去除后，不能夠恢復(fù)原狀的變形稱為塑性變形。相同的材料在不同的應(yīng)力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等）作用下，表現(xiàn)出不同的抵抗變形和斷裂的能力，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。工程上最常用的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等指標(biāo)是通過應(yīng)變速率恒定的拉伸試驗(yàn)而獲得的。

①彈性　由彈性極限表征，即試樣發(fā)生最大彈性變形的應(yīng)力。規(guī)定彈性極限：以試樣殘余伸長(zhǎng)量為0.01%時(shí)的應(yīng)力作為規(guī)定彈性極限（σ0.01）。

②屈服強(qiáng)度　對(duì)塑性材料而言，即抵抗塑性變形的能力。規(guī)定屈服強(qiáng)度（σ0.2）：以試樣塑性變形量為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)，材料承受的應(yīng)力為規(guī)定屈服強(qiáng)度。σs代表材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力。

③抗拉強(qiáng)度　對(duì)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(yīng)力。

④彈性模量　材料在彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。E=σ/ε，E表示材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。E的數(shù)值大，表示不易產(chǎn)生彈性變形。

（2）塑性指標(biāo)

材料在外力作用下產(chǎn)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(fā)生不可逆永久變形的能力。

②常用的塑性指標(biāo)是材料斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形，如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

塑性大小用伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ來表示，即

　　（1-1）

　　（1-2）

式中　L0——試樣的標(biāo)距原長(zhǎng)，mm；

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)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(zhǎng)率值與試樣尺寸有關(guān)，因此，比較伸長(zhǎng)率時(shí)要注意試樣規(guī)格的統(tǒng)一。

一方面，材料具有一定的塑性才能進(jìn)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(zhǎng)，而脆性材料則幾乎沒有塑性變形。

2.金屬拉伸試驗(yàn)

（1）拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是指用靜拉伸力對(duì)試樣進(jìn)行軸向拉伸，測(cè)量拉伸力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)，并測(cè)其力學(xué)性能的試驗(yàn)。拉伸時(shí)一般將拉伸試樣拉至斷裂。

①拉伸試樣　進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，通常采用比例圓柱形拉伸試樣，試樣尺寸按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中金屬拉伸試驗(yàn)試樣中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行制作。比例圓柱形拉伸試樣一般分為短試樣和長(zhǎng)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(biāo)距長(zhǎng)度；Lu為拉斷試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長(zhǎng)度。長(zhǎng)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(yàn)方法　試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。圖1-2為拉伸試驗(yàn)機(jī)示意圖。將已制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣正確裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭間并夾緊，以恒定的應(yīng)變速率加載，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)試樣兩端承受緩慢增加的軸向拉力，與此同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)試樣的各截面上產(chǎn)生拉應(yīng)力；隨軸向拉力的增加，拉應(yīng)力相應(yīng)增大，標(biāo)準(zhǔn)試樣變形加劇直至拉斷為止。同時(shí)，記錄裝置記錄下拉伸過程中的力-伸長(zhǎng)曲線。

（2）力-伸長(zhǎng)曲線

在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸力F和試樣伸長(zhǎng)量ΔL之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長(zhǎng)曲線。通常把拉伸力F作為縱坐標(biāo)，伸長(zhǎng)量ΔL作為橫坐標(biāo)。圖1-3為退火低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線圖。

觀察拉伸試驗(yàn)和力-伸長(zhǎng)曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)在拉伸試驗(yàn)的開始階段，試樣的伸長(zhǎng)量ΔL與拉伸力F之間成正比例關(guān)系，在力-伸長(zhǎng)曲線圖中為斜直線OP。在該階段，當(dāng)拉伸力增加時(shí)試樣伸長(zhǎng)量ΔL也呈正比增加。當(dāng)去除拉伸力后，試樣伸長(zhǎng)變形消失，恢復(fù)其原始形狀，其變形規(guī)律符合胡克定律，表現(xiàn)為彈性變形。圖中Fp是試樣保持彈性變形的最大拉伸力。

當(dāng)拉伸力不斷增加，超過Fp時(shí)，試樣將產(chǎn)生塑性變形，去除拉伸力后，變形不能完全恢復(fù)，塑性伸長(zhǎng)將被保留下來。當(dāng)拉伸力繼續(xù)增加到Fs時(shí)，力-伸長(zhǎng)曲線在S點(diǎn)后出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，即在拉伸力不再增加的情況下，試樣也會(huì)明顯伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為屈服，Fs稱為屈服拉伸力。

當(dāng)拉伸力超過屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會(huì)增加，此現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化，即抗力增加現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在力-伸長(zhǎng)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)拉伸力達(dá)到Fm時(shí)，試樣的局部截面開始收縮，產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)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。縮頸現(xiàn)象在力-伸長(zhǎng)曲線上表現(xiàn)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(yàn)和力-伸長(zhǎng)曲線可以看出，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。

【實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目】金屬拉伸試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

①觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象。

②觀察低碳鋼在拉伸過程中所出現(xiàn)的屈服、強(qiáng)化和縮頸現(xiàn)象。

③測(cè)繪低碳鋼和鑄鐵試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

④測(cè)定低碳鋼的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、斷后伸長(zhǎng)率δ、斷面收縮率ψ和鑄鐵的抗拉強(qiáng)度σb。

（2）實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

金屬力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

①制作標(biāo)準(zhǔn)試件：按GB/T 228《金屬材料　拉伸試驗(yàn)》中的規(guī)定，準(zhǔn)備20鋼和鑄鐵的圓形短標(biāo)準(zhǔn)試樣。

