《汽车机械基础》-第九章

9.1金属材料的力学性能

金属材料在受力过程中各种物理性质的数据称为材料的力学性能，它们都是通过材料试验来测定的。9.1.1拉伸试验

拉伸试验是将预先制成的拉伸试样装在拉力试验机上，随后对试样缓慢施加拉力，使试样随拉力的逐渐增加而不断变形，直至拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生相应变形量的大小即可测定试金属材料的强度指标，并通过计算可得出金属材料的塑性指标，如图9-1所示。低碳钢的拉伸图及应力应变图如图9-2所示。返回下一页9.1金属材料的力学性能9.1.2强度金属材料抵抗变形直至断裂的能力称为强度。按照受力大小不同，强度由小到大的性能指标依次有以下几种。1.弹性极限在应力应变图上，弹性变形区最高应力值称为弹性极限，用σe表示。2.屈服极限σS

一些材料的应力应变图上存在一段水平的台阶，即应力不增加而应变继续增加，这种现象称为材料的屈服，或者称流动。这时的应力称为屈服应力，用σs表示。下一页返回上一页9.1金属材料的力学性能

对于无明显屈服现象的金属材料如高碳钢、铸铁等，测量屈服点很困难，下程上规定产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为屈服应力，称为条件应力，用σ0.2表示。3.强度极限σb

使材料丧失承载能力的最大应力称为强度极限，用σb表示。9.1.3塑性金属材料在载荷作用下产生变形而不破坏的能力。常用的塑性指标有:1.延伸率(断后伸长率)

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为延伸率。上一页下一页返回9.1金属材料的力学性能δ=(L1-L0)/L0x100%式中，L0为试样原始标距;L1为试样拉断后的标距。应当指出:同一种材料短试样与长试样所测得的延伸率值不同，短试样的延伸率大于长试样的延伸率。因此，不同长度试样测定的延伸率不能比较，只有相同长度试样测定的延伸率才能进行比较。为便于区别，将长、短比例试样的延伸率分别用符号δ10和δ8表示，习惯上δ10也常写成δ。2.断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。上一页下一页返回9.1金属材料的力学性能Ψ=(S0-S1)/S0x100%式中，S0为试样开始横截面积;S1为试样拉断后劲缩处横截面积。金属材料的延伸率δ和断面收缩率Ψ也是重要的机械性能指标，其数值越大，表明材料的塑性越好，显然金属材料的塑性越好其使用的安全可靠性越好。

9.1.4硬度金属材料的硬度指其抵抗比其更硬的物体压人或刻划其表面的能力。常用的硬度指标有以下几种。1.布氏硬度HB上一页下一页返回9.1金属材料的力学性能

式中，F为试验力;S为压痕球形面积;D为球体直径;d为压痕平均直径。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，只需用专用刻度放大镜测出压痕平均直径d，根据该直径的大小及试验条件(如图9-3所示)，查布氏硬度数值表可直接得出相应的布氏硬度数值。2.洛氏硬度HRHR=K-h/0.002

式中，HR为洛氏硬度值;K为常数，当使用金刚石圆锥压头时K=100，当使用钢球压头时K=130;h为压头受主载荷作用，在试件表面产生的塑性变形深度;0.002为1个洛氏硬度单位(mm)。

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实际测量时，可以从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出硬度值。刻度盘读数愈大，材料硬度愈高，反之材料硬度愈低。洛氏硬度试验原理如图9-4所示。

9.1.5冲击韧度机器中的许多零件工作时受到冲击载荷使用(或载荷速度增加)时，其性能就不能用上述的静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷而不被破坏的能力来衡量，这种抵抗能力称为冲击韧度。冲击试验原理图如图9-5所示。上一页下一页返回9.1金属材料的力学性能

式中，Ak为试样吸收的冲击功(J);S为试样缺口底部横截面积(cm^2)；ak为冲击韧度(J/cm^2)。环境温度的变化将直接影响ak值的大小。

9.1.6疲劳强度

金属材料在交变应力作用下，虽其所受应力值小于材料的σs，甚至小σc,但经长时间运转后虽无显著外观变化仍发生断裂的现象称疲劳断裂。金属材料抵抗疲劳断裂的能力用疲劳强度(疲劳极限)σ-1表示，σ-1在一定试验条件下获得。上一页返回9.2金属材料的工艺性能简介

金属材料的工艺性能指材料被加工成零件的难易程度。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。1.铸造性能铸造是将熔化了的金属液注入已经制好的铸型型腔，经冷却凝固后获得所需铸件(毛坯或零件)的一种热加工工艺方法。铸造生产所采用的材料是铸造性能较好的铸铁，有色金属及铸钢。铸造性能指经铸造生产后所获得的铸件(毛坯或零件)的质量好坏。

2.锻造性能锻造采用塑性较好的金属材料，通过加热、塑性变形获得所需毛坯或零件的一种热加工工艺方法，其特点是零件机械性能好。

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锻造性能指经锻造生产后所获得的锻件(毛坯或零件)的质量好坏。

3.焊接性能焊接是通过加热(加压或不加压)使两块分离的金属结合成整体的一种热加工工艺方法，其特点是可以小拼大，采用双金属结构、简化结构等。焊接性能指经焊接时被焊材料的可焊性及焊缝接头质量的好坏及焊后变形等。

4.热处理性能热处理是将金属材料加热到固态下的不同温度保温一段时间，以不同的速度冷却获得所需晶体结构及相应性能的一种工艺方法。上一页下一页返回9.2金属材料的工艺性能简介

热处理的方法有普通热处理(淬火、回火、退火、正火)，表面热处理(只改变金属表层的性能)，表面化学热处理(即改变表层化学成分，也改变表层性能)等。热处理性能指金属材料经热处理后所能获得不同力学性能的可能性。

5.切削加工性能切削加工性能指金属材料被切削加工成零件的难易程度。切削加工性与金属材料的化学成分及组织结构有关，常用金属材料中，含碳量低、中的碳钢切削加工性好，高碳钢切削加工性差。上一页下一页返回9.2金属材料的工艺性能简介

切削加工的方法有:车削、铣削、刨削、磨削、锁削、插削、拉削、齿轮加工、电加工、数控机床加工、计算机辅助系统机床加工等。上述方法用来将金属材料加工成各种不同几何形