上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

基础理论篇

项目1　金属材料的力学性能

组成一台机器的众多零件，是由各种材料制造的，而且，很多零件并不是由一种材料制成的。对于不同的零件，应依据其设计功能和工作条件的不同选用不同的材料；即使是同一种材料，人们也可能会依据其功能、工况的不同而用不同的加工方法加工。那么，选择材料的依据是什么呢？

满足使用性能是选材时首先要考虑的。例如，起重机钢丝绳及吊钩承受拉伸应力，选材时应考虑拉伸强度；汽车传动轴承受扭矩和剪切应力，选材时应考虑刚度和剪切强度；齿轮心部及齿根部承受剪切应力，而齿面承受磨损，这就要求齿轮心部韧性好、齿部耐磨性好；石油化工的储存和输送设备以及航海舰船壳体处于腐蚀介质中，选材时应考虑耐蚀性等。使用性能是指为保证零件能正常工作和有一定工作寿命，材料应具备的性能，它包括力学性能、物理性能和化学性能。其中，力学性能在机械零件和工具中为主要的使用性能。所谓力学性能，是指材料抵抗外力作用所显示的性能，包括强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，它们是通过标准试验测定的。材料的物理性能包括密度、导电导热性、热膨胀性和磁性等。材料的化学性能，指材料在常温或高温时抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力，它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。

除了满足使用性能，还要考虑材料是否容易加工。如果制造困难或制造成本太高，那么这个选材方案也就未必可行。因此，选材时还应考虑材料的工艺性能。所谓工艺性能，是指为了保证材料的加工能顺利进行而应具备的性能，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

通过此项目的学习，可以充分了解上述关于材料特性的各种评定指标。

任务1　认识静载荷下的力学性能指标

问题描述

表征材料静载荷下的力学性能指标都有哪些？分别用什么方式来测定？

知识链接

1.静载荷下的力学性能

材料在静载荷下的力学性能指标主要有：强度、刚度、塑性、硬度等。强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。刚度是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。塑性是指金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力。永久变形是指物体在力的作用下产生了形状、尺寸的改变，外力去除后，物体因变形不能恢复到原始的形状和尺寸的现象。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。具体试验过程见后续试验操作。

（1）强度指标

强度指标由拉伸试验测出。强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。变形一般分为弹性变形和塑性变形；变形的金属材料当外应力去除后，能够恢复原状的变形称为弹性变形；变形的金属材料当外应力去除后，不能够恢复原状的变形称为塑性变形。相同的材料在不同的应力（拉应力、压应力、弯曲应力、扭转应力等）作用下，表现出不同的抵抗变形和断裂的能力，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。工程上最常用的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等指标是通过应变速率恒定的拉伸试验而获得的。

①弹性　由弹性极限表征，即试样发生最大弹性变形的应力。规定弹性极限：以试样残余伸长量为0.01%时的应力作为规定弹性极限（σ0.01）。

②屈服强度　对塑性材料而言，即抵抗塑性变形的能力。规定屈服强度（σ0.2）：以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料承受的应力为规定屈服强度。σs代表材料发生明显塑性变形的抗力。

③抗拉强度　对脆性材料而言，即试样能承受的最大载荷除以原始截面积所得的应力。

④弹性模量　材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值。E=σ/ε，E表示材料产生弹性变形的难易程度。E的数值大，表示不易产生弹性变形。

（2）塑性指标

材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。

①塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

②常用的塑性指标是材料断裂时的最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

塑性大小用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示，即

　　（1-1）

　　（1-2）

式中　L0——试样的标距原长，mm；

L1——试样拉断后的标距长度，mm；

A0——试样拉伸前的横截面面积，mm2；

A1——试样拉断后颈缩处的最小横截面面积，mm2。

δ、ψ愈大，材料塑性愈好，由于伸长率值与试样尺寸有关，因此，比较伸长率时要注意试样规格的统一。

一方面，材料具有一定的塑性才能进行各种变形加工；另一方面，材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性，防止突然断裂。在低碳钢拉伸曲线中，塑性好的材料的塑性变形阶段较长，而脆性材料则几乎没有塑性变形。

2.金属拉伸试验

（1）拉伸试验

拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。拉伸时一般将拉伸试样拉至断裂。

①拉伸试样　进行拉伸试验时，通常采用比例圆柱形拉伸试样，试样尺寸按国家标准中金属拉伸试验试样中的有关规定进行制作。比例圆柱形拉伸试样一般分为短试样和长试样两种，通常采用短试样。拉伸试样如图1-1所示，图（a）所示为比例圆柱形拉伸试样，图（b）所示为拉断后的比例圆柱形拉伸试样。d0为比例圆柱形拉伸试样的原始直径；du为试样断口处的直径；L0为比例圆柱形拉伸试样的原始标距长度；Lu为拉断试样对接后测出的标距长度。长比例圆柱形拉伸试样L0=10d0；短比例圆柱形拉伸试样L0=5d0。

图1-1　圆柱形拉伸试样图

②试验方法　试验在拉伸试验机上进行。图1-2为拉伸试验机示意图。将已制备好的标准试样正确装夹在拉伸试验机的上、下夹头间并夹紧，以恒定的应变速率加载，此时标准试样两端承受缓慢增加的轴向拉力，与此同时在标准试样的各截面上产生拉应力；随轴向拉力的增加，拉应力相应增大，标准试样变形加剧直至拉断为止。同时，记录装置记录下拉伸过程中的力-伸长曲线。

图1-2　拉伸试验机示意图

（2）力-伸长曲线

在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量ΔL之间的关系曲线，称为力-伸长曲线。通常把拉伸力F作为纵坐标，伸长量ΔL作为横坐标。图1-3为退火低碳钢的力-伸长曲线图。

图1-3　退火低碳钢的力-伸长曲线

观察拉伸试验和力-伸长曲线，会发现在拉伸试验的开始阶段，试样的伸长量ΔL与拉伸力F之间成正比例关系，在力-伸长曲线图中为斜直线OP。在该阶段，当拉伸力增加时试样伸长量ΔL也呈正比增加。当去除拉伸力后，试样伸长变形消失，恢复其原始形状，其变形规律符合胡克定律，表现为弹性变形。图中Fp是试样保持弹性变形的最大拉伸力。