②萬能試驗(yàn)機(jī)（圖1-4）。

③標(biāo)卡尺。

④劃線機(jī)。

（4）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

①試件準(zhǔn)備與尺寸測(cè)量。用劃線機(jī)劃上試件的標(biāo)距，并將其分成10格（圖1-5），以便觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況。用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件標(biāo)距和標(biāo)距部分的直徑d0，在標(biāo)距范圍的中間及兩端處，每處兩個(gè)互相垂直的方向上各測(cè)量?jī)纱危∑淦骄禐樵撎幹睆健Ｓ盟鶞y(cè)得的三個(gè)平均值中的最小的值計(jì)算試件的橫截面面積A0。計(jì)算A0時(shí)取三位有效數(shù)字（表1-1）。

②裝夾試件。先把試件夾持在試驗(yàn)機(jī)上的夾頭內(nèi)，再將下夾頭移動(dòng)到試件所需的夾持位置，并把試件下端夾緊。

③在計(jì)算機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序界面中執(zhí)行以下操作：設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，主要有試驗(yàn)形式、載荷、變形量程、加載速度、試樣編號(hào)尺寸、材料等。設(shè)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(yàn)”按鈕，開始試驗(yàn)。

④觀察試樣的變形情況和“縮頸”現(xiàn)象，試樣斷裂后立即單擊應(yīng)用程序界面“結(jié)束試驗(yàn)”按鈕。

⑤取下試件，將拉斷的試件在斷口處盡量對(duì)攏，測(cè)量拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度和斷口直徑d1。

⑥測(cè)量鑄鐵試樣的初始直徑，并將之裝卡在試驗(yàn)機(jī)的卡板中（與低碳鋼試樣的測(cè)量、裝卡方法相同）。重復(fù)試驗(yàn)步驟③～⑥，進(jìn)行鑄鐵試樣拉伸試驗(yàn)。

⑦在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打印曲線。

⑧填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（5）注意事項(xiàng)

①開機(jī)前和停機(jī)后，送油閥一定要置于關(guān)閉位置，加載、卸載和回油均須緩慢進(jìn)行。

②拉伸試件夾住后，不得再調(diào)整下夾頭的位置。

③機(jī)器開動(dòng)時(shí)，操縱者不得擅自離開。

④使用時(shí)，聽見異聲或發(fā)生任何故障即應(yīng)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(xiàn)象。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

①強(qiáng)度指標(biāo)

屈服強(qiáng)度：

抗拉強(qiáng)度：

②塑性指標(biāo)

伸長(zhǎng)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(zhǎng)率大于300%的金屬材料。它是1920年德國(guó)材料專家羅森漢在研究鋅-鋁-銅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)的。超塑性是在特定條件下出現(xiàn)的一種奇特現(xiàn)象，超塑性金屬材料能像軟糖一樣伸長(zhǎng)10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會(huì)斷裂。最常用的鋁、鎳、銅、鐵、鈦合金，它們的伸長(zhǎng)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(dá)6000%。

超塑性材料加工具有很大的實(shí)用價(jià)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(jié)省能源和設(shè)備。用超塑性材料制造零件的另一優(yōu)點(diǎn)是可以一次成形，省掉了機(jī)械加工、鉚焊等工序，達(dá)到節(jié)約原材料和降低成本的目的。據(jù)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(biāo)

（1）硬度

①硬度是衡量材料軟硬程度的判據(jù)，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(biāo)之一。

②材料的硬度是通過試驗(yàn)測(cè)得的。測(cè)定硬度的試驗(yàn)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(chǎn)上應(yīng)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(yàn)方法

目前，生產(chǎn)中常用的硬度試驗(yàn)方法是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗(yàn)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(cè)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(zhì)合金球壓頭，壓入被測(cè)金屬材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，在被測(cè)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?yàn)閴侯^時(shí)，符號(hào)為HBS；硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^時(shí)，符號(hào)為HBW（圖1-6）。

　　（1-3）

式中　A壓——壓痕表面積，mm2；

F——試驗(yàn)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(shù)，只要測(cè)出d值，即可通過計(jì)算或查表得到相應(yīng)的硬度值。一般，布氏硬度值不需計(jì)算，只需根據(jù)測(cè)出的壓痕直徑查表即可得到。d值越大，硬度值越小；d值越小，硬度值越大。（注：1kgf=9.80665N）

為保證測(cè)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(yàn)力與壓頭球直徑平方的比值F/D 2為常數(shù)，因此在做布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同直徑的壓頭和試驗(yàn)力，見表1-2。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 231.2—2012《金屬材料　布氏硬度試驗(yàn)　第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》規(guī)定，壓頭直徑有4種規(guī)格（10mm、5mm、2.5mm和1mm），0.102F/D 2的值有5種規(guī)格（30、10、5、2.5和1）。

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

布氏硬度試驗(yàn)法測(cè)得的硬度值較準(zhǔn)確、穩(wěn)定，因壓痕面積較大，故能反映出較大范圍內(nèi)材料的平均硬度；布氏硬度與抗拉強(qiáng)度有近似的正比關(guān)系：σb=KHBW。但布氏硬度試驗(yàn)法操作不夠簡(jiǎn)便，不宜測(cè)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(yàn)法主要用來測(cè)定鑄鐵、有色金屬及退火、正火和調(diào)質(zhì)的鋼材等。

②洛氏硬度　洛氏硬度試驗(yàn)法是機(jī)械工程應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)法，與布氏硬度試驗(yàn)法不同，它不是測(cè)量壓痕的直徑，而是直接測(cè)量壓痕的深度來表示材料或機(jī)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(yàn)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(yàn)力和總試驗(yàn)力（初試驗(yàn)力+主試驗(yàn)力）先后作用下，將壓頭壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，去除主試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量（增量是指去除主試驗(yàn)力并保持初試驗(yàn)力的條件下，在測(cè)量的深度方向上產(chǎn)生的塑性變形量）來計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)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(yàn)力10kgf（98.07N）后，壓頭經(jīng)試件表面a壓入到b處的位置，b處是測(cè)量壓入深度的起點(diǎn)（可防止因試件表面不平引起的誤差）；2—2為初試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力共同作用下，壓頭壓入到c處的位置；3—3為卸除主試驗(yàn)力，但保持初試驗(yàn)力的條件下，因試件彈性變形的恢復(fù)使壓頭回升到d處的位置。因此，壓頭在主試驗(yàn)力作用下，實(shí)際壓入試件產(chǎn)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(yīng)習(xí)慣上數(shù)值越大、硬度越高的概念，故用一常數(shù)K減去bd作為硬度值（每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位），直接由硬度計(jì)表盤上讀出。洛氏硬度用符號(hào)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(jì)能測(cè)試不同硬度范圍的材料，可采用不同的壓頭和試驗(yàn)力。按壓頭和試驗(yàn)力不同，國(guó)標(biāo)規(guī)定洛氏硬度的標(biāo)尺有九種，但常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應(yīng)用最廣泛。洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍見表1-3。

