機械工程師

  （一） 金屬材料的機械性能

金屬零件受一定外力作用時，對金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能，這種性能稱為機械性能。金屬材料的機械性能主要包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。它們的具體數(shù)值是在專門的試驗機上測定出來的。

1、金屬材料的變形和應力

金屬材料受外力作用時引起的形狀改變稱為變形。變形分為彈性變形（當外力取消后，變形消失并恢復到原來形狀）和塑性變形（當外力除去后，不能恢復到原來形狀，保留一部分殘余形變）。

當金屬材料受外力作用時，其內(nèi)部還將產(chǎn)生一個與外力相對抗的內(nèi)力，它的大小與外力相等，方向相反。單位截面上的內(nèi)力稱為應力。在拉伸和壓縮時應力用符號σ表示。

σ=P/F

式中： σ — 應力，MPa;

P — 拉伸外力，N；

F — 試樣的橫截面積，mm²。

2、強度

強度是金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強度可通過拉力試驗來測定。將圖（a）所示標準樣安裝在拉力試驗機上，對其施加一個平穩(wěn)而無沖擊逐漸遞增的軸向拉力，隨著拉力的增加試樣產(chǎn)生形變?nèi)鐖D（B）直到斷裂如圖（C）。

以試樣的受拉力P為縱坐標，伸長值⊿L為橫坐標，給制出拉伸曲線。

OE段：負荷與伸長成線性關(guān)系，是材料的彈性變形階段。

 

   金屬材料由彈性變形過渡到塑性變形時的應力稱為彈性極限，用σe表示。

σ_e=P_e/F_o

式中：  σ_e — 彈性極限，MPa；

P_e — 材料開始塑性變形時的負荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，㎜² 。

當負荷超過E點，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，這一段曲線幾乎呈水平，表明試樣在拉伸過程中，負荷不增加甚至有降低，試樣繼續(xù)塑性形變，材料喪失了抵抗變形的能力。這種現(xiàn)象稱為屈服。產(chǎn)生現(xiàn)象時的應力稱為屈服點，用σ_s表示。

σ_s=P_s/F_o

式中： σ_s — 屈服點，Mpa ；

P_s — 材料產(chǎn)生明顯形變時的負荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，㎜²  。

負荷超過S點后，形變量隨負荷增加而急劇增加，當過B點，形變部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣已不能抵抗外力作用，在K點發(fā)生斷裂。試樣拉斷前能承受的最大負荷 P_b所對應的應力稱為抗拉強度，用σ_b表示。

σ_b= P_b/F_o

式中： σ_b — 抗拉強度，Mpa ；

    P_b — 試樣拉斷前的最大拉力，N；

F_o — 原橫截面積，㎜²  。

屈服強度（σ_s），抗拉強度（σ_b）和屈強比（屈服強度與抗拉強度的比σ_s/σ_b）是評定金屬材料質(zhì)量的重要機械性能指標，是設計和選材的主要依據(jù)之一。

3、塑性

   塑性是金屬材料受外力作用時斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用兩種方法來表示。

（1）  伸長率：試樣拉斷后標距部分所增加的長度與原標距長度的百分比，用δ表示。

δ=（L₁－L₀）/L₀×100%

式中：δ — 試樣的伸長率，%；

L₁ — 試樣拉斷后標距長度，㎜；

L₀ — 試樣原標距長度，㎜.

(2)  斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原截面積的百分比，用φ表示。

式中 φ — 試樣的斷面收縮率，%；

F₀ — 試樣原橫截面積，㎜²  。

F₁ — 試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積，㎜²  。

δ、φ的數(shù)值越大，說明金屬材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。

4、硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，一般說，硬度高的材料耐磨性較好，強度也比較高。硬度是評價金屬材料質(zhì)量的機械性能指標，也是機械零件設計要求的技術(shù)條件之一。

生產(chǎn)中有不同的測定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度：用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保荷時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的平均負荷作為布氏硬度值，用符號HBS（HBW）表示。

HBS（HBW）=

式中：HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－㎜^{2  ;}

      P — 加在淬火鋼球上的負荷，kgf；

      D — 淬火鋼球直徑，㎜。

壓頭為鋼球時用HBS，適用于布氏硬度值在450以下的材料，如鑄鐵和有色金屬。壓頭為硬質(zhì)合金球時用HBW，適用于布氏硬度值在650以下的材料。

（2）洛氏硬度：用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟，硬度值越低。兩種硬度可以利用特制的表格進行換算。 

硬度表示金屬材料在局部范圍內(nèi)對塑性變形的抗力，所以硬度與強度間有一定的換算關(guān)系。

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負荷的能力?，F(xiàn)在普通采用一次擺錘沖擊試驗來測定材料的沖擊韌性。

實驗表明，材料受小能量多次重復沖擊的能力，主要取決于材料強度。強度越高，壽命越長，設計中可不必過分追求高沖擊值。

6、疲勞強度

實際中許多工件所承受負荷的方向和大小是周期變化的。這種周期變化的負荷稱為交變負荷。金屬工件在交變負荷作用下，經(jīng)長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為金屬疲勞。

在交變負荷作用下金屬工件所受應力大小和斷裂前應力交變循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。應力越大，則斷裂前能隨承受的循環(huán)次數(shù)越低。當鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)達到10⁷，有色金屬的循環(huán)次數(shù)達到10⁸ 時，若試樣仍不發(fā)生疲勞破壞，其最大應力稱為該材料的疲勞極限。當應力交變循環(huán)對稱時，疲勞極限用σ-1表示。

生產(chǎn)中多數(shù)金屬工件是在交變負荷下工作的，疲勞破壞是破裂的主要形式。因此疲勞強度設計是材料的重要強度計算之一。另外，改善零件結(jié)構(gòu)形狀避免應力集中；降低表面粗糙度；采取表面強化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。