热处理知识之金属材料的机械性能

发布者：落霞秋水 2024-5-23 12:18

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金属材料有两类性能，使用性能和工艺性能。

机械男——浅谈金属热处理原理

使用性能包括机械（力学）性能，物力性能，化学性能。

工艺性能包括各种在制造加工中的特性。作为设计人员，接触较多的是使用性能，作为制造人员，接触更多的则是工艺性能。当然，这并不是说设计人员不应关注使用性能。例如，你设计一个铸件，结构复杂，局部纤细或者很薄，这种情况下，你就不能选择流动性不佳的材料。同样，考虑的加工，在设计过程中，也需要考虑各种工艺的先后结合次序，更甚者，你需要了解和计算相应的变形量或者基体量。比如调制X70钢，你就需要计算淬透层厚度，然后确定最终成型尺寸是否能够保证淬硬层的存在。简单想这些，继续说使用性能。虽然多数时候，设计人员用到的是机械性能，但并不排除你需要考量物理性能和化学性能的可能。比如面对工作温差大的环境，你就需要考量材料本身的热涨影响。又比如对于高蠕变材料，你就要考虑你的应用场合是否对尺寸有严格的要求。另外，对于化学性能，你则经常会在需要考虑抗腐蚀环境中严格考量。

对于材料机械性能的使用，最常用的一个图就是材料的拉伸试验图。比如下面的低碳钢拉伸图。

上图是典型的低碳钢拉伸情况。对于这个图，需要注意和理解其中的关键位置。
比如，c点为大量塑性变形的起始拉力点。b点为小塑性变形的起始的点（一般屈服强度考量点）。a点为非线性弹性变形起始点。B点为最大抗拉强度点，K点为断裂点等。针对不同的区间段，就会设计到不同的应用。
既然有低碳钢这样的塑性材料，就也有表象不同的其他材料。比如中高碳钢的拉伸曲线中屈服段就很小，因此其屈服强度是由0.2%的微塑性变形点为考量点。再比如灰口铁这样的脆性材料，几乎没有塑性变形。因此，在使用中对不同性质的材料需要有不同的考虑。这里便引入一个考量依据：屈强比。即屈服强度同抗拉强度的比值。这个值越高，材料的有效利用率就越高。但是对于个别场合，这个值又不能太高。比如建筑用钢材，你就必须留有足够小的屈强比，其原因就是保证当发生问题是，材料会先屈服，不会立刻断裂，给建中的人们以足够的时间逃离。
插点知识点。
１、关于延伸率。延伸率的大小与试样尺寸有关。为了便于比较，根据标准个固定，试验长度一般为其直径的５倍和10倍。而断面收缩率则与尺寸无关。
2、材料的断面有两种形式，即韧断与脆断。韧断时，断口有塑性变形，比如低碳钢呈星杯锥状，缩径明显，心部有显微空隙，断口为纤维装，灰色无光泽。脆断断口没有塑性变形，断口平齐，有金属光泽，呈晶状或瓷状。

刚度和弹性。

刚度是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。刚度的大小由杨式模量E代表。记得之前坛子里有很多关于刚度和硬度的询问帖。呵呵。其实那些误解都是对材料本身性质理解混乱造成的。不过这里先不说了，下面说道硬度的时候再详细叙述。

关于冲击韧性ak。冲击韧性是冲击破坏所消耗的功同试样断口截面积的比值，单位是焦耳/平方厘米。冲击韧性是判断材料抵抗冲击载荷能力的重要标准。影响材料冲击韧性的因素有很多，如材料的显微组织和化学成分，温度，表面质量等。其中，温度上更有需要注意的部分，即材料的冷脆性。

再有就是硬度。

硬度是金属表面抵抗外物压入得能力。硬度不是单纯的物理量纲，而是反映弹性、强度、与塑性等的综合性能指标。于是，这里就可以讨论前面提到的硬度和刚度的问题了。硬度与弹性相关，但却不是简单的对应。其实可以这么理解，当一种材料确定后，其刚度（弹性）就是一定的了。这种一定性决定了在弹性变形范畴内，你施加的力和变形量一定是一个固定的常量，即E。如果用前面的材料拉伸曲线来说明的话，就是0a段的斜率是固定的。无论你如何提高a点的值，这个斜率不会在变化，也就是刚度一定。当然，这里说的刚度一定是有前提的，即材料的形状尺寸是固定的。于是，在这种情况下，你可以做表面淬火，提高表面硬度，等于提高了a点的值，但却并不改变0a段的斜率。这样来看就很直观了。
继续说硬度，说硬度的几种试验测定。
1、布氏硬度。
布氏硬度以直径为D的钢球测试在压力P 下压入金属表面后其压痕直径的大小，已此判定硬度的高低。对于D和P，对于钢铁来说，P=30D^2。常用钢球直径为10/5/2.5毫米。P值为3000/750/187.5kg。对于有色金属，P=10D^2（铜合金）或P=2.5D^2（铝或轴承合金）。