当拉伸力不断增加，超过Fp时，试样将产生塑性变形，去除拉伸力后，变形不能完全恢复，塑性伸长将被保留下来。当拉伸力继续增加到Fs时，力-伸长曲线在S点后出现一个平台，即在拉伸力不再增加的情况下，试样也会明显伸长，这种现象称为屈服，Fs称为屈服拉伸力。

当拉伸力超过屈服拉伸力后，试样抵抗变形的能力将会增加，此现象称为冷变形强化，即抗力增加现象。这一现象在力-伸长曲线上表现为一段上升曲线，即随着塑性变形量的增大，试样变形抗力也逐渐增大。

当拉伸力达到Fm时，试样的局部截面开始收缩，产生了缩颈现象。由于缩颈使试样局部截面迅速缩小，因此最终试样被拉断。缩颈现象在力-伸长曲线上表现为一段下降的曲线MK。Fm是试样拉断前能承受的最大拉伸力，称为极限拉伸力。

从完整的拉伸试验和力-伸长曲线可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。

【实验项目】金属拉伸试验

（1）实验目的

①观察低碳钢和铸铁在拉伸试验中的各种现象。

②观察低碳钢在拉伸过程中所出现的屈服、强化和缩颈现象。

③测绘低碳钢和铸铁试件的应力-应变曲线。

④测定低碳钢的屈服强度σs、抗拉强度σb、断后伸长率δ、断面收缩率ψ和铸铁的抗拉强度σb。

（2）实验地点

金属力学实验室。

（3）实验设备与仪器

①制作标准试件：按GB/T 228《金属材料　拉伸试验》中的规定，准备20钢和铸铁的圆形短标准试样。

②万能试验机（图1-4）。

　图1-4　万能试验机

③标卡尺。

④划线机。

（4）实验内容和方法

①试件准备与尺寸测量。用划线机划上试件的标距，并将其分成10格（图1-5），以便观察标距范围内沿轴向的变形情况。用游标卡尺测量试件标距和标距部分的直径d0，在标距范围的中间及两端处，每处两个互相垂直的方向上各测量两次，取其平均值为该处直径。用所测得的三个平均值中的最小的值计算试件的横截面面积A0。计算A0时取三位有效数字（表1-1）。

图1-5　用划线机将标距10等分

表1-1　拉伸试件原始尺寸数据记录

②装夹试件。先把试件夹持在试验机上的夹头内，再将下夹头移动到试件所需的夹持位置，并把试件下端夹紧。

③在计算机测试应用程序界面中执行以下操作：设置实验条件，主要有试验形式、载荷、变形量程、加载速度、试样编号尺寸、材料等。设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘。单击界面“试验”按钮，开始试验。

④观察试样的变形情况和“缩颈”现象，试样断裂后立即单击应用程序界面“结束试验”按钮。

⑤取下试件，将拉断的试件在断口处尽量对拢，测量拉断后的标距长度和断口直径d1。

⑥测量铸铁试样的初始直径，并将之装卡在试验机的卡板中（与低碳钢试样的测量、装卡方法相同）。重复试验步骤③～⑥，进行铸铁试样拉伸试验。

⑦在实验教师指导下读取实验数据，打印曲线。

⑧填写实验报告。

（5）注意事项

①开机前和停机后，送油阀一定要置于关闭位置，加载、卸载和回油均须缓慢进行。

②拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置。

③机器开动时，操纵者不得擅自离开。

④使用时，听见异声或发生任何故障即应立即停止。

⑤试件装夹必须正确，防止偏斜和夹入部分过短的现象。

（6）实验结果处理

①强度指标

屈服强度：

抗拉强度：

②塑性指标

伸长率：

断面收缩率：

延伸阅读

超塑性金属材料

超塑性金属材料是指伸长率大于300%的金属材料。它是1920年德国材料专家罗森汉在研究锌-铝-铜合金时发现的。超塑性是在特定条件下出现的一种奇特现象，超塑性金属材料能像软糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。最常用的铝、镍、铜、铁、钛合金，它们的伸长率在200%～6000%之间，如碳钢和不锈钢在150%～800%之间，铝锌合金为1000%，纯铝高达6000%。

超塑性材料加工具有很大的实用价值。难变形的合金因超塑性变成了软糖状，从而可以像玻璃和塑料一样，用吹塑和可挤压加工方法制造零件，从而大大节省能源和设备。用超塑性材料制造零件的另一优点是可以一次成形，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。据专家展望，未来超塑性材料将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用。

3.硬度指标

（1）硬度

①硬度是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗局部变形尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。

②材料的硬度是通过试验测得的。测定硬度的试验方法很多，大体上可分为弹性回跳法（肖氏硬度）、压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）和刻痕法（莫氏法）等三大类，而生产上应用最广泛的是压入法。

③一般硬度越高，耐磨性越好。

（2）硬度试验方法

目前，生产中常用的硬度试验方法是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法。

①布氏硬度　1900年，瑞典工程师J.B.Brinell提出了一种用钢球压入试样来测定材料硬度的方法，这就是布氏硬度，其基本原理是通过加载，将淬火钢球压头或硬质合金球压头，压入被测金属材料表面，保持规定时间后卸除试验力，在被测金属材料表面得到一直径d的压痕，单位压痕面积（A压）上所承受的载荷（F）大小即为布氏硬度值。淬火钢球为压头时，符号为HBS；硬质合金球为压头时，符号为HBW（图1-6）。

图1-6　布氏硬度原理示意图

　　（1-3）

式中　A压——压痕表面积，mm2；

F——试验力，N；

d——压痕平均直径，mm；

D——压头直径，mm；

h——压痕深度，mm。

上式中只有d是变数，只要测出d值，即可通过计算或查表得到相应的硬度值。一般，布氏硬度值不需计算，只需根据测出的压痕直径查表即可得到。d值越大，硬度值越小；d值越小，硬度值越大。（注：1kgf=9.80665N）