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

洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可從硬度計(jì)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(yàn)。但由于壓痕小，因此洛氏硬度對(duì)材料組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差。不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無法相互比較。

③維氏硬度　維氏硬度試驗(yàn)的基本原理與布氏硬度試驗(yàn)相同，都是根據(jù)壓痕單位面積上所受的平均試驗(yàn)力（載荷）得出硬度值，不同的是，維氏硬度的壓頭是兩相對(duì)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(yàn)設(shè)備是維氏硬度計(jì)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試樣大小、厚薄選用5～120kgf（49.05～1177.2N）試驗(yàn)力，將壓頭壓入試樣表面（試樣表面粗糙度≤0.2μm），保持一定時(shí)間后去除試驗(yàn)力，用附在維氏硬度計(jì)上的測(cè)微計(jì)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)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(jù)下式計(jì)算維氏硬度值。

維氏硬度用符號(hào)HV表示。

　　（1-4）

式中　A——壓痕的面積，mm2；

d——壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1和d2的算術(shù)平均值，mm；

F——試驗(yàn)力，N。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 4340.1—2009）規(guī)定，維氏硬度的表示方法為在維氏硬度符號(hào)HV前面寫出硬度值，HV后面依次用相應(yīng)數(shù)字注明試驗(yàn)力和保持時(shí)間（10～15s不標(biāo)）。例如“640HV30/20”，表示在30×9.8N試驗(yàn)力作用下，保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。維氏硬度試驗(yàn)法的壓痕深度淺，輪廓清晰，對(duì)角線測(cè)量準(zhǔn)確，重復(fù)性好，測(cè)量范圍寬廣，可以測(cè)量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個(gè)維氏硬度單位）到很硬的材料（上千個(gè)維氏硬度單位）都可測(cè)量。維氏硬度試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其硬度值與試驗(yàn)力的大小無關(guān)，只要是硬度均勻的材料，就可以任意選擇試驗(yàn)力，其硬度值不變。這就相當(dāng)于在一個(gè)很寬廣的硬度范圍內(nèi)，具有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)尺。這一點(diǎn)優(yōu)越于洛氏硬度試驗(yàn)。但維氏硬度試驗(yàn)效率低，要求較高的試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)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(fèi)時(shí)，一般只在實(shí)驗(yàn)室中使用。

維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面小負(fù)荷硬度試驗(yàn)，適用于測(cè)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(xì)線材的硬度、刀刃附近的硬度等。

硬度測(cè)試方法總結(jié)如表1-4所示。

【實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目】硬度試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

①了解布氏硬度、洛氏硬度測(cè)定的基本原理及應(yīng)用范圍。

②了解布氏硬度計(jì)、洛氏硬度計(jì)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

①試樣。

②布氏硬度計(jì)[圖1-9（a）]。

③洛氏硬度計(jì)[圖1-9（b）]。

④讀數(shù)放大鏡。

（4）實(shí)驗(yàn)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(shí)間，去載后，負(fù)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(dāng)HB大于450或者試樣過小時(shí)，就不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)。

②洛氏硬度（HR）　它是用一個(gè)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(cè)材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的硬度標(biāo)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(zhì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

①布氏硬度　見本節(jié)“（6）任務(wù)實(shí)施”。

②洛氏硬度

a.實(shí)驗(yàn)時(shí)將試樣放在工作臺(tái)上，按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使工作臺(tái)上升至試樣與壓頭接觸（注意：靠近壓頭時(shí)應(yīng)緩慢上升工作臺(tái)，不得沖擊壓頭）。

b.繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，當(dāng)聽到機(jī)器提示音“嘀”時(shí)，應(yīng)停止加載，此時(shí)初載荷加載完畢，然后洛氏硬度計(jì)自動(dòng)施加主載荷并保持一定時(shí)間，直至測(cè)試完畢。其程序?yàn)椋杭映踺d荷→加主載荷→保持一定時(shí)間→卸載→窗口顯示硬度值即為所求硬度值。

（6）任務(wù)實(shí)施

①對(duì)采購的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼取樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)定。

②檢查清理和磨制被測(cè)試樣的表面，使其達(dá)到布氏硬度測(cè)定時(shí)所要求的表面狀態(tài)。

③在布氏硬度計(jì)上進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)。壓頭直徑為10mm，試驗(yàn)力為3000kgf，保持時(shí)間為15s。

④在讀數(shù)顯微鏡下，測(cè)量壓痕直徑（測(cè)三次，取平均值）為4.91mm。

⑤查表可知，硬度值為148。

【知識(shí)延伸】

為什么機(jī)械圖紙標(biāo)注的是硬度要求而不是強(qiáng)度要求？

解決方法：硬度與抗拉強(qiáng)度的近似換算。

硬度試驗(yàn)是力學(xué)性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單的一種試驗(yàn)方法。生產(chǎn)上，往往希望從硬度值中判斷出某些力學(xué)性能指標(biāo)的數(shù)量水平。實(shí)踐證明，金屬材料的硬度與強(qiáng)度之間具有近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)變形塑性抗力決定的，所以材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。在工程實(shí)踐中，對(duì)不同材料的硬度（HBS）與強(qiáng)度關(guān)系得出了如下一系列經(jīng)驗(yàn)公式：

