材料的性能直接关系到产品的质量、使用寿命和加工成本,是产品选材和拟定加工工艺方案的重要依据。材料的性能可分为使用性能和工艺性能两类。材料的使用性能是指材料在服役条件下能保证安全可靠工作所必备的性能,包括材料的力学性能、物理性能和化学性能等。工艺性能是指材料承受各种加工、处理的能力的性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。
静载荷是指施于构件的载荷恒定不变或加载变化缓慢以致可以忽略惯性力作用的载荷,最常用的静载荷实验有拉伸、压缩、弯曲、扭转等,利用这些实验方法,可以测得材料的各种力学性能指标。本节仅介绍工程领域应用广泛的强度、塑性和硬度等指标。
1)强度
强度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标常通过材料拉伸实验测定。在标准试样的两端缓慢地施加拉伸载荷,使试样的工作部分受轴向拉力F,并引起试样沿轴向产生伸长 ΔL,随着F值的增加,ΔL也相应增大,直到试样断裂为止。由载荷(拉力)与变形量(伸长量)的相应变化,可以绘出拉伸曲线。图 1.2(a)就是退火低碳钢的拉伸曲线。如果把拉力除以试样的原始截面积S0,得到拉应力σ(单位截面积上的拉力),把伸长量 ΔL除以试样的标距长度L0得到应变ε(单位长度的伸长量)。根据σ和ε,则可以画出拉伸试样的应力—应变曲线,如图 1.2(b)所示,可以从图上直接读出材料的一些常规力学性能指标。静载拉伸下材料的力学性能指标主要有以下几个。
(1)弹性极限和弹性模量。
在应力—应变曲线上,e 点以前产生的可以恢复的变形称为弹性变形,e 点对应的弹性变形阶段的极限值,称为弹性极限,以σe表示(单位为 MPa),对一些弹性零件如精密弹簧等,弹性极限是主要的性能指标。
材料在弹性变形阶段内,应力与应变的比值为定值,这表征了材料抵抗弹性变形的能力,其值大小反映材料弹性变形的难易程度,称为弹性模量,以E表示(单位为 GPa):
在工程上,零件或构件抵抗弹性变形的能力称为刚度。显然,在零件的结构、尺寸已确定的前提下,其刚度取决于材料的弹性模量。
弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力,如晶体材料的晶格类型、原子间距,热处理对弹性模量的影响极小。
(2)屈服强度。
在拉伸曲线中,s 点出现一近似水平线段,这表明拉力虽然不再增加,但变形仍在进行。这时若卸去载荷,则试样的变形不能全部恢复,将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。s 点是材料从弹性状态过渡到塑性状态的临界点,它所对应的应力为材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值,称为屈服极限或屈服强度,用σs(Rel)表示(单位为 MPa):
式中 Fs——对应于 s 点的外力,N;
S0——试样的原始截面积,m2。
由于很多材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点,无法确定屈服极限,因此规定试样产生 0.2% 塑性变形时的应力值为该材料的屈服极限,称为条件屈服极限,以σ0.2表示:
式中 F0.2——产生 0.2% 残余伸长量的载荷,N。
F0.2的确定方法是:首先在拉伸图上截取d=0.2%L0,过A点做平行于拉伸曲线弹性变形阶段的平行线与拉伸曲线交于 s 点,再过交点 s 作水平线,与F轴的交点即为F0.2。
工程中大多数零件都是在弹性范围内工作的,如果产生过量塑性变形就会使零件失效,所以屈服强度是零件设计和选材的主要依据之一。
(3)抗拉强度。
试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力,即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积,以σb(Rm)表示(单位为 MPa):
式中 Fb——试样所能承受的最大载荷,N。
抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力,表征材料在拉伸条件下,所能承受的最大载荷的应力值,它是设计和选材的主要依据之一。因为有些材料几乎没有塑性,或塑性很低,因此σb就是这类材料的主要选材设计指标。
2)塑性
断裂前材料发生塑性变形的能力称为塑性。塑性以材料断裂后塑性变形的大小来表示。拉伸时用延伸率δ(A)和断面收缩率ψ(Z)表示,两者均无量纲。
① 延伸率δ(A)表示试样拉伸断裂后的相对伸长量,其计算公式为
式中 L0——拉伸试样原始标距长度,mm;
Lk——拉伸试样拉断后的标距长度,mm。
② 断面收缩率ψ(Z)表示试样断裂后截面的相对收缩量,其计算公式为
式中 S0——拉伸试样原始截面面积,m2;
Sk——拉伸试样拉断处的截面面积,m2。
3)硬度
硬度是衡量材料软硬程度的指标,表征材料抵抗比其更硬的物体压入或刻画的能力。因为硬度的测定总是在试样的表面上进行,所以硬度也可以看做是材料表面抵抗变形的能力。
硬度是材料力学性能的一个重要指标,材料制成的半成品和成品的质量检验中,硬度是标志产品质量的重要依据。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
(1)布氏硬度。
用一定的载荷F,将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面(图 1.4),保持一定时间后卸除载荷,载荷与压痕表面积S的比值称为布氏硬度值,用 HB 表示。
布氏硬度的单位为 N/mm2,但一般都不标出,硬度值越高,表明材料越硬。
采用布氏硬度试验的优点是压痕面积大,不受微小不均匀硬度的影响,试验数据稳定,重复性好,但不适用于成品零件和薄壁器件的硬度检验。
硬度的表示方法:压头为淬火钢球时用 HBS,适用于布氏硬度值在 450 以下的材料;压头为硬质合金球时用 HBW,适用于布氏硬度值在 650 以下的材料。硬度值写在符号 HBS 或 HBW 之前,符号之后按下列顺序用数值表示试验条件:球体直径(mm),试验力(N),力保持时间(s),如 120HBS 10/1000/30。
(2)洛氏硬度。
在先后两次施加载荷(初载荷F0及总载荷F)的条件下,将标准压头(常为顶角为 120° 的金刚石圆锥)压入试样表面,然后根据压痕的深度来确定试样的硬度。
根据压头和压力的不同,洛氏硬度用 HRA、HRB、HRC 三种不同符号表示,最常用的是 HRC。它们的数值直接可以从硬度试验机仪表盘上的指示针位置读出。
洛氏硬度的测定操作迅速、简便,压痕面积小,适用于成品检验,硬度范围广,但由于接触面积小,当硬度不均匀时,数值波动较大,需多打几个点取平均值。必须注意,不同方法、级别测定的硬度值无可比性,只有查表转换成同一级别后,才能比较硬度值的高低。