为保证测试同一试样的布氏硬度值有效且相同，必须保证试样厚度至少为压痕深度的8倍，试验力与压头球直径平方的比值F/D 2为常数，因此在做布氏硬度试验时，应根据被测金属材料的种类和试样厚度，选用不同直径的压头和试验力，见表1-2。根据国标GB/T 231.2—2012《金属材料　布氏硬度试验　第2部分：硬度计的检验与校准》规定，压头直径有4种规格（10mm、5mm、2.5mm和1mm），0.102F/D 2的值有5种规格（30、10、5、2.5和1）。

表1-2　不同材料的布氏硬度范围和试验力

布氏硬度表示方法为在硬度符号HBW或HBS前写出硬度值，符号后面依次用相应数字注明压头直径、试验力和保持时间（10～15s不标），其中，压头直径和试验力之间用斜杠“/”隔开。例如，120HBW10/1000/30表示用直径10mm的硬质合金球压头、试验力为1000kgf（9.807kN）、试验力保持30s所测得的布氏硬度值为120。布氏硬度一般不标注单位。

布氏硬度试验法测得的硬度值较准确、稳定，因压痕面积较大，故能反映出较大范围内材料的平均硬度；布氏硬度与抗拉强度有近似的正比关系：σb=KHBW。但布氏硬度试验法操作不够简便，不宜测试薄件或成品件。HBS适用于硬度值小于450的材料；HBW适用于硬度值小于650的材料。目前，布氏硬度试验法主要用来测定铸铁、有色金属及退火、正火和调质的钢材等。

②洛氏硬度　洛氏硬度试验法是机械工程应用最广泛的硬度试验法，与布氏硬度试验法不同，它不是测量压痕的直径，而是直接测量压痕的深度来表示材料或机械零件的硬度，压痕愈浅表示材料或工件愈硬。

洛氏硬度试验原理如图1-7所示。它是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初试验力和总试验力（初试验力+主试验力）先后作用下，将压头压入试件表面，经规定保持时间后，去除主试验力，用测量的残余压痕深度增量（增量是指去除主试验力并保持初试验力的条件下，在测量的深度方向上产生的塑性变形量）来计算硬度的一种压痕硬度试验法。图中所示0—0为压头与试件表面未接触的位置；1—1为加初试验力10kgf（98.07N）后，压头经试件表面a压入到b处的位置，b处是测量压入深度的起点（可防止因试件表面不平引起的误差）；2—2为初试验力和主试验力共同作用下，压头压入到c处的位置；3—3为卸除主试验力，但保持初试验力的条件下，因试件弹性变形的恢复使压头回升到d处的位置。因此，压头在主试验力作用下，实际压入试件产生塑性变形的压痕深度为bd（bd为残余压痕深度增量）。用bd大小来判断材料的硬度，bd越大，硬度越低；反之，硬度越高。为适应习惯上数值越大、硬度越高的概念，故用一常数K减去bd作为硬度值（每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位），直接由硬度计表盘上读出。洛氏硬度用符号HR表示。

图1-7　洛氏硬度原理　

金刚石做压头，K为100；淬火钢球做压头，K为130。

为了满足同一硬度计能测试不同硬度范围的材料，可采用不同的压头和试验力。按压头和试验力不同，国标规定洛氏硬度的标尺有九种，但常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广泛。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-3。

表1-3　常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

洛氏硬度的表示方法为：在硬度符号前面写出硬度值，如58HRC、80HRA等。

洛氏硬度试验操作简便迅速，硬度值可从硬度计的表盘上直接读出。试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的硬度检验。但由于压痕小，因此洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。

③维氏硬度　维氏硬度试验的基本原理与布氏硬度试验相同，都是根据压痕单位面积上所受的平均试验力（载荷）得出硬度值，不同的是，维氏硬度的压头是两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石，如图1-8所示。

图1-8　维氏硬度试验原理示意图

维氏硬度试验设备是维氏硬度计。试验时，根据试样大小、厚薄选用5～120kgf（49.05～1177.2N）试验力，将压头压入试样表面（试样表面粗糙度≤0.2μm），保持一定时间后去除试验力，用附在维氏硬度计上的测微计测量压痕对角线长度d1和d2，求其平均值，然后通过查表（GB/T 4340.1—2009附表）得出或根据下式计算维氏硬度值。

维氏硬度用符号HV表示。

　　（1-4）

式中　A——压痕的面积，mm2；

d——压痕对角线长度d1和d2的算术平均值，mm；

F——试验力，N。

根据国家标准（GB/T 4340.1—2009）规定，维氏硬度的表示方法为在维氏硬度符号HV前面写出硬度值，HV后面依次用相应数字注明试验力和保持时间（10～15s不标）。例如“640HV30/20”，表示在30×9.8N试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。维氏硬度试验法的压痕深度浅，轮廓清晰，对角线测量准确，重复性好，测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（上千个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，就可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内，具有一个统一的标尺。这一点优越于洛氏硬度试验。但维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的粗糙度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，一般只在实验室中使用。

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷硬度试验，适用于测量小型精密零件的硬度、表面硬化层硬度和有效硬化层深度、镀层的表面硬度、薄片材料和细线材的硬度、刀刃附近的硬度等。

硬度测试方法总结如表1-4所示。

表1-4　各种硬度测试方法对比

【实验项目】硬度试验

（1）实验目的

①了解布氏硬度、洛氏硬度测定的基本原理及应用范围。

②了解布氏硬度计、洛氏硬度计的工作原理。

③熟悉布氏硬度、洛氏硬度的操作方法和步骤。

（2）实验地点

实验室。

（3）实验设备与仪器

①试样。

②布氏硬度计[图1-9（a）]。

③洛氏硬度计[图1-9（b）]。

图1-9　布氏硬度计和洛氏硬度计　

④读数放大镜。

（4）实验原理

①布氏硬度（HB）　以一定的载荷（一般为3000kgf）把一定大小（直径一般为10mm）的淬火钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为kgf/mm2（1kgf/mm2=9.80665MPa）。当HB大于450或者试样过小时，就不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计。