低碳鋼：σb≈3.53HBS。

高碳鋼：σb≈3.33HBS。

合金調(diào)質(zhì)鋼：σb≈3.19HBS。

灰鑄鐵：σb≈0.98HBS。

退火鋁合金：σb≈4.70HBS。

任務(wù)2　認(rèn)識(shí)動(dòng)載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)——沖擊韌性

問題描述

在生產(chǎn)實(shí)踐中，許多機(jī)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(jī)起落架、風(fēng)動(dòng)工具、汽車齒輪等。由于沖擊載荷的加載速度大，作用時(shí)間短，機(jī)件常常因局部載荷而產(chǎn)生變形和斷裂，因此，對(duì)于承受沖擊載荷的機(jī)件，僅具有高強(qiáng)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(píng)定其沖擊韌性指標(biāo)是否滿足要求呢？

知識(shí)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(shí)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(qū)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(huì)使得零件易發(fā)生突然斷裂。對(duì)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(xué)性能——沖擊韌性來衡量。

測(cè)定沖擊韌性常用的方法是：用一個(gè)帶有V形或U形刻槽的標(biāo)準(zhǔn)試樣（GB/T 229—2007），在一次擺錘式彎曲沖擊試驗(yàn)機(jī)上彎曲擊斷，測(cè)定其所消耗的能量，如圖1-10所示。

②沖擊韌性是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。

2.沖擊韌性試驗(yàn)方法

工程上常用的沖擊韌性試驗(yàn)方法為缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)，它是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。

按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)，把試樣2放在試驗(yàn)機(jī)3的兩個(gè)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(jù)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：

　　（1-6）

式中　S——試樣缺口處截面積，cm2。

一次沖擊彎曲試驗(yàn)不僅能測(cè)定材料沖擊韌性值，還有如下應(yīng)用。

（1）判斷材料的斷裂性質(zhì)

金屬材料的斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。對(duì)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(duì)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(shí)際上，沖擊斷口往往是以上兩種情況的混合，只是根據(jù)材料的不同而有所側(cè)重罷了。

（2）評(píng)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(yàn)時(shí)并不顯示脆性，而在較低溫度下則可能發(fā)生脆斷，這一現(xiàn)象稱為冷脆。為了測(cè)定金屬材料開始發(fā)生這種冷脆現(xiàn)象時(shí)的溫度，可在不同溫度下進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)，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(xiàn)脆性，這個(gè)溫度范圍就是冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。

（3）為改進(jìn)生產(chǎn)工藝、控制產(chǎn)品質(zhì)量提供有益的依據(jù)

沖擊試驗(yàn)對(duì)材料內(nèi)部缺陷、顯微組織的變化很敏感，因此通過測(cè)量沖擊吸收功和對(duì)斷口試樣進(jìn)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(biāo)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(guī)范的正確性方面，比其他試驗(yàn)方法敏感，試驗(yàn)過程也比較簡(jiǎn)單。

任務(wù)實(shí)施

①對(duì)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼取樣并制作夏比U形缺口試樣。

②檢查擺錘式?jīng)_擊機(jī)是否工作正常。

③將試樣水平放在擺錘式?jīng)_擊機(jī)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目】金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

①了解沖擊韌性的定義。

②測(cè)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

金屬力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

①?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)（圖1-12）。

②夏比缺口沖擊試樣。

（4）實(shí)驗(yàn)原理

在規(guī)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(cè)定沖擊吸收能量。

（5）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

①試驗(yàn)前檢查試驗(yàn)設(shè)備和儀器。

②用游標(biāo)卡尺測(cè)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(dòng)指針緊靠主動(dòng)指針。然后舉起擺錘空打，檢查并確認(rèn)指針回到零點(diǎn)，否則應(yīng)進(jìn)行校正。

④安放試樣，使缺口對(duì)稱面處于支座跨度重點(diǎn)，偏差小于±0.2mm。

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

⑥記錄吸收能量。

（6）注意事項(xiàng)

①安裝試樣前，嚴(yán)禁高抬擺錘。

②擺錘抬起后，在擺錘擺動(dòng)范圍內(nèi)，切忌站人、行走及放置任何障礙物。

任務(wù)3　認(rèn)識(shí)力學(xué)性能指標(biāo)——疲勞強(qiáng)度

問題描述

在工程實(shí)踐中，許多機(jī)械零件（如齒輪、軸、彈簧等）是在重復(fù)應(yīng)力或交變應(yīng)力等循環(huán)應(yīng)力的作用下工作的。循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指大小、方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力和應(yīng)變。承受重復(fù)應(yīng)力或交變應(yīng)力的零件，工作中往往在工作應(yīng)力低于其屈服點(diǎn)的情況下發(fā)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(fā)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(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重的事故。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(duì)于正確使用金屬材料、合理設(shè)計(jì)機(jī)械零件具有重要意義。

那如何在生產(chǎn)實(shí)踐中，合理選擇金屬材料，提高其疲勞強(qiáng)度呢？

知識(shí)鏈接

1.疲勞斷裂

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

研究表明，疲勞破壞是一個(gè)裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。由于材料質(zhì)量和加工過程中存在的缺陷，在零件局部區(qū)域造成應(yīng)力集中，在重復(fù)應(yīng)力或交變應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋，并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增加，使疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使材料承受載荷的有效面積不斷減小，當(dāng)減小到不能承受外加載荷作用時(shí)，即產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。

即，金屬材料疲勞斷裂首先是在應(yīng)力集中局部區(qū)域產(chǎn)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(huán)應(yīng)力作用下，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展長(zhǎng)大，并形成擴(kuò)展區(qū)；最后發(fā)生疲勞斷裂。

大量試驗(yàn)表明，金屬材料所受的最大循環(huán)應(yīng)力越大，則斷裂前所受的循環(huán)周次N（定義為疲勞壽命）就越少。這種最大循環(huán)應(yīng)力σmax與疲勞壽命N的關(guān)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(diǎn)

