1.1 材料的机械性能

问题思考

1.1.1 材料载荷的形式

零件失效都是外界损害作用超过材料抵抗能力的结果。因此，在设计产品时不仅要熟悉零件的工作条件和使用条件，还要把零件的受力状态同材料的性能结合起来。

材料在工作过程中都会受到各种不同类型力的作用，这些外力的大小、方向、分布以及持续时间不同，对材料的影响效果也不相同。

1.拉伸

拉伸是物体最常见的一种受力形式。其特点为受力方向沿着物体轴线，且受力方向相背离。桥式起重机上的钢丝绳在吊起重物时主要承受拉伸作用，如图1-1所示。

2.压缩

压缩与拉伸一样，受力方向沿着物体轴线，但是受力方向相对。大型零件的底座在工作中都要承受自身重量带来的压力。万吨水压机就是通过压力来使工件成形的，如图1-2所示。

3.弯曲

当物体受到垂直于其轴线的横向外力作用时，轴线将由直线变为曲线，这就是弯曲。起重机的起重臂、车床上加工的轴都是承受弯曲变形的实例，如图1-3和图1-4所示。

4.剪切

剪切的物体受到大小相等、方向相反、不在同一直线上并且作用距离很近的一对力的作用。剪切力将使物体沿着剪切面发生错动而导致物体破坏。例如，螺栓连接或铆钉连接的两个零件在工作时都要承受剪切力，如图1-5所示。

5.扭转

扭转的物体受到一对大小相等、方向相反、作用面垂直于轴心线的外力偶的作用。转动汽车转向盘（见图1-6）、攻丝都是扭转的实例。

要点提示

在实际应用中，零件的受力情况都比较复杂，通常要同时承受多种力的作用。图1-7所示的汽车传动轴，在工作时要同时承受拉伸、弯曲和扭转等作用。这就要求该轴具有良好的结构设计、较高的强度。

1.1.2 材料的常用机械性能

材料的机械性能是指其在外力（载荷）作用时表现出来的性能。描述机械性能的指标很多，有些指标还相互矛盾。在使用过程中，通常要根据工件的受力特点来选择材料。

1.材料的强度

（1）强度的概念。强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形（不可恢复变形）和断裂的能力。

要点提示

抵抗塑性变形和断裂的能力越大，强度就越高。根据受力状况的不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭及抗剪强度等。

（2）强度的测定。一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。低碳钢材料的强度大小通过拉伸试验来测定。试验时，按国家标准规定，将试样两端夹在试验机的两个夹头上，随着负荷P的缓慢增加，试样逐步变形并伸长，直至被拉断为止，如图1-8所示。

（3）应力的概念。在载荷P作用下，试样内部产生的大小与外力相等的抵抗力称为内力。单位横截面积上的内力称为应力，用σ 表示，单位为Pa，即

式中：P——载荷大小，N；

A0——试样原横截面积，m2。

（4）抗拉强度。钢材拉伸到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，抵抗变形能力重新提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度，用σ b表示。

（5）屈服强度。材料拉伸时，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到某一数值后，塑性应变急剧增加，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此它被作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用σ s表示。

要点提示

有的金属材料的屈服点极不明显，测量困难，因此为了衡量材料的屈服特性，人为规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度，用σ 0.2表示。

2.材料的硬度

问题思考

机械制造中所用的量具、刃具和模具等是否都应该具备足够的硬度？没有足够硬度的零件能保证其使用性能和使用寿命吗？

（1）硬度的概念。硬度是指金属材料抵抗硬物体压入的能力，或者说金属表面对局部塑性变形的抵抗能力。

要点提示

硬度是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。

（2）布氏硬度（HB）。将一定直径的淬火钢球以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后，卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积S，计算出平均应力值，以此作为布氏硬度值的计量指标（布氏硬度试验原理如图1-9所示），并用符号HB表示，单位为N/mm2，即

式中：P——所加压力，N；

S——压痕表面积，mm2，可通过钢球直径和压痕直径计算。

例如，120HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球在1 000kgf（9.807kN）的试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值为120N/mm2（MPa）。

（3）洛氏硬度（HR）。测量洛氏硬度时，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，经规定时间后，卸除主试验力，由测量的原残余压痕深度增量来计算硬度值，以符号HR表示。