②洛氏硬度（HR）　它是用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的硬度标尺：HRA是采用60kgf（1kgf=9.80665N）载荷和金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）；HRB是采用100kgf载荷和直径1.588mm淬火的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）；HRC是采用150kgf载荷和金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。

（5）实验内容与方法

①布氏硬度　见本节“（6）任务实施”。

②洛氏硬度

a.实验时将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接触（注意：靠近压头时应缓慢上升工作台，不得冲击压头）。

b.继续转动手轮，当听到机器提示音“嘀”时，应停止加载，此时初载荷加载完毕，然后洛氏硬度计自动施加主载荷并保持一定时间，直至测试完毕。其程序为：加初载荷→加主载荷→保持一定时间→卸载→窗口显示硬度值即为所求硬度值。

（6）任务实施

①对采购的优质碳素结构钢20钢取样进行布氏硬度测定。

②检查清理和磨制被测试样的表面，使其达到布氏硬度测定时所要求的表面状态。

③在布氏硬度计上进行布氏硬度试验。压头直径为10mm，试验力为3000kgf，保持时间为15s。

④在读数显微镜下，测量压痕直径（测三次，取平均值）为4.91mm。

⑤查表可知，硬度值为148。

【知识延伸】

为什么机械图纸标注的是硬度要求而不是强度要求？

解决方法：硬度与抗拉强度的近似换算。

硬度试验是力学性能试验中最简单的一种试验方法。生产上，往往希望从硬度值中判断出某些力学性能指标的数量水平。实践证明，金属材料的硬度与强度之间具有近似的对应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续变形塑性抗力决定的，所以材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。在工程实践中，对不同材料的硬度（HBS）与强度关系得出了如下一系列经验公式：

低碳钢：σb≈3.53HBS。

高碳钢：σb≈3.33HBS。

合金调质钢：σb≈3.19HBS。

灰铸铁：σb≈0.98HBS。

退火铝合金：σb≈4.70HBS。

任务2　认识动载荷下的力学性能指标——冲击韧性

问题描述

在生产实践中，许多机械零件和工具是在冲击载荷下工作的，如锻锤锤杆、冲床冲头、飞机起落架、风动工具、汽车齿轮等。由于冲击载荷的加载速度大，作用时间短，机件常常因局部载荷而产生变形和断裂，因此，对于承受冲击载荷的机件，仅具有高强度是不够的，还必须具备足够的抵抗冲击载荷的能力。那如何来评定其冲击韧性指标是否满足要求呢？

知识链接

1.冲击韧性

①金属材料在冲击载荷下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧性一般以在冲击力作用下，材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示。

冲击载荷与静载荷的主要区别在于冲击载荷的加载速率大，即载荷以很快的速度作用于零件。载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，都会使得零件易发生突然断裂。对于在冲击载荷作用下服役的零件，必须用冲击载荷下的力学性能——冲击韧性来衡量。

测定冲击韧性常用的方法是：用一个带有V形或U形刻槽的标准试样（GB/T 229—2007），在一次摆锤式弯曲冲击试验机上弯曲击断，测定其所消耗的能量，如图1-10所示。

图1-10　一次摆锤式弯曲冲击试验示意图

1—摆锤；2—试样；3—试验机；4—刻度盘；5—指针

②冲击韧性是强度和塑性的综合表现。

2.冲击韧性试验方法

工程上常用的冲击韧性试验方法为缺口试样冲击弯曲试验，它是在摆锤式冲击试验机上进行的。

按GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定，试验时，把试样2放在试验机3的两个支承上，试样缺口背向摆锤冲击方向，将重量为W（N）的摆锤1放至一定高度H（m），释放摆锤切断试样后向另一方向升起至高度h（m）。根据摆锤重量和冲击前后摆锤的高度，可算出击断试样所耗冲击功Ak（J），即：

　　（1-5）

Ak值可由刻度盘直接读出。冲击韧性（J/cm2）为：

　　（1-6）

式中　S——试样缺口处截面积，cm2。

一次冲击弯曲试验不仅能测定材料冲击韧性值，还有如下应用。

（1）判断材料的断裂性质

金属材料的断裂分为脆性断裂和韧性断裂两种。对于脆性断裂，其断口没有明显的塑性变形，断口的外表轮廓较平齐，断面有金属光泽，呈晶状或瓷状。对于韧性断裂，其断口有明显的塑性变形，断口的外表轮廓有厚的突出边缘，断口呈暗灰的纤维状。实际上，冲击断口往往是以上两种情况的混合，只是根据材料的不同而有所侧重罢了。

（2）评定材料的低温脆性倾向

有些材料在室温为20℃左右的条件下试验时并不显示脆性，而在较低温度下则可能发生脆断，这一现象称为冷脆。为了测定金属材料开始发生这种冷脆现象时的温度，可在不同温度下进行一系列冲击试验，如图1-11所示为某些材料冲击韧性-温度曲线（ak-t曲线）示意图。由图可以看出，冲击韧性随温度的降低而减小，在某一温度范围，冲击韧性显著降低而呈现脆性，这个温度范围就是冷脆转变温度范围。冷脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。

图1-11　ak-t曲线示意图

（3）为改进生产工艺、控制产品质量提供有益的依据

冲击试验对材料内部缺陷、显微组织的变化很敏感，因此通过测量冲击吸收功和对断口试样进行断口分析，可揭示原材料中的夹渣、气泡、偏析以及夹杂物超标等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷；并且在鉴定热加工工艺规范的正确性方面，比其他试验方法敏感，试验过程也比较简单。