①疲勞斷裂是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂。

疲勞斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高壽命短，應(yīng)力低壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無限長(zhǎng)。

②疲勞是脆性斷裂。

由于一般疲勞斷裂的應(yīng)力比屈服強(qiáng)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(huì)發(fā)生塑性變形及有形變預(yù)兆，它是在長(zhǎng)期累積損傷過程中，經(jīng)裂紋源萌生和緩慢擴(kuò)展，直至某一時(shí)刻突然斷裂的。所以，疲勞斷裂是一種潛在的突發(fā)性斷裂。

③疲勞斷裂對(duì)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(fā)生，有時(shí)也可在零件內(nèi)部某一應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，隨著應(yīng)力的交變，裂紋不斷擴(kuò)展，以致在某一時(shí)刻便產(chǎn)生突然斷裂。

3.疲勞曲線和疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。通常人們規(guī)定：金屬材料在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下，于規(guī)定的斷裂循環(huán)周次N內(nèi)不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。試驗(yàn)中，一般規(guī)定鋼鐵材料循環(huán)基數(shù)取107次，有色金屬取108次。

金屬的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間存在以下近似的比例關(guān)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(chǎn)生疲勞斷裂的原因

通過對(duì)大量發(fā)生疲勞斷裂的事故分析發(fā)現(xiàn)，在熱處理產(chǎn)生氧化、脫碳、過熱、裂紋等時(shí)，鋼中的非金屬夾雜物、試樣表面有氣孔、劃痕等缺陷均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使疲勞極限下降，導(dǎo)致零件在循環(huán)交變載荷作用下長(zhǎng)期工作產(chǎn)生疲勞斷裂。

（2）提高零件的疲勞強(qiáng)度的措施

一是提高零件的表面粗糙度。

二是對(duì)零件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，如表面淬火、調(diào)質(zhì)、氮化、噴丸等，使零件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。

任務(wù)4　認(rèn)識(shí)材料的其他性能指標(biāo)

問題描述

對(duì)于材料來說，除了衡量其力學(xué)性能的靜載荷下的強(qiáng)度、剛度、塑性，動(dòng)載荷下的沖擊韌性，交變載荷下的疲勞強(qiáng)度，還有哪些需要認(rèn)知和了解的其他性能指標(biāo)？

知識(shí)鏈接

1.高溫性能

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、化工煉油設(shè)備及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，這類機(jī)件僅考慮常溫性能顯然不行，高溫下的機(jī)件易發(fā)生蠕變失效。材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變的一般規(guī)律是溫度越高，工作應(yīng)力越大，則蠕變的發(fā)展越快，而產(chǎn)生斷裂的時(shí)間就越短。具體說來，材料在高溫下的力學(xué)行為表現(xiàn)為：材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低；高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；高溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。因此在高溫下使用的金屬材料應(yīng)具有足夠的抗蠕變能力。

高溫下零件的失效形式一般表現(xiàn)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(diǎn)高、組織穩(wěn)定的材料）、表面鍍硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等來加以預(yù)防。

工程塑料在室溫下受到應(yīng)力作用就可能發(fā)生蠕變，這在使用塑料受力件時(shí)應(yīng)予以注意。蠕變的另一種不良結(jié)果是導(dǎo)致應(yīng)力松弛。所謂應(yīng)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(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生蠕變，從而導(dǎo)致工作應(yīng)力自行逐漸衰減的現(xiàn)象。如高溫緊固件，若出現(xiàn)應(yīng)力松弛，則會(huì)使緊固失效。

高溫下，金屬的強(qiáng)度可用蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度來表示。

2.低溫性能

隨著溫度的下降，多數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)脆性增加的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生脆斷。通過在不同溫度下對(duì)材料進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)，可以得到材料的沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。由沖擊試驗(yàn)可知，材料的沖擊功Ak值隨溫度下降而減小。當(dāng)溫度降到某一值時(shí)，Ak值會(huì)急劇減小，使材料呈脆性狀態(tài)。材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度tk稱為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。材料的tk低，表明其低溫韌性好。低溫韌性對(duì)于在低溫條件下使用的材料是很重要的。

由于大部分機(jī)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(duì)于提高零件使用壽命有著重要意義。影響疲勞強(qiáng)度的因素很多，除設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)上注意減小零件應(yīng)力集中外，還應(yīng)改善零件表面粗糙度，這樣可減少缺口效應(yīng)，提高疲勞強(qiáng)度。采用表面處理，如高頻淬火、表面形變強(qiáng)化（如噴丸、滾壓、內(nèi)孔擠壓等）、化學(xué)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(yīng)力狀態(tài)，提高零件的疲勞強(qiáng)度。

3.物理性能與化學(xué)性能

物理性能是指材料所固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。材料的化學(xué)性能是指材料在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用所表現(xiàn)出來的性能，包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)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(zhì)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(zhì)量也就越大。金屬的密度直接關(guān)系到由金屬材料所制造設(shè)備的自重和效能，如發(fā)動(dòng)機(jī)要求質(zhì)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(yè)領(lǐng)域中，密度更是選材的關(guān)鍵性能指標(biāo)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(diǎn)　金屬和合金從固態(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)。合金的熔點(diǎn)取決于其化學(xué)成分，如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其熔點(diǎn)也就不同。熔點(diǎn)是對(duì)于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接都很重要的工藝參數(shù)。

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

導(dǎo)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(shí)，就要注意選用導(dǎo)熱性好的金屬。在制定焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時(shí)，也必須考慮金屬的導(dǎo)熱性，防止金屬材料在加熱或冷卻過程中形成較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致金屬材料發(fā)生變形或開裂。

④導(dǎo)電性　金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。金屬導(dǎo)電性的好壞常用電阻率ρ表示。長(zhǎng)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(dǎo)電性就越好。

