材料分析-金属力学性能分析

金属材料的力学性能主要包括强度与塑性、硬度、冲击韧性与疲劳强度。研究其强度指标能更好地帮助我们在机械加工领域更好的选材，更好的满足对零部件使用性能的要求。

一、材料强度与强度指标

强度就是金属材料在承受静载荷作用时，抵抗其发生塑性变形或着断裂的能力。金属材料强度的大小用应力来表示，应力能准确的反映出金属材料内部的受力状态。单位面积上的内力(材料内部与外力相对抗的力)我们称之为应力。

金属材料的强度指标通常用屈服强度来表示。金属材料出现屈服现象时，发生塑性变形而载荷不增加时的应力为屈服强度，屈服强度又分为上屈服强度和下屈服强度，分别用Reh和ReL表示。通常我们所用到的零部件一般不允许发生明显的塑性变形，材料的屈服强度越高，其抵抗塑性变形的能力就会越强，材料的使用性能就会越好，因此屈服强度是我们设计零部件和选材的主要依据。

二、材料塑性与塑性指标

所谓的塑性就是金属材料在载荷作用下发生断裂前所能承受的最大塑性变形的能力。塑性指标通常用断后伸长率和断面收缩率表示。

断后伸长率用A表示，为式样拉断后的标距长度与原始标距长度之差与原始标距的百分比。

断面收缩率用Z表示，为式样原始横截面积与断口处最小横截面积之差与原始横截面积百分比。

其中断面收缩率和伸长率相比较，更能比较确切的反映出金属材料的塑性，因为断面收缩率不受试件尺寸的影响。断面收缩率和伸长率越大表明这种金属材料的塑性就会越好，就会越容易进行塑形加工，越容易加工成形状复杂的零部件。其中塑性好的材料在受到比较大的冲击力时，会首先产生塑性变形而不会突然断裂，使用性能比较安全。

三、材料硬度和硬度试验

所谓的硬度就是金属材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力。硬度试验方法种类比较多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法、维氏硬度试验法三种。

1、布氏硬度试验法

①布氏硬度试验原理。使用硬质合金球做压头，同时以一定的试验压力压人金属表面，保持规定时间后消除试验力，最后测量压痕表面直径，通过计算公式计算其硬度值。实验表明布氏硬度值的大小仅与压痕直径的大小有关系。D越大，压痕直径越大，也就是硬度越低。

②布氏硬度特点及适用范围。布氏硬度的试验力和压痕直径都比较大，所以压痕也比较大，比较直观准确的测定硬度值。但是，由于压痕比较大，对金属表面的损伤程度也比较大，这就要求布氏硬度试验法不适合测量零部件表面质量要求比较高或薄壁零部件。

2、洛氏硬度试验法

①洛氏硬度实验原理。洛氏硬度实验原理与布氏硬度差不多，区别在于把硬质合金球形压头改为金刚石圆锥压头，通过压痕深度来测量硬度值。常用的洛氏硬度有A、B、C三种标尺，最常用的是C标尺。采用不同标尺下的硬度值是不能互相比较的，必须转化为同一标尺进行比较。 

②洛氏硬度特点及适用范围。洛氏硬度不同于布氏硬度，其压痕比较小，对零部件的损坏程度比较小，故可以测量一些薄壁及表面质量要求比较高的零部件，同时由于压痕比较小，存在定的局限性，测量的硬度值也不够准确。

3、维氏硬度试验法 维氏硬度试验与布氏硬度试验不同之处在于压头是一个金刚石正四棱锥体，通过压痕对角线的长度来计算硬度值。维氏硬度试验所施加的试验力比较小，压痕比较不明显，故可以测量薄壁零部件，但对压痕对角线的测量比较复杂。

四、材料冲击韧性与疲劳强度

金属材料在实际使用加工过程中所承受的载荷不仅仅是静载荷，也有冲击载荷和交变载荷，也可能是多种载荷的叠加，只通过拉伸试验和硬度试验研究静载荷是远远不够的，这就要求我们必须研究多种载荷下金属材料的力学性能，故对冲击载荷和疲劳载荷的研究有着重大的意义。

1、冲击韧性 顾名思义，金属材料抵抗冲击载荷如不发生破坏的能力就是冲击韧性。冲击韧性主要通过弯曲试验测量得到的。对于冲击力的测量我们主要取决于冲击韧度的大小，金属材料受到大能量的冲击载荷作用时，冲击抗力的大小主要取决于冲击韧度的大小，而在多次重复冲击作用下，其冲击抗力主要由材料的强度和塑性决定。

(2)疲劳强度 生活中我们常见到这种现象，许多机械零部件虽然所承受的力低于材料的屈服强度，但较长时间工作后也会发生断裂，这种现象就是金属疲劳，疲劳破坏是零部件损坏的主要原因之一。金属材料的疲劳强度由多种因素决定，例如零部件工作条件、材料的内部结构、组织成分、承受的应力等，所以改善零部件的结构以及采取一些表面强化方法，都能提高金属材料的疲劳强度。