任务实施

①对优质碳素结构钢20钢取样并制作夏比U形缺口试样。

②检查摆锤式冲击机是否工作正常。

③将试样水平放在摆锤式冲击机的支座上（注意试样缺口方向）。

④释放摆锤，一次冲断试样。

⑤在表盘上读取冲击吸收功值为72.6J。

【实验项目】金属材料夏比冲击试验

（1）实验目的

①了解冲击韧性的定义。

②测定低碳钢和铸铁的冲击韧性，比较两种材料的抗冲击能力和破坏端口的形貌。

（2）实验地点

金属力学性能实验室。

（3）实验设备与仪器

①冲击试验机（图1-12）。

图1-12　冲击试验机　

②夏比缺口冲击试样。

（4）实验原理

在规定条件（包括高温、室温和低温）下通过摆锤一次冲击夏比缺口冲击试样，测定冲击吸收能量。

（5）实验内容与方法

①试验前检查试验设备和仪器。

②用游标卡尺测量试样缺口底部那处的横截面尺寸。

③让摆锤自由下垂，使被动指针紧靠主动指针。然后举起摆锤空打，检查并确认指针回到零点，否则应进行校正。

④安放试样，使缺口对称面处于支座跨度重点，偏差小于±0.2mm。

⑤释放摆锤一次冲断试样，记录被动指针在刻度盘上的读数，即为冲断试样所消耗的功。

⑥记录吸收能量。

（6）注意事项

①安装试样前，严禁高抬摆锤。

②摆锤抬起后，在摆锤摆动范围内，切忌站人、行走及放置任何障碍物。

任务3　认识力学性能指标——疲劳强度

问题描述

在工程实践中，许多机械零件（如齿轮、轴、弹簧等）是在重复应力或交变应力等循环应力的作用下工作的。循环应力和应变是指大小、方向都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。承受重复应力或交变应力的零件，工作中往往在工作应力低于其屈服点的情况下发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同。无论是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，没有明显的塑性变形，很难事先观察到，因此具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，80%以上损坏的机械零件都是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用金属材料、合理设计机械零件具有重要意义。

那如何在生产实践中，合理选择金属材料，提高其疲劳强度呢？

知识链接

1.疲劳断裂

金属零件或构件在交变载荷的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳断裂。

研究表明，疲劳破坏是一个裂纹发生和发展的过程。由于材料质量和加工过程中存在的缺陷，在零件局部区域造成应力集中，在重复应力或交变应力的反复作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，使疲劳裂纹不断扩展，使材料承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷作用时，即产生瞬时断裂。

即，金属材料疲劳断裂首先是在应力集中局部区域产生的，首先形成微小的裂纹核心，即微裂源；随后金属材料在循环应力作用下，裂纹继续扩展长大，并形成扩展区；最后发生疲劳断裂。

大量试验表明，金属材料所受的最大循环应力越大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）就越少。这种最大循环应力σmax与疲劳寿命N的关系曲线称为疲劳曲线或σ-N曲线，如图1-13所示。

图1-13　旋转弯曲疲劳曲线

2.疲劳断裂的特点

①疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。

疲劳断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

②疲劳是脆性断裂。

由于一般疲劳断裂的应力比屈服强度低，因此不论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹源萌生和缓慢扩展，直至某一时刻突然断裂的。所以，疲劳断裂是一种潜在的突发性断裂。

③疲劳断裂对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

疲劳断裂的过程，往往是在零件的表面发生，有时也可在零件内部某一应力集中处产生裂纹，随着应力的交变，裂纹不断扩展，以致在某一时刻便产生突然断裂。

3.疲劳曲线和疲劳极限

疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。通常人们规定：金属材料在重复或交变应力作用下，于规定的断裂循环周次N内不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。试验中，一般规定钢铁材料循环基数取107次，有色金属取108次。

金属的疲劳强度与抗拉强度之间存在以下近似的比例关系：

碳素钢：σ-1≈（0.4～0.55）σb；

灰铸铁：σ-1≈0.4σb；

非铁金属：σ-1≈（0.3～0.4）σb。

（1）产生疲劳断裂的原因

通过对大量发生疲劳断裂的事故分析发现，在热处理产生氧化、脱碳、过热、裂纹等时，钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳极限下降，导致零件在循环交变载荷作用下长期工作产生疲劳断裂。

（2）提高零件的疲劳强度的措施

一是提高零件的表面粗糙度。

二是对零件进行表面强化处理，如表面淬火、调质、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余压应力，从而提高零件的疲劳强度。

任务4　认识材料的其他性能指标

问题描述

对于材料来说，除了衡量其力学性能的静载荷下的强度、刚度、塑性，动载荷下的冲击韧性，交变载荷下的疲劳强度，还有哪些需要认知和了解的其他性能指标？

知识链接

1.高温性能

在高压蒸汽锅炉、汽轮机、化工炼油设备及航空发动机中，很多机件长期在高温下运转，这类机件仅考虑常温性能显然不行，高温下的机件易发生蠕变失效。材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地发生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变的一般规律是温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，而产生断裂的时间就越短。具体说来，材料在高温下的力学行为表现为：材料的强度随温度的升高而降低；高温下材料的强度随时间的延长而降低；高温下材料的变形量随时间的延长而增加。因此在高温下使用的金属材料应具有足够的抗蠕变能力。

高温下零件的失效形式一般表现为：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。其影响可以通过正确选材（选熔点高、组织稳定的材料）、表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷等来加以预防。

工程塑料在室温下受到应力作用就可能发生蠕变，这在使用塑料受力件时应予以注意。蠕变的另一种不良结果是导致应力松弛。所谓应力松弛，是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长发生蠕变，从而导致工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松弛，则会使紧固失效。

高温下，金属的强度可用蠕变强度和持久强度来表示。

2.低温性能

随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。通过在不同温度下对材料进行一系列冲击试验，可以得到材料的冲击韧性与温度的关系曲线。由冲击试验可知，材料的冲击功Ak值随温度下降而减小。当温度降到某一值时，Ak值会急剧减小，使材料呈脆性状态。材料由韧性状态变为脆性状态的温度tk称为冷脆转化温度。材料的tk低，表明其低温韧性好。低温韧性对于在低温条件下使用的材料是很重要的。