導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性一樣，是隨合金成分的復(fù)雜化而降低的，因而純金屬的導(dǎo)電性總比合金好。因此，工業(yè)上常用純銅、純鋁做導(dǎo)電材料，而用導(dǎo)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(shí)膨脹而且體積增大，冷卻時(shí)收縮而且體積縮小。熱膨脹性的大小用線膨脹系數(shù)αl和體膨脹系數(shù)αv來表示。

體膨脹系數(shù)近似為線膨脹系數(shù)的三倍。在實(shí)際工作中考慮熱膨脹性的地方頗多，例如，鋪設(shè)鋼軌時(shí)在兩根鋼軌銜接處應(yīng)留有一定的空隙，以便使鋼軌在長(zhǎng)度方向有膨脹的余地；軸與軸瓦之間要根據(jù)膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；在制定焊接、熱處理、鑄造等工藝時(shí)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(cè)量工件尺寸時(shí)也要注意熱膨脹因素，以減少測(cè)量誤差。

⑥磁性　金屬在磁場(chǎng)中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)弱的性能稱為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中，能夠被磁化但外加磁場(chǎng)撤除之后磁性會(huì)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(chǎng)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(yuǎn)不如鐵。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)、測(cè)量?jī)x表、半導(dǎo)體收音機(jī)的天線磁棒、錄音機(jī)的磁頭、電子計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)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(chǎng)干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤、航空儀表和炮兵瞄準(zhǔn)環(huán)等。

（2）化學(xué)性能

在機(jī)械制造中，金屬材料不但要滿足力學(xué)性能和物理性能要求，同時(shí)還要求具有一定的化學(xué)性能，尤其是要求耐腐蝕、耐高溫的機(jī)械零件，更應(yīng)重視金屬的化學(xué)性能。金屬的化學(xué)性能主要是指金屬抵抗各種腐蝕性介質(zhì)對(duì)它進(jìn)行化學(xué)侵蝕的能力，它包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。

①耐腐蝕性　金屬在常溫下抵抗氧、水及其他化學(xué)介質(zhì)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(gè)重要的性能指標(biāo)，尤其對(duì)在腐蝕性介質(zhì)（如酸、堿、鹽、有毒氣體等）中工作的零件，其腐蝕現(xiàn)象比在空氣中更為嚴(yán)重。因此，在選擇金屬材料制造這些零件時(shí)，應(yīng)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(jìn)行制造。

腐蝕不僅使金屬材料本身受到損害，給生產(chǎn)生活帶來很大不便，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使金屬構(gòu)件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。據(jù)報(bào)道，全世界每年因金屬材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)7000億美元，是地震、水災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害造成損失總和的6倍。我國(guó)因金屬材料腐蝕造成的損失占國(guó)民生產(chǎn)總值（GNP）的4%，鋼鐵因腐蝕而報(bào)廢的數(shù)量約占鋼鐵當(dāng)年產(chǎn)量的25%～30%。金屬材料腐蝕還可能造成環(huán)境污染，例如，重金屬制成的材料被腐蝕后重金屬離子就會(huì)進(jìn)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(zhǎng)期在高溫下工作的零件，如工業(yè)用的鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等，易發(fā)生氧化腐蝕，形成一層層的氧化鐵皮。金屬在加熱時(shí)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(yè)時(shí)，氧化比較嚴(yán)重。氧化不僅造成金屬材料過量的損耗，還會(huì)形成各種缺陷，為此常采取措施避免金屬材料發(fā)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(shí)，必須考慮抗氧化性。例如，鋼材在進(jìn)行鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工作業(yè)時(shí)，常在其周圍提供一種還原氣體或保護(hù)氣，以防止金屬材料發(fā)生氧化。

③化學(xué)穩(wěn)定性　化學(xué)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設(shè)備（如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等）部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的金屬材料來制造。

4.工藝性能

【問題的導(dǎo)入】工廠是怎樣把金屬材料加工制造成機(jī)械零件的？

工藝性能是指金屬在制造機(jī)械零件和工具的過程中，適應(yīng)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(zhì)量，同時(shí)也是選擇金屬材料時(shí)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(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動(dòng)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(guān)。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(tài)下就具有良好的鍛造性能；非合金鋼在加熱狀態(tài)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(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)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(xué)性能。全世界每年生產(chǎn)的鋼材約有45%是經(jīng)焊接成形的。焊接方法有人工焊接、機(jī)器人焊接、激光焊接等。金屬材料的化學(xué)成分對(duì)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(shí)的難易程度。切削加工性能好的金屬對(duì)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(dǎo)熱性、冷變形強(qiáng)化等因素有關(guān)，主要與金屬材料的硬度有關(guān)。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(diǎn)、難點(diǎn)和知識(shí)拓展

【本章要點(diǎn)】

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(biāo)的分類、含義、使用范圍等內(nèi)容。在學(xué)習(xí)之后要注意以下幾個(gè)方面：

第一，要準(zhǔn)確理解有關(guān)名詞的定義和范圍。

第二，要學(xué)會(huì)利用掌握的知識(shí)對(duì)日常生活中的現(xiàn)象進(jìn)行思考和分析，試一試能否用學(xué)到的理論知識(shí)對(duì)遇到的問題或現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的解釋。

第三，金屬工藝學(xué)課程內(nèi)容雜，涉及的知識(shí)面廣，為了鞏固所學(xué)的知識(shí)，要學(xué)會(huì)對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行分類、歸納和整理，提高學(xué)習(xí)效率。整理的方法很多，如列表法、對(duì)比法、層次羅列法等。

第四，要牢固掌握重點(diǎn)內(nèi)容，本章的重點(diǎn)是金屬的力學(xué)性能部分。

第五，金屬工藝學(xué)課程的許多理論知識(shí)帶有很強(qiáng)的實(shí)踐性，在學(xué)習(xí)時(shí)要盡量將自己的感性認(rèn)識(shí)與教學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，以幫助理解和認(rèn)識(shí)。