洛氏硬度的优点是操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件；缺点是测量数值分散，不如布氏硬度测量准确。

洛氏硬度试验采用3种试验力和3种压头，共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺。其中最常用的是HRC、HRB和HRF。

HRC 用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢，这是金属加工行业中应用最多的硬度试验方法。HRB用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。

3.材料的冲击韧性

问题思考

（1）认识冲击载荷。金属材料的强度、硬度、塑性都是在静载荷情况下测定金属材料承受变形和破坏的能力。静载荷是指被测金属所受的载荷从零逐渐增加到最大值。

实际上，不少零件如火车挂钩（见图1-10）、锻锤头（见图1-11）、冲床连杆及曲轴等在工作时都要承受冲击载荷，而冲击载荷所引起的变形和应力比静载荷时大得多。

要点提示

承受冲击载荷的零件除要求高的强度和一定的硬度外，还必须具有足够的韧性。

（2）冲击韧性的概念。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度αk表示。αk越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。

对于重要零件，要求

冲击试验是将被测的金属材料制成一定形状和尺寸的试样，将冲击试样安放在图1-12所示的冲击试验机上，把重量为G的摆锤提到高度h1后，使摆锤自由下落，冲断试样后，摆至高度h2，其位能的变化值即为摆锤对试样所做的冲击功。

要点提示

对于脆性断裂为主要破坏形式的零件，只能凭经验提出对冲击功的要求，若过分追求高的冲击强度，则会造成零件笨重和材料浪费。尤其对于中低强度材料制造的大型零件和高强度材料制造的焊接构件，由于存在冶金缺陷和焊接裂纹，不能以冲击功评定零件脆断倾向大小。

4.材料的疲劳强度

问题思考

（1）认识交变载荷。有许多机械零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧等）在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。

要点提示

在交变载荷长期作用下的零件，发生断裂时的应力远低于该材料的强度极限，甚至低于其屈服极限，这种现象称为金属的疲劳。实践表明，在损坏的机械零件中，80%的断裂是由金属疲劳造成的。

（2）认识疲劳强度。疲劳强度是指金属材料在无数次重复交变载荷作用下，能承受不被破坏的最大应力。

各种金属材料不可能进行无穷次重复试验，因此通常给出一定的应力循环基数。对钢铁来说，如果应力循环次数N达到107次，零件仍不断裂，就可认为能经受无限次应力循环而不再断裂，所以钢材以107为基数。有色金属和某些超高强度钢则取108为基数。

（3）疲劳破坏的原因。疲劳断裂一般认为是由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等）造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。

要点提示

为了提高零件的疲劳强度，除了改善其结构形状，避免应力集中外，还可以通过提高零件表面加工光洁度和采用表面强化的方法来达到，如对零件表面进行喷丸处理、表面淬火等。

5.材料的塑性

塑性是指金属材料受力后发生变形而不被破坏的能力。塑性好的材料就像一团橡皮泥，在受力后可以自由变形，但是整体不会破坏分离。

（1）塑性的表示。材料的塑性优劣通常用伸长率δ来表示，即

式中：l0——试样的原始长度，mm；

l1——试样拉断后的长度，mm。

材料的塑性还可以用断面收缩率ψ来表示，即

式中：A0——试样的原始截面积，mm2；

A1——试样拉断后的断口截面积，mm2。

（2）塑性的应用。材料的δ和ψ值越大，其塑性越好。具有良好塑性的金属材料在加工时受到的抗力小，变形充分，这种材料适合进行轧制、锻造、冲压及焊接等操作，可以获得优良的加工性能。

同时，塑性好的材料在超负荷工作时，可以产生塑性变形，避免突然断裂破坏。

6.材料的刚度

刚度是指受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。

（1）刚度的影响因素。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。

结构的刚度除取决于组成材料的刚度外，还同其几何形状、边界条件以及外力的作用形式等因素有关，图1-13所示起重机采用的杆件连接形式可以获得很好的刚度。

（2）刚度的应用。分析材料和结构的刚度是工程设计中的一项重要工作。对于一些必须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等）应通过刚度分析来控制变形。许多结构（如建筑物、机械等）也要通过控制刚度以防止振动、颤振或失稳现象。

刚度对于某些弹性变形量超过一定数值后会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、丝杠等，如图1-14所示。

问题思考