由于大部分机械零件的损坏都是由疲劳造成的，因此消除或减少疲劳失效，对于提高零件使用寿命有着重要意义。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减小零件应力集中外，还应改善零件表面粗糙度，这样可减少缺口效应，提高疲劳强度。采用表面处理，如高频淬火、表面形变强化（如喷丸、滚压、内孔挤压等）、化学热处理（如渗碳、渗氮、碳-氮共渗）等，都可改变零件表层的残余应力状态，提高零件的疲劳强度。

3.物理性能与化学性能

物理性能是指材料所固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。材料的化学性能是指材料在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

（1）物理性能

①密度　金属的密度是指单位体积金属的质量。密度是金属的特性之一，不同的金属其密度是不同的。在体积相同的情况下，金属的密度越大，其质量也就越大。金属的密度直接关系到由金属材料所制造设备的自重和效能，如发动机要求质轻和惯性小的活塞常采用密度小的铝合金制造。在航空工业领域中，密度更是选材的关键性能指标之一。一般将密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。

②熔点　金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。合金的熔点取决于其化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于碳的质量分数不同，其熔点也就不同。熔点是对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接都很重要的工艺参数。

熔点高的金属称为难熔金属（如钨、钼、钒等），这类金属材料可以用来制造耐高温零件，在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属（如锡、铅等），这类金属材料可以用来制造印刷铅字（铅与锑的合金）、熔丝（铅、锡、铋、镉的合金）和防火安全阀等零件。

③导热性　金属传导热量的能力称为导热性。金属导热能力的大小常用热导率λ表示。金属的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，金属越纯，其导热能力越好。合金的导热性比纯金属差。金属的导热能力以银为最好，铜、金、铝次之。

导热性好的金属其散热性也好，如在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，就要注意选用导热性好的金属。在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，也必须考虑金属的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成较大的内应力，导致金属材料发生变形或开裂。

④导电性　金属能够传导电流的性能称为导电性。金属导电性的好坏常用电阻率ρ表示。长1m、截面积为1mm2的物体在一定温度下所具有的电阻值，称为电阻率。电阻率的单位是Ω·m。电阻率越小，导电性就越好。

导电性和导热性一样，是随合金成分的复杂化而降低的，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝做导电材料，而用导电性差的铜合金（如镍、锰、铜的合金）和铁铬铝合金材料做电热元件。

⑤热膨胀性　金属随着温度变化体积膨胀或者收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。热膨胀性的大小用线膨胀系数αl和体膨胀系数αv来表示。

体膨胀系数近似为线膨胀系数的三倍。在实际工作中考虑热膨胀性的地方颇多，例如，铺设钢轨时在两根钢轨衔接处应留有一定的空隙，以便使钢轨在长度方向有膨胀的余地；轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸；在制定焊接、热处理、铸造等工艺时也必须考虑金属的热膨胀影响，以减少工件的变形与开裂；测量工件尺寸时也要注意热膨胀因素，以减少测量误差。

⑥磁性　金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和逆磁性材料。

铁磁性材料是指，在外加磁场中，能够被磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。顺磁性材料是指，在外加磁场中，能够被磁化但外加磁场撤除之后磁性会逐渐消失的金属材料。逆磁性材料是指能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料，如铜、金、银、铅、锌等。

在铁磁性材料中，铁及其合金（包括钢与铸铁）具有明显磁性。镍和钴也具有磁性，但远不如铁。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表、半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的存储元件、校园一卡通的磁性卡等；逆磁性材料则可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘、航空仪表和炮兵瞄准环等。

（2）化学性能

在机械制造中，金属材料不但要满足力学性能和物理性能要求，同时还要求具有一定的化学性能，尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零件，更应重视金属的化学性能。金属的化学性能主要是指金属抵抗各种腐蚀性介质对它进行化学侵蚀的能力，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。

①耐腐蚀性　金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属的耐腐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对在腐蚀性介质（如酸、碱、盐、有毒气体等）中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。因此，在选择金属材料制造这些零件时，应特别注意金属的耐腐蚀性，并采用耐腐蚀性良好的金属或合金进行制造。

腐蚀不仅使金属材料本身受到损害，给生产生活带来很大不便，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。据报道，全世界每年因金属材料腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。我国因金属材料腐蚀造成的损失占国民生产总值（GNP）的4%，钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%～30%。金属材料腐蚀还可能造成环境污染，例如，重金属制成的材料被腐蚀后重金属离子就会进入水体、土壤中，引起重金属污染。因此，采取各种措施防止金属材料的腐蚀十分必要。

②抗氧化性　长期在高温下工作的零件，如工业用的锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹等，易发生氧化腐蚀，形成一层层的氧化铁皮。金属在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属的氧化随温度升高而加速，如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅造成金属材料过量的损耗，还会形成各种缺陷，为此常采取措施避免金属材料发生氧化。金属材料的氧化随温度升高而加速，因此，在高温下制造或使用金属零件时，必须考虑抗氧化性。例如，钢材在进行铸造、锻造、焊接、热处理等热加工作业时，常在其周围提供一种还原气体或保护气，以防止金属材料发生氧化。

③化学稳定性　化学稳定性是金属的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备（如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等）部件需要选择热稳定性好的金属材料来制造。

4.工艺性能

【问题的导入】工厂是怎样把金属材料加工制造成机械零件的？

工艺性能是指金属在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，某种金属材料采用焊接方法容易得到合格的焊件，那么该种材料的焊接工艺性能就好。工艺性能直接影响制造零件的加工质量，同时也是选择金属材料时必须考虑的因素之一。

（1）铸造性能

金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。

（2）锻造性能

金属利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能就越好。例如，单相黄铜和变形铝合金在室温状态下就具有良好的锻造性能；非合金钢在加热状态下锻造性能较好。塑性：低碳钢>中碳钢>高碳钢>铸铁。压力加工性：低碳钢>中碳钢>高碳钢>铸铁。铸钢、铸铝、铸铁等几乎不能锻造，因此，它们的锻造性能较差。