【本章重點(diǎn)】

應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)定及其意義，強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性的概念及其測(cè)定方法。

【本章難點(diǎn)】

斷裂韌性的概念。

【知識(shí)拓展】

選材時(shí)還應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的評(píng)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(xiàn)。關(guān)于抗高溫氧化的評(píng)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(dòng)能量而阻止振動(dòng)波傳遞的能力。機(jī)床床身材料要求具有很好的減振性能。

復(fù)習(xí)思考題

一、名詞解釋

1.力學(xué)性能　2.強(qiáng)度　3.屈服強(qiáng)度　4.抗拉強(qiáng)度　5.塑性　6.斷后伸長(zhǎng)率　7.硬度8.韌性　9.疲勞強(qiáng)度　10.物理性能　11.磁性　12.化學(xué)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(xué)性能指標(biāo)的符號(hào)：屈服強(qiáng)度　　　　　、洛氏硬度A標(biāo)尺　　　　　、斷后伸長(zhǎng)率　　　　　、斷面收縮率　　　　　、對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度　　　　　。

4. 500HBW5/750表示用直徑為　　　　　mm、壓頭材質(zhì)為　　　　　，在　　　　　kgf或　　　　　N壓力下，保持　　　　　s，測(cè)得的硬度值為　　　　　。

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

6.沖擊吸收能量的符號(hào)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(jù)金屬材料在磁場(chǎng)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(xué)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(qiáng)度

2.拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷前能承受的最大標(biāo)稱應(yīng)力稱為材料的（　　）。

A.屈服強(qiáng)度

B.抗拉強(qiáng)度

C.抗壓強(qiáng)度

3.測(cè)定淬火鋼件的硬度，一般常選用（　　）來測(cè)試。

A.布氏硬度計(jì)

B.洛氏硬度計(jì)

C.維氏硬度計(jì)

4.作疲勞試驗(yàn)時(shí)，試樣承受的載荷為（　　）。

A.靜態(tài)力

B.沖擊載荷

C.循環(huán)應(yīng)力

5.金屬的（　　）越好，則其鍛造性能也越好。

A.強(qiáng)度

B.塑性

C.硬度

四、判斷題

1.所有金屬在拉伸試驗(yàn)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)顯著的屈服現(xiàn)象。（　　）

2.塑性變形能隨載荷的去除而消失。（　　）

3.當(dāng)布氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)條件相同時(shí)，若壓痕直徑越小，則金屬的硬度也越低。（　　）

4.洛氏硬度值是根據(jù)壓頭壓入被測(cè)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(qiáng)度高低。（　　）

6. 1kg鋼和1kg鋁的體積是相同的。（　　）

7.合金的熔點(diǎn)取決于它的化學(xué)成分。（　　）

8.導(dǎo)熱性差的金屬，加熱和冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫度差，導(dǎo)致金屬內(nèi)外部分產(chǎn)生不同的膨脹或收縮，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而使金屬變形，甚至產(chǎn)生開裂。（　　）

9.金屬的電阻率越大，導(dǎo)電性也越好。（　　）

10.所有的金屬都具有磁性，都能被磁鐵所吸引。（　　）

五、思考題

1.畫出低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線，并簡(jiǎn)述拉伸變形的幾個(gè)階段。

2.有一鋼試樣，其原始直徑為10mm，原始標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，當(dāng)拉伸力達(dá)到18840N時(shí)試樣開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。拉伸力加至最大值36110N時(shí)，試樣產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，然后被拉斷。試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)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(yàn)測(cè)取金屬材料的硬度值有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

4.什么是金屬材料的力學(xué)性能？金屬材料的力學(xué)性能包含哪些方面？

5.什么是強(qiáng)度？在拉伸試驗(yàn)中衡量金屬強(qiáng)度的主要指標(biāo)有哪些？它們?cè)诠こ虘?yīng)用上有什么意義？

6.什么是塑性？在拉伸試驗(yàn)中衡量金屬塑性的指標(biāo)有哪些？

7.什么是硬度？指出測(cè)定金屬硬度的常用方法和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

8.現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)圓形長(zhǎng)、短試樣各一個(gè)，原始直徑d0=10mm，經(jīng)拉伸試驗(yàn)測(cè)得其伸長(zhǎng)率δ5、δ10均為25%，求兩試樣拉斷時(shí)的標(biāo)距長(zhǎng)度。這兩試樣中哪一個(gè)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(yàn)硬度？寫出硬度符號(hào)。

（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(zhì)合金刀片的硬度。

10.什么是沖擊韌性？ak指標(biāo)有什么實(shí)用意義？

11.為什么疲勞斷裂對(duì)機(jī)械零件有著很大的潛在危險(xiǎn)性？交變應(yīng)力與重復(fù)應(yīng)力有什么區(qū)別？?jī)煞N應(yīng)力中哪個(gè)平均應(yīng)力大？

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

13.金屬疲勞斷裂是怎樣產(chǎn)生的？如何提高零件的疲勞強(qiáng)度？

14.什么是金屬的力學(xué)性能？金屬的力學(xué)性能判據(jù)主要有哪些？

六、課外調(diào)研

1.綜合本章內(nèi)容，如何理解“物盡其用”的含義？

2.觀察周圍的工具、器皿和機(jī)械設(shè)備等，分析其制造金屬材料的性能與使用要求的關(guān)系。

七、交流與討論

1.閱讀下面的一段故事，談?wù)勀愕母邢搿?/p>

形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)

許多重大的發(fā)現(xiàn)都源于偶然事件。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)海軍研究所的一個(gè)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)的時(shí)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(fù)到彎彎曲曲的“本來面目”。經(jīng)過材料專家的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了鎳-鈦合金絲“變形—恢復(fù)”的現(xiàn)象能重復(fù)進(jìn)行。其實(shí)，類似的現(xiàn)象早在20世紀(jì)50年代初就不止一次被觀察到，只不過當(dāng)時(shí)沒有引起人們的足夠重視。