（3）焊接性能

焊接性能是指金属在限定的施工条件下被焊接成符合设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性能好的金属能获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有一定的力学性能。全世界每年生产的钢材约有45%是经焊接成形的。焊接方法有人工焊接、机器人焊接、激光焊接等。金属材料的化学成分对金属的焊接性能有很大的影响。焊接性能：低碳钢>中碳钢>高碳钢>铸铁。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。

（4）切削加工性能

切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损小，刀具可以允许选用较大的切削用量，加工表面也比较光洁。切削加工性能与金属的硬度、导热性、冷变形强化等因素有关，主要与金属材料的硬度有关。最佳切削硬度为170～230HBS，硬度高则难于切削加工，刀具易磨损；硬度低则容易粘刀，表面粗糙度低。切削加工性能：铸铁>碳钢。铸铁、铜合金、铝合金及非合金钢都具有较好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能则较差。

本章重点、难点和知识拓展

【本章要点】

本章主要介绍了工程材料尤其是金属材料的一些性能指标的分类、含义、使用范围等内容。在学习之后要注意以下几个方面：

第一，要准确理解有关名词的定义和范围。

第二，要学会利用掌握的知识对日常生活中的现象进行思考和分析，试一试能否用学到的理论知识对遇到的问题或现象进行科学的解释。

第三，金属工艺学课程内容杂，涉及的知识面广，为了巩固所学的知识，要学会对所学的知识进行分类、归纳和整理，提高学习效率。整理的方法很多，如列表法、对比法、层次罗列法等。

第四，要牢固掌握重点内容，本章的重点是金属的力学性能部分。

第五，金属工艺学课程的许多理论知识带有很强的实践性，在学习时要尽量将自己的感性认识与教学内容相联系，以帮助理解和认识。

【本章重点】

应力-应变曲线的测定及其意义，强度、硬度、冲击韧性的概念及其测定方法。

【本章难点】

断裂韧性的概念。

【知识拓展】

选材时还应考虑材料的以下性能。

①耐磨性能：材料抵抗磨损的能力。目前尚无标准的评定方法，一般以同条件下的磨损失重来衡量。

②耐热性能：主要指抗高温氧化的能力，以及高温下抵抗外力的能力。高温性能是耐热性能的一种体现。关于抗高温氧化的评定，可以以同温度下材料的氧化失重来衡量。

③抗振性能：也称减振性能，是指材料吸收振动能量而阻止振动波传递的能力。机床床身材料要求具有很好的减振性能。

复习思考题

一、名词解释

1.力学性能　2.强度　3.屈服强度　4.抗拉强度　5.塑性　6.断后伸长率　7.硬度8.韧性　9.疲劳强度　10.物理性能　11.磁性　12.化学性能　13.工艺性能

二、填空题

1.金属材料的性能分为　　　　　性能和　　　　　性能。

2.使用性能包括　　　　　性能、　　　　　性能和　　　　　性能。

3.填出下列力学性能指标的符号：屈服强度　　　　　、洛氏硬度A标尺　　　　　、断后伸长率　　　　　、断面收缩率　　　　　、对称循环应力下的疲劳强度　　　　　。

4. 500HBW5/750表示用直径为　　　　　mm、压头材质为　　　　　，在　　　　　kgf或　　　　　N压力下，保持　　　　　s，测得的硬度值为　　　　　。

5.洛氏硬度按选用的总试验力及压头类型的不同，常用的标尺有　　　　　　　　、　　　　　和　　　　　。

6.冲击吸收能量的符号是　　　　　，其单位为　　　　　。

7.疲劳断裂的断口包括　　　　　、　　　　　和　　　　　。

8.铁和铜的密度较大，称为　　　　　金属；铝的密度较小，则称为　　　　　金属。

9.根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为　　　　　材料和　　　　　材料。

10.金属的化学性能包括　　　　　、　　　　　和　　　　　等。

三、选择题

1.金属抵抗永久变形和断裂的能力，称为（　　）。

A.硬度

B.塑性

C.强度

2.拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的（　　）。

A.屈服强度

B.抗拉强度

C.抗压强度

3.测定淬火钢件的硬度，一般常选用（　　）来测试。

A.布氏硬度计

B.洛氏硬度计

C.维氏硬度计

4.作疲劳试验时，试样承受的载荷为（　　）。

A.静态力

B.冲击载荷

C.循环应力

5.金属的（　　）越好，则其锻造性能也越好。

A.强度

B.塑性

C.硬度

四、判断题

1.所有金属在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。（　　）

2.塑性变形能随载荷的去除而消失。（　　）

3.当布氏硬度试验的试验条件相同时，若压痕直径越小，则金属的硬度也越低。（　　）

4.洛氏硬度值是根据压头压入被测金属的残余压痕深度增量来确定的。（　　）

5.在小能量多次冲击条件下，其抗冲击的能力主要取决于金属的强度高低。（　　）

6. 1kg钢和1kg铝的体积是相同的。（　　）

7.合金的熔点取决于它的化学成分。（　　）

8.导热性差的金属，加热和冷却时会产生较大的内外温度差，导致金属内外部分产生不同的膨胀或收缩，产生较大的内应力，从而使金属变形，甚至产生开裂。（　　）

9.金属的电阻率越大，导电性也越好。（　　）

10.所有的金属都具有磁性，都能被磁铁所吸引。（　　）

五、思考题

1.画出低碳钢的力-伸长曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。

2.有一钢试样，其原始直径为10mm，原始标距长度为50mm，当拉伸力达到18840N时试样开始出现屈服现象。拉伸力加至最大值36110N时，试样产生缩颈现象，然后被拉断。试样拉断后的标距长度为73mm，试样断裂处的直径为6.7mm，求试样的ReL（下屈服）、Rm（抗拉）、A（延伸）和Z（断面收缩）。

3.采用布氏硬度试验测取金属材料的硬度值有哪些优缺点？

4.什么是金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包含哪些方面？

5.什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？它们在工程应用上有什么意义？

6.什么是塑性？在拉伸试验中衡量金属塑性的指标有哪些？

7.什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。

8.现有标准圆形长、短试样各一个，原始直径d0=10mm，经拉伸试验测得其伸长率δ5、δ10均为25%，求两试样拉断时的标距长度。这两试样中哪一个塑性较好？为什么？