這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的極大興趣，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，銅基合金、鐵基合金等都有這種奇妙的記憶本領(lǐng)。

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

3.法國(guó)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(cè)到，每到夏天埃菲爾鐵塔會(huì)長(zhǎng)高21cm，請(qǐng)問鐵塔為什么會(huì)長(zhǎng)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(zhì)隔開來，以達(dá)到防腐的目的，常用方法如下。

①有機(jī)涂料表面涂覆：這是最常見的防腐方法，如給汽車噴漆；國(guó)家體育館“鳥巢” 的鋼結(jié)構(gòu)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(shè)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(jīng)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(dāng)零件或工具表面需要保持光潔時(shí)，常采用上油或涂脂的方法防腐，如機(jī)床導(dǎo)軌、游標(biāo)卡尺的防腐。

⑤發(fā)藍(lán)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(lán)黑色的多孔氧化膜，經(jīng)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(jī)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(shù)層玻璃質(zhì)的釉層，在800℃進(jìn)行燒結(jié)，使基體材料和釉質(zhì)之間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而牢固結(jié)合的一種復(fù)合材料。它既有金屬的強(qiáng)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(qiáng)其耐蝕能力。不銹鋼就是很有代表性的一個(gè)例子。

②采用化學(xué)熱處理，如滲鉻、滲鋁、滲氮等，使金屬表面產(chǎn)生一層耐蝕性強(qiáng)的表面層。

③電化學(xué)防腐，經(jīng)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(hù)的金屬接觸，使被保護(hù)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(shè)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(nèi)放入干燥劑或充入干燥氣體，相對(duì)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(jī)、整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和槍械等。

各種金屬防腐方法比較見表1-5。

6.某私營(yíng)企業(yè)自制了一批水泥磚，需要檢驗(yàn)這批水泥磚的硬度是否達(dá)到樣品的硬度。這時(shí)有人說只要有一個(gè)小鐵球就可以做這個(gè)試驗(yàn)，你認(rèn)為可行嗎？應(yīng)怎樣試驗(yàn)才能夠測(cè)出水泥磚的硬度是否達(dá)標(biāo)？

【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(dòng)多遠(yuǎn)，硬度大的水泥磚可使小鐵球滾得遠(yuǎn)些。

延伸閱讀

德國(guó)鐵路慘案“元兇”——金屬疲勞

1998年6月3日，德國(guó)發(fā)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(jīng)查清，是由一節(jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)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(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來德國(guó)最慘重的鐵路事故。

自從第二次世界大戰(zhàn)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(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代工業(yè)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(gè)人經(jīng)過緊張的勞動(dòng)會(huì)感到腰酸腿痛，一個(gè)運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過劇烈的比賽會(huì)感到十分疲勞。材料，特別是金屬材料和機(jī)器構(gòu)件，也和人體一樣，在反復(fù)載荷的連續(xù)作用下也會(huì)產(chǎn)生疲勞。但是，人體的疲勞，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男菹⒁院螅梢缘玫交謴?fù)，然而，金屬和機(jī)器構(gòu)件一旦疲勞后，就會(huì)產(chǎn)生破壞，而且疲勞在材料和機(jī)器構(gòu)件中是潛移默化地進(jìn)行著的，直到快發(fā)生疲勞時(shí)，還沒有明顯的破壞跡象，事先不易察覺，甚至在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限的情況下，就可能發(fā)生疲勞破壞。因此，疲勞破壞具有嚴(yán)重的威脅性和危險(xiǎn)性，在人們對(duì)它還缺乏認(rèn)識(shí)的時(shí)候，可能會(huì)感到有些恐懼。例如，1954年，英國(guó)有兩架新型噴氣式客機(jī)“彗星號(hào)”先后在地中海上空爆炸，就是由于機(jī)艙疲勞裂紋擴(kuò)展而解體的，損失慘重。

隨著現(xiàn)代工業(yè)、機(jī)械日益向高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)方向發(fā)展，疲勞問題也顯得越來越突出，潛伏著巨大的危險(xiǎn)。它已成為工程技術(shù)界的一個(gè)大問題。早在100多年前，人們就發(fā)現(xiàn)疲勞是金屬的大敵。但那時(shí)還沒有儀器能夠查明疲勞破壞的原因。顯微鏡的出現(xiàn)，使人類第一次對(duì)金屬進(jìn)行了細(xì)致的檢查。到20世紀(jì)50年代，電子顯微鏡薄膜技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了這種檢查的深入，現(xiàn)在不但初步揭開了疲勞的奧秘，而且也有了一套妙法來對(duì)付這個(gè)“大敵”。

人們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)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(gè)辦法。現(xiàn)在冶金工業(yè)已有了許多種“維生素”，它們使許多金屬“添勁強(qiáng)身”“延年益壽”。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進(jìn)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(lǐng)，從而延長(zhǎng)使用壽命；在結(jié)構(gòu)上，當(dāng)金屬要承受重復(fù)載荷或處于不易檢查、維修的部位時(shí)，可以采用增加保險(xiǎn)系數(shù)的辦法，延長(zhǎng)使用壽命；也可采用復(fù)式結(jié)構(gòu)，當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，另一部分結(jié)構(gòu)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(duì)產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，如空壓機(jī)、鍛錘、電動(dòng)機(jī)等，應(yīng)采取防振措施，減小振幅，使振動(dòng)范圍縮小，以減小“疲勞”的可能性。

近幾十年來，國(guó)際上對(duì)疲勞問題投入了許多人力物力，進(jìn)行大量的研究，取得了不少研究成果。各國(guó)也都成立了疲勞研究和情報(bào)交流的專門組織。目前，疲勞仍然是世界各國(guó)正在努力攻克的科學(xué)堡壘之一。可以預(yù)計(jì)，不久的將來，人類完全能夠應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來制服這個(gè)金屬的大敵——疲勞。