9.在下面几种情况下该用什么方法来试验硬度？写出硬度符号。

（1）检查锉刀、钻头成品硬度。

（2）检查材料库中钢材硬度。

（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层的硬度。

（4）检查黄铜轴套的硬度。

（5）检查硬质合金刀片的硬度。

10.什么是冲击韧性？ak指标有什么实用意义？

11.为什么疲劳断裂对机械零件有着很大的潜在危险性？交变应力与重复应力有什么区别？两种应力中哪个平均应力大？

12.零件使用中所承受的交变应力是否一定要低于疲劳极限？有无零件交变应力高于疲劳极限的情况？

13.金属疲劳断裂是怎样产生的？如何提高零件的疲劳强度？

14.什么是金属的力学性能？金属的力学性能判据主要有哪些？

六、课外调研

1.综合本章内容，如何理解“物尽其用”的含义？

2.观察周围的工具、器皿和机械设备等，分析其制造金属材料的性能与使用要求的关系。

七、交流与讨论

1.阅读下面的一段故事，谈谈你的感想。

形状记忆合金的发现

许多重大的发现都源于偶然事件。20世纪60年代初，美国海军研究所的一个研究小组把一些乱如麻丝的镍-钛合金拉直，以便使用。他们无意中发现，当温度升高到一定值时的时候，这些已被拉直的镍-钛合金突然“记忆”起自己的模样，又恢复到弯弯曲曲的“本来面目”。经过材料专家的反复实验，证实了镍-钛合金丝“变形—恢复”的现象能重复进行。其实，类似的现象早在20世纪50年代初就不止一次被观察到，只不过当时没有引起人们的足够重视。

这一发现引起了科学家们的极大兴趣，经研究发现，铜基合金、铁基合金等都有这种奇妙的记忆本领。

2.一架波音767飞机，约70%的零件是用铝和铝合金制造的。请问飞机上的零件为什么要大量选用铝和铝合金制造？

3.法国巴黎的埃菲尔铁塔是用7000t钢铁材料建成的，塔身高300m，天线高24m。铁塔管理部门检测到，每到夏天埃菲尔铁塔会长高21cm，请问铁塔为什么会长高？

4.在碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、金、银和钛这些常见的金属材料中：耐腐蚀的金属是　　　　　　　　　　；易腐蚀的金属是　　　　　　　　　　。

5.在日常生活中，你所知道的金属材料防腐方法有哪些？

【思路拓展】

常用的金属材料的防腐方法有：

（1）覆盖法防腐

即把金属同腐蚀介质隔开来，以达到防腐的目的，常用方法如下。

①有机涂料表面涂覆：这是最常见的防腐方法，如给汽车喷漆；国家体育馆“鸟巢” 的钢结构刷6层防腐漆，可确保25年不生锈。

②喷塑：把塑料喷涂在零件上，目前广泛用于电器设备金属外壳的防腐。

③镀层：在易腐蚀的金属表面电镀（或喷镀）上一层耐腐蚀的金属镀层，如镀锌、镀铬、镀铜、镀金、镀银等。日常生活中的自来水管、钢丝（俗称铁丝）、白铁皮都经过镀锌处理；普通自行车把手、自行车钢圈通常镀铬防腐。

④涂油脂：当零件或工具表面需要保持光洁时，常采用上油或涂脂的方法防腐，如机床导轨、游标卡尺的防腐。

⑤发蓝处理：将除锈后零件放入氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠溶液中，在140～150℃温度下，保温60～120min，使零件表面生成一层以Fe3O4为主的蓝黑色的多孔氧化膜，经浸油处理后，能有效地抵抗干燥气体腐蚀。该方法广泛用于机械零件、钟表零件和枪支的防腐。

⑥搪瓷：在金属表面涂覆一层或数层玻璃质的釉层，在800℃进行烧结，使基体材料和釉质之间发生物理化学反应而牢固结合的一种复合材料。它既有金属的强度，又有涂层的耐腐蚀、耐磨、耐热、无毒及可装饰性等性能。

（2）提高金属本身的耐腐蚀性

①在冶炼金属材料的过程中，加入一些合金元素，以增强其耐蚀能力。不锈钢就是很有代表性的一个例子。

②采用化学热处理，如渗铬、渗铝、渗氮等，使金属表面产生一层耐蚀性强的表面层。

③电化学防腐，经常采用的是牺牲阳极法，即用电极电位较低的金属与被保护的金属接触，使被保护的金属成为阴极而不被腐蚀。牺牲阳极法广泛用于防止海水及地下的金属设施的腐蚀，如在轮船的外表面焊上一些锌块。

④干燥气体封存法，采用密封包装，在包装袋内放入干燥剂或充入干燥气体，相对湿度控制在≤35%，可防止金属腐蚀。该方法主要用于包装整架飞机、整台发动机和枪械等。

各种金属防腐方法比较见表1-5。

表1-5　金属防腐方法比较

6.某私营企业自制了一批水泥砖，需要检验这批水泥砖的硬度是否达到样品的硬度。这时有人说只要有一个小铁球就可以做这个试验，你认为可行吗？应怎样试验才能够测出水泥砖的硬度是否达标？

【思路拓展】

方法一：让小铁球从相同高度自由下落，检查铁球落在每块水泥砖上的深度，深度浅的硬度大。

方法二：让水泥砖成45°角安放，小铁球从相同高度下落，看铁球滚动多远，硬度大的水泥砖可使小铁球滚得远些。

基础理论篇

项目1 金属材料的力学性能

任务1 认识静载荷下的力学性能指标

任务2 认识动载荷下的力学性能指标——冲击韧性

任务3 认识力学性能指标——疲劳强度

任务4 认识材料的其他性能指标

项目1　金属材料的力学性能

任务1　认识静载荷下的力学性能指标

任务2　认识动载荷下的力学性能指标——冲击韧性

任务3　认识力学性能指标——疲劳强度

任务4　认识材料的其他性能指标